소형 고정익 무인기 군집비행 기술 연구

명현삼(Hyunsam Myung),정준호(Junho Jeong),김도완(Dowan Kim),서난솔(Nansol Seo),김용빈(Yongbin Kim),이재문(Jaemoon Lee),임흥식(Heungsik Lim) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.12

최근 드론 기술의 대중화와 함께 저비용의 소형 무인기를 다수 또는 군집으로 운용함으로써 상당한 군사적 효용성을 얻을 수 있음이 알려지면서, 군집무인체계의 전장 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국방과학연구소에서는 이와 관련한 주요기술로 군집제어, 군집통신, 군집정보, 군집협업 기술을 식별하였으며, 1단계로써 대상 무인체를 운용하는 데 필요한 군집제어와 군집통신 기술에 대한 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 소형 고정익 무인기 기반의 군집무인기시스템을 설계 및 제작하고, 군집제어 및 군집통신 기술을 비행시험으로 검증한 과정을 소개한다. 최종 비행시험에서 무인기 19대가 군집비행을 수행함으로써 국내 최초로 군사적으로 활용도가 높은 고정익 무인기 약 20대 규모의 군집 비행시험에 성공하였다. Recently popularized drone technologies have revealed that low-cost small unmanned aerial vehicles(UAVs) can be a significant threat to prevailing power by operating in group or in swarms. Researchers in many countries have tried to utilize integrated swarm unmanned aerial system(SUAS) in the battlefield. Agency for Defense Development also identified four core technologies in developing SUAS: swarm control, swarm network, swarm information, and swarm collaboration, and the authors started researches on swarm control and network technologies in order to be able to operate vehicle platforms as the first stage. This paper introduces design and integration of SUAS consisting of small fixed-wing UAVs, swarm control and network algorithms, a ground control system, and a launcher, with which swarm control and network technologies have been verified by flight tests. 19 fixed-wing UAVs succeeded in swarm flight in the final flight test for the first time as a domestic research.

포텐셜 함수와 슬라이딩 모드 제어기법을 이용한 무인기 군집비행 제어기 설계

한기훈(Kihoon Han),김유단(Youdan Kim) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.5

본 논문에서는 포텐셜 함수와 슬라이딩 모드 제어기법을 이용한 행동양식 기반의 분산 형 군집비행 제어구조를 제안하였다. 군집비행 행동양식을 위해 각 개체의 상호작용을 포텐셜 함수로 표현하였으며, 군집형태를 유지하며 기준궤적을 추종하기 위해 군집중심점 제어기법을 제안하였다. 시스템의 불확실성과 임무환경에 의한 포텐셜 함수 변화에 대해 강건한 성능을 유지하기 위해 슬라이딩 모드 제어기법을 적용하여 제어기를 구성하고 안정성을 평가하였다. 또한 예상하지 못한 장애물에 대한 군집 회피기동을 위해 비행경로 수정기법을 제시하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 제안한 군집비행 제어기법의 성능을 평가하였다. This paper deals with a behavior based decentralized control strategy for UAV swarming utilizing the artificial potential functions and the sliding mode control technique. Individual interactions for swarming behavior are modeled using the artificial potential functions. The motion of individual UAV is directed toward the negative gradient of the combined potential. For tracking the reference trajectory of UAV swarming, a swarming center is considered as the object of control. The sliding-mode control technique is adopted to make the proposed swarm control strategy robust with respect to the system uncertainties and the varying mission environment. Numerical simulation is performed to verify the performance of the proposed controller.

