KR102291050B1 - Drone for mission and mission-based multi drone formation control method - Google Patents

Drone for mission and mission-based multi drone formation control method Download PDF

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KR102291050B1
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김황남
김형태
박성준
서난솔
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국방과학연구소
고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention is to provide a drone for performing a mission and a mission-based multi drone formation control method capable of configuring an optimal drone formation according to a mission to be performed and controlling it in real time when the mission needs to be performed using multiple drones. According to the present invention, the drone for performing a mission comprises: a communication unit which performs communication connection with a drone network between a backbone network and multiple drones; a force calculation unit for calculating a first force for maintaining the network, a second force for the spread of the drones, a third force for performing the mission of the drone, and a fourth force according to the state of the drone; and a flight control unit for controlling movement in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force.

Description

임무 수행용 드론 및 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법{DRONE FOR MISSION AND MISSION-BASED MULTI DRONE FORMATION CONTROL METHOD}DRONE FOR MISSION AND MISSION-BASED MULTI DRONE FORMATION CONTROL METHOD

본 발명은 임무 수행용 드론 및 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 드론이 임무를 수행할 때 최적의 대형을 형성하도록 제어하는 임무 수행용 드론 및 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mission-performing drone and a mission-based multi-drone formation control method, and more particularly, to a mission-performing drone and mission-based multi-drone formation control for controlling multiple drones to form an optimal formation when performing a mission it's about how

여러 대의 무인 비행체(Unmanned Aerial Vehicle, UVA)(이하, 드론이라 통칭함)를 이용하여 다양한 임무를 수행할 수 있도록 하는 연구에는 여러 시도들이 이루어지고 있다. 드론이 다양한 임무를 수행하도록 하는 시도뿐만이 아니라, 드론이 효율적으로 서비스를 제공하도록 하려는 연구도 이루어지고 있다. 이러한 관점에서 다중 드론들이 어떻게 대형을 형성하면 좋을지에 대한 고민과 연구들이 이루어지고 있다.Several attempts are being made in research to enable various missions to be performed using multiple Unmanned Aerial Vehicles (UVA) (hereinafter collectively referred to as drones). Not only attempts are being made to make drones perform various missions, but also studies are being made to ensure that drones provide services efficiently. From this point of view, contemplations and studies are being made on how to form a formation of multiple drones.

애드혹(Ad-hoc) 모바일 네트워크 환경에서는 각 노드가 이동성을 가지고 있어 지속적으로 위치를 변경하며, 더 나아가 예측 불가능하게 연결을 변경하는 연구가 있다. 이는 애드혹 모바일 네트워크 환경에서 노드의 네트워크 연결성을 유지시키고 데이터 전송 레이트(data rate)를 개선을 시킬 수 있는 네트워크 프로토콜에 대한 연구이다. 추가적으로, 네트워크의 노드 간의 연결의 방해가 있을 시에도 이를 대처할 수 있는 방안도 포함하고 있다. 즉, 시시각각 위상(topology)이 변화하는 네트워크와 무작위로 이동하고 있는 네트워크 연결 노드들의 환경에서도 내성이 있고 효율적으로 작동이 가능하도록 하는 프로토콜에 대한 연구가 진행되고 있다.In an ad-hoc mobile network environment, each node has mobility, so it constantly changes location, and further, there are studies that change the connection unpredictably. This is a study on a network protocol that can maintain network connectivity of nodes and improve data rate in an ad hoc mobile network environment. In addition, it also includes a method for coping with the interruption of the connection between the nodes of the network. That is, research on a protocol that enables tolerant and efficient operation even in the environment of networks in which the topology changes every moment and randomly moving network-connected nodes is in progress.

하지만, 이러한 연구에서는 각 노드들의 연결 상태만을 고려하여 강인한 모바일 네트워크 프로토콜을 구성하려고 하는 점에서 한계를 가진다. 실질적으로 강인한한 모바일 네트워크를 구성하기 위해서는 연결성 이외에도 다양한 요인들에 내성이 있어야 한다. However, this study has limitations in that it attempts to construct a robust mobile network protocol by considering only the connection state of each node. In order to construct a practically robust mobile network, it must be resistant to various factors other than connectivity.

그리고, 다중 드론의 연결을 유지하며, 공간적 및 시간적으로 분리된 동적 시스템에서 드론의 좌표를 설정할 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있다. 이 연구에서, 다중 결정자(multiple decision makers)와 불완전한 수학적 모델을 가진 제한된 환경에서 최적화된 드론의 좌표 설정 방법, 내쉬 균형(Nash equilibrium)을 만족하도록 하는 다중 비행체의 좌표(위치) 설정에 대한 기술이 제시되고 있다.In addition, research is being conducted to maintain the connection of multiple drones and to set the coordinates of the drone in a spatially and temporally separated dynamic system. In this study, a method for setting the coordinates of a drone optimized in a limited environment with multiple decision makers and an incomplete mathematical model, and a technique for setting the coordinates (position) of multiple vehicles to satisfy the Nash equilibrium are presented. is being presented

하지만, 이 연구에서는 다중 드론의 주변 환경적인 요인들을 고려하지 못한다는 한계가 있다. 즉, 다중 드론들이 수행해야 하는 임무를 고려하지 않고 제한된 네트워크 환경 속에서의 대형 배치에 대한 기술이 제시되고 있을 뿐이고, 드론의 다양한 임무 수행 시의 효율성을 고려하여 대형을 형성하지 못한다는 단점이 있다.However, this study has a limitation in that it does not take into account environmental factors of multiple drones. In other words, technology for large-scale deployment in a limited network environment is only presented without considering the missions that multiple drones must perform, and there is a disadvantage in that the formation cannot be formed considering the efficiency of drones performing various missions. .

통신 네트워크가 급하게 필요하지만 인프라가 형성되지 않은 환경의 상황에서는 드론을 이용한 애드혹 연결을 통한 통신이 많이 활용된다. 이렇게 드론을 이용한 네트워크를 제공하는데 중요하게 해결되어야 하는 문제로 오랫동안 지속적으로 에너지를 제공해주어야 하는 배터리 문제가 있다. 이를 고려하여 무선 충전 시설이 있는 환경에서 다중 드론의 3D 대형 형성 알고리즘에 대하여 연구되고 있다. In an environment where a communication network is urgently needed but infrastructure is not formed, communication through an ad hoc connection using a drone is widely used. As an important problem to be solved in providing a network using drones like this, there is a battery problem that must continuously provide energy for a long time. Considering this, research is being conducted on the 3D large formation algorithm of multiple drones in an environment with wireless charging facilities.

하지만, 이 연구에서는 고정되어 있고 최적화된 지점에 위치한 무선 충전 시설을 사용한다는 한계가 있다. 즉, 고려해야 하는 임무 사항이 동적이지 않은 상황을 의미하고 있다. However, this study has a limitation in using a wireless charging facility located at a fixed and optimized point. In other words, it means a situation where the tasks to be considered are not dynamic.

드론은 이동 장치가 통신을 할 수 있도록 해주는 이동 기지국의 역할을 할 수도 있다. 단일 드론을 하나의 기지국으로 두어 이동 장치와 D2D 통신을 하도록 하는 기술에 대하여 연구되고 있다. 이 연구에서는 드론의 D2D 통신 할당 범위 확률, D2D 통신 단절 확률, 수용 면적과 수용 시간 사이의 전반적인 교환(tradeoff) 관계를 통해서 드론의 위치를 결정한다. Drones can also act as mobile base stations allowing mobile devices to communicate. A technology that allows a single drone to perform D2D communication with a mobile device by using a single base station is being studied. In this study, the drone's location is determined through the overall tradeoff relationship between the drone's D2D communication allocation range probability, D2D communication disconnection probability, and accommodation area and accommodation time.

하지만, 이 연구에서는 하나의 드론만을 고려하여 위치 최적화를 진행했다는 한계점이 있다. 또한, 드론의 위치 최적화의 목적이 D2D 통신에 국한되어 있다는 한계점이 있다.However, this study has a limitation in that the location optimization was performed by considering only one drone. In addition, there is a limitation in that the purpose of optimizing the location of the drone is limited to D2D communication.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 여러 대의 드론을 사용하여 임무를 수행해야 할 때, 수행하려는 임무에 따라서 최적의 드론 대형을 구성하고 이를 실시간으로 제어할 수 있도록 하는 임무 수행용 드론 및 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 제공함에 있다. The technical problem to be solved by the present invention is to configure an optimal drone formation according to the mission to be performed and control it in real time when a mission needs to be performed using multiple drones and a mission-based multi-purpose drone An object of the present invention is to provide a method for controlling a large drone.

임무를 수행하는데 있어서 여러 대의 드론들이 어떻게 대형을 형성하는가는 임무의 효율성에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 드론을 사용하여 네트워크 인프라를 제공하는 임무를 수행할 때, 어떻게 드론의 대형을 구성하여 서비스를 제공하느냐에 따라서 처리율(throughput), 액세스 시간(access time) 등의 네트워크의 성능이 달라진다. 더 나아가서, 매순간 최적의 다중 드론의 대형을 찾는 것은 유동적으로 변화하는 임무 환경에서 이동성(mobility)이라는 중대한 특성을 가진 드론이 효과적으로 사용되기 위해서는 필수적이다.How many drones form a formation in carrying out a mission has a great impact on the effectiveness of the mission. For example, when performing a task of providing network infrastructure using a drone, network performance such as throughput and access time varies depending on how the drone is configured to provide a service. Furthermore, finding the optimal multi-drone formation at every moment is essential for effective use of a drone with a critical characteristic of mobility in a fluidly changing mission environment.

