벡터필드 유도기법이 적용된 다수 무인기를 이용한 적 방공망 제압 임무의 실험적 검증 Experimental Validation of Multiple UAVs with Vector Field Guidance for SEAD(Suppression of Enemy Air Defense)원문보기
정우영
(Korea Advanced Institute of Science Technology)
,
김기덕
(Korea Advanced Institute of Science Technology)
,
이성헌
(Korea Advanced Institute of Science Technology)
,
방효충
(Korea Advanced Institute of Science Technology)
현대전에서 적 방공망 제압 임무는 과거에 비해 그 중요성이 점차 부각되고 있다. 그러나 본 임무는 적의 방공망에 아군의 항공기와 조종사가 노출되는 위험을 안고 있어, 아군의 피해를 최소화하면서 효과적으로 임무를 수행할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 연구의 일환으로써, 벡터필드 유도기법을 이용하여, 다수 무인기의 적 방공망 제압 임무를 설계하였다. 벡터필드 유도기법은 다른 유도기법들에 비하여 계산 량이 적고 쉽게 응용이 가능한 이점이 있어, 다수 무인기 운용에 해당 기법을 적용하는 경우 무인기간의 상호 협동을 통한 다양한 형태의 임무를 계획할 수 있다. 따라서 벡터필드 유도기법을 이용한 다수 무인기의 적 방공망 제압 임무의 설계방법을 제시함과 동시에, 비행실험을 통하여 그 운용 가능성을 확인해 보았다.
현대전에서 적 방공망 제압 임무는 과거에 비해 그 중요성이 점차 부각되고 있다. 그러나 본 임무는 적의 방공망에 아군의 항공기와 조종사가 노출되는 위험을 안고 있어, 아군의 피해를 최소화하면서 효과적으로 임무를 수행할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 연구의 일환으로써, 벡터필드 유도기법을 이용하여, 다수 무인기의 적 방공망 제압 임무를 설계하였다. 벡터필드 유도기법은 다른 유도기법들에 비하여 계산 량이 적고 쉽게 응용이 가능한 이점이 있어, 다수 무인기 운용에 해당 기법을 적용하는 경우 무인기간의 상호 협동을 통한 다양한 형태의 임무를 계획할 수 있다. 따라서 벡터필드 유도기법을 이용한 다수 무인기의 적 방공망 제압 임무의 설계방법을 제시함과 동시에, 비행실험을 통하여 그 운용 가능성을 확인해 보았다.
In modern warfare, the importance of SEAD(Suppression of Enemy Air Defense) mission is being emphasized. However, this mission runs the risk of hull damage or casualties of our friendly air forces. Because of these risks, research on the way of minimizing damages and enhancing mission capability is ...
In modern warfare, the importance of SEAD(Suppression of Enemy Air Defense) mission is being emphasized. However, this mission runs the risk of hull damage or casualties of our friendly air forces. Because of these risks, research on the way of minimizing damages and enhancing mission capability is under active discussion. As a part of this research, SEAD mission planning with multiple UAVs has been covered using vector field guidance. This guidance method not only applies to various forms of flight path but also requires less computational power than other guidance methods. Therefore, in this paper, planning methods of SEAD mission for multiple UAVs using vector field guidance and experimental data from flight experiments regarding designed mission has been covered.
In modern warfare, the importance of SEAD(Suppression of Enemy Air Defense) mission is being emphasized. However, this mission runs the risk of hull damage or casualties of our friendly air forces. Because of these risks, research on the way of minimizing damages and enhancing mission capability is under active discussion. As a part of this research, SEAD mission planning with multiple UAVs has been covered using vector field guidance. This guidance method not only applies to various forms of flight path but also requires less computational power than other guidance methods. Therefore, in this paper, planning methods of SEAD mission for multiple UAVs using vector field guidance and experimental data from flight experiments regarding designed mission has been covered.
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문제 정의
본 연구에서는 벡터필드 유도기법을 사용하여 다수의 무인기가 가상의 적 방공망을 제압하는 모의 시나리오를 설계하였다. 벡터필드 유도기법은 유클리디안 공간의 모든 점에 벡터를 정해두고 이를 무인기가 추종하도록 하는 유도기법으로 주로 지상자율 로봇에 적용되어 왔으나 최근에는 무인기를 위한 벡터필드 유도기법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다[6~9].