소형 쿼드콥터의 군집비행을 위한 Zigbee 네트워크 데이터 통신 성능 분석

현정욱,송복섭,장재원,유혁 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

본 논문에서는 소형 쿼드콥터의 군집비행을 위한 비행체와 지상간의 데이터 통신 장치로 Zigbee모듈을 사용하는 경우, 그에 적합한 네트워크 접속형태를 선정하고 시험을 통해 데이터 통신 성능을 분석하였다. 안정적인 군집비행 운영에 적합한 접속형태를 선택하였으며, 4대의 비행체 및 지상통제장비로 구현하였다. 통신 시험은 데이터양 및 통신 속도를 변화시키면서 데이터 에러율을 확인하는 방식으로 수행하였다. 본 시험 결과를 통해 군집비행에 적절한 통신 속도와 데이터양을 제안하고, 선정한 네트워크 접속형태에 적합한 군집비행 운영방법을 제시하였다. In this paper, Select forms a suitable network topology and analyze the data communication performance by test, if we are using a Zigbee module for data communication between aircraft and ground equipment for swarm flight of Small Quadcopters. Select network topology which is suitable for stable swarm flight operations, and implement in four aircraft and Ground Control System. Communication test was performed in a way by varying the speed of communication and the amount of data to determine the data error rate. This test results suggest proper communication speed and the amount of data on the Swarm Flight, and selected network topology type in the appropriate swarm flight vehicles operations.

PSO의 다양한 영역 탐색과 지역적 미니멈 인식을 위한 전략

이영아,양성봉,김택헌 한국정보처리학회 2009 정보처리학회논문지. 소프트웨어 및 데이터 공학 Vol.16 No.4

PSO(Particle Swarm Optimization) is an optimization algorithm in which simple particles search an optimal solution using shared information acquired through their own experiences. PSO applications are so numerous and diverse. Lots of researches have been made mainly on the parameter settings, topology, particle’s movement in order to achieve fast convergence to proper regions of search space for optimization. In standard PSO, since each particle uses only information of its and best neighbor, swarm does not explore diverse regions and intended to premature to local optima. In this paper, we propose a new particle’s movement strategy in order to explore diverse regions of search space. The strategy is that each particle moves according to relative weights of several better neighbors. The strategy of exploring diverse regions is effective and produces less local optimizations and accelerating of the optimization speed and higher success rates than standard PSO. Also, in order to raise success rates, we propose a strategy for checking whether swarm falls into local optimum. The new PSO algorithm with these two strategies shows the improvement in the search speed and success rate in the test of benchmark functions. PSO(Particle Swarm Optimization)는 군집(swarm)을 구성하는 단순한 개체들인 입자(particle)들이 각자의 경험을 공유하여 문제의 해답을 찾는 최적화 알고리즘으로 다양한 분야에서 응용되고 있다. PSO에 대한 연구는 최적화를 위해 군집이 적합한 영역으로 빠르게 수렴하도록 하는 파라미터 값의 선정, 토폴로지, 입자의 이동에서 주로 이루어지고 있다. 표준 PSO 알고리즘은 입자 자신과 최고의 이웃이 제공하는 정보만을 이용해서 이동하므로 다양한 영역을 탐색하지 못하고 지역적 최적점에 조기 수렴하는 경향이 있다. 본 논문에서는 군집이 다양한 영역을 탐색하기 위해, 각 입자는 더 나은 경험을 가진 이웃입자들의 정보를 상대적인 중요도에 따라서 참조하여 이동하도록 하였다. 다양한 영역의 탐색은 표준 PSO 알고리즘보다 지역적 최적화의 확률을 줄이고 탐색 속도를 가속화하며 탐색의 성공률을 높일 수 있다. 또한 군집이 지역적 미니멈으로부터 벗어나기 위한 검사 전략을 제안하여 탐색의 성공률을 높였다. 제안한 PSO 알고리즘을 평가하기 위하여, 벤치마크 함수들에 적용한 결과 최적화의 진행 속도 개선과 탐색 성공률의 향상이 있었다.

군집 로봇의 임무 검증 지원을 위한 디지털 트윈 기반 통신 최적화 기법

김관혁 ( Gwanhyeok Kim ),김한진 ( Hanjin Kim ),권준형 ( Junhyung Kwon ),하범수 ( Beomsu Ha ),허석행 ( Seok Haeng Huh ),구지훈 ( Jee Hoon Koo ),손호정 ( Ho Jung Sohn ),김원태 ( Won-tae Kim ) 한국정보처리학회 2023 정보처리학회논문지. 컴퓨터 및 통신시스템 Vol.12 No.1