다중 드론들을 사용하여 임무를 수행하기 위해서는 개개인의 성능도 중요하지만 무엇보다 여러 대의 드론들이 임무의 목적과 상황에 맞게 적절하게 배치되고 분포하는 것이 중요하다. 이렇게 드론의 최적의 분포를 알고 이를 배치시키기 위해서는 상당히 많은 임무 및 드론의 외적, 내적 요인들을 고려해야 한다. 다중 드론들이 대형을 형성하여 임무를 수행하는데 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 존재한다. 이와 관련하여 각 요인별로 다중 드론의 임무 수행 능력을 개선을 시키려는 연구와 기술들이 많이 진행되고 있다. 하지만, 이러한 요인들을 종합적으로 고려하여 드론의 최적 위치를 찾도록 하는 기술은 충분히 개발되지 않았다.In order to perform a mission using multiple drones, individual performance is important, but above all, it is important that multiple drones are properly deployed and distributed according to the purpose and situation of the mission. In order to know the optimal distribution of drones and deploy them, it is necessary to consider many missions and external and internal factors of drones. There are several factors that affect the ability of multiple drones to form a formation and perform missions. In this regard, many studies and technologies are being conducted to improve the mission performance capability of multiple drones for each factor. However, the technology to find the optimal location of the drone by considering these factors comprehensively has not been sufficiently developed.

본 발명은 다중 드론이 임무를 수행할 때, 대형을 갖추는데 있어서 영향을 받는 중요한 요인들을 분석하여 최적 대형을 형성하도록 하는 제어 기술을 제공한다. 본 발명의 실시예는 각종 임무 수행 중에 작용하는 요인들을 드론들의 연결, 드론들의 분포, 드론들의 임무 수행 능력, 드론들의 상태의 4가지로 분류하여 최적 대형을 형성하고 유지하는 예시를 보인다. 본 발명은 각 요인들을 분석하여 각 요인의 영향을 드론에 가해지는 힘으로써 생각하는 접근 방식을 사용해 최적의 대형을 계산하도록 하는 기술을 제공한다. The present invention provides a control technology for forming an optimal formation by analyzing important factors that are affected in forming a formation when multiple drones perform a mission. The embodiment of the present invention shows an example of forming and maintaining an optimal formation by classifying factors that act during various missions into four categories: connection of drones, distribution of drones, mission performance capability of drones, and state of drones. The present invention provides a technique for calculating the optimal formation using an approach that analyzes each factor and considers the influence of each factor as a force applied to the drone.

또한, 본 발명은 주어진 임무의 중요도 분포를 나타낸 임무 지도(mission value map)를 활용하여 이를 고려한 최적 대형을 형성할 수 있는 기술을 제공한다. 임무 지도를 통해서 임무 수행을 위해 필요한 특징 및 위치를 미리 파악하여 이를 참고해 적합하게 드론 배치를 형성하게 된다. 따라서, 어떠한 형태의 임무에서도 그 특징 및 목표를 정해주는 임무 지도가 주어진다면 최적의 효율을 낼 수 있는 드론 배치를 형성할 수 있게 된다.In addition, the present invention provides a technique for forming an optimal formation taking this into consideration by utilizing a mission value map indicating the importance distribution of a given mission. Through the mission map, the characteristics and locations necessary for mission performance are identified in advance, and the drone deployment is appropriately formed with reference to this. Therefore, in any type of mission, if a mission map that sets the characteristics and goals is given, it is possible to form a drone deployment that can achieve optimum efficiency.

본 발명은 드론을 사용하여 구현 및 설계하였으나, UVA 뿐만 아니라 UGV(Unmanned Ground Vehicles), UUV(Unmanned Underwater Vehicles) 등의 다양한 무인 이동체에 활용될 수 있다. Although the present invention was implemented and designed using a drone, it can be applied to various unmanned moving vehicles such as unmanned ground vehicles (UGVs) and unmanned underwater vehicles (UUVs) as well as UVA.

더 나아가서, 본 발명을 이용하면 최대한 효율적으로 분산적인 서비스 및 임무를 제공하는 것이 가능해져 스마트폰, 대중교통 등의 일반적인 사람들의 편의를 위한 시설에서도 활용될 수 있다. Furthermore, by using the present invention, it is possible to provide distributed services and missions as efficiently as possible, so that it can be utilized in facilities for the convenience of ordinary people, such as smartphones and public transportation.

본 발명은 다중 드론이 어떠한 네트워크 환경 속에서 놓여 있어도 위에서 설명한 임무 지도, 다양한 요인 사항들을 고려하여 네트워크를 유지, 성공적인 임무 수행을 할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 다중 드론은 임무 수행을 위한 최적의 위치를 찾아서 비행을 하되, 변화하는 상황을 인지하고 고려하여 지속적으로 최적의 임무 상태를 갱신해 유지할 수 있다. The present invention allows multiple drones to successfully perform a mission by maintaining a network in consideration of the mission map and various factors described above, no matter what network environment they are placed in. In other words, the multi-drone can find the optimal location for mission performance and fly, but it can continuously update and maintain the optimal mission status by recognizing and considering changing situations.

본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론은 백본 네트워크 및 다중 드론 간의 드론 네트워크와 통신 연결을 수행하는 통신부, 네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 계산하는 힘 계산부, 및 상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동을 제어하는 비행 제어부를 포함한다.A mission-performing drone according to an embodiment of the present invention includes a communication unit that communicates with a backbone network and a drone network between multiple drones, a first force for network maintenance, a second force for spreading drones, and a drone mission A force calculator for calculating a third force for and a fourth force according to the drone state, and a flight control unit for controlling movement in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force includes

상기 통신부는 드론-임무 간 네트워크를 형성하고, 임무 지점으로부터 브로드캐스팅되는 임무 정보를 수신할 수 있다.The communication unit may form a drone-mission network and receive mission information broadcast from a mission point.

GPS 센서를 이용하여 위치를 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다.It may further include a sensor unit for measuring a location using a GPS sensor.

상기 통신부는 상기 드론 네트워크를 통해 상기 GPS 센서를 이용하여 측정한 위치 정보를 브로드캐스팅하고 인접한 드론의 위치 정보를 획득할 수 있다. The communication unit may broadcast location information measured using the GPS sensor through the drone network and acquire location information of an adjacent drone.

상기 센서부는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론의 위치를 탐지할 수 있다. The sensor unit may detect a position of an adjacent drone using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device.

상기 센서부는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무의 현황을 파악할 수 있다.The sensor unit may determine the status of the mission by using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device.

상기 비행 제어부는 상기 드론 상태가 기준치보다 낮아져서 상기 제4 힘이 상태 임계치보다 커지면 드론이 착륙 지점으로 착륙하도록 제어할 수 있다.The flight controller may control the drone to land at a landing point when the state of the drone is lower than a reference value and the fourth force is greater than a state threshold.

상기 비행 제어부는 상기 제3 힘이 임무 임계치보다 작은 경우 현 위치에서 임무를 수행하도록 제어할 수 있다. The flight control unit may control to perform the mission at the current position when the third force is less than the mission threshold.

상기 비행 제어부는 상기 제2 힘과 상기 제3 힘의 합이 상기 제1 힘보다 커지면 홉 노드를 재설정하여 다중 드론 대형이 확장되도록 제어할 수 있다.When the sum of the second force and the third force is greater than the first force, the flight controller resets the hop node to control the multi-drone formation to expand.

본 발명의 다른 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법은 다중 드론 중 각 드론이 네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 힘 벡터로 정의하는 단계, 및 상기 각 드론이 상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동하여 상기 다중 드론의 대형을 형성하는 단계를 포함한다.In a mission-based multi-drone formation control method according to another embodiment of the present invention, among multiple drones, each drone has a first force for maintaining a network, a second force for spreading drones, a third force for performing a drone mission, and a drone defining a fourth force according to a state as a force vector, and moving each drone in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force to increase the formation of the multiple drones forming a step.

상기 다중 드론은 다중 드론 간의 드론 네트워크를 형성하고, 상기 각 드론은 상기 드론 네트워크를 통해 위치 정보를 브로드캐스팅하고 인접한 드론의 위치 정보를 획득할 수 있다. The multiple drones form a drone network among multiple drones, and each drone may broadcast location information through the drone network and acquire location information of adjacent drones.

상기 각 드론은 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론의 위치를 탐지할 수 있다.Each of the drones may detect the location of an adjacent drone using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device.

상기 각 드론은 드론-임무 간 네트워크를 형성하고, 임무 지점으로부터 브로드캐스팅되는 임무 정보를 수신하여 임무의 현황을 파악할 수 있다.Each of the drones forms a drone-mission network, and receives mission information broadcast from a mission point to determine the status of the mission.

상기 각 드론은 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무의 현황을 파악할 수 있다. Each of the drones may grasp the status of a mission by using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device.

상기 각 드론은 수용하고 있는 임무의 양을 주변 드론들과 비교하여 상대적으로 임무가 많을 경우 임무 지역으로 수평적으로 멀어지고, 상대적으로 임무가 적을 경우 상기 임무 지역 쪽으로 수평적으로 가까이 가도록 이동할 수 있다. Each of the drones can move horizontally away from the mission area when the number of missions is relatively large by comparing the amount of missions it accommodates with the surrounding drones, and horizontally closer to the mission area when the number of missions is relatively small. .

상기 각 드론은 수용하고 있는 임무의 양을 주변 드론들과 비교하여 상대적으로 임무가 많을 경우 상승하고, 상대적으로 임무가 적을 경우 하강하도록 이동할 수 있다. Each of the drones may move to rise when there are relatively many tasks by comparing the amount of missions it is receiving with those of the surrounding drones, and to descend when there are relatively few tasks.

