[논문]다중 무인 항공기의 협동 작업을 위한 무 충돌 비행 계획

박재병

초록
AI-Helper

본 논문에서는 3차원 공동 작업 공간에서 다중 무인항공기의 협동 작업을 위한 확장 충돌 지도 기반 무 충돌 비행 계획 기법을 제안한다. 먼저 무인항공기는 회전과 같은 3차원 움직임을 고려해 구로 모델링하였다. 공동 작업 영역에 진입 후 진출할 때까지 무인 항공기는 직선 경로를 따라 이동하고 모든 무인 항공기의 우선순위는 미리 정해져 있다고 가정한다. 가정에 따라 3차원에서 정의된 구와 구 사이의 충돌 검출 문제를 2차원에서 정의된 원과 직선 사이의 충돌 검출 문제로 축소할 수 있다. 원과 직선 사이의 충돌영역은 계산의 편의성과 안전성을 위해 충돌사각형으로 근사화 하였다. 이렇게 정의된 충돌사각형을 이용하여 무인 항공기들 간의 충돌을 회피할 수 있도록 각 무인 항공기의 공동 작업 공간 진입 시간을 조율한다. 이와 같은 방법으로 모든 무인 항공기는 공동 작업 공간에 진입해서 진출할 때까지 서로 간에 충돌 없이 이동 할 수 있게 된다. 제안된 무충돌 비행 계획의 효율성을 증명하기 위해 12대의 무인 항공기를 이용한 시뮬레이션을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The collision-free flight planning method based on the extended collision map is proposed for cooperation of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) in a common 3-dimensional workspace. First, a UAV is modeled as a sphere, taking its 3-D motions such as rolling into consideration. We assume that af...

The collision-free flight planning method based on the extended collision map is proposed for cooperation of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) in a common 3-dimensional workspace. First, a UAV is modeled as a sphere, taking its 3-D motions such as rolling into consideration. We assume that after entering the common workspace, the UAVs move along their straight paths until they depart from the workspace, and that the priorities of the UAVs are determined in advance. According to the assumptions, the collision detection problem between two spheres in $R^3$ can be reduced into the collision detection problem between a circle and a line in $R^2$. For convenience' sake and safety, the collision regions are approximated by collision boxes. Using the collision boxes, the entrance times of the UAVs are scheduled for collision avoidance among the UAVs. By this way, all UAVs can move in the common workspace without collisions with one another. For verifying the effectiveness of the proposed flight planning method, the simulation with 12 UAVs is carried out.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 이 값들을 구하는 문제는 시간에 따라 움직이는 구와 직선 사이의 방정식을 풀어야 하기 때문에 계산적 접근방법을 이용하지 않고 직접 계산하기가 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 이 문제를 2차원 공간의 원과 직선 사이의 문제로 축소하여 충돌 상자를 구하는 방법을 제안한다.
다중 무인 항공기를 이용한 특정 영역의 정찰, 감시 임무의 경우 이를 효율적으로 완수하기 위한 최적경로 및 속도는 항공기의 이동 성능이나 부착된 센서 특성을 고려하여 미리 결정할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 최적경로 생성에 대한 문제는 다루지 않고 임무를 완수하기 위한 최적경로가 주어진 상태에서 무인 항공기간 충돌 회피 문제를 다룬다. 이를 위해 먼저 다음과 같이 2가지를 가정한다.
본 논문에서는 확장 충돌 지도 개념을 3차원 무인 항공기의 협동 작업에 확장하여 공동 작업 영역에서 충돌 없이 정찰, 탐사 등의 작업을 할 수 있는 기법을 제안하였다. 기존의 반복적 계산 방법에 의한 충돌 상자 계산을 기하학적 변환을 통해 수학적으로 직접 계산하였다.
이 때 가정에 의해 모든 무인 항공기의 경로 및 속도가 정해져 있기 때문에 다중 무인 항공기 충돌 회피 문제를 공동 작업 영역 진입 시간 조율 문제로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 확장 충돌 지도 개념을 이용하여 무인 항공기의 공동 작업 영역 진입 시간을 결정한다.
본 논문에서는 확장 충돌 지도를 이용하여 3차원 다중 무인 항공기에 대한 충돌 회피 기법을 제안한다. 원래 충돌 지도 개념은 2대의 매니퓰레이터의 협동 작업을 위한 충돌 회피를 위해 제안되었다^[6].

