KR102262835B1 - Drone control apparatus and method for efficient military drone operations - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 드론 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 효율적인 군사 작전 운영을 위한 드론 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling a drone, and to an apparatus and method for controlling a drone for an efficient military operation operation.
4차 산업 혁명의 핵심 기술 중 사물 인터넷(Internet of Things)은 가장 활발하게 산업화가 진행되고 각광받고 있는 분야이다. 특히 최근에는 드론(Drone)과 IoT 기술을 접목시킨 기술들이 등장하여, 교통 감시, 촬영, 배송, 인명 구조뿐만 아니라 군사용으로도 활용되고 있다. 이에 드론을 이용한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 기존에 드론의 운용에 대한 연구는 무선 채널 사용자의 서비스 품질(QoS)을 보장하면서 드론의 에너지 소비량을 최소화하는데 그 목적을 두고 있다.Among the core technologies of the 4th industrial revolution, the Internet of Things is the most actively industrialized and spotlighted field. In particular, recently, technologies that combine drones and IoT technologies have emerged and are being used for military purposes as well as traffic monitoring, filming, delivery, and lifesaving. Accordingly, various studies using drones are being conducted, but existing studies on drone operation aim to minimize the energy consumption of drones while guaranteeing the quality of service (QoS) of wireless channel users.
그러나 재난 상황이나 군사적 운용을 위해 드론을 투입하는 경우에는 드론의 자체적인 한계점과 현실적인 여건 등이 함께 고려해야만 한다. 즉 공간적, 시간적 제약을 고려해야할 뿐만 아니라, 제한된 구입 예산과 배터리 용량, 그리고 드론 운용을 위한 인력 양성을 위한 시간과 예산이 함께 고려되어야만 한다. 특히 군사용 드론 또는 재해 대응 드론의 경우, 작전 제한 시간을 엄수해야만 하므로, 제한 시간 내에 요구되는 임무를 수행할 수 있는 최적의 드론 운용 방법을 고려할 필요가 있다.However, when using drones for disaster or military operation, the limitations of drones and realistic conditions must be considered together. In other words, not only space and time constraints must be considered, but also limited purchase budget, battery capacity, and time and budget for training manpower for drone operation must be considered together. In particular, in the case of military drones or disaster response drones, it is necessary to strictly adhere to the operational time limit, so it is necessary to consider the optimal drone operation method that can perform the required mission within the time limit.
본 발명의 목적은 드론을 이용하여 수행되어야 하는 임무가 경제적이고 효율적으로 수행되도록 하는 드론 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling a drone so that a mission to be performed using a drone is economically and efficiently performed.
본 발명의 다른 목적은 작전 지역 또는 재난 상황 발생과 같이 공간적, 시간적 제약이 존재하는 환경에서 드론의 에너지 소비량과 임무 수행 시간 및 배터리 소비량에 따라 최적으로 임무를 수행할 수 있는 드론의 수를 추정하여, 드론 운용의 효용성을 극대화할 수 있는 드론 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to estimate the number of drones that can optimally perform a mission according to the energy consumption, mission execution time, and battery consumption of the drone in an environment where spatial and temporal constraints exist, such as in the operation area or the occurrence of a disaster situation. , to provide a drone control device and method that can maximize the effectiveness of drone operation.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 제어 장치는 적어도 하나의 드론을 이용하여 수행해야하는 임무를 획득하는 임무 설정부; 상기 임무가 수행되어야 하는 적어도 하나의 임무 위치를 포함하는 임무 지역의 환경과 상기 적어도 하나의 드론 및 적어도 하나의 임무 위치 각각에 드론이 배치되어 통신을 수행하기 위한 채널에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부; 수집된 정보에 기반으로 임무 지역의 전체 임무 위치 각각에서 임무를 수행하기 위한 드론의 총 드론 소비 에너지와 총 드론 운용 시간 및 총 드론 배터리 소비량을 계산하고, 상기 총 드론 소비 에너지로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 에너지 기반 드론 개수를 판별하고, 상기 총 드론 운용 시간으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 시간 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 총 드론 배터리 소비량으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 배터리 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수로부터 상기 임무를 수행하기 위한 최적 드론 개수를 획득하는 드론 최적화부; 및 상기 최적 드론 개수에 대응하는 개수의 드론을 선택하고, 상기 선택된 드론이 적어도 하나의 임무 위치 각각에서 지정된 임무를 수행하도록 통신하여 제어하는 드론 제어부를 포함한다.A drone control apparatus according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a mission setting unit for acquiring a mission to be performed using at least one drone; Information collection for collecting information on an environment of a mission area including at least one mission location where the mission is to be performed, and a channel for communicating with the at least one drone and the drone at each of the at least one mission location part; Based on the collected information, the total drone consumption energy, total drone operation time, and total drone battery consumption of the drone for performing the mission at each of the entire mission positions in the mission area are calculated, and the total drone battery consumption required for the mission is calculated from the total drone consumption energy. Determining the number of energy-based drones that is the number of drones, determining the number of time-based drones that are the number of drones required for mission performance from the total drone operating time, and determining the number of drones required for mission performance from the total drone battery consumption a drone optimization unit that determines the number of battery-based drones and obtains an optimal number of drones for performing the mission from the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the number of battery-based drones; and a drone control unit that selects a number of drones corresponding to the optimal number of drones, and communicates and controls the selected drones to perform a specified mission at each of at least one mission location.
상기 드론 최적화부는 임무 지역의 적어도 하나의 임무 각각에서 소비되는 임무별 에너지 소비량을 계산하고, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 에너지 소비량에 따라 상기 총 드론 소비 에너지를 계산하며, 상기 총 드론 소비 에너지를 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 가용 에너지로 나누어 상기 에너지 기반 드론 개수를 판별하는 에너지 소비량 계산부; 하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 소비 시간을 계산하고, 임무별 소비 시간으로부터 전체 임무를 수행하기 위해 소요되는 총 소비 시간을 계산하며, 획득된 임무에 포함된 임무 제한 시간과 상기 총 소비 시간을 비교하여 더 작은 시간을 상기 총 드론 운용 시간으로 획득하며, 획득된 상기 총 드론 운용 시간을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 운용 시간으로 나누어 상기 시간 기반 드론 개수를 판별하는 임무 수행 시간 계산부; 적어도 하나의 임무 위치 각각에서 소요되는 임무별 베터리 소비량을 계산하여, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 베터리 소비량에 다라 총 드론 배터리 소비량을 계산하고, 상기 총 드론 배터리 소비량을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 배터리 용량으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별하는 배터리 소비량 계산부; 및 상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수 중 최대값을 최적 드론 개수로 판별하는 드론 개수 판별부를 포함할 수 있다.The drone optimizer calculates the energy consumption for each mission consumed in each of at least one mission in the mission area, and calculates the total drone energy consumption according to the total number of mission locations in the mission area and the energy consumption for each mission, an energy consumption calculation unit dividing the energy consumed by the drone by the available energy of the drone in a fully charged state collected in advance to determine the number of the energy-based drones; Calculates the time consumed for each mission during one cycle when one drone performs a mission at one mission location, calculates the total time consumed to perform the entire mission from the time consumed by each mission, and calculates the The time-based drone is obtained by comparing the included mission time limit with the total consumption time to obtain a smaller time as the total drone operation time, and dividing the obtained total drone operation time by the pre-collected drone operation time in a fully charged state a task execution time calculation unit to determine the number; Calculate the battery consumption for each mission consumed in each of at least one mission location, calculate the total drone battery consumption according to the total number of mission locations in the mission area and the battery consumption for each mission, and calculate the total drone battery consumption in advance. a battery consumption calculation unit dividing the drone battery capacity in a fully charged state to determine the number of battery-based drones; and a drone number determining unit configured to determine a maximum value among the energy-based number of drones, the time-based number of drones, and the battery-based number of drones as the optimal number of drones.