상기 각 드론은 상기 제2 힘과 상기 제3 힘의 합이 상기 제1 힘보다 커지면 홉 노드를 재설정하여 상기 다중 드론의 대형을 확장할 수 있다. When the sum of the second force and the third force is greater than the first force, each drone resets a hop node to expand the formation of the multi-drone.

기존 기술의 경우 다중 드론을 이용하여 제한적인 상황 및 조건에서 임무를 수행하는 것까지는 가능할 지라도, 임무의 특성을 각기 고려하여 효율적인 임무를 수행할 수 있도록 대형을 최적화하는 것은 매우 힘들었다. In the case of existing technologies, it is possible to perform missions in limited situations and conditions using multiple drones, but it was very difficult to optimize the formation to efficiently perform missions considering the characteristics of each mission.

이를 해결하기 위해서 본 발명에서는 임무의 고려할 요소들을 힘으로써 정의하여 간편하게 위치를 계산하고 다중 드론을 효율적으로 배치하여 임무를 수행할 수 있도록 한다. 복잡하게 변화하는 임무의 환경을 힘으로써 간단하게 표현하여 실시간으로 드론들의 최적의 대형을 계산함으로써 효과적인 임무 수행이 이루어질 수 있다. In order to solve this problem, in the present invention, the factors to be considered of the mission are defined as force, so that the position can be calculated conveniently, and multiple drones can be efficiently deployed to perform the mission. Effective mission performance can be achieved by calculating the optimal formation of drones in real time by simply expressing the complex changing mission environment with force.

또한, 본 발명은 제한된 일부 특정 임무 상황에서만 사용할 수 있는 것이 아니라, 다중 드론을 이용하는 다양한 임무 상황에 통용되어 사용될 수 있다. 더 나아가서, 본 발명은 드론에만 국한되지 않고 다양한 매체 및 환경을 이용하는 각종 무인 이동체의 다중 제어에서도 효과적으로 활용될 수 있다.In addition, the present invention can not be used only in some limited specific mission situations, but can be commonly used in various mission situations using multiple drones. Furthermore, the present invention is not limited to drones and can be effectively utilized in multiple control of various unmanned moving objects using various media and environments.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론 및 네트워크를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론에 작용하는 힘을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론에 작용하는 힘의 관계를 드론 사이의 거리에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 네트워크 유지를 위한 제1 힘을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론들의 확산을 위한 제2 힘을 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 상태에 따른 제4 힘을 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션한 장면을 나타내는 예시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram illustrating a drone and a network for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram illustrating a force acting on a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a relationship between forces acting on a drone for performing a mission according to a distance between the drones according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram illustrating a first force for maintaining a network of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram illustrating a second force for spreading of drones for mission performance according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary diagram illustrating a third force for performing a mission of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary diagram illustrating a fourth force according to a state of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of controlling a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.
9 is an exemplary diagram illustrating a scene in which the mission performance of multiple drones is simulated by applying the mission-based multi-drone formation control method according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating a result of simulating the mission performance of multiple drones by applying the mission-based multi-drone formation control method according to an embodiment.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar elements throughout the specification.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 임무 수행용 드론 및 네트워크에 대하여 설명하고, 도 2 내지 7을 참조하여 임무 수행용 드론에 작용하는 힘을 이용하여 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a drone and a network for performing a mission according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, and a mission-based multi-drone formation control method using a force acting on the drone for performing a mission with reference to FIGS. 2 to 7 will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론 및 네트워크를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a drone and a network for performing a mission according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 임무 수행용 드론(10)(이하, 간략히 '드론'이라 칭한다)은 센서부(11), 통신부(12), 힘 계산부(13) 및 비행 제어부(14)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a drone 10 for performing a mission (hereinafter, simply referred to as a 'drone') includes a sensor unit 11 , a communication unit 12 , a force calculation unit 13 , and a flight control unit 14 . .

센서부(11)는 위치를 측정할 수 있는 GPS(Global Positioning System) 센서, UWB(Ultra Wide Band) 기반의 측위 장치, 카메라 기반 물체 탐지 장치를 포함할 수 있다. 센서부(11)는 GPS를 이용하여 드론(10) 자신의 위치를 측정할 수 있다. 센서부(11)는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론(10)의 위치를 탐지/계산할 수 있다. 또한, 센서부(11)는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무(40)를 탐지/계산할 수 있다. 또한, 센서부(11)는 드론(10)에 내장된 배터리의 충전 상태, 드론(10)의 충격 상태 등을 포함하는 드론(10)의 상태 정보를 탐지할 수 있다. The sensor unit 11 may include a Global Positioning System (GPS) sensor capable of measuring a position, an Ultra Wide Band (UWB)-based positioning device, and a camera-based object detection device. The sensor unit 11 may measure the position of the drone 10 itself by using GPS. The sensor unit 11 may detect/calculate the position of the adjacent drone 10 using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. Also, the sensor unit 11 may detect/calculate the task 40 using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. Also, the sensor unit 11 may detect state information of the drone 10 including a charging state of a battery built in the drone 10 , an impact state of the drone 10 , and the like.

임무(40)는 드론(10)의 임무 수행이 요구되는 지점으로써, 임무(40)의 특성에 따라 단순 위치로 지정될 수도 있고, 분포의 연속성에 따라 연속적인 분포도의 형태로 정의될 수 있다. 예를 들어, 배달 임무의 경우, 임무(40)는 임무 지점으로 드론(10)이 배달할 품목에 대한 물품의 위치로 정의될 수 있다. 산불 진화 임무의 경우, 임무(40)는 임무 지점의 온도가 영역 내에서 연속적인 수치로 분포하므로, 위치가 특정되지 않으며 센서부(11)에서 탐지되어 파악될 수 있다. The mission 40 is a point at which the mission of the drone 10 is required, and may be designated as a simple location according to the characteristics of the mission 40 or may be defined in the form of a continuous distribution map according to the continuity of the distribution. For example, in the case of a delivery mission, the mission 40 may be defined as a location of an item for an item to be delivered by the drone 10 as a mission point. In the case of the forest fire extinguishing mission, the mission 40 has a location where the temperature of the mission point is distributed as a continuous numerical value within the region, and the position is not specified and may be detected and identified by the sensor unit 11 .

통신부(12)는 게이트웨이(20)를 통해 백본(backbone) 네트워크와 통신 연결을 수행하고, 다중 드론(10)들 간의 드론 네트워크(30)와 통신 연결을 수행한다. 게이트웨이(20)는 드론(10)이 백본 네트워크와 연결되는 지점 또는 드론 네트워크(30)가 백본 네트워크와 연결되는 지점이다. The communication unit 12 communicates with a backbone network through the gateway 20 and communicates with the drone network 30 between multiple drones 10 . The gateway 20 is a point at which the drone 10 is connected to the backbone network or a point at which the drone network 30 is connected to the backbone network.

한편, 임무(40)는 임무 위치에 배치되는 통신 단말을 포함할 수 있고, 통신 단말을 이용하여 드론(10)의 통신부(12)를 통한 드론-임무 간 네트워크를 형성할 수 있다. 통신부(12)는 임무(40)로부터 브로드캐스팅(broadcasting)되는 임무 정보를 수신할 수 있다.Meanwhile, the mission 40 may include a communication terminal disposed at the mission location, and a drone-mission network may be formed through the communication unit 12 of the drone 10 using the communication terminal. The communication unit 12 may receive mission information broadcast from the mission 40 .

힘 계산부(13)는 게이트웨이(20)의 위치 정보, 드론(10) 자신의 위치 정보, 인접한 드론(10)의 위치 정보, 임무 정보, 상태 정보를 기반으로 네트워크 유지를 위한 제1 힘(F1), 드론(10)들의 확산을 위한 제2 힘(F2), 드론(10)의 임무 수행을 위한 제3 힘(F3), 드론(10)의 상태에 따른 제4 힘(F4)을 계산한다. 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)을 계산하는 방법에 대해서는 도 4 내지 7에서 후술한다. The force calculator 13 is a first force (F) for maintaining the network based on the location information of the gateway 20, the location information of the drone 10 itself, the location information of the adjacent drone 10, the mission information, and the status information 1 ), the second force (F 2 ) for the spread of the drones 10 , the third force ( F 3 ) for performing the mission of the drone 10 , and the fourth force (F 4 ) according to the state of the drone 10 . ) is calculated. Methods of calculating the first force F 1 , the second force F 2 , the third force F 3 , and the fourth force F 4 will be described later with reference to FIGS. 4 to 7 .

비행 제어부(14)는 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)에 따라 드론(10)이 이동하여야 하는 위치 및 이동 방향을 결정할 수 있다. 비행 제어부(14)는 결정된 위치 및 이동 방향으로 드론(10)의 이동을 제어한다.The flight control unit 14 is the first force (F 1 ), the second force (F 2 ), the third force (F 3 ), the position and movement to which the drone 10 should move according to the fourth force (F 4 ) direction can be determined. The flight controller 14 controls the movement of the drone 10 in the determined position and movement direction.

