The increasing interest in drones has generated new application systems in the various areas. Especially, drone shows have impressed many people globally through a convergence of technology and art at the Pyeongchang Winter Olympics. However, this technology is Intel technology, not domestic proprietary technology. in addition, the system including communication and scenario generation has not been revealed because the system was developed privately. The drone show impresses people by expressing various scenes in the sky through the formation of swarming flight. However, these demonstrations have limited operating hours based on the battery life.
Thus, it is important to minimize the unnecessary transition time between scenes without collision to increase operating time. This paper proposes a fast and energy-efficient scene transition algorithm that minimizes the transition times between scenes. This algorithm reduces the maximum drone movement distance to increase the operating time and exploits a multilayer method to avoid collisions between drones. In addition, a swarming flight system including robust communication and position estimation is presented as a concrete experimental system. The proposed algorithm was verified using the swarming flight system at a drone show performed with 100 drones.
The main contributions of this paper can be summarized as follows:
(1) To increase the operating time for drone shows, the Fair Hungarian algorithm is proposed to achieve fair energy consumption. The proposed algorithm equalizes the energy demand of the drones by minimizing the maximum movement distance between drones in a swarming flight scenario.
(2) The drone show technology stacked on the veil is discussed. In this paper, methods to realize efficient communication and reliable position estimation for a swarming flight system are discussed. The communication mechanism can operate regardless of the number of drones. The position estimation based on the real time kinematic global positioning system (RTK-GPS) can switch mode smoothly when
the RTK-GPS is not used.
(3) The algorithm and system are verified through implementation in drone shows involving 100 drones with numerical experiments.
드론에 대한 관심이 증가하면서 다양한 분야에서 드론을 활용한 응용 시스템이 개발되고 있다. 특히, 평창 올림픽에서 드론쇼는 기술과 예술의 융합을 통해 세계 많은 사람들에게 감동을 선사했다. 하지만, 국내 기술의 부족으로 평창 올림픽의 드론쇼는 미국 인텔社의 기술을 활용하여 운용되어 많은 아쉬움을 남겼다.
드론쇼는 드론의 군집 형상을 통해 다양한 씬을 하늘에 표현함으로써 사람들에게 감동을 선사한다. 하지만 제한된 배터리 용량으로 인해 운용 시간에 제한이 있기 때문에 가능한 씬 간의 전환 시간을 최소화하여야 최대한 많은 씬을 표현할 수 있다. 따라서, 운용 시간을 증가하기 위해 충돌없이 군집 형상 전환 시간을 최소화하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 에너지 효과적인 군집 형상 전환을 위해 공평한 헝가리안 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘은 군집 형상 전환 시간을 줄이기 위해 드론 이동 거리를 공편하게 최소화하는 방식을 사용한다. 또한, 통신량을 최소화하면서 드론간의 충돌을 회피하기 위해 다중 레이어 방식을 사용하였다. 이와 함께, 군집 비행을 위한 군집 비행 시스템에 필요한 위치 추정 및 통신 방식에 대해 설명한다. 제안된 알고리즘은 100대의 드론으로 군집 비행을 통해 검증하였다.
본 연구의 핵심 기여 사항은 다음과 같다.
1) 드론 쇼의 비행 시간을 증가시키기 위해, 모든 드론들이 최대한 균등하게 에너지를 소모할 수 있는 Fair Hungarian 알고리즘을 개발하였다. 제안한 알고리즘은 군집 비행 시나리오에서 최대 이동 거리를 최소화를 수행하여 에너지 소비를 줄였다.
2) 공개되어 있지 않은 군집 비행 시스템에 대해 소개하였다. 본 논문은 군집 비행을 위해 효율적인 통신 방법, 안정적인 위치 추정 방법 등을 설명한다.
3) 제안한 Fair Hungarian 알고리즘과 개발한 시스템 검증을 위해 100대 드론을 가지고 드론 쇼를 수행하여 검증하였다.