상기 에너지 소비량 계산부는 드론이 임무 수행시에 통신을 수행하기 위해 소비하는 통신 에너지와 드론의 임무 위치로 이동하기 위해 소비하는 추진 에너지를 구분하여 계산하고, 계산된 상기 추진 에너지와 상기 통신 에너지를 합하여 상기 임무별 에너지 소비량을 계산할 수 있다.The energy consumption calculation unit calculates separately and calculates the communication energy consumed by the drone to perform communication when performing a mission and the propulsion energy consumed to move to the mission position of the drone, and sums the calculated propulsion energy and the communication energy. It is possible to calculate the energy consumption for each task.
상기 에너지 소비량 계산부는 적어도 하나의 임무 위치 각각에 배치되는 상기 드론과 상기 드론 제어 장치 사이의 채널 상태에 따라 가시선 통신과 비가시선 통신으로 구분하여 통신 소비 전력을 계산하고, 가시선 통신 소비 전력과 비가시선 통신 소비 전력으로부터 평균 경로 손실을 분석하여 전송률을 계산하며, 상기 전송률과 각 임무 위치에서의 데이터 전송 시간과 전송되어야 하는 데이터의 크기에 따라 통신 에너지를 계산하고, 드론의 정지 비행에 요구되는 전력인 호버링 전력과 드론의 이동 비행에 요구되는 전력인 이동 전력을 각각 계산하고, 상기 호버링 전력에 드론이 임무 위치에서 데이터를 전송하는 시간을 곱하고 상기 이동 전력에 드론이 인접한 임무 위치로 이동하는 시간을 곱하고 합하여 상기 추진 에너지를 계산할 수 있다.The energy consumption calculation unit calculates communication power consumption by dividing line-of-sight communication and non-line-of-sight communication into line-of-sight communication and non-line-of-sight communication according to a channel state between the drone and the drone control device disposed in each of at least one mission position, and The transmission rate is calculated by analyzing the average path loss from the communication power consumption, the communication energy is calculated according to the transmission rate, the data transmission time at each mission location, and the size of the data to be transmitted, Calculate the hovering power and the moving power, which is the power required for moving the drone, respectively, multiply the hovering power by the time the drone transmits data at the mission position, and multiply the moving power by the time the drone moves to the adjacent mission position, The propulsion energy can be calculated by summing them.
상기 임무 수행 시간 계산부는 상기 총 드론 배터리 소비량을 상기 드론 배터리 용량과 드론 충전 시간의 합으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별할 수 있다.The task execution time calculator may determine the number of battery-based drones by dividing the total drone battery consumption by the sum of the drone battery capacity and the drone charging time.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 드론 제어 방법은 적어도 하나의 드론을 이용하여 수행해야하는 임무를 획득하는 단계; 상기 임무가 수행되어야 하는 적어도 하나의 임무 위치를 포함하는 임무 지역의 환경과 상기 적어도 하나의 드론 및 적어도 하나의 임무 위치 각각에 드론이 배치되어 통신을 수행하기 위한 채널에 대한 정보를 수집하는 단계; 수집된 정보에 기반으로 임무 지역의 전체 임무 위치 각각에서 임무를 수행하기 위한 드론의 총 드론 소비 에너지와 총 드론 운용 시간 및 총 드론 배터리 소비량을 계산하여, 상기 총 드론 소비 에너지로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 에너지 기반 드론 개수를 판별하고, 상기 총 드론 운용 시간으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 시간 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 총 드론 배터리 소비량으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 배터리 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수로부터 상기 임무를 수행하기 위한 최적 드론 개수를 획득하는 단계; 및 상기 최적 드론 개수에 대응하는 개수의 드론을 선택하고, 상기 선택된 드론이 적어도 하나의 임무 위치 각각에서 지정된 임무를 수행하도록 통신하여 제어하는 단계를 포함한다.A drone control method according to another embodiment of the present invention for achieving the another object includes: acquiring a mission to be performed using at least one drone; collecting information on an environment of a mission area including at least one mission location at which the mission is to be performed, and a channel through which the at least one drone and the drone are placed in each of the at least one mission location to perform communication; Based on the collected information, the total drone consumption energy, the total drone operation time, and the total drone battery consumption of the drone for performing the mission at each of the entire mission locations in the mission area are calculated, and the total drone battery consumption required for the mission is calculated from the total drone consumption energy. Determining the number of energy-based drones that is the number of drones, determining the number of time-based drones that are the number of drones required for mission performance from the total drone operating time, and determining the number of drones required for mission performance from the total drone battery consumption determining the number of battery-based drones, and obtaining the optimal number of drones for performing the mission from the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the number of battery-based drones; and selecting a number of drones corresponding to the optimal number of drones, and communicating and controlling the selected drones to perform a specified mission at each of at least one mission location.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 드론 제어 장치 및 방법은 작전 지역 또는 재난 상황 발생 시와 같이 공간적, 시간적 제약이 존재하는 환경에서 주어진 임무를 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있는 드론의 수를 계산하고, 계산된 수에 따라 드론을 운용하여 드론 효용성을 극대화할 수 있다.Therefore, the drone control apparatus and method according to an embodiment of the present invention calculates the number of drones that can economically and efficiently perform a given mission in an environment where spatial and temporal constraints exist, such as when an operational area or a disaster situation occurs, and , it is possible to maximize the utility of the drone by operating the drone according to the calculated number.
도 1은 드론과 통신을 수행하는 드론 제어 장치 사이의 관계를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 제어 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2의 드론 제어 장치가 드론을 운용하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 제어 방법을 나타낸다.
도 5 내지 도 9는 본 실시예에 따른 드론 제어 방법의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.1 shows a relationship between a drone and a drone control device performing communication.
2 shows a schematic structure of a drone control apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a concept in which the drone control apparatus of FIG. 2 operates a drone.
4 shows a drone control method according to an embodiment of the present invention.
5 to 9 show simulation results of the performance of the drone control method according to the present embodiment.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in various different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "... unit", "... group", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and a combination of software.
