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[국내논문] 플로킹 이론 기반 자율정찰비행 무인항공기의 탐색성능 향상에 관한 연구
A Study on the Improvement of Searching Performance of Autonomous Flight UAVs Based on Flocking Theory 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.6, 2020년, pp.419 - 429  

김대운 (Defense Agency for Technology and Quality) ,  석민준 (Defense Agency for Technology and Quality) ,  김병수 (Gyeongsang National University)

초록
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다수의 무인항공기를 이용하여 표적을 탐색 및 추적하는 임무를 수행하는데 있어서 무인항공기의 운용 대수, 비행고도 등 운용 조건뿐만 아니라, 각 비행체들이 어떤 알고리즘을 이용해 비행경로를 결정하느냐에 따라 그 임무에 대한 성과는 크게 달라질 수 있다. 다만 이러한 표적 탐색 임무에서 자율 비행 무인항공기의 운용 방법이 어떠할 때 가장 효과적이며 효율적인지에 대한 연구는 미흡한상태이다. 본 연구에서는 플로킹 이론을 기반을 둔 다양한 자율비행 알고리즘을 활용하여, 다수의 무인 항공기가 서로 충돌을 회피하면서 표적을 탐지하는 임무를 기반으로 비행 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하여, 표적 탐지 임무에서의 다수의 무인항공기를 제어할 수 있는 보다 효율적/효과적인 방안을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In conducting a mission to explore and track targets using a number of unmanned aerial vehicles(UAVs), performance for that mission may vary significantly depending on the operating conditions of the UAVs such as the number of operations, the altitude, and what future flight paths each aircraft deci...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 다수의 고정익 무인항공기를 활용하여 정해진 관심지역에서 다수의 표적을 탐지하는 임무를 설정하여, 플로킹 이론을 기반으로 한 여러가지 비행 패턴을 제안하고 시뮬레이션을 통해 각 성능을 도출하고 그 결과를 정리하였다.
  • 본 논문에서는 자율정찰비행 무인항공기의 비행운용 조건에 따른 표적의 탐지 확률, 평균 탐지 시간, 충돌 및 충돌할 뻔한(이하, Near miss) 수를 정량적으로 시뮬레이션하고 그 결과를 확인하고자 한다.
  • 이에 따라 본 논문에서는 separation size, d1 및 상수 c1b을 아래와 같이 4개의 경우로 변경하여 기존 플로킹 이론과 비교하여 성능 개선이 있는지 확인해 보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시퀀스는 탐색구역은 임의로 할당하지만 표적은 랜덤하게 발생했을때 발생하는 단점을 보완하기 위한 방법은? 상기와 같은 상황에서 임의의 영역에 사전 할당된 비행체가 임무를 수행하지 못하는 경우, 그 영역에 속한 표적의 경우 탐지 확률이 극적으로 떨어질 수 있는 단점이 있으며 실제 Table 11의 결과처럼 탐지 성능이 다소 작아지는 것으로 확인된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 임무 중 각 비행체의 위치 및 상태 정보를 기반으로 각 비행체의 탐지 구역을 변경하고 현 위치를 기반으로 다시 할당하였다.
사전에 운용자에 의해 각 비행체를 각 하위 탐색 구역을 할당하고 시간에 따라 그 탐색 경로를 이동할때의 장점은? 3개의 각 비행체가 다른 색깔로 스프링 형태로 탐색하며 탐색 구역들이 중첩되고 변경됨을 확인할 수 있다. 이렇게 사전에 운용자에 의해 각 비행체를 각 하위 탐색 구역을 할당하고 시간에 따라 그 탐색 경로를 이동시키면 각 비행체의 충돌 확률을 낮추는 동시에 탐색구역 전체를 누락 없이 임의로 할당할 수 있는 장점이 있다.
플로킹 이론이란? 플로킹 이론은 새, 물고기 등과 같은 일종의 생물체의 무리 행동을 수학적으로 모델링하는 기법으로 분산된 다수의 에이전트가 충돌 없이 조화롭게 하나의 임무를 수행하도록 하는 것으로 Reynolds가 1987년 처음으로 발표하였다[12]. 이후 플로킹 기법은 협력, 충돌 및 장애물 회피와 같은 다중 에이전트 시스템의 문제점을 해결하기 위한 유망한 기술로 연구되고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. Shakhatreh, H., Sawalisch, A. H., Ap-Falasha, A., Dou, Z., Almadia, E., Khalif, I. and Guarani, M., "Unmanned aerial vehicles (UAVs): A survey on civil applications and key research challenges," IEEE Access, 7, 2019, pp. 48572-48634. 