각 드론(10)이 인접한 드론(10)의 위치를 획득하는 방법으로, 드론(10)들 간에 형성된 드론 네트워크(30)를 통해 각 드론(10)이 GPS를 이용하여 측정한 자신의 위치 정보를 통신부(12)를 통해 브로드캐스팅하는 방법이 있다. 각 드론(10)은 드론 네트워크(30)를 통해 인접한 드론(10)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 또는, 각 드론(10)이 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론(10)의 위치를 탐지/계산하는 방법이 있다. 각 드론(10)은 어느 하나의 방법으로 인접한 드론(10)의 위치를 획득할 수 있다. As a method in which each drone 10 acquires the location of the adjacent drone 10, each drone 10 receives its own location information measured using GPS through the drone network 30 formed between the drones 10. There is a method of broadcasting through the communication unit 12 . Each drone 10 may acquire location information of an adjacent drone 10 through the drone network 30 . Alternatively, there is a method in which each drone 10 detects/calculates the position of the adjacent drone 10 using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. Each drone 10 may acquire the position of the adjacent drone 10 by any one method.

각 드론(10)이 임무와 관련된 현황을 파악하기 위한 벙법으로, 드론-임무 간 네트워크를 통해 임무(40)로부터 브로드캐스팅되는 임무 정보를 획득하는 방법이 있다. 또는, 각 드론(10)이 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무(40)의 현황을 파악하는 방법이 있다. 각 드론(10)은 어느 하나의 방법으로 임무(40)와 관련된 현황을 파악할 수 있다. As a method for understanding the status of each drone 10 related to a mission, there is a method of acquiring mission information broadcast from the mission 40 through a drone-mission network. Alternatively, there is a method in which each drone 10 grasps the status of the mission 40 using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. Each drone 10 may grasp the status related to the mission 40 by any one method.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론에 작용하는 힘을 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary diagram illustrating a force acting on a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 임무 기반 다중 드론 대형 제어를 위하여 각각의 드론(10)은 네트워크 유지를 위한 제1 힘(F1), 드론(10)들의 확산을 위한 제2 힘(F2), 드론(10)의 임무 수행을 위한 제3 힘(F3), 드론(10)의 상태에 따른 제4 힘(F4) 등에 의해 제어된다. 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)의 영향의 정도에 의해서 각 드론(10)의 위치가 결정되고, 최종적으로 다중 드론(10)들의 대형이 결정된다. 즉, 각 드론(10)이 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3) 및 제4 힘(F4)의 합력 방향으로 이동하여 다중 드론의 대형을 형성한다.Referring to FIG. 2 , for mission-based multi-drone formation control, each drone 10 has a first force (F 1 ) for network maintenance, a second force (F 2 ) for spreading the drones 10, and a drone Controlled by the third force (F 3 ) for performing the task of (10), the fourth force (F 4 ) according to the state of the drone 10, and the like. The position of each drone 10 is determined by the degree of influence of the first force F 1 , the second force F 2 , the third force F 3 , and the fourth force F 4 , and finally The formation of multiple drones 10 is determined. That is, each drone 10 moves in the direction of the resultant force of the first force (F 1 ), the second force (F 2 ), the third force (F 3 ), and the fourth force (F 4 ) to increase the formation of multiple drones. to form

각 드론(10)의 위치를 결정하는 요소인 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)의 영향은 각각의 힘 벡터로 정의된다. 드론(10)에 가해지는 요소들의 영향을 전체 힘의 합으로 표현된다. 이와 같이, 임무 상에서 복잡한 요소들을 힘으로 정의함으로써 직관적이고 간단하게 효율적인 임무 수행을 위한 요소들을 고려할 수 있게 된다. 즉, 현재 드론(10)이 가지고 있는 네트워크에 대한 연결성 유지를 위한 제1 힘(F1), 드론(10)이 주변 드론(10)들의 영향을 받아 퍼지도록 하는 제2 힘(F2), 드론(10)의 임무 수행 목적에 따른 제3 힘(F3), 그리고 드론(10) 자체의 상태에 따른 제4 힘(F4)이 합산되어 드론(10)이 최적의 방향으로 이동하도록 하는 것이다. 이러한 과정은 모든 드론(10)에 대해서 적용될 뿐만이 아니라, 지속적으로 또는 주기적으로 계속 계산되어 현재 시간, 현재 임무에 적합한 최적의 대형을 갖출 수 있게 되는 것이다. The effects of the first force (F 1 ), the second force (F 2 ), the third force (F 3 ), and the fourth force (F 4 ), which are factors determining the position of each drone 10 , are the respective force vectors is defined as The influence of the elements applied to the drone 10 is expressed as the sum of the total forces. In this way, by defining complex elements as forces on a task, elements for efficient task performance can be considered intuitively and simply. That is, the first force (F 1 ) for maintaining the connectivity to the network that the drone 10 currently has , the second force (F 2 ) for the drone 10 to spread under the influence of the surrounding drones 10 , The third force (F 3 ) according to the purpose of performing the mission of the drone 10 and the fourth force (F 4 ) according to the state of the drone 10 are summed so that the drone 10 moves in the optimal direction. will be. This process is not only applied to all drones 10, but is also continuously or periodically calculated so that the optimal formation suitable for the current time and current mission can be obtained.

예시한 바와 같이, 드론(10)에 작용하는 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)은 벡터로 표시될 수 있으며, 드론(10)의 최종 이동은 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)의 합력(F)의 방향으로 작용하게 된다. As illustrated, the first force F 1 , the second force F 2 , the third force F 3 , and the fourth force F 4 acting on the drone 10 may be expressed as vectors, , the final movement of the drone 10 acts in the direction of the resultant force F of the first force F 1 , the second force F 2 , the third force F 3 , and the fourth force F 4 . do.

이하, 도 3 내지 7을 참조하여 드론(10)에 작용하는 힘에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the force acting on the drone 10 will be described in more detail with reference to FIGS. 3 to 7 .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론에 작용하는 힘의 관계를 드론 사이의 거리에 따라 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 네트워크 유지를 위한 제1 힘을 나타내는 예시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론들의 확산을 위한 제2 힘을 나타내는 예시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘을 나타내는 예시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 상태에 따른 제4 힘을 나타내는 예시도이다. 3 is a graph illustrating a relationship between forces acting on a drone for performing a mission according to a distance between the drones according to an embodiment of the present invention. 4 is an exemplary diagram illustrating a first force for maintaining a network of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention. 5 is an exemplary diagram illustrating a second force for spreading of mission-performing drones according to an embodiment of the present invention. 6 is an exemplary diagram illustrating a third force for performing a mission of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention. 7 is an exemplary diagram illustrating a fourth force according to a state of a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 3 및 4를 참조하여 네트워크 유지를 위한 제1 힘(F1)에 대하여 설명한다. First, the first force F 1 for maintaining the network will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .

제1 힘(F1)은 드론(10)들의 네트워크 연결이 끊어지지 않도록 유지를 시켜주는 힘이다. 제1 힘(F1)은 기본적으로는 드론(10)들의 네트워크 연결 유지를 위한 힘으로 각 드론(10)과 백본 네트워크의 통신 연결이 유지될 수 있도록 가해지는 힘이다. 통신 연결이 지속적으로 유지가 되기 위해서는 일단 최소 한 개 이상의 네트워크 연결 지점(드론(10) 또는 게이트웨이(20))로부터 최대 통신 거리를 벗어나지 말아야 한다. 제1 힘(F1)은 네트워크 연결 지점으로부터 거리가 멀어질수록 네트워크 연결 지점으로 향하는 방향의 힘이 커진다는 것이 특징이다. The first force F 1 is a force that maintains the network connection of the drones 10 not to be cut off. The first force F 1 is basically a force for maintaining the network connection of the drones 10 and is a force applied to maintain a communication connection between each drone 10 and the backbone network. In order for the communication connection to be continuously maintained, at least one network connection point (the drone 10 or the gateway 20) must not deviate from the maximum communication distance. The first force F 1 is characterized in that as the distance from the network connection point increases, the force in the direction toward the network connection point increases.

제1 힘(F1)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The first force F 1 may be expressed as in Equation 1.

Figure 112021014836256-pat00001
Figure 112021014836256-pat00001

여기서, P는 위치를 나타내는 벡터이고, Di는 i번째 드론을 나타내고, H는 1홉(one-hop)으로 연결된 노드(드론(10))의 집합을 나타낸다. Here, P is a vector indicating a location, D i indicates an i-th drone, and H indicates a set of nodes (drone 10) connected by one-hop.

1홉으로 연결된 드론(10)의 집합 H는 다음과 같이 정의된다. 최초에 모든 드론(10)이 게이트웨이(20) 인근에서 비행을 시작하고 각 드론(10)에 대해 H는 게이트웨이(20) 단 하나만을 원소로써 갖는다. 이후, 후술하는 네트워크 확장 기능을 통하여 H의 원소가 변경되고, 이를 통해 F1,i는 다양한 네트워크 대형에서 네트워크를 유지할 수 있는 힘의 요소로 작용한다. A set H of the drones 10 connected by one hop is defined as follows. Initially, all the drones 10 start flying near the gateway 20 , and for each drone 10 , H has only one gateway 20 as an element. Thereafter, the element of H is changed through a network extension function to be described later, and through this , F 1,i acts as a force element capable of maintaining the network in various network formations.

다음으로, 도 3 및 5를 참조하여 드론(10)들의 확산을 위한 제2 힘(F2)에 대하여 설명한다. Next, the second force (F 2 ) for the diffusion of the drones 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 5 .