도 1은 드론과 통신을 수행하는 드론 제어 장치 사이의 관계를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 제어 장치의 개략적 구조를 나타내며, 도 3은 도 2의 드론 제어 장치가 드론을 운용하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.1 shows a relationship between a drone and a drone control device performing communication, FIG. 2 shows a schematic structure of a drone control device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a drone control device of FIG. It is a drawing for explaining the concept of operation.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 적어도 하나의 드론(101)은 드론 제어 장치(103)와 무선 통신을 수행하여 드론 제어 장치(103)에 의해 제어될 수 있으며, 드론 제어 장치(103)의 제어에 의해 지정된 위치로 이동하거나 지정된 동작을 수행한다. 이때 드론이 비행하여 이동하는 평면을 비행 평면(Flying plane)(102)이라 한다.As shown in FIG. 1 , in the present embodiment, at least one
그리고 드론 제어 장치(103)는 드론을 이용한 사물 인터넷(IoT)의 게이트웨이(GW)일 수 있다. 드론 제어 장치(103)는 서비스 제공자로서, 주어지는 임무를 수행하기에 적합한 드론의 수를 분석하고, 분석된 개수에 따라 적어도 하나의 드론(101)의 동작을 제어하여, 적어도 하나의 드론(101) 각각이 지정된 임무를 수행할 수 있도록 한다. 특히 본 실시예에서 드론 제어 장치(103)는 드론의 에너지 소비량과 임무 수행 시간 및 배터리 소비량을 계산하고, 계산 결과에 기초하여 요구되는 최적의 드론 수를 분석함으로써, 드론 운용의 효용성을 극대화할 수 있도록 한다.In addition, the
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 드론 제어 장치(103)는 통신부(210), 임무 설정부(220), 정보 수집부(230), 드론 최적화부(240) 및 드론 제어부(250)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
통신부(210)는 적어도 하나의 드론과 기지정된 방식으로 무선 통신을 수행한다. 드론 제어 장치(103)는 적어도 하나의 드론(101)과 일반적인 무선 전파를 이용한 RF 통신을 수행할 수 있으나, 경우에 따라서는 대기 중에서 광을 이용하여 이루어지는 무선 광통신인 자유공간 광(Free-Space Optics: 이하 FSO) 통신을 수행할 수도 있으며, RF 통신과 FSO 통신을 함께 이용할 수도 있다.The
또한 통신부(210)는 외부 시스템(미도시)과 통신을 수행하여, 적어도 하나의 드론(101)을 제어하여 수행해야할 임무를 인가받거나, 드론(101)이 임무를 수행한 결과를 전달할 수도 있다. 여기서 외부 시스템은 드론(101)의 이용 목적에 대응하는 지휘 통제 시스템일 수 있다. 일예로 드론(101)이 군사용으로 이용되는 경우, 작전 통제 시스템일 수 있으며, 드론(101)이 재난 대응을 위해 이용되는 경우에는 소방 통제 시스템일 수도 있다.In addition, the
임무 설정부(220)는 적어도 하나의 드론(101)을 이용하여 수행해야하는 임무를 저장한다. 임무 설정부(220)는 통신부(210)를 통해 외부 시스템으로부터 임무를 인가받아 저장하거나, 사용자 명령 등으로 임무를 인가받아 저장할 수 있다. 이때 저장되는 임무에는 임무가 수행되어야 하는 위치를 나타내는 적어도 하나의 임무 위치와 임무가 수행되어야 하는 임무 제한 시간(Lmax)이 포함된다. The mission setting
그리고 임무 설정부(220)는 적어도 하나의 드론을 이용하여 수행해야 하는 전체 임무를 인가받아 저장하고, 저장된 분석하여 세부 임무로 구분할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 임무 설정부(220)는 임무가 수행되어야 하는 전체 임무 지역(Mission area)이 (a)와 같이 지정되면, 지정된 전체 임무 지역을 분할하여, (b)와 같이 다수의 임무 위치(Hovering location)을 지정할 수 있다.In addition, the
여기서는 일예로 임무 설정부(220)가 전체 임무 지역을 격자 구조로 분할하여 N개의 임무 위치를 지정하는 것으로 가정하였으나, 임무 위치를 지정하는 방식과 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한 전체 임무 영역이 인가되지 않고, 직접적으로 다수의 임무 위치가 지정되어 임무가 인가될 수도 있다.Here, as an example, it is assumed that the
본 실시예에서 드론(101)이 수행해야 하는 임무는 일예로 임무 지점에서의 정보 수집인 것으로 가정하며, 이에 드론(101)은 임무 수행시에 임무 지점에서 정지 비행(Hovering)하며 정보를 수집할 필요가 있다. 따라서 드론(101)은 정지 비행이 가능한 로터리 윙(Rotary-wing) 타입의 드론인 것으로 가정한다.In this embodiment, it is assumed that the mission to be performed by the
정보 수집부(230)는 각 임무 위치의 환경 정보와 채널 정보 및 드론 정보를 수집하여 저장한다. 정보 수집부(230)는 각 임무 위치의 환경 연계 상수(environment-related constant)와 공기 밀도(ρ) 등과 같은 환경 정보를 획득할 수 있다. 그리고 정보 수집부(230)는 드론(101)이 각 임무 위치에 위치하는 경우에 드론 제어 장치(103)와 가시선(Line of sight: LoS) 통신을 수행해야 하는지 비가시선(Non-line of sight: NLoS) 통신을 수행해야 하는지 여부를 판별하여 각 임무 위치에 대한 채널 정보를 수집할 수 있다. 여기서 정보 수집부(230)는 도 1에 도시된 바와 같이, 각 임무 위치에서의 드론(101)의 고도(H)를 함께 고려하여, 채널 정보를 수집할 수 있다. 또한 정보 수집부(230)는 드론 정보로서, 드론 자체의 무게(mv), 탑재체(payload)의 무게(mp), 드론의 프로펠러 반지름(rp), 프로펠러 수(np), 모터와 프로펠러의 효율(ε) 및 양항비(lift-to-drag ratio)(r) 등을 수집할 수 있다.The
정보 수집부(230)는 통신부(210)를 통해 외부의 다양한 정보 제공 시스템으로부터 환경 정보와 채널 정보 및 드론 정보를 인가받아 저장할 수 있다. 일예로 환경 정보와 채널 정보의 경우 기상청의 서버로부터 인가받을 수 있으며, 드론 정보의 경우 드론 제작사 서버로부터 인가받거나, 운용하는 드론에 대한 정보를 미리 저장해둘 수 있다.The
드론 최적화부(240)는 정보 수집부(230)에서 수집된 정보를 기초로 임무를 수행하기 위한 최적의 드론 개수를 판별한다. 드론 최적화부(240)는 에너지 소비량 계산부(241), 임무 수행 시간 계산부(242), 배터리 소비량 계산부(243) 및 드론 개수 판별부(244)를 포함할 수 있다.The
에너지 소비량 계산부(241)는 임무를 완수하기 위해 필요한 총 에너지 소비량을 계산하고, 에너지 소비량에 따라 임무를 완수하기 위해 요구되는 최소의 드론 개수를 에너지 기반 드론 개수로 계산한다. 그리고 임무 수행 시간 계산부(242)는 임무를 완수하기 위해 요구되는 총 시간을 계산하고, 계산된 총 시간이 임무 제한 시간(Lmax) 이내가 되도록 하는 최소의 드론 개수를 시간 기반 드론 개수로 계산한다. 한편, 배터리 소비량 계산부(243)는 드론 각각의 배터리 용량과 임무 수행 시 요구되는 배터리 소비량에 따라 임무 수행에 요구되는 최소의 드론 개수를 배터리 기반 드론 개수로 계산한다.The energy
드론 개수 판별부(244)는 에너지 소비량 계산부(241), 임무 수행 시간 계산부(242) 및 배터리 소비량 계산부(243) 각각에서 계산된 에너지 기반 드론 개수와 시간 기반 드론 개수 및 배터리 기반 드론 개수를 인가받아, 가장 큰 드론 개수를 임무 수행을 위한 최적 드론 개수로 판별한다.The number of
