In this dissertation, 4 new three-dimensional vector fields and rotate method are proposed. In traditional research of vector field guidance, main topic was dynamic path planning and obstacle avoidance by using realtime guarantee of vector field guidance. But most case of traditional vector field guidance is summations of source and sink vectors. Therefore, many singular points are occurred. The New three-dimensional vector fields consist only one vector field. Thus, only one singular point is occur at origin. And I propose the guidance law to control arrival condition such as algle, time and speed. By using 6DoF simulation and real flight test, prove the arrival condition can be satisfied by new three-dimensional vector field guidance.
오늘날 무인기술은 더 이상 특별한 것이 아니다. 대부분의 공장은 이미 자동화된 생산설비를 갖추고 있으며, 일상에서도 로봇은 널리 보급되어있다. 특히 무인항공기의 경우 조종자의 안전이 보장된다는 점과 유인항공기가 갈 수 없는 직역의 탐색이 가능하며 유인항공기에 비하여 작은 크기로 레이더나 적군에게 발각될 확률이 적다는 점에서 주로 군사용으로 개발이 이루어져 왔다. 하지만 제작기술과 컴퓨터 공학, 센서 공학, 무선통신 기술 등의 발달로 인하여 무인항공기의 성능이 향상되고 개발 및 유지비용이 감소하면서 민간에서도 드론이라는 이름으로 크게 각광받고 있다.
유도기법은 무인항공기보다 유도무기에서 많이 다루어져왔다. 유도무기에서 충돌각과 충돌 시간은 유도무기의 성능을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 유도무기를 위한 유도기법에서도 다루어져 왔다. 유도무기의 유도기법에서 충돌시간은 관심대상이 아니었다. 무인항공기의 관점에서 ‘충돌’ 이라는 단어는 ‘도달’ 이라는 단어로 바뀌며 도달 조건에 도달 각도, 도달 시간뿐만 아니라 도달 속도역시 관심대상이 되었다. 무인항공기는 프로펠러와 제트추진을 사용하기 때문에 속도 조절이 용이하며, 속도 조절은 착륙, 도킹, 공중급유, 편대비행 등 다양한 임무에서 널리 사용될 수 있다.
일반적인 유도기법은 경로 생성과 경로 추종으로 이루어져 있다. 이러한 일반적인 유도기법과 다른 유도기법으로 벡터 필드 유도기법이 있다. 벡터 필드는 3차원의 유클리디안 공간에서 모든 지점마다 시간의 미분으로 나타내어질 수 있는 속도 벡터를 정의한 것으로, 벡터 필드의 속도벡터들은 흐름으로 표현되어 어떠한 입자가 이 흐름위에 놓였을 때 흐름을 따라가게 함으로서 유도기법으로 사용 될 수 있다. 벡터필드 유도기법은 로봇공학 분야에서 포텐셜 필드 라는 이름으로 많은 연구가 진행된 바 있으며, 자율주행 로봇의 유도기법에 적용되어 왔다.
벡터 필드 유도기법은 간단한 수식으로 표현되어 실제 구현이 용이하며 적은 연산량으로 실시간성을 보장한다는 장점을 갖는다. 이에 일반적인 벡터 필드 유도기법에서는 실시간성을 보장한다는 장점을 이용하여 동적 경로생성 혹은 장애물 충돌 회피 연구에 많이 사용되어 왔다. 이러한 연구의 벡터필드는 벡터가 발산하는 소스 벡터 필드와 벡터가 수렴하는 싱크 벡터필드의 합으로서 사용된다. 하지만 이러한 벡터 필드의 합으로 표현되는 일반적인 벡터 필드 유도기법은 벡터 필드를 추가함에 따라 특이점이 증가하는 문제를 보인다.
본 논문에서 제시하는 벡터 필드는 3차원 벡터 필드로서 싱크 벡터 필드와 회전 벡터 필드의 합으로 만들어지며 특이점은 원점에만 존재하게 된다. 또한 경로 생성과 경로 추종이 통합되어 직관적으로 원하는 경로와 이를 추종하는 유도명령을 생성 할 수 있다. 또한 도달 조건을 만족하는 유도기법을 제안하였으며 이를 6 자유도 시뮬레이션과 실제 비행 실험을 통하여 검증하였다.
