This thesis describes a path planning algorithm which is applicable to planning problems of fixed-wing unmanned aerial vehicles(UAVs). In this research, a bidirectional spline-RRT* algorithm has been developed as a path planning algorithm, and it is based on the widely accepted sampling-based algorithm that is RRT* algorithm. The spline method has been utilized to the proposed algorithm to produce smooth paths, and this smoothness of the paths is essential factor for fixed-wing UAVs.
The bidirectional spline-RRT* algorithm can generate paths satisfying approach direction constraints on both start and goal points, and this characteristics makes significant differences to typical path planning algorithms. This algorithm has asymptotical optimality meaning that cost of the found path decreases as the number of vertices in the tree structure increases, and finally the found path converges to the optimal path.
The proposed algorithm can consider aerodynamic characteristics of the target aircraft. As a results of it, the produced paths are placed in load factor and thrust-to-weight ratio limits. The tree structures are extended from both start and goal points, and these extended tree structures are geometrically and dynamically feasible since the collision check process confirms feasibility of edges. Therefore, found paths using this proposed algorithm are flyable(geometrically and dynamically feasible path), sub-optimal, and satisfy approach direction constraints.
Several simulation results confirm these properties of the bidirectional spline-RRT* algorithm, and especially consideration of aerodynamic characteristics of the target aircraft is verified by performing nonlinear six degree-of-freedom simulation. Nonlinear simulation results show that load factor and thrust-to-weight ratio are well estimated in path planning phase, so that generated paths have dynamic feasibility. Two and three dimensional planning problems, and searching paths for terrain following flights are presented in simulation chapter, and its results show that proposed bidirectional spline-RRT* algorithm can be effectively utilized to path planning problems for fixed-wing UAVs in various scenarios.
본 논문에서는 고정익 무인항공기에 적용 가능한 경로계획법에 대하여 서술한다. 본
연구에서는 Bidirectional Spline-RRT* 알고리즘을 활용하여 경로계획을 수행하였다. 이 알
고리즘은 샘플링 기반 경로계획 알고리즘 중에서 널리 활용되는 RRT* 알고리즘에 기반
하였으며, 고정익 무인항공기의 경로에 적합하도록 스플라인 기법을 도입하여 부드러운
경로를 생성할 수 있고 또한 시작점과 목표점 두 점의 접근방향에 대한 제약조건을 모두
만족시킬 수 있는 경로를 생성할 수 있다. 이렇게 접근방향에 대한 제약조건을 만족시킬
수 있는 점은 다른 경로계획 알고리즘과의 주요한 차이가 되며, 이를 활용하여 좀 더 다
양한 경로계획을 수행할 수 있다. 또한, 본 알고리즘은 트리구조의 노드의 수가 증가할
수록 경로에 대한 비용이 감소하면서 최적경로에 수렴하는 특성을 지니고 있다. 본 알고
리즘은 항공기의 비행역학적 특성을 반영하도록 설계를 하였고, 그 결과 생성된 경로가
대상 항공기의 최대 하중계수 및 최대 추력대중량비 안에 존재하게끔 경로를 생성시킬
수 있는 장점을 지니고 있다. 앞서 말한 부드러운 경로, 시작점과 목표점의 접근방향에
대한 제약조건, 경로의 최적성, 그리고 비행역학적 특성의 반영은 알고리즘의 시뮬레이션
을 통하여 모두 만족됨을 확인하였고, 특별히 비선형 시뮬레이션을 통하여 경로계획 단
계에서 추정한 비행역학적 특성이 얼마나 잘 추정되었는지를 추가적으로 확인하여 알고
리즘의 신뢰성을 검증하였다. 본 논문에서는 제안하는 알고리즘을 활용하여 다양한 시나
리오에서 경로계획을 수행하였으며, 그 성능을 검증하였다.