로봇은 군사 분야로까지 활용 범위를 넓히며 다가올 미래전에서 감시경계, 적군 탐지 등 중요한 임무를 맡게 될 것으로 전망된다. 군집 로봇은 다수라는 장점으로 단일 로봇이 수행하기 어렵거나 오랜 시간이 소요된 임무를 보다 효율적으로 수행할 수 있다. 상호 간 인지 및 협업이 필수인 군집 로봇은 방대한 데이터를 주고 받으며, 이로 인해 SW의 검증이 점점 더 어려워지고 있다. 임무 검증의 신뢰성을 높이기 위해 사용하는 Hardware-in-the-loop simulation은 복잡한 군집 로봇의 SW 검증을 가능하게 하나, HILS 장치와 시뮬레이터 간 주고 받는 검증 데이터의 양이 검증 대상 시스템 수에 따라 기하급수적으로 증가하여 통신 과부하가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 군집 로봇의 임무 검증에서 발생하는 통신 과부하 문제를 해소하기 위해 디지털 트윈 기반의 통신 최적화 기법을 제안한다. 제안하는 Digital Twin based Multi HILS Framework 하에서 Network DT은 Network Controller 알고리즘을 통해 임무 시나리오에 따라 각 로봇에게 네트워크 자원을 효율적으로 할당할 수 있으며, 군집에 참여하는 개별 로봇들이 요구하는 Sensor Generation Rate를 모두 만족시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 데이터 전송에 대한 실험 결과 패킷 손실 비율을 기존 15.7%에서 약 0.2%로 감소시킬 수 있었다. Robots are expected to expand their scope of application to the military field and take on important missions such as surveillance and enemy detection in the coming future warfare. Swarm robots can perform tasks that are difficult or time-consuming for a single robot to be performed more efficiently due to the advantage of having multiple robots. Swarm robots require mutual recognition and collaboration. So they send and receive vast amounts of data, making it increasingly difficult to verify SW. Hardware-in-the-loop simulation used to increase the reliability of mission verification enables SW verification of complex swarm robots, but the amount of verification data exchanged between the HILS device and the simulator increases exponentially according to the number of systems to be verified. So communication overload may occur. In this paper, we propose a digital twin-based communication optimization technique to solve the communication overload problem that occurs in mission verification of swarm robots. Under the proposed Digital Twin based Multi HILS Framework, Network DT can efficiently allocate network resources to each robot according to the mission scenario through the Network Controller algorithm, and can satisfy all sensor generation rates required by individual robots participating in the group. In addition, as a result of an experiment on packet loss rate, it was possible to reduce the packet loss rate from 15.7% to 0.2%.

군집비행 시험을 위한 Pixhawk 기반의 HILS 시스템 개발

문성태,최연주,공현철 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

최근 드론에 대한 관심이 급증하면서, 다양한 드론들이 선보이고 있다. 특히, 오픈소스 기반의 Pixhawk 비행 제어 시스템을 사용한 다양한 드론들이 개발되고 있다. 한편, 다수의 드론을 활용한 다양한 임무들에 대한 요구가 증가하면서 군집 비행에 대한 기술 또한 많은 각광을 받고 있다. 하지만, 다수의 드론을 동시에 수행하기 위해서는 많은 시행 착오가 있기 때문에 HILS (Hardware In the Loop Simulation)시스템을 활용하여 알고리즘의 안정화를 우선 확인하는 절차가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 군집비행 시험을 위해 개발한 Pixhawk 기반의 HILS 시스템을 소개한다. 논문에서 제안한 HILS 시스템은 매우 간단하기 때문에 쉽게 변경이 용이하며, 다양한 환경 상황을 모사할 수 있기 때문에 군집 비행에 필요한 다양한 환경을 구축할 수 있다. While increasing interest in drone, lots of drones which have various functions have been introduced. Especially, there are a variety of drones which use the Pixhawk flight control system based on open source. On the other hand, as the demand for the various mission using a number of drones are under increasing, the research of the swarm flight has became popular. However, in order to test and stabilize the swarm flight system, the HILS system should be required because there are lots of trial and error. In this paper, the HILS system is introduced based on Pixhawk for swarm flight. The proposed HILS system is easy to change because of simple architecture. In addition, it can build various environment for swarm flight.