우선 에너지 소비량 계산부(241)는 전체 N개의 임무 위치 중 하나의 임무 위치로 이동하여 임무를 수행하는 1 사이클(cycle) 동안 소비되는 임무별 에너지 소비량(Eone)을 계산하여 전체 임무 수행을 위한 에너지 소비량을 계산하며, 1 사이클 동안 소비되는 임무별 에너지 소비량(Eone)은 드론(101)의 비행을 위한 추진 에너지(Eprl)와 드론 제어 장치(103)와의 통신을 위한 통신 에너지(Ecom)로 구분하여 계산한다. 추진 에너지(Eprl)와 통신 에너지(Ecom)는 임무 중단과 같은 다양한 비상 상황 발생 시에도, 드론을 안정적으로 운용할 수 있도록 하기 위한 가장 중요한 에너지이다. 비록 드론의 임무 수행 시에는 드론(101)의 이동과 통신 이외에도 추가적인 에너지 소비가 발생될 수 있으나, 특수한 임무를 제외하면 추가적인 에너지 소비량은 상대적으로 미미한 수준이므로 여기서는 고려하지 않는다.First, the energy
또한 에너지 소비량 계산부(241)는 통신 에너지(Ecom)를 계산함에 있어, 우선 채널 정보를 고려하여 가시선 통신과 비가시선 통신 상황을 구분하여 수학식 1 및 2에 따라 통신 소비 전력을 계산한다.In addition, in calculating the communication energy E com , the energy
여기서 α, β는 환경 연계 상수(예를 들면, 도시 환경, 시골 환경)이고, θ는 드론 제어 장치(103)와 드론(101) 사이의 고각(elevation angle)으로 도 1에 도시된 바와 같다.Here, α and β are environmental linkage constants (eg, urban environment, rural environment), and θ is an elevation angle between the
한편 평균 경로 손실(Path loss)은 수학식 3으로 계산된다.Meanwhile, the average path loss is calculated by Equation (3).
여기서 PLLoS와 PLNLoS 는 각각 가시선 및 비가시선 환경에서 경로 손실 모델로서 수학식 4 및 5로 표현될 수 있다.Here, PL LoS and PL NLoS may be expressed by Equations 4 and 5 as a path loss model in a line-of-sight environment and a non-line-of-sight environment, respectively.
여기서 fc는 캐리어 주파수(carrier frequency)이고, d는 드론(101)과 드론 제어 장치(103) 사이의 거리이며, c는 광속이다. 그리고 ξLoS, ξNLoS 는 환경 연계 상수이다.Here, f c is a carrier frequency, d is the distance between the
그리고 전체 N개의 임무 위치 중 i번째 임무 위치에서의 전송률(transmission rate)(Ri)은 수학식 6으로 나타난다. And the transmission rate (R i ) at the i-th mission position among all N mission positions is expressed by Equation (6).
여기서 W는 대역폭을 나타내고, pi는 전송 전력(transmission power), Gi는 채널 이득(channel gain)으로 로 계산될 수 있으며, N0는 잡음 전력 스펙트럼 밀도(noise power spectrum density)를 나타낸다.Here, W represents bandwidth, p i is transmission power, and G i is channel gain. can be calculated as , N 0 represents a noise power spectrum density.
i번째 임무 위치에서의 데이터 전송 시간()과 전송되는 데이터 크기(Di)를 고려하면, N개의 전체 임무 위치에서 소모되는 통신 에너지(Ecom)는 수학식 7에 따라 계산될 수 있다.Data transfer time at the i-th mission position ( ) and the transmitted data size (D i ), the communication energy (E com ) consumed in all N mission positions can be calculated according to Equation (7).
여기서 η는 전송 계수(transmission coefficient)이고, pstatic는 데이터를 전송하지 않을 때 소비되는 전력을 의미한다.Here, η is a transmission coefficient, and p static means power consumed when data is not transmitted.
한편, 에너지 소비량 계산부(241)는 드론(101)의 비행을 위한 추진 에너지(Eprl)를 계산하기 위해 먼저 드론(101)의 정지 비행에 요구되는 전력인 호버링 전력(Phov)과 드론(101)의 이동 비행에 요구되는 전력인 이동 전력(Ptrs)을 각각 수학식 8 및 9에 따라 계산한다.On the other hand, the energy consumption calculation unit 241 first calculates the propulsion energy (E prl ) for the flight of the
여기서 m은 드론의 무게로 드론 자체의 무게(mv)와 탑재체의 무게(mp)의 합(m = mv + mp)을 나타내고, g는 중력 가속도, rp는 드론의 프로펠러 반지름(rp)을 나타내며, np 는 드론의 프로펠러 수를 나타낸다. 그리고 ρ는 공기 밀도를 나타낸다.where m is the weight of the drone and represents the sum (m = m v + m p ) of the weight of the drone itself (m v ) and the weight of the payload (m p ), g is the acceleration of gravity, and r p is the radius of the drone’s propeller ( r p ), and n p represents the number of propellers of the drone. And ρ represents the air density.
여기서 ε는 모터와 프로펠러의 효율을 나타내고, r은 양항비를 나타낸다.Here, ε represents the efficiency of the motor and propeller, and r represents the lift ratio.
도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 드론(101)이 특정 i번째 임무 위치에서 임무를 수행한 후, 인접한 i+1번째 임무 위치로 이동하는 경우를 고려할 때, 수학식 8 및 9로부터 추진 에너지(Eprl)는 수학식 10으로 계산될 수 있다.As shown in (c) of FIG. 3 , when the
여기서 는 드론(101)이 i번째 임무 위치에서 i+1번째 임무 위치로 이동하는데 소요되는 시간을 나타내고, li,i+1 은 i번째 임무 위치와 i+1번째 임무 위치 사이의 거리를 나타내고, 전송률(Ri)은 수학식 6에서 이미 계산되었다. 에너지 소비량 계산부(241)는 수학식 7에서 계산된 통신 에너지(Ecom)와 수학식 10에서 계산된 추진 에너지(Eprl)의 합으로 전체 임무를 수행하기 위한 전체 에너지(Etot)를 수학식 11에 따라 계산할 수 있다.here denotes the time it takes for the
수학식 11로부터 전체 에너지(Etot)가 계산되면, 전체 N개의 임무 위치 중 하나의 임무 위치로 이동하여 임무를 수행하는 1 사이클(cycle) 동안 소비되는 임무별 에너지 소비량(Eone)을 수학식 12에 따라 계산할 수 있다.When the total energy (E tot ) is calculated from Equation 11, the energy consumption (E one ) for each task consumed during one cycle of performing the mission by moving to one of the total N mission positions is expressed by the equation 12 can be calculated according to
여기서 Pone 는 1사이클에 요구되는 최소 전력이다. Pone 는 한 임무 위치에서 수집해야하는 데이터 크기(D)가 주어지면, 각 임무 위치에서 정지 비행하며 임무를 수행하는 시간(Thov)에 따라 수학식 13으로 계산될 수 있다.where P one is the minimum power required for one cycle. P one can be calculated by Equation 13 according to the time (T hov ) for performing a mission while stationary flight at each mission location given the data size (D) to be collected at one mission location.
