[논문]장애물의 상대속도를 반영한 포텐셜필드 기반 무인항공기 충돌회피

안승규; 이동진

doi:10.12985/ksaa.2018.26.2.047

장애물의 상대속도를 반영한 포텐셜필드 기반 무인항공기 충돌회피
Collision Avoidance for UAV using Potential Field based on Relative Velocity of Obstacles 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.26 no.2, 2018년, pp.47 - 53

안승규 (한서대학교 항공시스템공학과) , 이동진 (한서대학교 무인항공기학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigate a collision avoidance algorithm for unmanned aerial vehicles using potential field based on the relative velocity of obstacles. The potential field consists of the attraction force and the repulsive force that are generated for the target and the obstacles. And the field can be classified into the attractive potential field generated by the target and the repulsive potential field generated by the obstacle, respectively. In this study, we construct an attractive potential field as a function of the distance between the UAV and the target position. On the other hand, a repulsive potential field is created by a function of distance and the relative velocity of the obstacle with respect to the UAV. The proposed potential field based collision avoidance algorithm is evaluate through simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대표적인 충돌회피 알고리즘 에는 장애물과 무인항공기의 기하학적 정보를 이용한 충돌회피 알고리즘, Optical Flow를 이용한 충돌회피 알고리듬, 포텐셜필드 기반 충돌회피 알고리즘, Bearing angle를 이용한 충돌회피 알고리즘, 신경회로망을 이용한 충돌회피 알고리즘 등이 있다. 본 연구에서는 간단하고 간결 하다는 장점이 있어 동적 경로 생성과 충돌회피에 널리 사용되는 포텐셜필드 기반 충돌회피 알고리즘을 제안하고자 한다.
이러한 문제를 기반으로 무인항공기의 충돌 방지는 크게 장애물 탐지와 충돌회피의 두 단계로 나눌 수 있다. 본 연구에서는두 단계 중 충돌회피에 대한 연구를 진행하였다.
포텐셜필드는 “Sense-and-Avoid”개념을 적용 하여 센서를 통해 얻어진 정보로부터 이동 장애 물의 움직임을 예측하고 안전한 회피경로를 생성하는 것을 목표로 한다(Carnie, 2006).

제안 방법

본 논문에서 사용한 Repulsive 포텐셜필드는 무인항공기와 장애물 간의 거리와 상대속도 등을 기반으로 생성한다. 무인항공기와 장애물 사이의 거리(r_O)와 상대속도(v_RO)에 적용에 관한 수식은 식 9 ~ 10과 같다.
본 논문에서 포텐셜필드는 목표점에 의해서 생성되어 인력을 표현한 Attractive 포텐셜필드와 각각의 장애물에 의해서 생성되어 반발력을 표현한 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 구성하였다.
본 논문에서는 목표점과의 거리를 기반으로 Attractive 포텐셜필드를 구성하고, 이동 중인 장애물과의 충돌 회피 성능을 향상 시키기 위해 장애물과의 거리와 상대속도를 기반으로 Repulsive 포텐셜필드를 구성하여 충돌회피 알고리즘의 성능 향상을 도모하였으며, 다양한 환경에서의 시뮬레이션을 통해 포텐셜필드 기반의 무인항공기 충돌회피기법의 성능 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 무인항공기의 충돌회피기법으로 포텐셜필드를 선정하고, 포텐셜필드를 구성한후 시뮬레이션을 통해 제안한 포텐셜필드의 성능을 확인하였다. 포텐셜필드는 목표점과의 상대 거리에 대한 함수로 구성된 Attractive 포텐셜필드와 이동 장애물과의 충돌회피 성능을 향상시키기 위해 장애물과의 상대거리 및 상대속도를 반영한 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 최종 포텐셜필드를 구성하였다.
본 연구에서는 포텐셜필드를 이용한 힘을 이용하여 무인항공기의 충돌회피 시뮬레이션을 진행하였다. 최종 포텐셜필드은 Attractive 포텐셜 필드과 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 Fig 7 ~ 8과 같이 생성되며, 목표점의 좌표는 (10,10)이고, 장애물의 좌표는 (3,3), (8,6), (8,9)으로, 장애 물의 속도는 각각 0.
본 연구에서는 포텐셜필드를 이용한 힘을 이용하여 무인항공기의 충돌회피 시뮬레이션을 진행하였다. 최종 포텐셜필드은 Attractive 포텐셜 필드과 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 Fig 7 ~ 8과 같이 생성되며, 목표점의 좌표는 (10,10)이고, 장애물의 좌표는 (3,3), (8,6), (8,9)으로, 장애 물의 속도는 각각 0.1m/s, 0.05m/s, 0.2m/s로설정하였다. 최종 포텐셜필드의 기울기에 대한 힘에 대한 식은 식 13~14와 같다.
본 논문에서는 무인항공기의 충돌회피기법으로 포텐셜필드를 선정하고, 포텐셜필드를 구성한후 시뮬레이션을 통해 제안한 포텐셜필드의 성능을 확인하였다. 포텐셜필드는 목표점과의 상대 거리에 대한 함수로 구성된 Attractive 포텐셜필드와 이동 장애물과의 충돌회피 성능을 향상시키기 위해 장애물과의 상대거리 및 상대속도를 반영한 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 최종 포텐셜필드를 구성하였다. 시뮬레이션을 통해 구현한 포텐셜필드 기반의 충돌회피기법 성능을 확인하였고, 그 결과 무인항공기의 충돌회피기법으로 적용 가능성을 확인하였다.

