뛰어난 기동성으로 인한 최근 쿼드로터에 대한 관심의 증대는 다양한 형태의 멀티로터 비행체의 개발 및 상용화를 이끌었으며, 레져용으로 사용자들이 쉽게 사용할 수 있는 다양한 쿼드로터 제품들이 등장하고 있다. 이 중에서 최근 Parrot사에서 제작한 AR.Drone은 사용자를 위한 내부 안정화 루프를 탑재하고 있기 때문에 초보자들도 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 이러한 AR.Drone의 시스템을 이용하면 다양한 형태의 다수 무인기 시스템을 쉽게 구축할 수 있다. 이러한 특성을 바탕으로 한국항공우주연구원에서는 다수의 AR.Drone을 이용한 실내 군집비행 연구를 진행 중에 있다. 이러한 다수의 무인비행체를 이용한 실내 군집비행을 위해서는 개개의 비행체에 대한 위치제어 및 서로간의 충돌을 방지하기 위한 알고리즘이 필요하다. 이를 위해서 본 논문에서는 다수의 실내 무인기의 원활한 기동을 위해 개발한 충돌회피 기동 제어기를 소개하고자 한다.
뛰어난 기동성으로 인한 최근 쿼드로터에 대한 관심의 증대는 다양한 형태의 멀티로터 비행체의 개발 및 상용화를 이끌었으며, 레져용으로 사용자들이 쉽게 사용할 수 있는 다양한 쿼드로터 제품들이 등장하고 있다. 이 중에서 최근 Parrot사에서 제작한 AR.Drone은 사용자를 위한 내부 안정화 루프를 탑재하고 있기 때문에 초보자들도 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 이러한 AR.Drone의 시스템을 이용하면 다양한 형태의 다수 무인기 시스템을 쉽게 구축할 수 있다. 이러한 특성을 바탕으로 한국항공우주연구원에서는 다수의 AR.Drone을 이용한 실내 군집비행 연구를 진행 중에 있다. 이러한 다수의 무인비행체를 이용한 실내 군집비행을 위해서는 개개의 비행체에 대한 위치제어 및 서로간의 충돌을 방지하기 위한 알고리즘이 필요하다. 이를 위해서 본 논문에서는 다수의 실내 무인기의 원활한 기동을 위해 개발한 충돌회피 기동 제어기를 소개하고자 한다.
With increasing of interest in quad-rotor which has excellent maneuverability recently, a various types of multi-rotor aircraft was developed and commercialized, and there are many kinds of leisure products to be easily operated. In these products, the AR.Drone manufactured by Parrot has an advantag...
With increasing of interest in quad-rotor which has excellent maneuverability recently, a various types of multi-rotor aircraft was developed and commercialized, and there are many kinds of leisure products to be easily operated. In these products, the AR.Drone manufactured by Parrot has an advantage that it is easily operated by user due to the its internal stabilization loop in the on-board computer. Thus it is possible to design the unmanned UAV system easily by using this AR.Drone and its inner loop for the stabilization. For this advantage, KARI(Korea Aerospace Research Institute) has been developing the indoor swarming flight system by using multiple AR.Drones. For this indoor swarming flight, it is necessary that not only the position controller for each AR.Drone, but also the collision avoidance algorithm. Therefore, in this paper, the collision avoidance controller is provided for the swarm flight by using these AR.Drones.
With increasing of interest in quad-rotor which has excellent maneuverability recently, a various types of multi-rotor aircraft was developed and commercialized, and there are many kinds of leisure products to be easily operated. In these products, the AR.Drone manufactured by Parrot has an advantage that it is easily operated by user due to the its internal stabilization loop in the on-board computer. Thus it is possible to design the unmanned UAV system easily by using this AR.Drone and its inner loop for the stabilization. For this advantage, KARI(Korea Aerospace Research Institute) has been developing the indoor swarming flight system by using multiple AR.Drones. For this indoor swarming flight, it is necessary that not only the position controller for each AR.Drone, but also the collision avoidance algorithm. Therefore, in this paper, the collision avoidance controller is provided for the swarm flight by using these AR.Drones.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 다수의 AR.Drone을 이용한 실내 군집비행을 위해 설계한 충돌회피 제어기에 대해 소개하고자 한다. 이러한 충돌회피 제어기를 위해 상대위치정보 기반의 포텐셜(Potential) 함수를 이용한 제어기를 설계, 적용하였으나 AR.
