여기서,
그림은 충돌탐지 및 회피에 대한 개념을 나타낸다.
그림 1-2-119 충돌탐지 및 회피 기하학적 관계
5) 유전 알고리듬을 이용한 회피경로 생성 및 유도 알고리듬 개발
◦ PSO(Particle Swarm Optimization) 기법은 함수 최적화 문제에 효과적으로 적용 되어 왔다. 본 보고서에서는 PSO 알고리듬을 회피경로 생성 문제를 파라미터 최적화 문제로 변환시켜 최적의 회피경로를 생성하였다. PSO는 1995년 Kennedy 와 Eberhart에 의해 고안된 진화 계산기법 중 하나이다. PSO 알고리 듬은 해를 구하는데 있어 이외의 진화 계산 기법들 중 계산속도가 빠른 기법 이다. 각각의 입자(particle)는 움직이며 속도를 가지게 된다. 또한, 자신이 머물 렀던 위치를 기억한다. 이와 더불어 입자들은 상호간에 자신이 머물렀던 탐색 지역의 정보를 교환한다. 이와 같이 PSO의 기본적인 알고리듬을 그림 1-2-120 에 나타내었다.
그림 1-2-120 Flowchart of the PSO algorithm
◦ 장애물을 회피하는 제어경로 결정을 위한 최적화 문제가 구성되면 최적해를 계산하여야 한다. 최적해를 계산하는 방법으로는 진화연산 기법과 비선형프로 그래밍 기법을 사용할 수 있다. 최적해 계산 방법으로 진화연산 기법 중의 하 나인 PSO 알고리듬을 사용하는 연구 결과를 제시하였다. 이 방법에서는 PSO 알고리듬을 사용하여 최적해를 계산하였으며, 종료조건으로 프로그램 종료 세 대수를 사용하였다.
◦ PSO 알고리듬의 핵심과정인 최적화 기반 비행경로 자동추출 과정을 아래와 같 이 설명할 수 있다. 먼저 주어진 경로와 고정 장애물 정보로부터 성능지수와 구속조건을 정의하여 최적화 문제를 구성한다. 이때 성능지수는 최적해에 직접 적으로 영향을 주며, 장애물 위치와 크기가 성능지수와 많은 관련이 있다.
I. Initialize a population of particles with random position and velocity.
W(t)은 가중치 함수를 나타낸다. 여기서, 기준값은 요구조건의 댐핑과 주파수를 고려한 이차 시 스템으로 표현된다. 와 는 구속조건과 가중치를 각각 나타낸다. 이 항은 벌칙항으로 더해진 다. 식 (3)에서 구속조건은 설계자에 의해 설정된다. 이 표현식은 시간영역에서 파라미터를 결정 하는 문제에 있어 유용하다. 고정 장애물과의 여러 구속조건을 모두 다룰 수 있다는 장점을 가 지고 있다.
(차) DMM 기반의 컨벡스(Convex) 고정 장애물 회피 알고리듬 연구
◦ 1차년도 연구에서는 소형무인기(SUAV)의 동작 환경이 일정하다고 가정하였다.
UAV로 하여금 장애물 통과를 가능하게 하는 비행경로 계획 알고리즘을 개발 하는 것을 목표로 한다.
◦ 본 연구에는 두 가지 중요한 작업이 있다. 첫번째는 3D로 구성된 DMM데이터 를 수학적 모델로 변환하는것이며. 두 번째는 아래 상태환경에 대한 최적화된 경로를 찾는 것이다. (그림 1-2-121)
그림 1-2-121 Obstacle free path generation model
◦ 연구단계는 아래와 같다.
- 경로계획 문제를 연구하여 요구사항 파악.
- 특정 비행 환경에 걸맞는 공간 수치화 함수를 연구
- 최신 그래프 탐색 알고리즘을 평가하여 목표 연구에 유용한 함수를 확인 - 경로를 찾기 위한 그래프 탐색 알고리즘의 정확도와 시간 복잡도를 개선
◦ 관련 연구를 통해 우리는 가시 그래프가 에너지 효율적인 비행 경로를 생성하 는데 적합하다 판단하였다. 그러므로 이 방법을 확장하여 본 연구의 3D DMM 의 볼록한 정육면체들 사이의 경로탐색에서 발생하는 특정 문제점에 적용하였 다.