제2 힘(F2)은 드론(10)들이 한 곳에 밀집하여 몰려있지 않고 분산될 수 있도록 하는 힘이다. 임무(40)를 수행하는데 있어서 드론(10)들이 뭉쳐서 분포할 경우 효율적으로 임무(40)를 수행할 수 없다. 드론(10)들이 밀집되어 분포를 하면 서비스가 과도하게 한 곳에 집중되어 서비스가 효율적으로 제공되지 않게 된다. 더 중요하게는 드론(10)들이 필요 이상으로 밀집되어 있을 경우 드론(10) 간의 충돌 및 신호 간섭 등의 치명적인 사고가 발생할 가능성이 커진다. 따라서 드론(10)들이 서로 멀어지려는 제2 힘(F2)이 필요하다. 다만, 드론(10)이 백본 네트워크와 통신할 수 있는 최대 거리를 벗어나면 제2 힘(F2)의 영향을 받지 못하므로 그 전까지 제2 힘(F2)의 영향을 받는 것으로 정의한다. The second force (F 2 ) is a force that allows the drones 10 to be dispersed without being concentrated in one place. In performing the mission 40, if the drones 10 are clustered and distributed, the mission 40 cannot be efficiently performed. When the drones 10 are densely distributed, the service is excessively concentrated in one place, and the service is not efficiently provided. More importantly, when the drones 10 are more densely clustered than necessary, the possibility of fatal accidents such as collisions and signal interference between the drones 10 increases. Therefore, a second force (F 2 ) is required for the drones 10 to move away from each other. However, the definition to be affected in the drone (10) is a backbone network and it is out of the maximum distance that can communicate not affected by the second force (F 2) In the meantime, the second force (F 2).

이러한 사항들을 고려하여 제2 힘(F2)을 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Considering these considerations, the second force F 2 may be expressed as Equation (2).

Figure 112021014836256-pat00002
Figure 112021014836256-pat00002

Figure 112021014836256-pat00003
Figure 112021014836256-pat00003

여기서, P는 위치를 나타내는 벡터이고, Di는 i번째 드론을 나타내고, Dj는 j번째 드론을 나타내고, N은 인접한 노드의 집합을 나타내고, Rmax는 통신 가능한(정보 전달이 가능한) 최대 거리를 나타낸다. 인접한 노드의 집합 N은

Figure 112021014836256-pat00004
의 조건을 만족하는 드론 Dj를 포함하는 집합으로 정의된다. Here, P is a vector indicating a position, D i indicates the i-th drone, D j indicates the j-th drone, N indicates a set of adjacent nodes, and R max is the maximum distance that can be communicated (transferable information). indicates The set N of adjacent nodes is
Figure 112021014836256-pat00004
It is defined as a set including a drone D j that satisfies the condition of .

다음으로, 도 3 및 6을 참조하여 드론(10)의 임무 수행을 위한 제3 힘(F3)에 대하여 설명한다. Next, the third force F 3 for performing the mission of the drone 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 6 .

제3 힘(F3)은 드론(10)들이 효율적으로 임무(40)를 수행할 수 있도록 추가적으로 가해지는 힘이다. 다중 드론(10)들이 대형을 형성하는데 있어서는 어떠한 목적(종류)의 임무(40)를 수행하는지가 중요하다. 일반적으로 다중 드론(10)들을 이용해서 수행하는 임무(40)는 각 드론(10)이 로드(load)를 할당받아 분산적으로 임무(40)를 수행한다는 것이 특징이다. 예를 들어, 각 드론(10)이 네트워크 서비스를 제공하도록 할당받는 임무, 감시해야 하는 지역을 할당받는 임무, 위치별로 물자를 수송을 해야 하는 임무 등이 존재한다. 따라서 제3 힘(F3)은 이러한 로드를 각 드론(10)에 최대한 효율적으로 분산시켜서 임무(40)를 수행할 수 있도록 해주는 힘이다. The third force F 3 is a force additionally applied so that the drones 10 can efficiently perform the mission 40 . In forming the formation of multiple drones 10, it is important what purpose (type) the mission 40 is performed. In general, the task 40 performed using multiple drones 10 is characterized in that each drone 10 is assigned a load to perform the task 40 in a distributed manner. For example, there are a mission to which each drone 10 is assigned to provide a network service, a mission to be assigned an area to be monitored, a mission to transport materials by location, and the like. Therefore, the third force (F 3 ) is a force that allows the task 40 to be performed by distributing the load to each drone 10 as efficiently as possible.

제3 힘(F3)은 다음과 같은 기본적인 2가지 부분으로 구성된다. 먼저, 드론(10)이 수용하고 있는 임무(40)(또는 서비스)의 양을 주변 드론(10)들과 비교하여 상대적으로 임무(40)가 많을 경우 임무(40) 지역에서 수평적으로 멀어지고, 상대적으로 임무(40)가 적을 경우 임무(40) 지역 쪽으로 수평적으로 가까이 가도록 하는 힘이다. 다음으로는, 임무 지도(mission value map)에 나타나 있는 임무(40)를 필요로 하는 위치에 의한 힘이다. 즉, 임무(40)를 필요로 하는 위치가 많은 방향으로 더 힘을 받게 되는 것이다. 드론(10)과 각 임무(40) 위치들과의 거리 벡터의 합을 이용하면 최대한 임무(40)를 제공해야 하는 위치로 이동할 수 있다. The third force (F 3 ) consists of two basic parts: First, by comparing the amount of the mission 40 (or service) accommodated by the drone 10 with the surrounding drones 10, if there are relatively many missions 40, it is horizontally farther from the mission 40 area. , is a force to move horizontally closer to the task 40 area when the task 40 is relatively small. Next is the force by position that requires the mission 40 as shown in the mission value map. That is, the position requiring the task 40 receives more force in many directions. By using the sum of the distance vectors between the positions of the drone 10 and the respective missions 40 , it is possible to move to a position where the mission 40 should be provided as much as possible.

이러한 사항들을 고려하여 제3 힘(F3)을 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Considering these matters, the third force F 3 may be expressed as Equation 3 above.

Figure 112021014836256-pat00005
Figure 112021014836256-pat00005

여기서, P는 위치를 나타내는 벡터이고, Di는 i번째 드론을 나타내고, Dj는 j번째 드론을 나타내고, N은 인접한 노드의 집합을 나타내고, ni는 i번째 드론에 할당된 임무 부하량을 나타내고, nj는 j번째 드론에 할당된 임무 부하량을 나타내고, dk는 k번째 임무를 나타내고, A, B는 비례 상수이다.Here, P is a vector indicating the position, D i indicates the i-th drone, D j indicates the j-th drone, N indicates a set of adjacent nodes, n i indicates the mission load assigned to the i-th drone, , n j represents the mission load assigned to the j-th drone, d k represents the k-th mission, and A and B are proportional constants.

추가적으로, 각 드론(10)에 로드를 할당한다는 임무적 특성을 고려하였을 때, 제3 힘(F3)에 1가지 부분이 추가될 수 있다. 주변 드론(10)과 임무(40) 수용 양을 비교하여 상대적으로 임무(40)가 많을 경우 수직 방향으로 상승하고, 상대적으로 임무(40)가 적으면 수직 방향으로 하강을 하는 힘이다. 이는 드론(10)의 임무 수행의 디스크 패킹 문제(disk packing problem)를 고려하여 수직 방향으로의 변화를 추가하는 것이다. 이렇게 제3 힘(F3)을 받음으로써, 드론(10)이 상승하면 상대적으로 할당받는 로드가 줄어들고, 드론(10)이 하강을 하면 상대적으로 할당 받는 로드가 증가하여 효과적인 임무(40)의 분배가 가능해진다. Additionally, considering the mission characteristic of allocating a load to each drone 10 , one part may be added to the third force F 3 . Comparing the amount of the surrounding drone 10 and the mission 40 accommodated, it is a force that rises in the vertical direction when there are relatively many missions 40, and descends in the vertical direction when there are relatively few missions 40. This is to add a change in the vertical direction in consideration of the disk packing problem of the mission performance of the drone 10 . By receiving the third force F 3 in this way, when the drone 10 rises, a relatively allocated load decreases, and when the drone 10 descends, the relatively allocated load increases, so that the effective distribution of the mission 40 becomes possible

임무(40)의 분배 사항을 추가적으로 고려한 제3 힘(F3')을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. The third force F 3 ′ in consideration of the distribution of the task 40 may be expressed as Equation (4).

Figure 112021014836256-pat00006
Figure 112021014836256-pat00006

여기서, ni는 i번째 드론에 할당된 임무 부하량을 나타내고, nj는 j번째 드론에 할당된 임무 부하량을 나타내고, C는 비례 상수이고,

Figure 112021014836256-pat00007
는 지면으로부터 수직 방향의 단위 벡터를 나타낸다. Here, n i represents the mission load assigned to the i-th drone, n j represents the mission load assigned to the j-th drone, C is a proportional constant,
Figure 112021014836256-pat00007
denotes a unit vector in the vertical direction from the ground.

다음으로, 도 3 및 7을 참조하여 드론(10)의 상태에 따른 제4 힘(F4)에 대하여 설명한다. Next, the fourth force F 4 according to the state of the drone 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 7 .

