This dissertation describes an obstacle collision-avoidance technique that considers the dynamics of a vertical take-off and landing (VTOL) unmanned aerial vehicle (UAV). The dynamic characteristics and controller structures of VTOL UAVs, such as helicopters and tiltrotors, greatly vary depending on their flight envelopes. Previous research into rotorcraft collision avoidance mainly addressed the holonomic systems that consider hovering and low-speed flight. Nonetheless, a large rotary-wing UAV would still require collision-avoidance capabilities during take-off and landing, while the aircraft is in high-speed flight. This research proposes the Hybrid dynamic window approach (DWA) which combines the holonomic DWA, nonholonomic DWA and the flight dynamics constraints of a helicopter. The DWA method, which is similar to the MPC strategy but has small computational complexity, is utilized as the basic algorithm for motion planning with real-time applications in mind. Additionally, the generic two-dimensional dynamic window is extended to three dimensions to support forward flight, and a flight dynamics model is included to eliminate unreachable candidate paths. However, as the dimension of the search space expands, the amount of computation increases exponentially, and the size of the search space changes according to the constraints. Therefore, this research identifies the design parameters of Hybrid DWA suitable for rotorcraft, and proposes a design method to ensure the computational complexity, the effectiveness of solutions in the search space, and the rate of convergence on the target point. In order to verify the proposed scheme, various standard collision-avoidance scenarios are implemented, and the performance of Hybrid DWA is compared with the existing DWA method. The collision-avoidance performance is also verified through Monte-Carlo simulations that generated random obstacles. In conclusion, the proposed Hybrid DWA collision-avoidance technique is shown to be applicable to all flight-speed regimes of a typical rotorcraft, and it is demonstrated that the arrival probability of the target point is higher than that of the existing DWA algorithm - especially as the number of obstacles increases.
본 논문에서는 무인항공기의 비행 동역학을 고려한 장애물 충돌회피 기법에 대한 연구를 다룬다. 헬리콥터 및 틸트로터 항공기와 같은 수직이착륙 무인기는 비행영역에 따라 동역학 특성의 변화가 크고 제어입력 형태가 변경되는 특징이 있다. 이전의 회전익기 충돌회피 연구들은 대부분 제자리 비행 및 저속 비행만을 고려하여 Holonomic 시스템을 다뤄왔다. 본 연구에서는 비행영역이 넓은 대형 무인기를 고려해 이착륙 구간 외에 순항 구간에서도 동일한 충돌회피 알고리즘을 사용할 수 있도록 Holonomic 시스템과 Nonholonomic 시스템을 결합하고, 비행 동역학과 기동 제약사항을 고려한 Hybrid DWA를 제안하였다. 충돌회피 기본 알고리즘으로는 실시간성을 고려하여 모델예측제어(MPC) 전략과 유사하면서 계산량이 작은 DWA기법을 적용하되, 일반적인 2차원 Dynamic Window를 3차원으로 확장하고, 후보 경로 계산시 비행동역학을 포함하여 도달 불가한 후보 경로를 제거하도록 알고리즘을 개선하였다. 제안한 기법은 다양한 장애물 환경에서 목표점에 최적의 경로로 빨리 도달할 뿐 아니라 탐색공간 차원을 확장함으로써 기존 DWA보다 국부 최소점에 잘 빠지지 않고 장애물 회피 성능이 우수한 것을 확인하였다. 하지만 탐색 공간 차원을 확장함에 따라 계산량이 기하급수적으로 증가하고, 비행 상태에 따라 탐색 공간의 크기가 변하는 특징이 있다. 따라서 본 논문에서는 회전익기에 적합한 Hybrid DWA의 설계 매개 변수를 식별하고, 계산량, 탐색공간에서의 해의 유효성, 목표점 도착 수렴성을 확보하기 위한 설계 방법을 함께 제안하였다. 제안 기법을 검증하기 위해 다양한 장애물 충돌회피 표준 시나리오를 설정하여 Hybrid DWA의 성능을 기존의 DWA와 비교하였으며, 장애물 복잡성을 증가시키며 무작위로 배치된 환경에서의 충돌회피 성능을 확인하기 위해 몬테-카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 결론적으로, 제안한 Hybrid DWA 충돌회피 기법은 수직이착륙 항공기의 저속, 고속, 천이 구간에서 모두 사용 가능하며, 장애물이 많고 복잡해질수록 기존의 DWA 알고리즘보다 목표점 도착 확률이 높고 빠르게 도착하는 것을 확인하였다.