본 논문에서는 우선적으로 다수의 실내 무인 비행체의 위치제어를 위해 정해진 위치에 정확히 위치하기 위한 위치 추종 제어만을 고려하여 제어기를 설계하였으며, 추후 중간 경로 등을 고려한 다양한 형태의 제어기에 대해 연구하고자 한다. 위치추종 제어를 위해서는 AR.
이러한 위치제어기를 바탕으로 사용자의 실수로 인한 무인 비행체간의 충돌 및 파손을 방지하기 위한 충돌회피 기동을 위한 제어기 역시 설계하여 적용하였다. 본 절에서는 이러한 제어기에 대해 기술하고자 한다.
따라서 최종적인 제어명령은 PID 제어기에서 산출된 제어명령과 충돌회피 제어기에서 산출된 제어명령의 합으로 구성하였다. 본절에서는 이를 위한 충돌회피 제어기의 설계 및 실제 비행 테스트 결과에 대해 기술하였다.
충돌회피 제어기를 설계하기에 앞서 현재 구현된 실내 군집비행 시스템에 대한 특성을 살펴보도록 하겠다. 이를 위해서 본 절에서는 Fig.
제안 방법
실내 군집비행을 위한 지상국 시스템은 위치인식 장치인 모션캡쳐 시스템 및 각각의 AR. Drone으로부터 수신한 내부 센서 데이터들을 이용해서 제어 알고리즘을 적용하고 이를 통해 얻은 제어명령을 각각의 AR. Drone으로 송신함으로써 군집비행이 가능토록 하고 있다.
이 때 사용되는 제어기로는 고전적인 PID(비례-적분-미분) 제어기를 적용하였다. PID 제어기를 설계하기 위해서 상대적으로 발산(Divergence) 위험이 적은 PD 제어기를 먼저 설계하여 적용한 후 정상상태 오차(Steady State Error)를 줄이기 위해 적분기를 적용한 PID제어기를 최종적으로 적용하였으며, 제어이득(Gain)의 값을 설정하기 위해서 무인 비행체에 다양한 목표 위치정보를 설정하여 제어기에 의한 무인 비행체의 응답특성을 바탕으로 설정하였다.
따라서 본 논문에서는 Fig. 8과 같이 전체 제어시스템을 구성하고 사용자 명령(User Command)만을 이용해서 위치제어를 수행하는 위치추종 제어기를 설계하여 적용하고 있다. 먼저 모션 캡쳐로부터 얻어진 적외선 영상정보들이 모션 캡쳐 데이터 처리 컴퓨터에 모여져서 각각의 무인 비행체에 대한 위치 및 자세정보가 생성되면 해당 데이터가 이더넷을 통해 지상국 컴퓨터로 전송된다.
이와 같은 제어기를 설계하기 위해서 시스템의 정확한 동특성 파악이 중요하지만 다수의 실내 무인 비행체에 대한 빈번한 교체 등은 이러한 동특성 추정과정을 어렵게 한다. 따라서 본 논문에서는 외부의 위치 인식 센서로 고정밀의 모션캡쳐 시스템을 적용함으로써 사용자의 입력에 따른 무인 비행체의 움직임을 정성적으로 표현하고 이를 바탕으로 제어시스템을 설계및 적용하였다. 또한, 군집비행 과정에서의 충돌로 인한 기체의 파손을 막기 위해 상대거리 및 상대속도 벡터를 이용한 포텐셜 함수 기반의 보상형 충돌회피 알고리즘을 설계·적용하였으며, 이를 통해 다수의 실내 무인 비행체의 군집비행 과정에서의 충돌위험을 경감시켰다.
Drone의 운동관성 및 PID 제어명령에 의한 충돌이 발생하였다. 따라서 이를 해결하기 위해 상대속도 및 상대위치 정보를 기반으로 충돌회피 제어기를 설계, 적용함으로써 원할한 군집비행 임무를 수행하였다. 이에 본 논문에서는 2절에서 실내 군집비행을 위한 시스템 구성에 대해 살펴본 후, 3절에서 제어기 설계에 대해 다루고 있다.