  2. Shackler, R., Ap-Garda, M. A., Badrawi, A., Mohamed, A., Khanate, T., Ap-All, A. and Guarani, M., "Design challenges of multi-UAV systems in cyber-physical applications: A comprehensive survey, and future directions," IEEE Communications Surveys and Tutorials, Vol. 21, No. 4, 2019, pp. 3340-3385. 

  3. Gen, L., Hang, Y. F., Wang, J. J., Foh, J. Y. and Ted, S. H., "Mission planning of autonomous UAVs for urban surveillance with evolutionary algorithms," IEEE International Conference on Control and Automation (INCA), IEEE, June 2013, pp. 828-833. 

  4. Career, D. W., Beard, R. W., Mcluhan, T. W., Eli, S. M. and Menhir, R. K., "Forest fire monitoring with multiple small UAVs," American Control Conference, IEEE, June 2005, pp. 3530-3535. 

  5. Xi, X., Yang, L., Men, W., Cai, Q. and Fun, M., "Multi-Agent Coverage Search in Unknown Environments with Obstacles: A Survey," Chinese Control Conference(CRC), IEEE, July 2019, pp. 2317-2322. 

  6. Yang, Y., Miami, A. A. and Polycarpous, M. M., "Decentralized cooperative search by networked UAVs in an uncertain environment," American Control Conference, IEEE, Vol. 6, June 2004, pp. 5558-5563. 

  7. Pirie, R. R., Eli, X. R. and Dealable, R., "UAV route planning for joint search and track missions- An information-value approach," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 48, No. 3, 2012. pp. 2551-2565. 

  8. Roxburghe, V., Tarbouchi, M. and Lambente, G., "Comparison of parallel genetic algorithm and particle swarm optimization for real-time UAV path planning," IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 9, No. 1, 2012, pp. 132-141. 

  9. Kaiser, J. N., "Effects of Dynamically Weighting Autonomous Rules in an Unmanned Aircraft System(UAV) Flocking Model," Master's Thesis, Air Force Institute of Technology, Wright Patterson ABB, OH, September 2014. 

  10. Jones, P. J., "Cooperative area surveillance strategies using multiple unmanned systems," Doctoral dissertation, Georgia Institute of Technology, 2009. 

  11. Sock, M. J., "Development of Autonomous Reconnaissance Flight Simulation for Unmanned Aircraft to Derive Flight Operating Condition," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 47, No. 4, 2019, pp. 266-273. 

  12. Reynolds, W. C., "Flocks, herds and school: A distributed behavioral model," ACM SONOGRAPH Computer Graphics, Vol. 21, No. 4, July 1987, pp. 25-34. 

  13. Join, G. and Wang, L., "Multi-Agent Flocking with Angle-based Formation Shape Control," IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 65, Issue 2, February 2020, pp. 817-823. 

  14. Dak, F., Chen, M., Wei, X. and Wang, H., "Swarm Intelligence-Inspired Autonomous Flocking Control in UAV Networks," IEEE Access, Vol. 7, 2019, pp. 61786-61796. 

  15. Zhao, W., Chu, H., Hang, M. and Sun, T., "Flocking Control of Fixed-wing UAVs with Cooperative Obstacle Avoidance Capability," IEEE Access, Vol. 7, 2019, pp. 17798-17808. 

  16. Vasarhelyi, G., Virago, C., Somorjai, G., Nepusz, T., Eiben, A. E. and Vicsek, T., "Optimized Flopping of Autonomous drones in Confined Environments," Science Robotics, Vol. 3, Issue 20, eaat3536, 2018. 

  17. Ludo, X., Eli, X., Eli, S., Jang, Z. and Gaud, X., "Flocking for Multi-agent System with Optimally Rigid Topology Based on Information Weighted Karman Consensus Filter," International Journal of Control, Automation and Systems, Vol. 15, No. 1, 2017, pp. 138-148. 

  18. Narcomania, A., Baker, R., Descale, R., Matchers, B., Kolokotronis, S. O., Kreiswirth, B. and Planet, P. J., "Clusterflock: a flocking algorithm for isolating congruent phylogenetic dataquest," Technical Note, Geoscience, December 2016. 

  19. Aramco, J. F., Suit, P. B. and Sousa, J. B., "Multiple UAV area decomposition and coverage," IEEE symposium on computational intelligence for security and defense applications, CISDA, IEEE, April 2013, pp. 30-37. 

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