군집 비행 시 드론 간 통신 프로토콜 모델 비교 연구

오민희,신승중 국제차세대융합기술학회 2020 차세대융합기술학회논문지 Vol.4 No.4

군집 드론의 운용은 다수의 무인 이동체 간의 협력으로 많은 이점이 있으나, 노드들의 이동으로 인해 네 트워크 토폴로지가 빠른 속도로 변하므로 드론간의 충돌 방지나 정확한 임무 수행을 위해서는 드론간의 정보교환 을 위한 통신이 필요하다. 본 논문에서는 재난상황으로 무너진 건물이나 터널 등에서 추가붕괴나 화재 등의 위험 으로 구조작업이 순조롭게 이루어지지 않는 현장 등에 필요한 실내 군집드론 운용에 알맞은 FANET 라우팅 프로 토콜에 연구하였다. 시뮬레이션으로 실내 군집비행에 적합한 라우팅 프로토콜을 찾기 위해 DSDV, OLSR, AODV 세가지의 라우팅 프로토콜에 대한 시뮬레이션을 진행하여 결과를 비교하였다. The swarm drone has many advantages due to the cooperation between a large number of unmanned mobile vehicles, but since the network topology changes rapidly due to the movement of nodes, communication for information exchange between drones is necessary to prevent collision between drones and perform accurate tasks. . In this paper, we studied the FANET routing protocol suitable for the operation of indoor swarm drones required for sites where structures are not smoothly operated due to the risk of additional collapse or fire in buildings or tunnels collapsed due to disasters. In order to find a suitable routing protocol for indoor swarm flight by simulation, simulations were conducted for three routing protocols: DSDV, OLSR, and AODV, and the results were compared.

고정익 소형무인기 군집비행을 위한 분산형 유도 알고리듬 설계

정준호(Junho Jeong),명현삼(Hyunsam Myung),김도완(Dowan Kim),임흥식(Heungsik Lim) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.12

본 논문에서는 다수 고정익 소형무인기 군집비행을 위한 분산형 유도 알고리듬 설계를 다룬다. 군집비행을 통한 임무 수행을 위해서 각 무인기들은 집결, 선회, 경로점, 개별 비행 등의 기동이 필요하다. 이를 위해서는 경로 추종, 떼비행, 충돌 회피가 요구된다. 본 논문에서는 상기 기동들을 수행하기 위해 벡터필드(경로 추종), 증강 쿠커-스메일 모델(떼비행), 포텐셜 필드(충돌 회피) 기법들을 활용한 통합 유도 알고리듬을 제안한다. 통합 유도 명령 생성을 위해 각 기법에서 생성된 유도 명령을 가중치에 따라 혼합할 수 있게 설계하며, 19대의 소형 고정익 무인기를 이용한 비행시험을 통해 제안한 군집 유도 알고리듬의 성능을 확인하였다. This paper presents a decentralized guidance algorithm for swarm flight of fixed-wing UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). Considering swarm flight missions, we assume four representative swarm tasks: gathering, loitering, waypoint/path following, and individual task. Those tasks require several distinct maneuvers such as path following, flocking, and collision avoidance. In order to deal with the required maneuvers, this paper proposes an integrated guidance algorithm based on vector field, augmented Cucker-Smale model, and potential field methods. Integrated guidance command is synthesized with heuristic weights designed for each guidance method. The proposed algorithm is verified through flight tests using up to 19 small fixed-wing UAVs.

군집드론 테러의 양상과 효과적인 대응방안

김현호(Kim Hyun-Ho),박홍성(Park Hong-Sung),채규칠(Chae Kyu-Chil) 한국경호경비학회 2020 시큐리티연구 Vol.- No.65