Drone에 대해 정상적으로 작동 함을 확인하였다. 따라서 제안한 알고리즘을 N대의 AR.Drone의 운용에 활용하기 위해서 다음과 같이 충돌회피 제어기를 수정할 수 있다.
또한, 충돌회피 기동을 위한 제어기가 위치 추종을 위한 PID 제어기의 역할을 동시에 수행하는 제어기의 설계는 운동방정식의 부재로 인해 어렵기 때문에 위치 추종을 위한 PID 제어기에 충돌회피를 위한 보상제어기 개념으로 설계를 하였다. 따라서 최종적인 제어명령은 PID 제어기에서 산출된 제어명령과 충돌회피 제어기에서 산출된 제어명령의 합으로 구성하였다. 본절에서는 이를 위한 충돌회피 제어기의 설계 및 실제 비행 테스트 결과에 대해 기술하였다.
기존이 상대위치만을 고려한 포텔션 함수 기법으로는 적절한 충돌회피 제어기를 설계할 수없었다. 따라서, 본 논문에서는 Fig. 12와 같이상대 속도벡터를 이용한 예상되는 충돌위험 거리를 이용하였다. 먼저 모션 캡쳐 시스템으로부터 얻어지는 무인 비행체들의 위치정보와 속도정보를 바탕으로 충돌위험을 계산하고자 하는 두 대의 무인 비행체에 대한 상대 위치벡터 및 상대 속도벡터를 계산한다.
또한 위치추종 제어기로 인한 관성운동을 줄이기 위해 충돌회피 제어입력에 따른 위치추종 제어입력의 상대비율을 적용하여 다음과 같이 최종적인 제어기를 설계·적용하여 보았다.
따라서 본 논문에서는 외부의 위치 인식 센서로 고정밀의 모션캡쳐 시스템을 적용함으로써 사용자의 입력에 따른 무인 비행체의 움직임을 정성적으로 표현하고 이를 바탕으로 제어시스템을 설계및 적용하였다. 또한, 군집비행 과정에서의 충돌로 인한 기체의 파손을 막기 위해 상대거리 및 상대속도 벡터를 이용한 포텐셜 함수 기반의 보상형 충돌회피 알고리즘을 설계·적용하였으며, 이를 통해 다수의 실내 무인 비행체의 군집비행 과정에서의 충돌위험을 경감시켰다.
따라서 이동 중인 다수의 실내 무인비행체간의 충돌위험 경감을 위한 충돌회피 알고리즘이 요구된다. 또한, 충돌회피 기동을 위한 제어기가 위치 추종을 위한 PID 제어기의 역할을 동시에 수행하는 제어기의 설계는 운동방정식의 부재로 인해 어렵기 때문에 위치 추종을 위한 PID 제어기에 충돌회피를 위한 보상제어기 개념으로 설계를 하였다. 따라서 최종적인 제어명령은 PID 제어기에서 산출된 제어명령과 충돌회피 제어기에서 산출된 제어명령의 합으로 구성하였다.
12와 같이상대 속도벡터를 이용한 예상되는 충돌위험 거리를 이용하였다. 먼저 모션 캡쳐 시스템으로부터 얻어지는 무인 비행체들의 위치정보와 속도정보를 바탕으로 충돌위험을 계산하고자 하는 두 대의 무인 비행체에 대한 상대 위치벡터 및 상대 속도벡터를 계산한다. 이를 바탕으로 Fig.
본 논문에서는 다수의 실내 무인 비행체의 군집비행을 위한 위치추종 제어기 및 충돌에 의한파손 위험을 방지하기 위한 충돌회피 알고리즘을 설계·적용하였다.
이 때 사용되는 제어기로는 고전적인 PID(비례-적분-미분) 제어기를 적용하였다. PID 제어기를 설계하기 위해서 상대적으로 발산(Divergence) 위험이 적은 PD 제어기를 먼저 설계하여 적용한 후 정상상태 오차(Steady State Error)를 줄이기 위해 적분기를 적용한 PID제어기를 최종적으로 적용하였으며, 제어이득(Gain)의 값을 설정하기 위해서 무인 비행체에 다양한 목표 위치정보를 설정하여 제어기에 의한 무인 비행체의 응답특성을 바탕으로 설정하였다.
