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대공위협에 대한 무인기 생존성 최대화 경로점 결정기법
Determination of Waypoints to Maximize the Survivability of UAV against Anti-air Threats 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.2, 2014년, pp.127 - 133  

박상혁 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  홍주현 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  하현종 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  유창경 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  신원영 (Agency for Defense Development)

초록
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본 논문은 무인기의 생존성을 최대화하기 위한 경로점을 결정하는 기법을 제안한다. 본 논문에서 초기 경로점을 선정하기 위해 사용된 Voronoi diagram은 위협의 위치와 크기가 주어져 있을 때, 위협으로부터 최대한 멀리 피해서 가는 경로를 계획하는데 많이 이용되고 있는 기법이다. 하지만 위협의 크기가 서로 다르고, 비행경로가 직선경로로 계획되어야 한다면 실제 경로 계획 시 Voronoi diagram으로는 한계가 있다. 본 논문에서는 Voronoi diagram을 통해 선정한 초기 경로점을 위협의 형태에 맞춰 최적화를 수행하는 방식을 적용하였다. 각 경로점의 인접한 경로점들을 고정시킨 상태에서 경로점을 하나씩 최적화를 수행하는 방식으로 최적화를 수행하였다. 이 방식은 전체 경로점들이 수렴할 때 까지 국소최적화를 반복함으로써, 최적의 경로점을 찾기 위해 소요되는 연산시간을 크게 감소시켰다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a determination method of waypoints to maximize the survivability of a UAV. Voronoi diagram which is used for the initial selection of waypoint candidates is the most widely used path planning technique to avoid the threat as far as possible when the location and strength of the ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 여기서 최적화 연산시간은 위협의 개수뿐만이 아니라 위협 범위의 크기와 같은 문제 설정 등에 의해서도 영향을 받으므로 절대적인 값은 아니다. 단지 두 방법을 비교하여 연산시간의 단축 효과에 대해서 확인하고자 하였다.
  • 경로점의 수가 많을수록 연결은 복잡해지고 최적화를 수행하는 순서에 따라서 수렴결과가 달라질 수 있다. 따라서 다양한 순서에 따른 수렴 결과를 확인하였다. 경로점이 26개 존재하는 경우 26!개의 최적화 순서가 존재한다.
  • 이에 본 논문에서는 Voronoi diagram을 통하여 초기 경로점을 선정하고, 다양한 위협의 형태에 적용하기 위하여 최적화를 적용하였다. 또한 전체 경로점에 대해 최적화를 수행 할 시 발생하는 연산시간 문제를 해결하기 위하여 초기 산출된 경로점의 위치를 순차적으로 최적화하는 방법을 제안한다.
  • 본 논문에서는 무인비행체의 생존성을 최대화하기 위한 경로점 결정기법을 제안하였다. 위협을 회피하는 비행경로를 산출하기 위하여 Voronoi diagram을 사용하였다.
  • 본 논문에서는 안전한 지역에서 발사된 무인 비행체가 적지에 침투하여 위협을 회피하며 목표점에 도달하기까지의 생존율을 극대화하는 경로를 계획하고자 한다. 이때 각 위협들은 그 위치가 알려져 있고, 각 위협들로 부터의 피격율이 알려져 있는 것으로 가정하였다.
  • 연산시간의 증가는 최적화 알고리듬을 실시간 경로계획에 사용하기 어렵게 만든다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 경로점을 개별적으로 최적화하는 방안을 제시하였다. 제안한 방안으로 얻은 최적화 결과를 통해 성능지수에서 다소 손해를 보더라도 연산시간에서 크게 이득을 볼 수 있음을 확인하였다.
  • 이에 본 논문에서는 Voronoi diagram을 통하여 초기 경로점을 선정하고, 다양한 위협의 형태에 적용하기 위하여 최적화를 적용하였다. 또한 전체 경로점에 대해 최적화를 수행 할 시 발생하는 연산시간 문제를 해결하기 위하여 초기 산출된 경로점의 위치를 순차적으로 최적화하는 방법을 제안한다.