드론은 IT·융복합·센서 등의 특징을 가지고 첨단 기술이 융합된 혁신기술의 결정체로서 4차 산업혁명 시대를 주도할 핵심기술 중에 하나이다. 드론의 기술이 빠르게 발전하여 대중화, 소형화되고, 그 활용 범위는 확장되어 군사용, 산업 및 공공분야, 취미용, 상업용 등다양한 분야에서 활용되기 시작하면서 ‘드론의 시대’라는 용어까지 생겨났다. 그러나 증가 하는 드론 기술의 발전과 드론의 시장규모 만큼 많은 장점이 있겠지만, 활용되는 목적에 따라 구성과 구조가 쉽게 달라질 수 있어 드론에 의한 위협도 커지며 악용되는 사례도 점점 늘어나고 있다. 특히 군집드론의 테러 개념은 우리가 상상만 했던 공상 과학영화나 게임에서 나오는 전유물이 아니며, 주요 선진국에서는 미래 전장에 투입을 계획할 정도로 게임체인저급 잠재력을 인정받고 R&D가 활발히 진행되고 있다. 따라서 우리나라도 군집 드론 테러 대응에 대해 심각하게 고민하고 대책을 마련해야 하며, 그에 대한 대응방안은 문헌연구를 통해 아래와 같이 도출하였다. 첫째, 드론의 불법행위에 대한 처벌법 제정과 법 집행기관에게 안티드론과 관련된 권한을 부여하는 방안이 시급하다. 둘째, 드론 테러의 대응을 위하여 전문인력을 포함한 전담부대 및 방어 대응팀을 창설하고 나아가 중국과 일본 등 주변국의 동향을 파악하여 대책도 수립하여야 할 것이다. 셋째, 민·관·군이 공동연구와 기술 공유를 통해 공동대응 시스템을 구축한다면 새롭고 완벽한 대응체계가 구축될 것이다. 넷째, 국가안보를 위하여 국가중요 시설 및 국가보안시설에 군집드론을 식별 및 탐지하고 타격 및 저지할 수 있는 장비의 도입이 절실하다. Drones are one of the core technologies that will lead the era of the 4th industrial revolution as a crystal of innovative technologies in which advanced technologies are fused with features such as IT, convergence, and sensors. With the rapid development of drone technology, popularization and miniaturization, the scope of its application has been expanded, and it has been used in various fields such as military, industrial and public fields, hobby, and commercial, and the term drone era has emerged. However, although there are many advantages as much as the increasing development of drone technology and the size of the drone market, the composition and structure can be easily changed depending on the purpose of use, so the threat from drones is increasing, and the number of abuses is increasing. In particular, the concept of terrorism of swarm drones is not exclusive to science fiction movies or games that we only imagined, and major developed countries are recognized for their potential for game change and are actively conducting R&D. Therefore, Korea should also seriously consider and prepare countermeasures for countermeasures against military drone terrorism, and the countermeasures against it were derived as follows through literature research. First, it is urgent to enact a punishment law for illegal drone activities and to give law enforcement agencies the authority related to anti-drones. Second, to respond to drone terrorism, it is necessary to establish a dedicated unit including expert personnel and a defense response team, and further, identify trends in neighboring countries such as China and Japan to establish countermeasures. Third, a new and perfect response system will be established if the public, government, and military establish a joint response system through joint research and technology sharing. Fourth, for national security, it is urgent to introduce equipment that can identify, detect, strike, and block swarm drones in important national facilities and national security facilities.

DNA Chip 데이터의 군집화 성능 향상을 위한 Particle Swarm Optimization 알고리즘의 적용기법

이민수,Lee, Min-Soo 한국정보처리학회 2010 정보처리학회논문지D Vol.17 No.3

최근 DNA 칩의 등장으로 유전자 관련 실험과 연구가 매우 용이해졌으며 이를 활용한 다양한 실험 결과로 대량의 데이터가 제공되고 있다. DNA칩에 의해 제공된 데이터는 2차원 행렬로 표현되며 하나의 축은 유전자를 나타내고 다른 하나의 축은 샘플정보를 나타낸다. 이러한 데이터에 대하여 빠른 시간 안에 좋은 품질의 군집화를 수행함으로써 이후의 분석 단계인 분류화 작업의 정확도와 효율성을 높일 수 있다. 본 논문에서는 생태계 모방 알고리즘의 하나인 Particle Swarm Optimization 알고리즘을 사용하여 방대한 양의 DNA칩 데이터에 대한 효율적인 군집화 기법을 제안하였으며 실험을 통해서 PSO 기반의 군집화 알고리즘이 기존의 군집화 알고리즘들보다 수행속도 및 품질 면에서 우수한 성능을 가짐을 보였다. Experiments and research on genes have become very convenient by using DNA chips, which provide large amounts of data from various experiments. The data provided by the DNA chips could be represented as a two dimensional matrix, in which one axis represents genes and the other represents samples. By performing an efficient and good quality clustering on such data, the classification work which follows could be more efficient and accurate. In this paper, we use a bio-inspired algorithm called the Particle Swarm Optimization algorithm to propose an efficient clustering mechanism for large amounts of DNA chip data, and show through experimental results that the clustering technique using the PSO algorithm provides a faster yet good quality result compared with other existing clustering solutions.