은 상대거리를 의미하며, 상수 a,b 는 각각 제어크기 함수의 설계 파라미터가 된다. 이들 설계 파라미터를 설정하기 위해서 Fig. 11과 같이 상대거리가 사용자가 지정한 안전거리에 도달했을 때 자연로그함수의 값이 0이 되며, 안전거리의 절반정도까지 침범하였을 때의 제어크기가 최대 제어크기가 될 수 있도록 설계하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 충돌회피 알고리즘의 작동시점을 좀 더 빨리 설정하기 위해 상대 운동속도를 고려한 알고리즘을 다음과 같이 적용하였다.
이러한 위치제어기를 바탕으로 사용자의 실수로 인한 무인 비행체간의 충돌 및 파손을 방지하기 위한 충돌회피 기동을 위한 제어기 역시 설계하여 적용하였다. 본 절에서는 이러한 제어기에 대해 기술하고자 한다.
충돌회피 제어기를 설계하기에 앞서 현재 구현된 실내 군집비행 시스템에 대한 특성을 살펴보도록 하겠다. 이를 위해서 본 절에서는 Fig. 1과 같이 구성된 실내 군집비행 시스템 중 무인기 시스템, 위치인식 시스템, 지상국 시스템 및 이들 시스템에 정의된 좌표계에 대해서 살펴보도록 하겠다.
따라서 이를 해결하기 위해 상대속도 및 상대위치 정보를 기반으로 충돌회피 제어기를 설계, 적용함으로써 원할한 군집비행 임무를 수행하였다. 이에 본 논문에서는 2절에서 실내 군집비행을 위한 시스템 구성에 대해 살펴본 후, 3절에서 제어기 설계에 대해 다루고 있다. 특히 3절에서는 실내 비행을 위한 기본적이 PID 구성에 대한 내용을 3.
즉, 각각의 AR.Drone에서는 (N-1)대의 상대 A R.Drone에 대한 충돌회피 제어벡터를 개별적으로 계산한 후 이들을 모두 합함으로써 전체적인 충돌회피 제어기를 구성하였다.
대상 데이터
본 논문에서 사용한 무인 비행기체인 AR.Dro ne의 경우 레져용으로 개발이 되어 사용자로 하여금 쉽게 제어가 가능하도록 내부 안정화 루프를 탑재하고 있다. 이러한 내부 안정화 루프로는 각각의 센서 데이터로부터 정보를 추출해서 통합하고 필터링하는 과정에 대한 센서 데이터 루프와 사용자의 제어입력에 대한 자세제어 루프, 전체 시스템에 대한 상태(Status)에 따른 명령 수행 루프 및 사용자의 흥미를 유발하기 위한 애니메이션 기능 루프 등이 있다.
1mm 수준의 정확도로 제공해주고 있으며, 여러 마커를 묶어 하나의 객체(Object)로 설정해줄 경우 해당 객체에 대한 자세각 정보 역시 이용가능하다(7,12,13,14). 현재 항우연에서 사용하고 있는 모션캡쳐 장비는 VICON사의 MX-T10S와 MX-T40S이며, 초기에 6대의 MX-T10S로 시스템을 구성한 후 테스트를 수행하였으며, 2014년 현재는 총 28대의 카메라를 이용하여 17m x 17m x 6m 공간에 대한 시스템을 구축하여 사용하고 있다.
성능/효과
이 그래프에서 확인할 수 있듯이 접근하고 있는 비행체는 제자리 비행을 하고 있는 비행체를 피하기 위해 X축 방향 제어력이 더해지면서 거리를 벌리고, 제자리 비행을 하는 비행체 역시 충돌위험에 따라 X축 방향으로 이동을 함으로써 충돌위험ㅇ르 줄이고 있다. 또한 상대속도 벡터 방향이 시간이 지남에 따라 변하면서 제자리 비행하던 비행체의 Y축에 대한 이동이 생기는 것도 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 Fig. 5와 같이 적외선 기반의 모션캡쳐(Motion Capture) 시스템을 활용함으로써 보다 높은 정밀도의 위치정보를 획득할 수 있었다. 모션캡쳐 시스템은 여러 대의 적외선 카메라로 구성되며, 각각의 카메라에 있는 스트로브 (Strobe)에서 방사한 적외선이 AR.