그림 1-2-122 Visibility Roadmap approach
◦ 새로운 방식의 3D 시각화 로드맵은 모델링된 상공을 횡단하는데 필요로 하는 에너지를 추정하기 위한 기본 알고리즘으로 소개된다.
◦ 가시 로드맵의 에너지를 효율적으로 소비하는 비행경로를 탐색하는 능력을 검 증하기 위해 시뮬레이션을 실시했다. 시뮬레이션은 임의의 볼록한 다면체의 장 애물을 생성하고 그리드 디컴포지션 알고리즘과 제안된 알고리즘의 경로를 비 교한다.
그림 1-2-123 Pathfinding simulation results
◦ 시뮬레이션 결과에 따라 가시 로드맵에 의해 생성된 경로는 그리드 메소드에 비해 항상 감소함 (50회에서 평균 12%)을 확인할 수 있었다. 이동거리의 경우 이전에 알고리즘에 비해 5%감소하였고, 방향 전환은 62% 감소하였다. 대부분 의 경우에서 두 알고리즘은 비슷한 경로와 고도를 보이고 있었다.
◦ 결론적으로, 연구 결과는 프로젝트의 다음 단계인 장애물회피 기술 개발에 필 수적이다. 시뮬레이션에서 제안 된 방법은 설정된 공간에서 효율적인 경로를
내년 프로젝트에 포함될 것이다.
일반적인 드론의 조종명령과 상태정보는 400MHz 주파수 대역에의 시리얼방식의 무선 모뎀을 사용하여 전송된다. 소형무인기에 탑재 무선모뎀 단말이 설치되고, 조종장치에 무 선모뎀 단말이 포함되어 있는 경우가 일반적이다. 최근 들어 스마트 디바이스(Smart Phone, Pad 류)를 이용한 조종이 가능한 드론 시스템이 보편화되고 있는데, 이 경우 WiFi를 조종명령 송신 을 위한 데이터링크로 사용하는 것이 일반적이다.
또한 영상송수신이 필요한 경우 5.8GHz 대역의 영상 송신기와 수신기를 활용하는 것이 보편적이다. 무인기에 달린 영상카메라가 촬영한 영상은 영상 송신기를 통해 무선으로 조 종장치로 송신된다. 조종장치에서는 이를 영상수신기(수신단말)를 통해 수신하여 시현장치나 스 마트 디바이스에 시현한다. 또한 WiFi 방식이나 이동통신망을 활용하여 영상정보를 송수신하는 방식도 사용된다.
(나) 데이터링크 사양 설정
운용요구서(ORD)와 선행기술/관련자료 분석 결과를 기반으로, 무인기(DOAUAV)와 조종장치(VCS)간 지대공 통신링크와 조종장치와 DMM 서버간 지대지 통신링크 규격을 다음과 같이 결정하였다.
1) 지대공(G/A) 데이터링크 요구사항 및 규격(안)
(4) DMM 통합관리시스템
벤치마킹 앱과 기존의 항공기용 DMM과 국내외에 있는 기술 자료 등의 분석을 통 해 DMM 통합관리시스템의 구성 요소인 DMM 맵 엔진, DME, 시뮬레이터 및 통합관리센터의 자 료를 수집하고 수집된 자료를 통한 요구도 분석과 소프트웨어 요구사항명세서를 작성하였다. 그 리고 분석된 요구도를 바탕으로 DMM 통합관리시스템의 구성 요소들의 기본 설계 및 일부 모듈 구현을 수행하였다. 항목별 수행 내용은 아래와 같다.