수학식 12에 따라 임무별 에너지 소비량(Eone)이 계산되면, 전체 임무 위치의 개수(N)와 임무별 에너지 소비량(Eone)에 따라 총 드론 소비 에너지(Et)를 수학식 14로 계산할 수 있다.When the energy consumption per mission (E one ) is calculated according to Equation 12, the total drone energy consumption (E t ) can be calculated by Equation 14 according to the total number of mission locations (N) and the energy consumption per mission (E one ). can
여기서 τ는 환경 변수로서, 날씨 및 드론의 노후화 수준에 따라 지정될 수 있다.Here, τ is an environmental variable and may be specified according to the weather and the level of aging of the drone.
총 드론 소비 에너지(Et)가 계산되면, 에너지 소비량 계산부(241)는 완전 충전 상태의 드론 가용 에너지(Efull)와 총 드론 소비 에너지(Et)를 기반으로 에너지 기반 드론 개수()를 수학식 15에 따라 계산할 수 있다.When the total drone energy consumption (E t ) is calculated, the energy
여기서 는 올림값을 출력하는 올림값 함수이다.here is a rounded value function that outputs a rounded value.
한편, 임무 수행 시간 계산부(242)는 하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 소비 시간(Tone)은 수학식 16으로 계산될 수 있다. Meanwhile, the mission execution time calculation unit 242 may calculate the consumption time (T one ) for each mission for one cycle in which one drone performs a mission at one mission location by Equation (16).
여기서 Thov는 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하기 위해 정지 비행하는 시간을 나타내고, Ttrs 는 드론의 이동 시간으로 이동 거리(dm)를 드론의 이동 속도(v)로 나누어 계산(Ttrs = dm / v)될 수 있다.Where T hov denotes how long the drones are still flying in order to perform the task in a task where, T trs is calculated (T dividing the moving speed of the moving distance (d m) to the movement time of the drone drone (v) trs = d m / v).
수학식 16으로부터 임무별 소비 시간(Tone)이 획득되면, N개의 전체 임무를 수행하기 위한 총 운용 시간(Tt)은 수학식 17로 계산될 수 있다.When the consumption time (T one ) for each task is obtained from Equation 16, the total operating time (T t ) for performing all N tasks may be calculated by Equation 17.
총 소비 시간(Tt)이 계산되면, 주어진 임무 제한 시간(Lmax)과 임무를 완료하기 위해 필요한 총 소비 시간(Tt)을 비교하여 더 작은 시간을 총 드론 운용 시간(TD)으로 획득한다.When the total time spent (T t ) is calculated, the smaller time is obtained as the total drone operation time (T D ) by comparing the given mission time limit (L max ) with the total time spent (T t ) required to complete the mission do.
완전 충전 상태의 드론 운용 시간(Tfull)과 총 드론 운용 시간(TD)을 기반으로 시간 기반 드론 개수()를 수학식 18에 따라 계산할 수 있다.Based on the drone operating time (T full ) and the total drone operating time (T D ) in a fully charged state, the number of time-based drones ( ) can be calculated according to Equation 18.
여기서 k는 드론 충전 횟수를 나타내고, Tchar 은 1대의 드론을 완전 충전시키는데 필요한 시간을 나타낸다.Here, k represents the number of drone charging times, and T char represents the time required to fully charge one drone.
드론의 경우 실제 비행 가능 시간에 비해 드론의 충전 시간이 상대적으로 매우 길다. 따라서 단순히 드론의 운용 시간만을 고려하여 시간 기반 드론 개수()를 계산하는 경우, 모든 드론이 항시 충전 상태가 아니므로, 임무 수행에 차질이 발생될 수 있다. 이에 수학식 18에서는 드론 충전 횟수(k)와 드론 충전 시간(Tchar)을 함께 고려하여 시간 기반 드론 개수()를 계산한다.In the case of drones, the charging time of the drone is relatively long compared to the actual flight time. Therefore, the number of time-based drones ( ), since all drones are not always in a charged state, a setback may occur in mission performance. Thus, in equation (18) in consideration with the number of charge cycles drone (k) and the drone charging time (T char), time-based drone number ( ) is calculated.
배터리 소비량 계산부(243)는 하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 배터리 소비량(Bone)을 수학식 19에 따라 계산한다. The battery consumption calculation unit 243 calculates the battery consumption (B one ) for each mission required for one cycle in which one drone performs a mission at one mission location according to Equation 19.
그리고 임무별 배터리 소비량(Bone)으로부터 전체 임무를 수행하기 위한 총 드론 배터리 소비량(Bt)을 수학식 20에 따라 계산할 수 있다.And, from the battery consumption (B one ) for each mission, the total drone battery consumption (B t ) for performing the entire mission may be calculated according to Equation (20).
총 배터리 소비량(Bt)과 완전 충전 상태의 드론 배터리 용량(Bfull)으로부터 배터리 기반 드론 개수()를 수학식 21에 따라 계산한다.From the total battery consumption (B t ) and the drone battery capacity at full charge (B full ), the number of battery-based drones ( ) is calculated according to Equation 21.
드론 개수 판별부(244)는 에너지 소모량 계산부(241)에서 계산된 에너지 기반 드론 개수()와 임무 수행 시간 계산부(242)에서 계산된 시간 기반 드론 개수() 및 배터리 소비량 계산부(243)에서 계산된 배터리 기반 드론 개수()를 인가받는다.The number of
에너지 소비량, 임무 수행 시간 및 배터리 소비량 중 적어도 하나라도 요구 사항을 만족하지 못하면, 전체 임무를 완전하게 수행할 수 없다. 따라서 드론 개수 판별부(244)는 인가된 에너지 기반 드론 개수()와 시간 기반 드론 개수() 및 배터리 기반 드론 개수() 중 최대 개수를 수학식 22와 같이 추출하여 임무 수행을 위해 요구되는 최소의 최적 드론 개수()를 판별한다.If at least one of the requirements of energy consumption, mission performance time, and battery consumption is not met, the entire mission cannot be fully performed. Therefore, the number of
상기한 바와 같이, 드론 최적화부(240)가 임무 수행을 위해 요구되는 최적 드론 개수()를 판별하는 기법을 여기서는 드론 부대 전개 최적화(Drone Force Deployment Optimization: DFDO) 알고리즘이라고 한다.As described above, the optimal number of drones required for the
드론 제어부(250)는 드론 최적화부(240)에서 판별된 최적 드론 개수()에 따라 임무 수행을 위해 운용할 드론(101)을 선택하고, 임무 설정부(220)에서 설정된 임무 위치별 임무에 따라 통신부(210)를 통해 선택된 드론(101)으로 제어 신호를 전송하여, 선택된 적어도 하나의 드론(101)이 지정된 임무 위치에서의 임무를 수행하도록 한다. 이때 드론 제어부(250)는 다수의 드론이 선택된 경우, 선택된 드론들의 임무 위치가 중첩되지 않도록 하고, 드론이 임무 지역의 임무 위치들 사이를 이동할 때 동선이 최적의 동선을 계산하여 이동 거리가 최소화되도록 제어할 수 있다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 제어 방법을 나타낸다.4 shows a drone control method according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 도 4의 드론 제어 방법을 설명하면, 우선 적어도 하나의 드론을 이용하여 수행해야하는 임무를 획득하여 저장한다(S11). 여기서 임무에서는 임무가 수행되어야 하는 적어도 하나의 임무 위치가 포함된 전체 임무 지역과 임무가 수행되어야 하는 임무 제한 시간(Lmax)이 포함된다.Referring to FIGS. 1 to 3 , the drone control method of FIG. 4 is described. First, a task to be performed using at least one drone is acquired and stored ( S11 ). Here, the mission includes the entire mission area containing at least one mission location where the mission must be performed and the mission time limit (L max ) within which the mission must be performed.