19와 같았으며, 해당 동영상은 참고문헌 [18]과 같았다. 이 결과와 같이 충돌위험을 줄이기 위해서 사각형 군집을 유지하고 있던 비행체들이 좌우로 간격을 벌려주고, 침입기가 이들의 중앙을 지나가는 것을 확인할 수 있었으며, 경우에 따라서는 고도를 높여서 피해가는 것도 확인할 수 있었다.
3과 같이 제공해주고 있지만(5,6), 실제 운동특성을 모사하기에는 운동방정식이 너무 단순하다. 이를 확인하기 위해서 Fig. 4와 같이 피치 축에 대한 동역학 파라미터 추정을 수행해 본 결과 검은색의 실제 AR.Drone의 각속도 센서 데이터와 비교하면 Fig. 3의 1차 선형 모델의 경우 동역학 특성을 제대로 모사하고 있지 못하며, AR.Drone의 내부 제어로직이 작동을 하면서 해당 피치 각도에 대한 정착시간(Settling Time)이 길며, 과도응답(Overshoot)이 상당히 발생하며, 정상상태 오차(Steady State Error)도 크게 발생하는 것을 확인해 볼 수 있다. 이러한 차이는 AR.
따라서 반복적으로 위치를 이동할 경우 높은 확률로 충돌이 발생한다. 이에 대해 충돌회피 알고리즘을 적용함으로써 두 무인비행체의 이동궤적이 직선 궤적을 기준으로 서로간의 상대거리를 벌리는 방향으로 변화가 되었음을 확인할 수 있다. 이와 같은 방향은 충돌회피 기동을 통해 서로간의 충돌을 회피하기 위해 반대방향으로 거리를 벌리는 기동을 수행하면서 정해진 목표지점에 도달한 결과이다.
이와 같이 제안한 충돌회피 알고리즘에 대한 시험을 2대의 AR.Drone에 대해 정상적으로 작동 함을 확인하였다. 따라서 제안한 알고리즘을 N대의 AR.
이 그래프에서 보는 것과같이 서로간의 상대위치가 1m를 유지하고 있는 상황에서 이동명령을 통해 서로간의 상대거리가 줄어들다가 충돌위험을 계산해서 서로 충돌회피 기동을 수행하면서 상대거리를 벌리는 모습을 볼 수 있다. 총 4회에 걸친 반복 수행에 따라 그래프의 최소값이 총 4회 나타남을 확인할 수 있었으며, 최종적으로 0.5m 이내의 움직임을 보이지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 충돌회피 움직임이 정상적으로 작동하는 것을 확인해 볼 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AR. Drone의 운동관성 및 PID 제어명령에 의한 충돌을 해결하기 위해 어떤 것을 수행하였는가?
Drone의 운동관성 및 PID 제어명령에 의한 충돌이 발생하였다. 따라서 이를 해결하기 위해 상대속도 및 상대위치 정보를 기반으로 충돌회피 제어기를 설계, 적용함으로써 원할한 군집비행 임무를 수행하였다. 이에 본 논문에서는 2절에서 실내 군집비행을 위한 시스템 구성에 대해 살펴본 후, 3절에서 제어기 설계에 대해 다루고 있다.
쿼드로터의 장점은 무엇인가?
4개의 로터를 이용해서 빠른 선회 및 제자리 비행(Hovering) 등의 뛰어난 기동성을 자랑하는 쿼드로터에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으며, 상업적으로도 그 능력을 인정받아 다양한 분야에서 사용되고 있다. 레져용 쿼드로터에서부터 방송 촬영용 쿼드로터가 활용 중이며, 농업분야에서도 농약살포 및 다양한 형태로 활용되고 있는 가운데, 최근에는 세계적인 전자 상거래업체인 아마존이 무인 화물 배송을 선언을 한 바가 있다(1).
AR.Drone의 문제점은 무엇인가?
하지만 AR.Drone의 사용자 편의를 위한 내부 안정화 루프는 사용자의 수정을 방지하기 위해 접근이 제한되어 있기 때문에 정확한 운동방정식의 유도가 어렵고, 다수의 무인 비행체의 좁은 실내영역에서의 비행으로 인한 충돌위험을 내재하고 있다.
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