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혼합정수 선형계획법과 유전 알고리듬을 이용한 다수 무인항공기 임무할당
Task Assignment of Multiple UAVs using MILP and GA 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.5, 2010년, pp.427 - 436  

최현진 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ,  서중보 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ,  김유단 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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본 논문은 다수의 목표물과 다수의 임무가 존재하는 상황에서의 다수 무인항공기의 임무할당 문제를 다룬다. 다수 무인항공기의 임무할당 문제는 순회 세일즈맨 문제, 차량 라우팅 문제와 같은 조합최적화 문제의 일종으로 NP-hard의 계산 복잡도를 가지고 있다. 이런 성격의 문제는 문제의 크기가 커질수록 계산시간이 급격히 증가하는 특징을 지니기 때문에 문제를 효율적으로 풀기 위해서 근사화 방법 또는 발견적인 방법을 사용한다. 본 연구에서는 임무할당 문제를 혼합정수 선형계획 문제로 정식화하고, 혼합정수 선형계획법유전 알고리듬으로 해를 구하였다. 다수의 목표물, 다수의 임무, 장애물이 존재하는 환경에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 방법의 최적성과 효율성에 대해 검토하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with a task assignment problem of multiple UAVs performing multiple tasks on multiple targets. The task assignment problem of multiple UAVs is a kind of combinatorial optimization problems such as traveling salesman problem or vehicle routing problem, and it has NP-hard computationa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 다수의 목표물, 다수의 임무, 그리고 장애물이 존재하는 상황에서의 다수 무인항공기의 집중형 임무할당 문제를 혼합정수 선형 계획법과 유전 알고리듬을 사용하여 풀고 두 기법의 효율성과 최적성을 분석하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
  • 다수의 목표물, 다수의 임무가 존재하는 상황에서의 다수 무인항공기 임무할당 문제는 조합최적화 문제의 한 종류로 이러한 문제를 효과적으로 풀기 위해서는 계산의 복잡도 측면을 고려해야 한다. 본 논문에서는 혼합정수 선형계획법과 유전 알고리듬을 이용하여 계산 복잡도 측면을 고려한 시나리오에 대해 임무할당 문제를 구성하고 해를 구하였다.
  • 일반적으로 다수 무인항공기의 비행시간에 관련된 성능지수는 가장 오래 비행한 무인항공기의 비행시간을 줄이거나 개별 무인항공기의 비행시간의 합을 줄이도록 선택할 수 있다[11]. 본 연구에서는 개별 무인항공기의 비행시간을 줄이면서 무인항공기 그룹의 비행시간을 줄일 수 있도록 개별 무인항공기의 임무 수행시간의 총 합을 예측해야 할 비용으로 설정하였다.
  • 염색체의 표현방법으로는 이진수 표현, 그레이 (Gray) 표현방법에서부터 k-진수 표현, 실수 또는 정수 표현, 다차원 표현 등에 이르기까지 다양한 표현법이 존재한다. 본 연구에서는 무인항공기의 임무할당을 표현하기 위해 자연수의 배열로 염색체를 표현하였다. 즉, Fig.