임무가 획득되면, 임무를 수행하기 위한 정보를 수집한다(S12). 여기서 수집되는 정보는 임무 지역의 적어도 하나의 임무 위치 각각에 대한 환경 정보와 채널 정보 및 운용되는 드론 정보를 수집하여 저장할 수 있다. 여기서 정보는 경우에 따라서 미리 수집되어 저장될 수도 있으며, 임무와 함께 획득될 수도 있다.When the mission is acquired, information for performing the mission is collected (S12). The information collected here may collect and store environmental information, channel information, and operating drone information for each of at least one mission location in the mission area. Here, the information may be collected and stored in advance according to the case, or may be acquired along with the mission.
임무 수행을 위한 정보가 수집되면, 수집된 정보를 기반으로, 임무 지역에서 임무를 수행하기 위한 드론의 에너지 소비에 기초하여 요구되는 드론의 개수인 에너지 기반 드론 개수()를 판별하고(S30), 이와 함께 드론의 임무 수행 시간에 기초하여 요구되는 드론의 개수인 시간 기반 드론 개수()를 판별한다(S40). 또한 운용 되는 드론의 배터리 소비량을 고려하여 요구되는 드론의 개수인 배터리 기반 드론 개수()를 판별한다(S50).When information for mission performance is collected, based on the collected information, the number of energy-based drones ( ) is determined (S30), and the number of time-based drones (the number of drones required based on the drone's mission execution time) ) is determined (S40). In addition, the number of battery-based drones ( ) is determined (S50).
에너지 기반 드론 개수()를 판별하기 위해서는, 우선 임무 지역의 적어도 하나의 임무 각각에서 소비되는 임무별 에너지 소비량(Eone)을 계산한다(S31). 여기서 임무별 에너지 소비량(Eone)은 드론이 임무 수행시에 통신을 수행하기 위해 소비하는 통신 에너지(Ecom)와 드론의 임무 위치로 이동하기 위해 소비하는 추진 에너지(Eprl)를 구분하여 각각 수학식 7 및 10에 따라 계산하고, 계산된 추진 에너지(Eprl)와 통신 에너지(Ecom)를 수학식 12와 같이 결합하여 계산될 수 있다.Number of energy-based drones ( ), first, the amount of energy consumption (E one ) for each mission consumed in each of at least one mission in the mission area is calculated (S31). Here, the energy consumption for each mission (E one ) is divided into communication energy (E com ) consumed by the drone to perform communication when performing a mission and propulsion energy (E prl ) consumed to move to the mission position of the drone. It can be calculated according to
임무별 에너지 소비량(Eone)이 계산되면, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수(N)와 임무별 에너지 소비량(Eone)에 따라 총 드론 소비 에너지(Et)를 수학식 14에 따라 계산한다(S32).When the energy consumption for each mission (E one ) is calculated, the total drone energy consumption (E t ) is calculated according to Equation 14 according to the total number of mission locations in the mission area (N) and the energy consumption for each mission (E one ) (S32).
그리고 수학식 15와 같이, 총 드론 소비 에너지(Et)를 완전 충전 상태의 드론 가용 에너지(Efull)로 나누고 올림하여 에너지 기반 드론 개수()를 획득한다(S33).And, as shown in
한편, 시간 기반 드론 개수()를 판별하기 위해, 우선 하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 소비 시간(Tone)을 수학식 16에 따라 계산한다. 그리고 계산된 임무별 소비 시간으로부터 전체 임무를 수행하기 위해 소요되는 총 소비 시간(Tt)을 수학식 17에 따라 계산한다(S42). 총 소비 시간(Tt)이 계산되면, 주어진 임무 제한 시간(Lmax)과 임무를 완료하기 위해 필요한 총 운용 시간(Tt)을 비교하여 더 작은 시간을 총 드론 운용 시간(TD)으로 획득하고, 획득된 총 드론 운용 시간(TD)을 완전 충전 상태의 드론 운용 시간(Tfull)과 드론의 충전 시간(Tchar)의 합 나누고 올림하여 시간 기반 드론 개수()를 계산한다(S43).On the other hand, the number of time-based drones ( ), first, the time consumed for each mission (T one ) required for one cycle in which one drone performs a mission at one mission location is calculated according to Equation 16. Then, from the calculated consumption time for each task, the total consumption time (T t ) required to perform the entire task is calculated according to Equation 17 ( S42 ). Once the total consumption time (T t ) is calculated, the smaller time is obtained as the total drone operation time (T D ) by comparing the given mission time limit (L max ) with the total operating time required to complete the mission (T t ) Then, the total drone operation time (T D ) obtained is divided by the sum of the drone operation time (T full ) in the fully charged state and the drone charging time (T char ) and rounded up to increase the number of time-based drones ( ) is calculated (S43).
또한 배터리 기반 드론 개수()를 판별하기 위해서는 먼저, 각 임무 위치에서 소요되는 드론의 배터리 소비량을 나타내는 임무별 배터리 소비량(Bone)을 수학식 19에 따라 계산한다(S51). 임무별 배터리 소비량(Bone)이 계산되면, 전체 임무를 수행하기 위한 총 드론 배터리 소비량(Bt)을 수학식 20에 따라 계산한다(S52). 그리고 총 드론 배터리 소비량(Bt)을 완전 충전 상태의 드론 배터리 용량(Bfull)으로 나누고 올림하여, 배터리 기반 드론 개수()를 계산한다(S53).Also, the number of battery-powered drones ( ), first, the battery consumption (B one ) for each mission indicating the battery consumption of the drone required at each mission position is calculated according to Equation 19 (S51). When the battery consumption (B one ) for each task is calculated, the total drone battery consumption (B t ) for performing the entire mission is calculated according to Equation 20 ( S52 ). Then, by dividing the total drone battery consumption (B t ) by the drone battery capacity (B full ) in a fully charged state, the number of battery-based drones ( ) is calculated (S53).
에너지 기반 드론 개수()와 시간 기반 드론 개수() 및 배터리 기반 드론 개수()가 판별되면 이중 최대 개수를 임무 수행을 위해 요구되는 최소의 최적 드론 개수()로 판별한다(S60).Number of energy-based drones ( ) and the number of time-based drones ( ) and the number of battery-powered drones ( ) is determined, the maximum number among them is the minimum optimal number of drones required to perform the mission ( ) is determined (S60).