제4 힘(F4)은 드론(10)의 배터리 충전 상태, 충격 상태 등의 임무 수행 가능 여부 상태에 따라서 복귀하도록 가해지는 힘이다. 성공적으로 임무(40)를 수행하기 위해서는 기본적으로 드론(10)이 임무(40)를 수행할 수 있는 상태이어야 한다. 임무(40)를 수행할 수 있는 상태에 해당하는 것은 각 드론(10)마다 수행하고자 하는 임무(40)의 성격에 따라 추가되어 달라질 수 있겠지만, 기본적으로는 드론(10)의 배터리 충전 상태, 드론(10)의 정상 비행 가능 상태 등이 있다. 일반적으로, 임무(40)를 수행하고 있는 드론(10)의 상태가 일정 기준치에 미달이 되면 정상적인 임무 활동을 수행할 수 없다고 판단한다. 각 드론(10)의 상태를 고려하여 설정한 기준치보다 상태가 미달이 될 경우 사전에 확보된 착륙 지점(예를 들어, 기지국, 지상 제어국(Ground Control Station, GCS), 지휘국(Commander))으로 드론(10)을 복귀시키도록 해야 한다. 드론(10)을 착륙 지점으로 복귀를 시킴으로써 드론(10)의 상태를 정상화를 시켜서 다시 임무(40)를 수행할 수 있도록 할 수 있다. 이러한 복귀 과정을 수행할 수 있도록 하는 제4 힘(F4)이 드론(10)에 작용하게 된다. 제4 힘(F4)은 드론(10)의 상태가 기준치에 미달이 되는 정도가 커질수록 더 강하게 작용하는 것이 특징이다. The fourth force F 4 is a force applied to return the drone 10 according to a mission achievable state such as a battery charge state and an impact state of the drone 10 . In order to successfully perform the mission 40 , the drone 10 must be in a state capable of performing the mission 40 basically. The state in which the task 40 can be performed may be added and changed depending on the nature of the task 40 to be performed for each drone 10, but basically, the battery charge state of the drone 10, the drone (10) Normal flight possible state, etc. In general, when the state of the drone 10 performing the mission 40 falls below a predetermined reference value, it is determined that the normal mission activity cannot be performed. If the status is lower than the standard value set in consideration of the status of each drone 10, it will go to a pre-secured landing point (eg, a base station, a ground control station (GCS), a commander). The drone 10 should be restored. By returning the drone 10 to the landing point, the state of the drone 10 can be normalized so that the mission 40 can be performed again. A fourth force (F 4 ) that enables this return process to be performed acts on the drone 10 . The fourth force F 4 is characterized in that it acts more strongly as the degree to which the state of the drone 10 falls below the reference value increases.

제4 힘(F4)은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. The fourth force F 4 may be expressed as in Equation 5.

Figure 112021014836256-pat00008
Figure 112021014836256-pat00008

여기서, P는 위치를 나타내는 벡터이고, Di는 i번째 드론을 나타내고, G는 사전에 확보된 착륙 지점을 나타내고, Si는 i번째 드론의 현재 상태를 나타내고, Smax는 드론 상태에 있어서 최대값(예를 들어, 배터리 충전량 100%)을 나타내고, STheresh는 정상적으로 임무를 수행할 수 있는 최소 상태를 나타낸다. Here, P is a vector indicating a position, D i indicates the i-th drone, G indicates a pre-secured landing point, S i indicates the current state of the i-th drone, and S max is the maximum in the drone state. It represents a value (eg, 100% of the battery charge), and S Theresh represents the minimum state in which the mission can be performed normally.

다만, 제4 힘(F4)은 드론(10)의 특정 상태가 기준치보다 낮아졌을 경우에 가해지는 힘으로써, 적용이 되었을 때 어떠한 시나리오로 다중 드론 대형이 수정되어 움직이는지를 추가적으로 고려해야 한다. However, the fourth force (F 4 ) is a force applied when the specific state of the drone 10 is lower than the reference value.

드론(10)의 상태에 따라 작용하는 제4 힘(F4)에 의해서 드론(10)이 복귀 과정을 수행하게 된다. 제4 힘(F4)은 드론(10)의 상태가 안 좋다고 판단이 될수록 더 강력하게 작용하는 것이 특성이다. 따라서 드론(10)에 작용하는 제4 힘(F4)은 상대적으로 다른 힘들에 비해서 크게 작용할 수 있다. 즉, 추후 드론(10)들의 확산을 통하여 대형을 변화시키는 방법처럼, 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)의 합이 제1 힘(F1)보다 커지게 될 경우 기존의 네트워크 연결을 끊고 멀티 홉(multi-hop)으로 확장하여 드론 대형을 변화시켜가며 확보된 착륙 지점으로의 복귀 과정이 이루어질 수 있다. The drone 10 performs a return process by the fourth force F 4 acting according to the state of the drone 10 . The fourth force (F 4 ) is characterized in that it acts more strongly as it is determined that the state of the drone 10 is bad. Accordingly, the fourth force F 4 acting on the drone 10 may act relatively larger than other forces. That is, like a method of changing the formation through the spread of the drones 10 later, the sum of the second force (F 2 ), the third force (F 3 ), and the fourth force (F 4 ) is the first force (F 1 ) ), the process of returning to the secured landing point can be accomplished by disconnecting the existing network connection and extending the drone to multi-hop to change the drone formation.

하지만, 이러한 과정만을 진행을 하게 되면, 몇 가지 요인들이 상충하여 다중 드론의 대형 확장에 제약이 생길 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 드론(10)들이 애드혹(Ad-hoc) 네트워크를 형성할 경우, 멀티 홉 네트워킹을 통해 임무 수행 영역을 확장할 수 있음에도 불구하고 네트워크 연결성을 유지하고자 하는 힘에 의해 대형 형성 범위가 제한될 수 있다. 더 효율적인 임무 수행을 위해서 드론(10)의 대형을 확장할 수 있다고 판단될 경우, 기존에 연결을 유지하였던 백본 네트워크와의 연결을 끊고 인접한 다른 드론(10)(단, 이 드론은 기존의 백본 네트워크에 연결되어 있어야 한다)과 드론 네트워크(30)를 형성하게 된다. 즉, 처음에 1홉(one-hop)이었던 네트워크가 2홉(2-hop), 또는 그 이상의 연결을 가진 네트워크로 확장될 수 있다.However, if only this process is carried out, several factors may conflict, which may limit the large-scale expansion of multiple drones. More specifically, when the drones 10 form an ad-hoc network, a large formation range is created by the force to maintain network connectivity despite being able to expand the mission performance area through multi-hop networking. may be limited. When it is determined that the formation of the drone 10 can be expanded for more efficient mission performance, the connection with the previously maintained backbone network is disconnected and other adjacent drones 10 (however, this drone is connected to the existing backbone network) must be connected to) and the drone network 30 . That is, a network that was initially one-hop can be extended to a network with two-hop or more connections.

드론(10)의 확산을 통한 다중 드론 대형의 확장 과정은 다음과 같이 이루어질 수 있다. The expansion process of the multi-drone formation through the spread of the drone 10 may be performed as follows.

다중 드론(10)들은 임무(40)를 수행하기 위해서 기본적으로 서로의 연결성을 유지할 수 있도록 하는 네트워크를 구성한다. 이러한 네트워크 연결을 유지하기 위해서 제1 힘(F1)이 작용하고 있다. 하지만, 임무(40)를 수행해야 하는데 있어서 제2 힘(F2)과 제3 힘(F3)의 영향이 더 커진다면 1홉(one-hop)으로 연결이 되는 제1 힘(F1)은 임무(40)를 효율적으로 수행할 수 있도록 대형을 확장을 하는데 방해가 되는 요인이 된다. 왜냐하면 백본 네트워크와의 연결을 위해서 백본 네트워크에 1홉(one-hop)으로 연결 가능한 최대 거리에 국한되어서 드론(10)의 배치가 제한되기 때문이다.In order to perform the mission 40 , the multiple drones 10 basically constitute a network that can maintain connectivity with each other. In order to maintain this network connection, a first force F 1 is acting. However, if the effect of the second force (F 2 ) and the third force (F 3 ) is greater in performing the task (40), the first force (F 1 ) that is connected to one-hop (one-hop) is a factor hindering the expansion of the formation to efficiently perform the mission (40). This is because, for connection with the backbone network, the arrangement of the drone 10 is limited because it is limited to the maximum distance that can be connected to the backbone network by one-hop.

이러한 상황을 개선시키기 위해서, 드론(10)에 가해지는 제2 힘(F2)과 제3 힘(F3)의 합이 제1 힘(F1)보다 커지게 되는 경우, 다음과 같은 과정을 거쳐서 다중 드론 대형을 변화시킨다. 단, 드론(10)의 상태는 정상 상태이고 제4 힘(F4)이 영향을 미치지 않는 것으로 가정한다. In order to improve this situation, when the sum of the second force (F 2 ) and the third force (F 3 ) applied to the drone 10 becomes greater than the first force (F 1 ), the following process is performed It changes the multi-drone formation through However, it is assumed that the state of the drone 10 is a normal state and the fourth force F 4 does not affect it.

