This thesis is focused on dynamic modeling, control system design and vision based collision avoidance for Multi-Rotor UAVs. Multi-Rotor UAVs are defined as the rotary-winged unmanned aerial vehicles with multiple number of rotors. These Multi-Rotor UAVs can be utilized in military situations such as surveillance and reconnaissance. Also, Multi-Rotor UAVs can be used in obtaining vision information from steep terrains or disastrous sites. In this thesis, Quad-Rotor, Tilt Tri-Rotor, and Coaxial Tri-Rotor models are introduced as well as their attitude and position stabilization simulation. Control system is designed based on PID autopilot and vision-based collision avoidance control technique. Additionally, Optical Flow method, which is one of the vision-based collision avoidance techniques, is introduced along with the depth map calculation, which compensates the distance calculation from the optical flow estimation. Integrating the Optical Flow and depth map calculation methods, so-called Reactive Collision Avoidance System is developed having synergetic effect from both the optical flow and the depth map calculations. Finally, Quad-Rotor UAV’s collision avoidance simulations in 3D virtual spaces are conducted.
본 논문은 멀티-로터 무인항공기의 동역학 모델링, 제어시스템 설계 및 영상 기반 충돌회피 기법에 관한 연구이다. 멀티-로터는 일반적인 헬리콥터와는 다르게 다수의 로터를 지니고 있는 회전익 비행체를 말한다. 멀티-로터 무인항공기는 여러 분야에 두루 사용될 수 있는데, 그 중 군사 작전 중 적에게 들키지 않게 감시 또는 정찰에 많이 이용될 수 있다. 또한 멀티-로터 무인항공기를 이용하여 험준한 지형이나 재난 장소 등 사람이 직접 접근하기 힘든 곳의 영상을 멀티-로터 무인항공기로 하여금 대신 임무를 수행이 가능하게 된다. 본 논문에서는, 멀티-로터 비행체의 종류들인 쿼드-로터, 틸트 트라이-로터, 동축반전 트라이-로터에 대해 소개를 하며, 그에 대한 자세제어 및 위치제어 결과를 보여준다. 멀티-로터의 제어기는 PID제어기를 기반으로 하여 자동비행이 가능하며 영상 기반 충돌회피 기법 역시 제어기에 포함이 된다. 영상 기반 충돌회피 기법 중 하나인 Optical Flow 방법이 소개되며, 물체까지의 정확한 거리측정을 위해 Depth Map 계산과 함께 충돌 회피 알고리듬에 사용 된다. Optical Flow와 Depth Map을 연동하여 소위 Reactive Collision Avoidance System이 소개 되었으며, Optical Flow와 Depth Map의 장점들을 살려 서로 상호 보완적인 효과를 가지게 된다. 마지막으로, 쿼드-로터 모델을 이용하여 가상의 공간에서의 무인항공기의 충돌회피 시뮬레이션이 진행되었다.