이에 판별된 최적 드론 개수()에 대응하는 개수의 드론을 선택한다(S70). 그리고 선택된 드론과 통신을 수행하여 임무 지역 내에서 선택된 드론이 서로 임무 위치가 중첩되지 않고, 모든 임무 위치에서 지정된 임무를 수행하도록 제어한다(S80).The optimal number of drones ( ) and select the number of drones corresponding to (S70). And by performing communication with the selected drone, the selected drone within the mission area is controlled so that the mission positions do not overlap with each other and perform the specified mission in all mission positions (S80).
도 5 내지 도 9는 본 실시예에 따른 드론 제어 방법의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.5 to 9 show simulation results of the performance of the drone control method according to the present embodiment.
도 5는 임무 지역의 크기에 따라 판별되는 최적 드론 개수()를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 드론 제어 방법인 DFDO 알고리즘은 임무 지역의 크기에 대략적으로 비례하여 최적 드론 개수()를 판별하지만, 임무 지역의 환경이나 드론 상태 등과 같이 수집되는 정보에 따라 일부 변동을 나타냄을 알 수 있다.5 is an optimal number of drones determined according to the size of the mission area ( ) is indicated. As shown in FIG. 5 , the DFDO algorithm, which is a drone control method according to the present embodiment, is approximately proportional to the size of the mission area and the optimal number of drones ), but it can be seen that it shows some fluctuations depending on the information collected, such as the environment of the mission area or the state of the drone.
도 6은 본 실시예에 따른 DFDO 알고리즘과 최근 공개된 PETROL(Power Control) 알고리즘의 성능을 비교한 결과를 나타낸다. 상기한 바와 같이, 드론은 비행 가능 시간에 비해 충전 시간이 상대적으로 매우 길기 때문에 전력 소비를 최소화하기 위해 고안된 PETROL 알고리즘은 도 6에 도시된 바와 같이 임무 완수에 많은 시간을 필요로 하여 실제 전장 상황 등에 적용이 적합하지 않다. 그에 반해, 본 실시예의 DFDO 알고리즘은 PETROL 알고리즘에 비해 짧고 균일한 시간 내에 임무가 완수될 수 있도록 하므로, 작전 임무 수행이나 재난 대응 시에 매우 적합한 알고리즘인 것을 알 수 있다.6 shows a result of comparing the performance of the DFDO algorithm according to the present embodiment and the recently published PETROL (Power Control) algorithm. As described above, the PETROL algorithm designed to minimize power consumption because the charging time of the drone is relatively long compared to the available flight time, as shown in FIG. application is not suitable. On the other hand, the DFDO algorithm of the present embodiment allows the mission to be completed within a shorter and uniform time compared to the PETROL algorithm, so it can be seen that it is an algorithm very suitable for performing an operational mission or responding to a disaster.
도 7은 임무 제한 시간(Lmax)이 지정되고, 임무 지역의 크기에 변화되는 경우에, 임무 완수에 소요되는 시간을 나타낸다. 도 7에서도 확인할 수 있듯이, 본 실시예에 따른 DFDO 알고리즘은 임무 지역의 크기가 변화되더라도, 임무 제한 시간(Lmax)에 따라 최적 드론 개수()를 조절함으로써, 임무가 항시 임무 제한 시간(Lmax) 내에 수행될 수 있도록 한다. 도 7에서 DFDO 알고리즘에 따른 그래프의 하단에 적힌 숫자는 판별된 최적 드론 개수()를 나타낸다. 그리고 DFDO 알고리즘의 하부 및 상부에 도시된 그래프는 각각 최적 드론 개수()보다 드론의 개수를 3개 증가시킨 경우와 3개 감소시킨 경우에 임무 완수를 위해 소요되는 시간을 나타낸다.7 illustrates a time taken to complete a mission when the mission limit time (L max ) is specified and the size of the mission area is changed. As can be seen in FIG. 7 , the DFDO algorithm according to this embodiment is the optimal number of drones (L max ) according to the mission limit time (L max ), even if the size of the mission area is changed. ), so that the task can always be performed within the task limit time (L max ). In FIG. 7, the number written at the bottom of the graph according to the DFDO algorithm is the determined optimal number of drones ( ) is indicated. And the graphs shown in the lower and upper parts of the DFDO algorithm are the optimal drone count ( ) shows the time it takes to complete the mission when the number of drones is increased by 3 and when the number of drones is decreased by 3.
도 7에 도시된 바와 같이, 최적 드론 개수()보다 드론의 개수를 3개 감소시키는 경우, 임무 제한 시간(Lmax) 이내에 임무를 완수하지 못하게 되는 반면, 3개 증가시키게 되면, 드론 운용의 효용성이 크게 낮아지게 된다.7, the optimal number of drones ( ), if the number of drones is reduced by 3, the mission cannot be completed within the mission limit time (L max ), whereas if the number is increased by 3, the effectiveness of drone operation is greatly reduced.
도 8은 임무 지역의 크기가 동일할 때, 운용되는 드론 개수 증가에 따른 간섭 전력(Interference Power)의 변화를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 드론의 개수를 증가시키게 되면, 임무를 완수하기 위해 소요되는 시간은 줄어들게 된다. 그러나 도 8에 나타난 바와 같이, 드론 개수 증가에 비례하여 간섭 전력이 증가하게 되어, 드론의 동작 불능 확률(Outage probability)이 증가하게 된다. 즉 과도하게 드론의 개수를 증가시키게 되면, 드론이 동작 불능 상태가 되어 오히려 임무 수행에 차질을 줄 수도 있다.8 illustrates a change in interference power according to an increase in the number of operated drones when the size of the mission area is the same. As shown in FIG. 7 , if the number of drones is increased, the time required to complete the mission is reduced. However, as shown in FIG. 8 , the interference power increases in proportion to the increase in the number of drones, and thus the outage probability of the drone increases. That is, if the number of drones is excessively increased, the drones may become inoperable, which may impede mission performance.
도 9는 임무 위치의 개수에 따른 에너지 기반 드론 개수()와 시간 기반 드론 개수() 및 배터리 기반 드론 개수()의 변화와 이에 의해 판별되는 최적 드론 개수()를 나타낸다.9 shows the number of energy-based drones according to the number of mission positions ( ) and the number of time-based drones ( ) and the number of battery-powered drones ( ) and the optimal number of drones ( ) is indicated.
도 9에 도시된 바와 같이, 임무 위치의 개수가 상대적으로 적은 경우에 최적 드론 개수()는 시간 기반 드론 개수()에 따르지만, 임무 위치의 개수가 증가함에 따라 최적 드론 개수()는 에너지 기반 드론 개수() 또는 배터리 기반 드론 개수()를 따르게 됨을 알 수 있다. 도 9에서는 에너지 기반 드론 개수()와 배터리 기반 드론 개수()가 유사하게 나타나 있으나, 실제로는 드론 운용 환경에 따라 에너지 기반 드론 개수()와 배터리 기반 드론 개수() 또한 차이가 발생된다.As shown in FIG. 9, when the number of mission positions is relatively small, the optimal number of drones ( ) is the number of time-based drones ( ), but as the number of mission locations increases, the optimal number of drones ( ) is the number of energy-based drones ( ) or the number of battery-powered drones ( ) can be seen to follow. 9, the number of energy-based drones ( ) and the number of battery-powered drones ( ) is similar, but in reality, the number of energy-based drones ( ) and the number of battery-powered drones ( ) also makes a difference.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution by a computer. Here, the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and read dedicated memory), RAM (Random Access Memory), CD (Compact Disk)-ROM, DVD (Digital Video Disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.