(가) DMM 맵 엔진 요구도 분석 및 자료 수집
◦ 기존 항공기용 DMM 기능 분석
◦ 벤치마킹 앱을 통한 DMM 기능 분석
◦ 논문 자료를 통한 3D 지형 렌더링 알고리즘 자료 수집 및 분석
◦ 3D 지형 렌더링 라이브러리에 대한 자료 수집 및 분석
◦ 좌표계간 상호 변환을 위한 좌표계 관련 자료 수집 및 분석
◦ 관련 요구도 작성
◦ 관련 선행 기술 분석서 작성
(나) DMM 맵 엔진 기본 설계
(라) DME 요구도 분석 및 자료 수집
※ DME(Digital Map Encoder) : DMM 맵 엔진에서 사용할 수 있도록 전자지도를 인코딩하고 데이터베이스를 생성하는 Windows PC 기반의 어플리케이션
◦ 기존 지도 편집 앱을 분석을 통한 기능 분석
◦ 벤치마킹 앱을 통한 지도 분할 방식 자료 수집
◦ 벤치마킹 지도 솔루션의 지도 분할 데이터베이스 관련 자료 수집
◦ 관련 요구도 작성
◦ 관련 선행 기술 분석서 작성
그림 1-2-127 DME 기술 분석서
(마) GIS 기술 및 자료 수집
◦ 표준 전자지도에 대한 자료 수집
◦ 관련 선행 기술 분석서 작성
그림 1-2-128 GIS기술 분석서
(바) DME 기본 설계
◦ S/W 요구사항 명세 목록 작성
요구사항 식별자 요구사항 식별자 명 관련항목
DME-SFR-001 DME Applicatoin DME-SFR-002 메뉴
DME-SFR-003 툴바 DME-SFR-004 상태바 DME-SFR-005 메인화면 DME-SFR-006 프로젝트 탐색창 DME-SFR-007 속성창
DME-SFR-008 출력창 DME-SFR-009 DME 프로젝트
DME-SFR-010 프로젝트 카테고리별 분류
표 1-2-34 DME 요구사항 목록
◦ S/W 메뉴 트리 작성
◦ S/W 기능별 화면 설계서 작성
◦ S/W 기능 절차서 작성
◦ S/W 기능별 UI Flow 설계서 작성
요구사항 식별자 요구사항 식별자 명 관련항목
DME-SFR-012 프로젝트 생성 DME-SFR-013 프로젝트 열기 DME-SFR-014 프로젝트 편집
DME-SFR-015 프로젝트 내 카테고리 편집 DME-SFR-016 프로젝트 내 리소스 편집 DME-SFR-017 프로젝트 저장
DME-SFR-018 리소스 데이터베이스 생성 DME-SFR-019 리소스 데이터베이스 삭제 DME-SFR-020 전자지도 리소스 미리보기 DME-SFR-021 전자지도 리소스 커버리지 현시 DME-SPR-001 표준 전자지도
DME-SPR-002 MIL-STD-2525C 심볼
◦ Prototype S/W 개발
(5) 스마트기기 기반 무인기 통제
스마트기기 기반 무인기 통제앱은 무인기를 통제하기 위해, 필요한 정보에 대한 분석과 자료 수집을 하고 분석된 결과를 바탕으로 무인기 통제 앱에 대한 요구사항을 정의 하 였고 자료와 요구사항을 바탕으로 기본설계 및 일부 기능에 대한 구현이 수행되었다.
(가) 요구도 분석 및 자료 수집
◦ 벤치마킹 앱을 통한 DMM GUI 및 UI에 대한 자료 수집 및 분석
◦ 관련 선행 기술 분석서 작성
그림 1-2-130 무인 통제 앱 기술 분석서
◦ S/W 기능별 UI Flow 설계서 작성
그림 1-2-131 무인기 통제 앱 UI Flow 설계서
◦ Prototype S/W 개발 - DMM 맵 엔진 모듈 연동
- 메인 화면 디스플레이 모듈 구현 - 툴바 메뉴 디스플레이 모듈 구현 - 비행 정보 디스플레이 모듈 구현 - 각종 설정 팝업 구현
(다) 신규 장애물 정보 데이터베이스 업데이트 알고리즘 설계
◦ 데이터베이스 업데이트 알고리즘에 대한 자료 수집
◦ 네비게이션 지도 데이터 업데이트 Flow 분석
(6) 소형무인기 조종장치 Pilot Box
(가) 휴대용 조종 장치 요구 사양 수집, 분석 및 주변 장치 구현
그림 1-2-132 조종장치 Block Diagram 1) 디자인
디자인은 크게 2가지 종류로 나누어짐.
◦ 스마트 디바이스 연동 없이 자체 조종 장치에서 데이터 활용 장비
- 다른 주변 장치를 활용하지 않고 내부적으로 Text LCD나 TFT LCD 등을 장 착하여 무인기에서 제공되는 GPS 좌표 및 주파수 대역, 채널 정보 등을 표출
- 다른 주변 장치를 활용하지 않고 내부적으로 Text LCD나 TFT LCD 등을 장 착하여 무인기에서 제공되는 GPS 좌표 및 주파수 대역, 채널 정보 등을 표출