본 연구에서는 벡터필드 유도기법을 적용하여 다수의 무인기를 이용한 적 방공망 제압 임무의 가능성을 실험을 통하여 검증하였다.
시나리오를 실제적인 임무에 가깝게 설계하고, 설계된 시나리오를 실외 비행시험을 통해 수행하여 시나리오가 실제 환경에서 충분히 적용가능성이 있음을 보이고자 한다.
가설 설정
4대의 이종 무인기를 사용하여 정찰 및 엄호 임무를 수행하고 적 방호기지에 대한 동시 폭격 임무를 수행하는 시나리오를 가정하였으며, 각 임무에 맞추어 정찰 임무에 우회 형상 벡터필드 유도기법, 엄호 임무에 원 궤적 형상 벡터필드 유도기법, 폭격 임무에 도달 조건 제어 벡터필드 유도기법을 적용하여 비행 실험을 수행하였다.
무인기는 상호간의 통신을 통하여 서로의 위치를 실시간으로 공유하며 회전익기의 위치를 원점으로 하여 고정익기가 원 궤적 형상 벡터필드를 이용하여 원 궤적을 그리며 엄호 비행을 수행한다. 이 과정에서 무인기간의 공중 충돌을 막기 위하여 본 연구에서는 서로 다른 고도에서 임무를 수행한다고 가정하였다.
정찰을 위한 회전익기의 경로점 비행은 우회 형상 벡터필드를 이용하여 수행하게 된다. 적 레이더의 위치는 주어졌다고 가정하고 적 레이더망을 피할 수 있는 경로점을 미리 설정하여 경로점 비행을 수행하게 된다.
제안 방법
2.2절의 적 방공망 제압 시나리오를 따라 무인기 시스템을 구축하였다. 고정익은 연구실에서 보유중인 전익기 형태의 Hexus-F4가 사용되었으며 제원은 Table 1에 나타내었다.
목표점 5미터 이내에 진입하면 목표점에 도달한 것으로 판단하며, 폭격이후 각 무인기는 정해진 위치로 귀환하게 된다. 무인기의 충돌을 방지하기 위하여 본 실험에서는 각 무인기간의 고도에 10m씩 차이를 두었다. 폭격 임무 실험 결과를 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 시나리오에서는 각각의 무인기가 다른 고도에서 비행하여 기체간의 공중충돌에 대한 문제를 배제하였다. 하지만 실제 다수 무인기를 이용하여 적 방공망 제압 임무를 수행하기 위해서는 다수무인기의 충돌 회피를 위한 유도기법이 추가적으로 적용하여 다수무인기의 운용 안정성을 높일 필요가 있으며 이를 통하여 다수무인기의 다양한 임무에 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.
이론/모형
우회 형상 벡터필드는 원점으로 수렴하는 형태의 벡터필드로 과거 임승한 등에 의하여 제안되었다[6]. 본 연구에서는 정우영 등에 의하여 3차원으로 확장된 벡터필드 유도기법을 적용하였다[7]. 우회 형상 벡터필드는 구면좌표계에서 다음과 같이 정의된다.
각각의 무인기는 Freewave 사의 MM2-T를 이용하여 상호간 통신을 수행하며 서로의 위치 정보를 공유한다. 지상 제어 시스템은 National instrument 사의 Labview를 이용하여 지상에서 4대의 상황을 모니터링 할 수 있도록 구축하였다. 지상 제어 시스템의 화면을 Fig.
성능/효과
실제 비행 실험 결과를 통하여 벡터필드 유도기법을 적용한 다수의 무인기를 이용하여 적 방공망 제압 임무를 성공적으로 수행할 수 있음을 확인하였다. 특히 도달 조건 제어 벡터필드를 이용하여 다수의 무인기가 동시에 적 방공망에 폭격이 가능함을 확인하였다.
실제 비행 실험 결과를 통하여 벡터필드 유도기법을 적용한 다수의 무인기를 이용하여 적 방공망 제압 임무를 성공적으로 수행할 수 있음을 확인하였다. 특히 도달 조건 제어 벡터필드를 이용하여 다수의 무인기가 동시에 적 방공망에 폭격이 가능함을 확인하였다.
