The objective of this thesis is to find guidance laws for autonomous formation flight. Two different approaches are introduced for autonomous flight. The first approach is a boid-based formation guidance which is derived from swarm intelligence. The boid-based formation guidance "flocks" the unmanned aerial vehicles through simple steering behaviors. Collision avoidance, velocity matching, flock centering is applied and modified for general aircraft. Flock joining is proposed to substitute the flock centering behavior for a more stable formation. Flock joining behavior matches the formation bubble distance to the two closest neighbors. The seek maneuver is applied to orient the flock into a specific direction. The behaviors are studied through simple point mass model simulation. Obstacle avoidance and path following are also proposed in the thesis. The boid-based formation guidance allows for a leader-free decentralized formation which can adapt to the given environment.
The second approach is two-dimensional formation guidance laws for formation flight using only line-of-sight angle information. The main idea is to use the line of sight angles to two nearby vehicles to maintain the formation position of the current vehicle. Such a formation guidance law is useful because measurement of the line of sight angles does not require data communication between the vehicles. Two methods of using the line of sight angle information for formation guidance are proposed. The angle information is used to control the flight-path angle and the velocity of the formation vehicle. Approach guidance and formation guidance of the two leading vehicles are also proposed. Stability of the proposed formation guidance laws is analyzed by using the Jacobian at the equilibrium point. Multiple vehicle formation flight is simulated to verify the guidance laws proposed.
본 논문에서는 자동 편대 비행을 위한 유도법칙을 제안하였다. 자동 편대 비행을 위해 2개의 접근 방법을 이용하였다. 첫 번째는 보이드(boid)에 기초한 편대 유도법칙으로 군집 지능으로부터 유도되었다. 보이드 편대 유도에서는 각각의 무인기들이 간단한 행동 양식에 따라 비행을 하게 된다. 이러한 행동양식으로 충돌회피, 속도 맞추기, 편대 중심 맞추기(flock centering)등을 일반 항공기에 맞게 적용하였다. 보다 안정적인 편대 비행을 위하여 편대 중심 맞추기를 대체할 편대 합류하기(flock joining)를 제안하였다. 편대 합류하기 기동은 가장 가까이 이웃하는 2대의 항공기에 대해 편대 거리까지 접근하게 된다. 목표 찾기 기동이 적용되어 전체 편대를 특정한 방향으로 향하게 할 수 있다. 이러한 행동 양식들은 간단한 점질량 모델 시뮬레이션으로 검토하였다. 추가로 장애물 회피와 경로 추적에 관한 기법들도 제안되었다. 보이드에 기초한 편대 유도법칙은 선두가 없는 분산화된 편대를 가능하게 하여 다양한 환경에 적응해 갈 수 있다.
두 번째 접근 방법은 시선각 정보만을 이용하여 편대를 이루기 위한 2차원 편대 유도법칙이다. 주 개념은 이웃하는 2대의 항공기에 대한 시선각 정보를 이용하여 본 항공기의 편대 위치를 유지하는 것이다. 이러한 편대 유도법칙은 항공기 간에 데이터 통신이 불필요하므로 상당히 유용하다. 본 논문에서는 시선각 정보를 서로 다르게 이용하는 두개의 유도법칙을 제안하였다. 유도법칙들에서 시선각 정보는 항공기의 경로각과 속도를 제어하는데 사용된다. 이를 위한 선두 항공기들에 대한 접근 유도와 편대 비행 유도가 앞서 제안되었다. 제안된 시선각 유도법칙의 안정성은 평형점에 대한 자코비안(Jacobian)을 이용하여 해석되었다. 유도 법칙을 검증하기 위하여 다수의 항공기에 대한 편대 비행 시뮬레이션을 수행하였다.