가설 설정

본 논문에서는 충돌 검출을 위해 계산적 접근 방법이 아닌 기하학적 접근을 이용한다. 이를 위해 먼저 모든 무인항공기의 우선순위는 미리 정해져 있으며, 공동 작업 영역 내에서는 직선 경로를 통해 일정한 속도로 이동한다고 가정한다. 이 가정에 의해 3차원 공간에서의 충돌 검출 문제를 2차원 공간의 충돌 검출 문제로 축소할 수 있다.

제안 방법

3차원 공간에서 이동하는 무인 항공기는 직선 경로를 따라 이동한다고 해도 경로 상에서 회전이 가능하기 때문에 본 논문에서는 구로 모델 링하였다. 반지름이 R₁과 R₂인 구로 모델링 된 2대의 무인 항공기 UAV₁과 UAV₂는 그림 2와 같이 R_1,2 (=R₁+R₂)를 반지름으로 갖는 하나의 구와 점으로 바꿔서 생각할 수 있다.
본 논문에서는 확장 충돌 지도 개념을 3차원 무인 항공기의 협동 작업에 확장하여 공동 작업 영역에서 충돌 없이 정찰, 탐사 등의 작업을 할 수 있는 기법을 제안하였다. 기존의 반복적 계산 방법에 의한 충돌 상자 계산을 기하학적 변환을 통해 수학적으로 직접 계산하였다. 즉, 시간에 따라 움직이는 3차원 구와 구 사이의 충돌 문제를 고정 원과 움직이는 직선 사이의 충돌 문제로 정의하여 문제를 해결하였다.
이 때 L₂가 CR_1,2를 지나게 되므로 UAV₁과 UAV₂는 충돌이 발생하게 된다. 본 논문에서는 충돌 검출 시간의 단축을 위해 충돌영역 CR_1,2를 충돌 상자 CB_1,2로 근사화 하였다. 그 결과 충돌 회피를 위해서는 L₂를 CB_1,2와 교차하지 않도록 L₂'까지 양의 시간 축 방향으로 Δt₂만큼 평행이동 시키면 된다.
하지만 계산적 접근 방법을 이용할 경우 이동 경로를 이산화 하여 모든 점들에 대한 충돌을 검출하게 되므로 로봇 개체의 수가 증가할수록 계산양이 기하급수적으로 많아지고 이산화 정도에 따라 해상도의 저하를 가져올 수 있다. 본 논문에서는 충돌 검출을 위해 계산적 접근 방법이 아닌 기하학적 접근을 이용한다. 이를 위해 먼저 모든 무인항공기의 우선순위는 미리 정해져 있으며, 공동 작업 영역 내에서는 직선 경로를 통해 일정한 속도로 이동한다고 가정한다.
II장에서는 공동 작업 영역에서 협동 작업을 수행하는 다중 무인 항공기 충돌 문제를 정의하고 확장 충돌 지도 개념을 3차원에 적용하였다. 이 때 기하학적 접근 방법을 이용해 3차원 문제를 2차원으로 문제를 축소하는 방법을 제안하였다. III장에서는 12대의 무인 항공기를 이용한 모의실험을 통해 제안한 기법의 효율성을 보이고 IV장에서 결론을 맺는다.
기존의 반복적 계산 방법에 의한 충돌 상자 계산을 기하학적 변환을 통해 수학적으로 직접 계산하였다. 즉, 시간에 따라 움직이는 3차원 구와 구 사이의 충돌 문제를 고정 원과 움직이는 직선 사이의 충돌 문제로 정의하여 문제를 해결하였다. 제안한 기법의 효 율성을 증명하기 위해 12대의 무인 항공기에 대한 모의실험을 수행한 결과 모든 무인 항공기의 충돌을 회피할 수 있는 진입 지연 시간을 구할 수 있었다.

