3차원 협소 공간에서 다중 UAV 포메이션 시퀀스 생성 및 궤적 추종 방법 = Formation Sequence Generation and Trajectory Tracking Method for Multi-UAV in 3D Confined Environments

국문 초록 (Abstract)

3차원 협소 공간에서 다중 UAV 포메이션 시퀀스 생성 및 궤적 추종 방법 협소하고 복잡한 3차원 실내 환경에서 다중 무인비행로봇(UAV)의 안전한 군집 이동을 위해서는 주변 구조물과의 충돌을 방지하면서 대형을 유지하거나 적절히 변경할 수 있는 포메이션 계획 기술이 필요하다. 기존 연구는 주로 2차원 환경에서의 대형 계획 또는 단일 대형 유지에 초점을 두어, 높이 변화나 3차원 장애물이 존재하는 협소 공간에서는 대형 이탈과 충돌이 발생하는 한계가 있다. 본 연구에서는 전역 경로와 3차원 점유 격자 지도를 기반으로 각 경로 지점에서 적용할 포메이션의 패턴, 스케일, 자세를 순차적으로 결정하는 포메이션 시퀀스 생성 방법을 제안한다. 전역 경로를 일정 간격으로 리샘플링하고, 각 지점에서 생성한 포메이션 후보에 대해 UAV 간 간격과 장애물과의 최소 거리 제약을 적용하여 안전한 후보를 선별한다. 이후 Hungarian 알고리즘을 이용한 위치 매칭 비용과 포메이션 변화에 따른 전이 비용을 고려하여 포메이션 전이 그래프를 구성하고, A* 탐색을 통해 최종 포메이션 시퀀스를 도출한다. 또한 ROS1 Noetic과 PX4 SITL을 기반으로 한 다중 UAV 시뮬레이션 환경을 구축하여, 생성된 포메이션 시퀀스를 5대의 UAV가 추종하는 실험을 수행하였다. 실험 결과, 제안한 시퀀스는 협소한 통로와 복잡한 구조물 주변에서도 충돌 없이 안정적으로 전환되었으며, 모든 UAV가 포메이션 이탈 없이 목표 지점에 도달하는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 관련 연구 5
• 제3절 연구 목표 9
• 제2장 이론적 배경 10
• 제1절 3차원 점유 격자 지도와 OctoMap 10
• 제2절 전역 경로 계획과 그래프 탐색 알고리즘 12
• 제3절 Hungarian 알고리즘과 할당 문제 14
• 제3장 제안하는 방법 16
• 제1절 문제 정의 16
• 제2절 그래프 기반 명령 포메이션 시퀀스 생성 알고리즘 16
• 3.2.1 전역 경로 리샘플링과 기준 노드 정의 16
• 3.2.2 포메이션 상태와 후보 패턴 생성 17
• 3.2.3 포메이션 스케일 조정과 안전성 평가 20
• 3.2.4 포메이션 전이 비용과 A* 기반 시퀀스 탐색 23
• 제4장 실험 환경 구축 및 결과 26
• 제1절 실험 환경 26
• 4.1.1 시뮬레이션 시스템 구성 26
• 4.1.2 실험 시나리오 구성 28
• 제2절 실험 결과 30
• 4.2.1 구간 1 포메이션 시퀀스 생성 결과 30
• 4.2.2 구간 2 포메이션 시퀀스 생성 결과 31
• 4.2.3 구간 3 포메이션 시퀀스 생성 결과 33
• 4.2.4 전구간 다중 UAV 추종 결과 35
• 제5장 결론 42
• 참고문헌 43
• Abstract 44