후속연구
본 연구에서 사용된 시나리오에서는 각각의 무인기가 다른 고도에서 비행하여 기체간의 공중충돌에 대한 문제를 배제하였다. 하지만 실제 다수 무인기를 이용하여 적 방공망 제압 임무를 수행하기 위해서는 다수무인기의 충돌 회피를 위한 유도기법이 추가적으로 적용하여 다수무인기의 운용 안정성을 높일 필요가 있으며 이를 통하여 다수무인기의 다양한 임무에 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인기 시스템이 가진 장점은 무엇인가?
무인기 시스템은 기존의 유인 조종에 비하여 높은 기동성, 조종사의 안전, 무게 및 크기의 감소, 비용 감소 등의 장점을 가지고 있으며 최근 비약적으로 발달한 통신 및 운용기법을 통해 다수의 무인기들이 유기적으로 종합적인 정보를 수집하고 최소의 손실만으로 목표를 달성하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
적 방공망 제압 임무가 가진 위험성은 무엇인가?
현대전에서 적 방공망 제압 임무는 과거에 비해 그 중요성이 점차 부각되고 있다. 그러나 본 임무는 적의 방공망에 아군의 항공기와 조종사가 노출되는 위험을 안고 있어, 아군의 피해를 최소화하면서 효과적으로 임무를 수행할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 연구의 일환으로써, 벡터필드 유도기법을 이용하여, 다수 무인기의 적 방공망 제압 임무를 설계하였다.
무인기 체계에서 벡터필드 유도기법이란 무엇인가?
본 연구에서는 벡터필드 유도기법을 사용하여 다수의 무인기가 가상의 적 방공망을 제압하는 모의 시나리오를 설계하였다. 벡터필드 유도기법은 유클리디안 공간의 모든 점에 벡터를 정해두고 이를 무인기가 추종하도록 하는 유도기법으로 주로 지상자율 로봇에 적용되어 왔으나 최근에는 무인기를 위한 벡터필드 유도기법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다[6~9]. 윤승호 등에 의하여 다수 무인항공기에 벡터필드를 이용한 연구가 진행 된 바 있으며[10], 유도무기의 유도기법으로도 연구된 바 있다[11].
참고문헌 (11)
Bolkmon, C., "CRS Report for Congress Military Suppression of Enemy Air Defence (SEAD): Assessing Future Needs," Congressional Research Service, Library of Congress, Washington, D.C., 2006.
Hathaway, D. C., "Germinating a New SEAD: the Implications of Executing the SEAD Mission in a UCAV," MS Thesis, School of Advanced Airpower Studies, Air University Maxwell Air Force Base, AL, 2001.
P. B. Sujit, A. Sinha, and D. Ghose, "Team, Game, and Negotiation based Intelligent Autonomous UAV Task Allocation for Wide Area Applications," Studies in Computational Intelligence, vol. 70, pp. 39-75, 2007.
Office of the Secretary of Defense, "Unmanned aircraft Systems (UAS) Roadmap 2005-2030," U.S., Report, 2005.
T. Schouwenaars, B. D. Moor, E. Feron, and J. How, "MIxed integer programming for multi-vehicle path planning," Proc. of European Control Conference 2001, Porto, Portugal, pp. 2603-2608, Sep. 2001.
S. Lim and H. Bang, 2012, "A Proposal of New Vector Field Guidance for Unmanned Aircrafts," presented at the Conference on Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Pyeongchang, Gangwon-Do, 2012.
W. Jung and H. Bang, 2013, "3 Dimensional Vector Field Guidance for Unmanned Aerial Vehicle," presented at the Conference on Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Jeju, 2013.
E. W. Frew and D. A. Lawrence, 2005, "Cooperative Standoff tracking of Moving Targets by a team of Autonomous Aircraft," presented at the AIAA Guidacne, Navigation, and Control Conference and Exhibit, San Francisco, California.
W. Jung and H. Bang, 2014, "Control Arrival Time and Speed for UAV Using 3 Dimensional Vector Field Guidace," presented at the Conference on Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Jeju, 2014.
S. H. Yoon, Y. D. Kim, "Cooperative Control of Multiple Unmanned Aircraft for Standoff Tracking of a Moving Target," Journal of Korea Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 39, No. 2, 2011, pp. 114-120
S. H. Lim, C. H. Pak, C. Y. Cho, H. C. Bang, "Development of Flight Control System for Gliding Guided Artillery Munition - Part II : Guidance and Control," Journal of Korea Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 42, No. 3, 2014, pp. 229-236
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