성능/효과

나머지 무인 항공기는 충돌이 발생 하지 않아 진입 시간 조율이 필요 없었다. 시간 지연 조율 결과 무인 항공기 사이의 거리는 그림 10과 같이 모두 양수가 되어 충돌 발생 없이 공동 작업 영역을 통과 하는 것을 확인 할 수 있다.
즉, 시간에 따라 움직이는 3차원 구와 구 사이의 충돌 문제를 고정 원과 움직이는 직선 사이의 충돌 문제로 정의하여 문제를 해결하였다. 제안한 기법의 효 율성을 증명하기 위해 12대의 무인 항공기에 대한 모의실험을 수행한 결과 모든 무인 항공기의 충돌을 회피할 수 있는 진입 지연 시간을 구할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 방법은 무인 항공기뿐만 아니라 공동 작업 영역에서 작업하는 무인 잠수정 등에도 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

제안한 기법의 효 율성을 증명하기 위해 12대의 무인 항공기에 대한 모의실험을 수행한 결과 모든 무인 항공기의 충돌을 회피할 수 있는 진입 지연 시간을 구할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 방법은 무인 항공기뿐만 아니라 공동 작업 영역에서 작업하는 무인 잠수정 등에도 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인 항공기의 응용분야는?	최근 무인 항공기의 응용분야가 정찰, 감시, 전투 등을 위한 군사용에서부터 농약 살포 등을 위한 농업용에 이르기까지 매우 광범위해지면서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대부분의 무인 항공기 임무는 넓은 작업 공간에서 수행되기 때문에 다수의 무인 항공기의 협동 작업을 통해 작업의 효율성을 높일 수 있다.
	충돌 지도가 3차원으로 직접적 화장이 가능한 이유는?	그 후 다중 이동로봇의 충돌 회피 문제를 해결하기 위해 확장 충돌지도 개념이 제안 되었다[7]. 충돌 지도의 경우 충돌 검출시 계산적 접근 방법을 이용해왔기 때문에 3차원에도 2차원과 동일한 방법을 적용하여 충돌 검출이 가능 하다. 즉, 3차원으로 직접적인 확장이 가능하다.
	다중 무인 항공기의 협동 작업을 통해 미지의 영열을 탐색하는 기법의 문제점은?	[1]과[2]에서는 다중 무인 항공기의 협동 작업을 통해 미지의 영역을 탐색하는 기법을 제안하였다. 하지만 이 경우 공동 작업 공간 내에서 다수의 무인 항공기가 비행하기 때문에 서로간의 충돌이 발생할 위험이 매우 커짐에도 불구하고 무인 항공기 간의 충돌을 고려하지 않았다. 충돌이 발생할 경우 고가의 무인 항공기의 파손으로 인한 경제적 손실뿐만 아니라 주어진 임무의 실패라는 심각한 문제가 발생하게 된다.

참고문헌 (7)

P. B. Sujit, R. Beard, "Cooperative path planning for multiple UAVs exploring and Unknown Region," in Proc. of American Control Conference, pp.347-352, New York City, USA, July 2007.
H. Peng, F. Su, Y. Bu, G. Zhang, L. Shen, "Cooperative area search for multiple UAVs based on RRT and decentralized receding horizon optimization," in Proc. of Asian Control Conference, pp.298-303, Hong Kong, China, August 2009.
이종호, 김동원 "퍼지시스템과 포텐셜 필드를 이용한 다중 이동로봇의 충돌회피 최적경로 연구," 전자공학회 논문지, 제47권 IE편, 제2호, 66-72쪽, 2010년 6월
한수철, 방효충, "비례항법을 이용한 무인 항공기의 최적 충돌 회피 기동," 제어.자동화.시스템공학논문지, 제10권 제11호, 1065-1070쪽, 2004년 11월

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J. W. Park, H. D. Oh, M. J. Tahk, "UAV collision avoidance based on geometric approach," in Proc. of SICE Annual Conference, pp.2122-2126, Japan, August 2008.
B. H. Lee, C. S. G. Lee, "Collision-free motion planning of two robots," IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybernetics, Vol.17, No.2, pp.21-32, January 1987.

상세보기
S. H. Ji, J. S. Choi, B. H. Lee, "A computational interactive approach to multi-agent motion planning," International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol.5, No.3, pp.295-306, June 2007.

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