무인 항공기 실시간 충돌 회피 알고리즘 및 자율비행제어 기법 연구 = A Study on Real-time Collision Avoidance Algorithm and Autonomous Flight Control for Unmanned Aerial Vehicles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents a real-time integrated framework that enables Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to operate safely and reliably within complex 3-dimensional environments by multiple dynamic obstacles. The proposed integrated framework three functionalities—path planning, collision avoidance, and trajectory-tracking control—into a hierarchical architecture designed for real-time execution. In Path Planning, various RRT-based algorithms were analyzed, and RRT* was selected as the global path generator due to its superior path cost and computational efficiency. In addition, the Line-of-Sight Path Optimization (LoSPO) algorithm was incorporated to further enhance optimality and ensure real-time performance. In Collision Avoidance, a distance-based collision detection logic was designed using trajectory segments of the aircraft and dynamic obstacles. To reduce misjudgment associated with purely distance-based methods, a time-based collision prediction logic was additionally formulated by considering the velocities of the aircraft and obstacles. Furthermore, the Airborne Collision Avoidance System (ACAS) concept was adopted to define a risk function, establishing quantitative thresholds for collision detection and path-replanning decisions. In Trajectory Tracking Control, a Lyapunov stability based nonlinear backstepping controller was further extended by incorporating incremental dynamics, thereby yielding an Incremental Backstepping Control (IBSC) law that provides enhanced robustness in the presence of modeling uncertainties and external disturbances. These components were then systematically integrated into a unified real-time framework. Validation was conducted through a series of single-aircraft and multi-aircraft encounter scenarios. Simulation results demonstrate that the proposed framework can accurately predict collision risks, rapidly generate safe avoidance trajectories, and maintain stable tracking performance, confirming its suitability for real-time autonomous flight operations in complex, dynamic environments.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 무인 항공기가 다중 동적 장애물이 존재하는 3차원 환경에서 안전한 운용을 수행할 수 있도록 경로 계획-충돌 회피-궤적 추종 제어 3가지 기능을 통합한 실시간 프레임워크를 설계하고 검증하는 것을 목표로 한다. 경로 계획 단계에서는 RRT 기반 알고리즘들의 성능 분석을 통해 경로 비용과 계산 효율이 우수한 RRT* 알고리즘을 전역 경로 탐색 알고리즘으로 채택하였고 최적화 알고리즘인 LoSPO 알고리즘을 추가해 최적 성능을 확보하여 실시간 경로 계획 성능을 확보하였다. 충돌 회피 단계에서는 항공기와 동적 장애물의 궤적 세그먼트를 이용해 거리 기반 충돌 판단 로직을 설계하고, 항공기 및 장애물 속도를 이용한 시간 기반 충돌 판단 로직을 결합하여 단순 거리 기준 회피의 오판 가능성을 줄였다. 또한, 국제 표준인 ACAS 개념을 도입하여 위험도 함수를 정의하고 이를 충돌 및 재계획 판단 기준을 확립하였다. 궤적 추종 제어 단계에서는 Lyapunov 기반 비선형 backstepping 제어 기법에 모델 불확실성과 강건성을 높이기 위해 incremental dynamics를 결합한 incremental backstepping control 기법을 적용하여 자율비행제어 시스템을 설계하였다. 마지막으로 경로 계획-충돌 회피-궤적 추종 제어 3가지 기능을 효율적으로 계층적 구조로 통합하여 실시간 프레임워크의 성능을 단일 및 다중 항공기 접근 시나리오에서 검증하였다. 시뮬레이션 결과, 본 프레임워크는 실시간 충돌 예측 및 위험도 기반 평가를 기반으로 신속하게 회피 경로를 생성하고 안정적으로 궤적을 추종하는 성능임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제１장 서론 １
• 제１절 연구 배경 １
• 제２절 연구 목표 ４
• 제２장 경로 계획 기법 １３
• 제１절 Sampling-based Algorithm ２０
• 제２절 Path Optimization ３４
• 제３절 경로 계획 및 최적화 알고리즘 성능 분석 ４１
• 제３장 실시간 충돌 회피 알고리즘 ４５
• 제１절 비행 궤적 생성 기법 ４６
• 제２절 거리 기반 충돌 판단 로직 ５４
• 제３절 시간 기반 충돌 판단 로직 ５９
• 제４절 실시간 충돌 평가 및 재계획 모듈 ６２
• 제４장 궤적 추종 제어기 ６９
• 제１절 Lyapunov Stability Theory ７０
• 제２절 System dynamics ７５
• 제３절 Incremental Backstepping Control ８１
• 제４절 Gain selection strategy ８４
• 제５장 충돌 시뮬레이션 결과 및 성능 분석 ８７
• 제１절 Part 1: 단일 항공기 접근 시나리오 ８８
• 제２절 Part 2: 다중 항공기 접근 시나리오 １１２
• 제６장 결론 １３６
• 참고문헌 １３８
• 부록 １４９
• 국문초록 １９８