먼저, 기존의 1홉으로 연결된 드론(10)의 집합 H를 공집합으로 만들어 제1 힘(F1)을 받지 않는 상태를 형성한다. 그 이후에, 드론(10)에 가장 인접하면서 백본 네트워크와의 연결성이 보장된 다른 인접한 드론(10)을 다음 홉(next hop) 노드로써 설정한다(H 집합의 원소로써 추가한다). 이로써 새로운 지점을 기준으로 제1 힘(F1)을 받게 되는 것이다. 즉, H 집합이 변경되므로 제1 힘(F1)만 변경되고(이때, 가장 인접한 노드를 우선 선점하므로 제1 힘(F1)의 크기는 감소한다) 인접한 노드의 집합 N은 동일하므로, 제2 힘(F2)과 제3 힘(F3)의 크기는 변하지 않는다. 결과적으로, 드론(10)의 이동 방향이 변하게 된다. 이러한 과정을 통해서 다중 드론(10)의 전체적인 네트워크는 유지되고 처음 1홉(one-hop)을 가지는 스타 토폴로지(star topology) 구성에서 멀티 홉(multi-hop)을 가지는 부분적으로 연결된 메시 토폴로지(partially connected mesh topology) 또는 트리 토폴로지(tree topology)로 확장하여 네트워크를 구성할 수 있다. 이렇게 네트워크 구성을 변경하면서 다중 드론 대형의 전반적으로 수용할 수 있는 범위를 확장할 수 있게 되는 것이다. 즉, 다중 드론 대형의 확장 과정을 통해서 더 넓은 영역을 효율적으로 관리해 최선의 임무 수행이 가능해진다. First, the set H of the existing one-hop connected drones 10 is made an empty set to form a state in which it does not receive the first force F 1 . After that, another adjacent drone 10 that is closest to the drone 10 and has guaranteed connectivity to the backbone network is set as a next hop node (added as an element of the H set). Accordingly, the first force F 1 is received based on the new point. That is, since the set H is changed, only the first force F 1 is changed (in this case, the magnitude of the first force F 1 decreases because the nearest node is preempted first), and the set N of the adjacent nodes is the same, The magnitudes of the second force (F 2 ) and the third force (F 3 ) do not change. As a result, the moving direction of the drone 10 is changed. Through this process, the overall network of the multi-drone 10 is maintained and a partially connected mesh topology having multi-hops in a star topology configuration having the first one-hop A network can be constructed by extending it to a mesh topology or tree topology. By changing the network configuration in this way, it will be possible to expand the overall accommodating range of multiple drone formations. In other words, through the expansion process of the multi-drone formation, it is possible to efficiently manage a wider area and perform the best mission.

이하, 도 8을 참조하여 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)을 이용한 드론(10)의 제어 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of controlling the drone 10 using the first force F 1 , the second force F 2 , the third force F 3 , and the fourth force F 4 will be described with reference to FIG. 8 . do.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 수행용 드론의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of controlling a drone for performing a mission according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 드론(10)의 힘 계산부(13)는 게이트웨이(20)의 위치 정보, 드론(10) 자신의 위치 정보, 인접한 드론(10)의 위치 정보, 임무 정보, 상태 정보를 기반으로 네트워크 유지를 위한 제1 힘(F1), 드론(10)들의 확산을 위한 제2 힘(F2), 드론(10)의 임무 수행을 위한 제3 힘(F3), 드론(10)의 상태에 따른 제4 힘(F4)을 계산한다(S110).Referring to FIG. 8 , the force calculator 13 of the drone 10 obtains location information of the gateway 20 , location information of the drone 10 itself, location information of the adjacent drone 10 , mission information, and state information. Based on the first force (F 1 ) for maintaining the network, the second force (F 2 ) for the spread of the drones 10 , the third force for performing the mission of the drone 10 ( F 3 ), the drone 10 ) according to the state of the fourth force (F 4 ) is calculated (S110).

비행 제어부(14)는 제4 힘(F4)이 상태 임계치(Th4)보다 큰지 확인하고(S120), 제4 힘(F4)이 상태 임계치(Th4)보다 커지면 사전에 확보된 착륙 지점으로 비상 착륙을 시도한다(S125). 상태 임계치(Th4)는 드론(10)의 특정 상태가 기준치보다 낮아진 경우를 기준으로 제4 힘(F4)이 작용하도록 설정되는 값이다. 즉, 비행 제어부(14)는 드론(10)의 특정 상태가 기준치보다 낮아진 경우 드론(10)이 착륙 지점으로 비상 착륙하도록 제어한다.The flight control unit 14 determines whether the fourth force F 4 is greater than the state threshold Th 4 (S120), and when the fourth force F 4 is greater than the state threshold Th 4 , the landing point secured in advance to attempt an emergency landing (S125). The state threshold Th 4 is a value set so that the fourth force F 4 acts on the basis of a case in which the specific state of the drone 10 is lower than the reference value. That is, when the specific state of the drone 10 is lower than the reference value, the flight controller 14 controls the drone 10 to make an emergency landing to the landing point.

비행 제어부(14)는 제3 힘(F3)이 임무 임계치(Th3)보다 작은지 확인하고(S130), 제3 힘(F3)이 임무 임계치(Th3)보다 작으면 현 위치에서 임무(40)를 수행한다(S135). 임무 임계치(Th3)는 효율적인 임무 수행이 제한되기 시작하는 값으로, 제3 힘(F3)이 충분히 낮은 경우(효율적인 임무 수행을 위해 필요한 제3 힘(F3)이 작은 경우)에 비행 제어부(14)는 현 위치에서 임무(40)를 수행하도록 드론(10)을 제어한다. The flight control unit 14 checks whether the third force (F 3 ) is less than the mission threshold (Th 3 ) (S130), and if the third force (F 3 ) is less than the mission threshold (Th 3 ), the mission at the current position (40) is performed (S135). The mission threshold (Th 3 ) is a value at which efficient mission performance begins to be restricted, and when the third force (F 3 ) is sufficiently low (when the third force (F 3 ) required for efficient mission performance is small), the flight control unit (14) controls the drone (10) to perform the mission (40) at the current location.

비행 제어부(14)는 제2 힘(F2)과 제3 힘(F3)의 합이 제1 힘(F1)보다 큰지 확인하고(S140), 제2 힘(F2)과 제3 힘(F3)의 합이 제1 힘(F1)보다 커지게 되는 경우에 홉 노드를 재설정함으로써(S145), 다중 드론 대형이 확장되도록 드론(10)을 제어한다. The flight control unit 14 checks whether the sum of the second force (F 2 ) and the third force (F 3 ) is greater than the first force (F 1 ) (S140), and the second force (F 2 ) and the third force By resetting the hop node when the sum of (F 3 ) becomes greater than the first force (F 1 ) ( S145 ), the drone 10 is controlled so that the multi-drone formation is expanded.

비행 제어부(14)는 드론(10)에 작용하는 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)의 벡터 합(힘의 합력)으로 드론(10)의 비행 방향을 설정하여 드론(10)의 이동을 제어한다(S150).The flight control unit 14 is a vector sum (of the force) of the first force (F 1 ), the second force (F 2 ), the third force (F 3 ), and the fourth force (F 4 ) acting on the drone 10 . result) to control the movement of the drone 10 by setting the flight direction of the drone 10 (S150).

이하, 도 9 및 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션한 결과에 대하여 설명한다.Hereinafter, a result of simulating the mission performance of multiple drones by applying the mission-based multi-drone formation control method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10 .

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션한 장면을 나타내는 예시도이다. 도 10은 일 실시예에 따른 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.9 is an exemplary diagram illustrating a scene in which the mission performance of multiple drones is simulated by applying the mission-based multi-drone formation control method according to an embodiment of the present invention. 10 is a graph illustrating a result of simulating the mission performance of multiple drones by applying the mission-based multi-drone formation control method according to an embodiment.

도 9 및 10을 참조하면, 제1 힘(F1), 제2 힘(F2), 제3 힘(F3), 제4 힘(F4)을 이용한 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법을 적용하여 다중 드론의 임무 수행을 시뮬레이션하였다. 다중 드론을 이용하여 수행을 할 수 있는 임무는 여러 가지가 있지만, 본 시뮬레이션에서 활용한 임무(40)는 다중 드론을 이용한 물자 보급이다. 본 시뮬레이션에서는 지도상에서 임의의 지역에 물자 수송을 요구하는 임무 지점이 주기적으로 표시된다. 임무 지점에서 요구하는 물자 수송량은 임의로 설정되며, 각 드론(10)의 부하량은 제한되어 있다. 임무를 수행하는 과정에서 효율적인 임무 수행을 위해 드론(10)에게 가해지는 제3 힘(F3)은 드론(10)과 각 임무 지점 간의 거리, 그리고 각 임무 지점의 요구 부하량에 따라 그 크기가 결정된다. 또한, 드론(10)의 상태에 따라 임무 복귀를 유도하는 제4 힘(F4)은 드론(10)의 부하량에 따라 결정이 된다. 9 and 10 , a mission-based multi-drone formation control method using a first force (F 1 ), a second force (F 2 ), a third force (F 3 ), and a fourth force (F 4 ) is applied Thus, the mission performance of multiple drones was simulated. There are several missions that can be performed using multiple drones, but the mission 40 used in this simulation is supplying supplies using multiple drones. In this simulation, mission points that require material transport are periodically displayed on the map. The amount of material transport required at the mission point is arbitrarily set, and the load amount of each drone 10 is limited. The third force (F 3 ) applied to the drone 10 for efficient mission performance in the course of performing the mission is determined by the distance between the drone 10 and each mission point, and the required load of each mission point. do. In addition, the fourth force (F 4 ) for inducing mission return according to the state of the drone 10 is determined according to the load amount of the drone 10 .

도 9에서 채워진 점은 드론(10)의 위치를 나타내며, 위의 숫자는 각 드론(10)의 고유 번호와 현재 부하량을 의미한다. 지면의 점은 각각의 임무 지점을 나타내며, 요구 부하량이 낮을수록 옅은 색으로 표시된다. 드론(10) 간의 연결선은 드론(10) 간에 연결된 네트워크를 나타낸다. 도 9에서 보이는 바와 같이, 다중 드론(10)의 대형은 제1 힘(F1)에 의해 네트워크를 유지하고, 제2 힘(F2)을 통해 적정 거리를 유지하며, 제3 힘(F3)을 통해 임무(40)의 위치에 접근하여 수송 임무를 완수하고, 제4 힘(F4)을 통해 복귀 지점으로 돌아온다. The filled dots in FIG. 9 indicate the positions of the drones 10 , and the numbers above mean the unique numbers and current loads of the respective drones 10 . Dots on the ground indicate each mission point, and the lower the required load, the lighter the color. A connection line between the drones 10 indicates a network connected between the drones 10 . As shown in FIG. 9 , the formation of the multi-drone 10 maintains the network by the first force F 1 , maintains an appropriate distance through the second force F 2 , and the third force F 3 ) to approach the position of the mission 40 and complete the transport mission, and return to the return point through the fourth force F 4 .