대상 데이터

)에 대한 함수로 정의되며, 목표점은 공간상의 고정된 점으로 정의된다(Ge, 2002). 본 논문에서 사용한 Attractive 포텐셜필드은 무인항공기와 목표점 사이의 거리 및 Attractive 계수(K_G)와 비례한다.

성능/효과

시뮬레이션 결과 Attractive 계수가 클수록, Repulsive 계수가 작을수록 장애물과 근접하게 회피하는 것을 확인할 수 있고, 장애물의 영향력이 클수록 회피기동이 빠르게 진행되는 것을 확인할 수 있다.
포텐셜필드는 목표점과의 상대 거리에 대한 함수로 구성된 Attractive 포텐셜필드와 이동 장애물과의 충돌회피 성능을 향상시키기 위해 장애물과의 상대거리 및 상대속도를 반영한 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 최종 포텐셜필드를 구성하였다. 시뮬레이션을 통해 구현한 포텐셜필드 기반의 충돌회피기법 성능을 확인하였고, 그 결과 무인항공기의 충돌회피기법으로 적용 가능성을 확인하였다. 무인항공기뿐만 아니라 유인항공기에도 포텐셜필드를 적용한다면 예측하지 못한 장애물과의 충돌이 감지되었을 때의 회피기동도 가능할 것으로 예상된다.
는 Attractive 힘의 단위 벡터 성분으로, 식 8을 보면 Attractive 힘은 목표점과의 거리와 관계없이 일정한 것을 확인할 수있다. 이를 통해 Attractive 힘이 무인항공기의 위치에 상관없이 일정한 영향력을 가진다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

시뮬레이션을 통해 구현한 포텐셜필드 기반의 충돌회피기법 성능을 확인하였고, 그 결과 무인항공기의 충돌회피기법으로 적용 가능성을 확인하였다. 무인항공기뿐만 아니라 유인항공기에도 포텐셜필드를 적용한다면 예측하지 못한 장애물과의 충돌이 감지되었을 때의 회피기동도 가능할 것으로 예상된다.
앞으로 본 연구에서 제안된 포텐셜필드 기반의 충돌회피 알고리즘의 성능 개선을 수행할 예정이며, 최종적으로 실제 무인항공기에 탑재하여 실시간 충돌회피 비행시험을 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기의 충돌 방지를 두 단계로 나누어라	무인항공기의 충돌 방지 알고리즘을 구현하기 위해서는 먼저 무인항공기가 주변 환경을 감지하여 장애물을 탐지한 후 어떻게 충돌회피를 수행할 지와 충돌 회피단계를 언제 시작하고 중지해 야할 지를 결정한다. 이러한 문제를 기반으로 무인항공기의 충돌 방지는 크게 장애물 탐지와 충돌회피의 두 단계로 나눌 수 있다. 본 연구에서는두 단계 중 충돌회피에 대한 연구를 진행하였다.
	무인항공기의 충돌 방지 알고리즘을 구현하기 위해서 먼저 무엇을 결정해야 하는가?	무인항공기의 충돌 방지 알고리즘을 구현하기 위해서는 먼저 무인항공기가 주변 환경을 감지하여 장애물을 탐지한 후 어떻게 충돌회피를 수행할 지와 충돌 회피단계를 언제 시작하고 중지해 야할 지를 결정한다. 이러한 문제를 기반으로 무인항공기의 충돌 방지는 크게 장애물 탐지와 충돌회피의 두 단계로 나눌 수 있다.
	본 연구에서 무인항공기의 충돌회피기법으로 선정한 포텐셜필드는 어떻게 구성되었나?	본 논문에서는 무인항공기의 충돌회피기법으로 포텐셜필드를 선정하고, 포텐셜필드를 구성한후 시뮬레이션을 통해 제안한 포텐셜필드의 성능을 확인하였다. 포텐셜필드는 목표점과의 상대 거리에 대한 함수로 구성된 Attractive 포텐셜필 드와 이동 장애물과의 충돌회피 성능을 향상시 키기 위해 장애물과의 상대거리 및 상대속도를 반영한 Repulsive 포텐셜필드의 합으로 최종 포텐셜필드를 구성하였다. 시뮬레이션을 통해 구현한 포텐셜필드 기반의 충돌회피기법 성능을 확인하였고, 그 결과 무인항공기의 충돌회피기법으로 적용 가능성을 확인하였다.

참고문헌 (6)

Fasano, G., Accado, D., Moccia, A., & Moroney, D., "Sense and avoid for unmanned aircraft systems." IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine 31.11, 2016, pp.82-110.

상세보기
Park, J., & Kim, Y., 2012, "Stereo vision based collision avoidance of quadrotor UAV." Control, Automation and Systems (ICCAS), 2012 12th International Conference on. IEEE, 2012.
Fasano, G., Accardo, D., Moccia, A., Carbone, C., Ciniglio, U., Corraro, F., & Luongo, S., "Multi-sensor-based fully autonomous non-cooperative collision avoidance system for unmanned air vehicles." Journal of aerospace computing, information, and communication 5.10, 2008, pp.338-360.

상세보기
Carnie, R., Walker, R., & Corke, P. , "Image processing algorithms for UAV" sense and avoid"." Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on. IEEE, 2006.
Leonard, N. E., & Fiorelli, E, "Virtual leaders, artificial potentials and coordinated control of groups." Decision and Control, 2001. Proceedings of the 40th IEEE Conference on. Vol. 3. IEEE, 2001.
Ge, S. S., & Cui, Y. J, "Dynamic motion planning for mobile robots using potential field method." Autonomous robots 13.3, 2002, pp.207-222.

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