가설 설정

  • 이때 각 위협들은 그 위치가 알려져 있고, 각 위협들로 부터의 피격율이 알려져 있는 것으로 가정하였다. 또한 계획되는 경로는 직선으로 이루어져야 한다고 가정하였다.
  • 본 논문에서는 안전한 지역에서 발사된 무인 비행체가 적지에 침투하여 위협을 회피하며 목표점에 도달하기까지의 생존율을 극대화하는 경로를 계획하고자 한다. 이때 각 위협들은 그 위치가 알려져 있고, 각 위협들로 부터의 피격율이 알려져 있는 것으로 가정하였다. 또한 계획되는 경로는 직선으로 이루어져야 한다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위협의 크기가 다른 문제에 대한 경로점 결정 연구에는 무엇이 있는가? 위협의 크기가 다른 문제에 대한 경로점 결정 연구도 다수 수행되어 왔다. 위협을 원으로 가정하고 각각의 반경을 달리한 후 위협의 경계들 사이 거리를 등분하는 원집합의 Voronoi diagram[4]이나, 위협 사이의 유클리디안 거리에 가중치가 부여된 임의의 공간 거리를 이용하여 등분하는 Multiplicatively weighted voronoi diagram[5] 등이 대표적이다. 또한 각 경로점에 가중치를 달리 부여하여 두 경로점 사이의 내분점이 이등분점이 아니도록 하는 Improved Voronoi diagram[6]도 있다.
Voronoi diagram이란? 본 논문은 무인기의 생존성을 최대화하기 위한 경로점을 결정하는 기법을 제안한다. 본 논문에서 초기 경로점을 선정하기 위해 사용된 Voronoi diagram은 위협의 위치와 크기가 주어져 있을 때, 위협으로부터 최대한 멀리 피해서 가는 경로를 계획하는데 많이 이용되고 있는 기법이다. 하지만 위협의 크기가 서로 다르고, 비행경로가 직선경로로 계획되어야 한다면 실제 경로 계획 시 Voronoi diagram으로는 한계가 있다.
무인비행체를 출발점에서 목표점까지 이동시킬 수 있는 경로점의 결정은 언제 이루어져야 하는가? 따라서 무인비행체의 운용을 위해서는 출발점에서 목표점까지 비행체를 이동시킬 수 있는 경로점의 결정이 이루어져야 한다. 이러한 경로점의 결정은 최종목표 달성을 최우선으로 하는 가장 효율적인 경로를 계획하기 위하여 비행체가 비행을 시작하기 전에 이루어진다.
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참고문헌 (8)

  1. Novy, M. C., Jacques, D. R. and Pachter, M., "Air vehicle optimal trajectories between two radars," American Control Conference, Vol. 1, 2002, pp.785-790. 

  2. Hammouri, O. M. and Matalgah, M. M., "Voronoi path planning technique for recovering communication in UAVs," Proceedings of the 2008 IEEE/ACS International Conference on Computer Systems and Applications, 2008, pp.403-406. 

  3. Judd, K. B. and McLain, T. W., "Spline based path planning for unmanned air vehicles," AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Montreal, Canada, 2001. 

  4. Lim, K., Park, S. and Shin, H., "Dynamic Construction of the Voronoi Diagram for the Circle set," Proceedings of the Society of CAD/CAM Conference, 2007. 

  5. Mu, L., "Polygon characterization with the multiplicatively weighted Voronoi diagram," The Professional Geographer, Vol. 56, No. 2, 2004, pp.223-239. 

  6. Xiao, Q., Gao, X., Fu, X. and Wang, H., "New local path replanning algorithm for unmanned combat air vehicle," Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation, 2006, pp.4033-4037. 

  7. Gutin, G. and Punnen, A. P., The traveling salesman problem and its variations, Springer, 2007. 

  8. Cormen, T. H., Leiserson, C. E., Rivest, R. L. and Stein, C., Introduction to Algorithms, 2nd, McGraw-Hill Book, 2001. 

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