도 10은 본 시뮬레이션을 중간에 끊임없이 지속적으로 수행할 때, 각 주기마다 드론 대형의 임무 성공률을 나타내고 있다. 도 10에서 나타난 바와 같이, 드론(10)의 부하량이 제한되고, 임무 지점이 지도 상에 임의로 형성되고, 임무 수행 제한 시간이 주어짐에도 불구하고 지속적으로 성공적인 다중 드론(10)의 최적 대형 제어를 수행함을 확인할 수 있다. 또한, 임무 수행률의 평균값은 약 99.2781%로, 높은 성공률을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.10 shows the mission success rate of the drone formation for each cycle when the simulation is continuously performed in the middle. As shown in FIG. 10, despite the limited load of the drone 10, the mission point is arbitrarily formed on the map, and the mission execution time limit is given, the optimal large-scale control of the multi-drone 10 is continuously successful. can confirm. In addition, the average value of the mission performance rate is about 99.2781%, confirming that a high success rate can be maintained.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The drawings and detailed description of the described invention referenced so far are merely exemplary of the present invention, which are only used for the purpose of describing the present invention, and are used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. it is not Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10: 임무 수행용 드론 11: 센서부
12: 통신부 13: 힘 계산부
14: 비행 제어부 20: 게이트웨이
30: 드론 네트워크 40: 임무10: drone for mission performance 11: sensor unit
12: communication unit 13: force calculation unit
14: flight control 20: gateway
30: Drone Network 40: Mission

Claims (17)

백본 네트워크 및 다중 드론 간의 드론 네트워크와 통신 연결을 수행하는 통신부;
네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 계산하는 힘 계산부; 및
상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동을 제어하는 비행 제어부를 포함하고,
상기 비행 제어부는 상기 드론 상태가 기준치보다 낮아져서 상기 제4 힘이 상태 임계치보다 커지면 드론이 착륙 지점으로 착륙하도록 제어하는 임무 수행용 드론.a communication unit for performing communication connection with the backbone network and the drone network between the multiple drones;
a force calculator for calculating a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to the state of the drone; and
And a flight control unit for controlling movement in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force,
The flight control unit is a drone for performing a mission to control the drone to land at a landing point when the state of the drone is lower than a reference value and the fourth force is greater than a state threshold. 제1 항에 있어서,
상기 통신부는 드론-임무 간 네트워크를 형성하고, 임무 지점으로부터 브로드캐스팅되는 임무 정보를 수신하는 임무 수행용 드론.The method of claim 1,
The communication unit forms a drone-mission network and receives mission information broadcast from a mission point. 제1 항에 있어서,
GPS 센서를 이용하여 위치를 측정하는 센서부를 더 포함하는 임무 수행용 드론.The method of claim 1,
A drone for performing a mission further comprising a sensor unit for measuring a position using a GPS sensor. 제3 항에 있어서,
상기 통신부는 상기 드론 네트워크를 통해 상기 GPS 센서를 이용하여 측정한 위치 정보를 브로드캐스팅하고 인접한 드론의 위치 정보를 획득하는 임무 수행용 드론.4. The method of claim 3,
The communication unit broadcasts the location information measured using the GPS sensor through the drone network and acquires location information of an adjacent drone. 제3 항에 있어서,
상기 센서부는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론의 위치를 탐지하는 임무 수행용 드론.4. The method of claim 3,
The sensor unit is a drone for performing a mission to detect the position of the adjacent drone using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. 제3 항에 있어서,
상기 센서부는 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무의 현황을 파악하는 임무 수행용 드론.4. The method of claim 3,
The sensor unit is a drone for performing a mission to determine the status of the mission using a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device. 삭제delete 백본 네트워크 및 다중 드론 간의 드론 네트워크와 통신 연결을 수행하는 통신부;
네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 계산하는 힘 계산부; 및
상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동을 제어하는 비행 제어부를 포함하고,
상기 비행 제어부는 상기 제3 힘이 임무 임계치보다 작은 경우 현 위치에서 임무를 수행하도록 제어하는 임무 수행용 드론.a communication unit for performing communication connection with the backbone network and the drone network between the multiple drones;
a force calculator for calculating a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to the state of the drone; and
And a flight control unit for controlling movement in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force,
The flight control unit is a drone for performing a mission to control to perform the mission at the current location when the third force is less than the mission threshold. 백본 네트워크 및 다중 드론 간의 드론 네트워크와 통신 연결을 수행하는 통신부;
네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 계산하는 힘 계산부; 및
상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동을 제어하는 비행 제어부를 포함하고,
상기 비행 제어부는 상기 제2 힘과 상기 제3 힘의 합이 상기 제1 힘보다 커지면 홉 노드를 재설정하여 다중 드론 대형이 확장되도록 제어하는 임무 수행용 드론.a communication unit for performing communication connection with the backbone network and the drone network between the multiple drones;
a force calculator for calculating a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to the state of the drone; and
And a flight control unit for controlling movement in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force,
When the sum of the second force and the third force is greater than the first force, the flight controller resets the hop node to control the multi-drone formation to expand. 다중 드론 중 각 드론이 네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 힘 벡터로 정의하는 단계; 및
상기 각 드론이 상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동하여 상기 다중 드론의 대형을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 드론 상태가 기준치보다 낮아져서 상기 제4 힘이 상태 임계치보다 커지면 드론이 착륙 지점으로 착륙하도록 제어하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.defining, by each drone among multiple drones, a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to a drone state as a force vector; and
moving each drone in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force to form a formation of the multi-drone,
When the state of the drone becomes lower than a reference value and the fourth force becomes greater than a state threshold, the mission-based multi-drone formation control method for controlling the drone to land at a landing point. 제10 항에 있어서,
상기 다중 드론은 다중 드론 간의 드론 네트워크를 형성하고, 상기 각 드론은 상기 드론 네트워크를 통해 위치 정보를 브로드캐스팅하고 인접한 드론의 위치 정보를 획득하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.11. The method of claim 10,
The multiple drones form a drone network between multiple drones, and each drone broadcasts location information through the drone network and acquires location information of adjacent drones. 제10 항에 있어서,
상기 각 드론은 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 인접한 드론의 위치를 탐지하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.11. The method of claim 10,
Each drone uses a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device to detect the location of an adjacent drone. 제10 항에 있어서,
상기 각 드론은 드론-임무 간 네트워크를 형성하고, 임무 지점으로부터 브로드캐스팅되는 임무 정보를 수신하여 임무의 현황을 파악하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.11. The method of claim 10,
A mission-based multi-drone formation control method in which each of the drones forms a drone-mission network, and receives mission information broadcast from a mission point to determine the status of the mission. 제10 항에 있어서,
상기 각 드론은 UWB 기반의 측위 장치 또는 카메라 기반 물체 탐지 장치를 이용하여 임무의 현황을 파악하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.11. The method of claim 10,
Each of the drones is a mission-based multi-drone formation control method that uses a UWB-based positioning device or a camera-based object detection device to determine the status of a mission. 다중 드론 중 각 드론이 네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 힘 벡터로 정의하는 단계; 및
상기 각 드론이 상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동하여 상기 다중 드론의 대형을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 각 드론은 수용하고 있는 임무의 양을 주변 드론들과 비교하여 상대적으로 임무가 많을 경우 임무 지역으로 수평적으로 멀어지고, 상대적으로 임무가 적을 경우 상기 임무 지역 쪽으로 수평적으로 가까이 가도록 이동하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.defining, by each drone among multiple drones, a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to a drone state as a force vector; and
moving each drone in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force to form a formation of the multi-drone,
Each of the drones compares the amount of missions they are receiving with the surrounding drones, and moves horizontally away from the mission area when there are relatively many missions, and moves horizontally closer to the mission area when there are relatively few missions. based multi-drone formation control method. 제15 항에 있어서,
상기 각 드론은 수용하고 있는 임무의 양을 주변 드론들과 비교하여 상대적으로 임무가 많을 경우 상승하고, 상대적으로 임무가 적을 경우 하강하도록 이동하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.16. The method of claim 15,
A mission-based multi-drone large-scale control method in which each drone moves so that it rises when there are relatively many missions and descends when there are relatively few missions by comparing the amount of missions it accommodates with neighboring drones. 다중 드론 중 각 드론이 네트워크 유지를 위한 제1 힘, 드론들의 확산을 위한 제2 힘, 드론의 임무 수행을 위한 제3 힘 및 드론 상태에 따른 제4 힘을 힘 벡터로 정의하는 단계; 및
상기 각 드론이 상기 제1 힘, 상기 제2 힘, 상기 제3 힘 및 상기 제4 힘의 합력 방향으로 이동하여 상기 다중 드론의 대형을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 각 드론은 상기 제2 힘과 상기 제3 힘의 합이 상기 제1 힘보다 커지면 홉 노드를 재설정하여 상기 다중 드론의 대형을 확장하는 임무 기반 다중 드론 대형 제어 방법.defining, by each drone among multiple drones, a first force for maintaining a network, a second force for spreading the drones, a third force for performing a mission of the drone, and a fourth force according to a drone state as a force vector; and
moving each drone in the direction of the resultant force of the first force, the second force, the third force, and the fourth force to form a formation of the multi-drone,
When the sum of the second force and the third force is greater than the first force, each of the drones resets a hop node to expand the formation of the multiple drones.
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