가설 설정

  • 4. 무인항공기의 최대 임무수행 횟수는 제한이 없다고 가정한다.
  • 5. 무인항공기 사이의 충돌은 없다고 가정한다.
  • 무인항공기의 속도는 일정하다고 가정하여, 총 이동거리를 속도로 나누어 임무 수행시간을 계산하였다. 비용예측 시에는 임무할당 결과를 알 수 없기 때문에 노드와 노드사이의 비용을 선형 조합하여 전체 할당된 비용을 예측하였다.
  • 임무수행 지역에는 3대의 동종의 무인항공기와 6개의 목표물이 존재하고, 무인항공기는 25m/s의 일정한 속도로 비행하며, 최소 회전반경은 100m로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다수 무인항공기의 임무할당 문제는 어떤 방법을 사용한 연구가 수행되었는가? 다수 무인항공기의 임무할당 문제는 계산복잡도 관점에서 문제를 이해할 수 있다. 이에 대한 연구로 크게 혼합정수 선형계획법(MILP, Mixed Integer Linear Programming) 또는 메타-휴리스틱(Meta-heuristic) 방법 등을 사용해 왔다. 혼합 정수 선형계획법으로는 다수의 목표물과 단일 임무, 장애물이 존재하는 상황에 대한 임무할당[5], 타이밍 제한조건이 존재하는 경우의 임무할당[6,7] 등의 연구가 수행되었고, 메타 휴리스틱 방법으로는 개체 군집 최적화 알고리듬[8], 트리 서치 알고리듬[9], 유전 알고리듬(GA, Genetic Algorithm)[10-12] 둥의 방법을 사용한 연구가 수행되었다.
혼합 정수 선형계획법으로는 어떤 연구가 수행되었는가? 이에 대한 연구로 크게 혼합정수 선형계획법(MILP, Mixed Integer Linear Programming) 또는 메타-휴리스틱(Meta-heuristic) 방법 등을 사용해 왔다. 혼합 정수 선형계획법으로는 다수의 목표물과 단일 임무, 장애물이 존재하는 상황에 대한 임무할당[5], 타이밍 제한조건이 존재하는 경우의 임무할당[6,7] 등의 연구가 수행되었고, 메타 휴리스틱 방법으로는 개체 군집 최적화 알고리듬[8], 트리 서치 알고리듬[9], 유전 알고리듬(GA, Genetic Algorithm)[10-12] 둥의 방법을 사용한 연구가 수행되었다.
다수의 무인항공기를 이용하는 것의 장점은 무엇인가? SEAD (Suppression of Enemy Air Defence)와 같은 군사적 임무수행에 다수의 무인항공기를 활용하려는 연구가 하나의 예이다. 다수의 무인항공기를 이용하면 단일 무인항공기에 비해 복잡한 임무를 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다[1,2].
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참고문헌 (14)

  1. R. M. Murray, “Recent Research inCooperative Control of Multivehicle Systems”,Journal of Dynamic Systems, Measurement, andControl, Vol. 129, No. 5, 2007, pp. 571-583. 

  2. F. Giulietti, L. Pollini, and M. Innocenti,"Autonomous Formation Flight”, IEEE ControlSystems Magazine, Vol. 20, No. 6, 2000, pp34-44. 

  3. C. H. Papadimitriou, and K. Steiglitz,Combinatorial Optimization: Algorithms andComplexity, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ,1982. 

  4. T. H. Cormen, C. E. Leiserson, R. L.Rivest, and C. Stein, Introduction to Algorithms,2nd Ed., MIT Press, Cambridge, MA, 2001. 

  5. A. Richards, J. Bellingham, M. Tillerson,and J. P. How, “Coordination and Control ofMultiple UAVs”, AIAA Guidance, Navigation, andControl Conference, Monterey, CA, Aug. 2002. 

  6. C. Schumacher, P. Chandler, M. Pachter,and L. Pachter, “Constrained Optimization forUAV Task Assignment”, AIAA Guidance,Navigation, and Control Conference, Providence,RI, Aug. 2004. 

  7. M. Alighanbari, Y. Kuwata, and J. P. How, "Coordination and Control of Multiple UAVs with Timing Constraints and Loitering”, American Control Conference, Denver, CO, June 2003. 

  8. A. Salman, I. Ahmad, and S. Al-Madani “,Particle Swarm Optimization for TaskAssignment Problem”, Microprocessors andMicrosystems, Vol. 26, No. 8, 2002, pp. 363-371. 

  9. S. J. Rasmussen, and T. Shima, “Tree Search Algorithm for Assigning Cooperating UAVs to Multiple Tasks”, International Journal of Robust Nonlinear Control, Vol. 18, No. 2, 2007, pp. 135-153. 

  10. J. Y. Protvin, “Genetic Algorithms for the Travelling Salesman Problem”, Annals of Operations Research, Vol. 63, No. 3, 1996, pp. 339-370. 

  11. T. Shima, S. J. Rasmussen, A. G. Sparks,and K. M. Passino, “Multiple TaskAssignments for Cooperating UninhabitedAerial Vehicles using Genetic Algorithms”,Computers & Operation Research, Vol. 33, No.11, 2006, pp. 3252-3269. 

  12. Y. Eun, and H. Bang, “Cooperative TaskAssignment/Path Planning of MultipleUnmanned Aerial Vehicles Using GeneticAlgorithms”, Journal of Aircraft, Vol. 46, No. 1,2009, pp. 338-343. 

  13. H. Alt, and E. Welzl. "Visibility Graphs and Obstacle-Avoiding Shortest Paths”, Mathematical Methods of Operations Research, Vol. 32, No. 3-4, 1988, pp. 145-164. 

  14. 문병로, 쉽게 배우는 유전 알고리즘 진화적 접근법, 한빛미디어, 2008. 

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