101: 드론 103: 드론 제어 장치
210: 통신부 220: 임무 설정부
230: 정보 수집부 240: 드론 최적화부
241: 에너지 소비량 계산부 242: 임무 수행 시간 계산부
243: 배터리 소비량 계산부 244: 드론 개수 판별부
250: 드론 제어부101: drone 103: drone control device
210: communication unit 220: mission setting unit
230: information collection unit 240: drone optimization unit
241: energy consumption calculation unit 242: task performance time calculation unit
243: battery consumption calculation unit 244: number of drones determining unit
250: drone control unit
Claims (10)
상기 임무가 수행되어야 하는 적어도 하나의 임무 위치를 포함하는 임무 지역의 환경과 상기 적어도 하나의 드론 및 적어도 하나의 임무 위치 각각에 드론이 배치되어 통신을 수행하기 위한 채널에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부;
수집된 정보에 기반으로 임무 지역의 전체 임무 위치 각각에서 임무를 수행하기 위한 드론의 총 드론 소비 에너지와 총 드론 운용 시간 및 총 드론 배터리 소비량을 계산하고, 상기 총 드론 소비 에너지로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 에너지 기반 드론 개수를 판별하고, 상기 총 드론 운용 시간으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 시간 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 총 드론 배터리 소비량으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 배터리 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수로부터 상기 임무를 수행하기 위한 최적 드론 개수를 획득하는 드론 최적화부; 및
상기 최적 드론 개수에 대응하는 개수의 드론을 선택하고, 상기 선택된 드론이 적어도 하나의 임무 위치 각각에서 지정된 임무를 수행하도록 통신하여 제어하는 드론 제어부를 포함하되,
상기 드론 최적화부는
임무 지역의 적어도 하나의 임무 각각에서 소비되는 임무별 에너지 소비량을 계산하고, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 에너지 소비량에 따라 상기 총 드론 소비 에너지를 계산하며, 상기 총 드론 소비 에너지를 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 가용 에너지로 나누어 상기 에너지 기반 드론 개수를 판별하는 에너지 소비량 계산부;
하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 소비 시간을 계산하고, 임무별 소비 시간으로부터 전체 임무를 수행하기 위해 소요되는 총 소비 시간을 계산하며, 획득된 임무에 포함된 임무 제한 시간과 상기 총 소비 시간을 비교하여 더 작은 시간을 상기 총 드론 운용 시간으로 획득하며, 획득된 상기 총 드론 운용 시간을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 운용 시간으로 나누어 상기 시간 기반 드론 개수를 판별하는 임무 수행 시간 계산부;
적어도 하나의 임무 위치 각각에서 소요되는 임무별 베터리 소비량을 계산하여, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 베터리 소비량에 다라 총 드론 배터리 소비량을 계산하고, 상기 총 드론 배터리 소비량을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 배터리 용량으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별하는 배터리 소비량 계산부; 및
상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수 중 최대값을 최적 드론 개수로 판별하는 드론 개수 판별부를 포함하는 드론 제어 장치.
a mission setting unit for acquiring a mission to be performed using at least one drone;
Information collection for collecting information on an environment of a mission area including at least one mission location where the mission is to be performed, and a channel for communicating with the at least one drone and the drone at each of the at least one mission location part;
Based on the collected information, the total drone consumption energy, total drone operation time, and total drone battery consumption of the drone for performing the mission at each of the entire mission positions in the mission area are calculated, and the total drone battery consumption required for the mission is calculated from the total drone consumption energy. Determining the number of energy-based drones that is the number of drones, determining the number of time-based drones that are the number of drones required for mission performance from the total drone operating time, and determining the number of drones required for mission performance from the total drone battery consumption a drone optimization unit that determines the number of battery-based drones and obtains an optimal number of drones for performing the mission from the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the number of battery-based drones; and
a drone control unit that selects a number of drones corresponding to the optimal number of drones, and communicates and controls the selected drones to perform a specified mission at each of at least one mission position,
The drone optimization unit
calculating the energy consumption for each mission consumed in each of at least one mission in the mission area, calculating the total drone energy consumption according to the total number of mission positions in the mission area and the energy consumption for each mission, and calculating the total drone energy consumption an energy consumption calculation unit that determines the number of energy-based drones by dividing it by the available energy of the drones in a fully charged state collected in advance;
Calculates the time consumed for each mission during one cycle when one drone performs a mission at one mission location, calculates the total time consumed to perform the entire mission from the time consumed by each mission, and calculates the The time-based drone is obtained by comparing the included mission time limit with the total consumption time to obtain a smaller time as the total drone operation time, and dividing the obtained total drone operation time by the pre-collected drone operation time in a fully charged state a task execution time calculation unit to determine the number;
Calculate the battery consumption for each mission consumed in each of at least one mission location, calculate the total drone battery consumption according to the total number of mission locations in the mission area and the battery consumption for each mission, and calculate the total drone battery consumption in advance. a battery consumption calculation unit dividing the drone battery capacity in a fully charged state to determine the number of battery-based drones; and
and a drone number determining unit configured to determine a maximum value among the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the battery-based number of drones as an optimal number of drones.
드론이 임무 수행시에 통신을 수행하기 위해 소비하는 통신 에너지와 드론의 임무 위치로 이동하기 위해 소비하는 추진 에너지를 구분하여 계산하고, 계산된 상기 추진 에너지와 상기 통신 에너지를 합하여 상기 임무별 에너지 소비량을 계산하는 드론 제어 장치.According to claim 1, wherein the energy consumption calculation unit
When the drone performs a mission, the communication energy consumed to perform communication and the propulsion energy consumed to move to the drone's mission position are divided and calculated, and the calculated propulsion energy and the communication energy are added to the energy consumption for each mission. A drone control unit that counts.
적어도 하나의 임무 위치 각각에 배치되는 상기 드론과 상기 드론 제어 장치 사이의 채널 상태에 따라 가시선 통신과 비가시선 통신으로 구분하여 통신 소비 전력을 계산하고, 가시선 통신 소비 전력과 비가시선 통신 소비 전력으로부터 평균 경로 손실을 분석하여 전송률을 계산하며, 상기 전송률과 각 임무 위치에서의 데이터 전송 시간과 전송되어야 하는 데이터의 크기에 따라 통신 에너지를 계산하고,
드론의 정지 비행에 요구되는 전력인 호버링 전력과 드론의 이동 비행에 요구되는 전력인 이동 전력을 각각 계산하고, 상기 호버링 전력에 드론이 임무 위치에서 데이터를 전송하는 시간을 곱하고 상기 이동 전력에 드론이 인접한 임무 위치로 이동하는 시간을 곱하고 합하여 상기 추진 에너지를 계산하는 드론 제어 장치.The method of claim 3, wherein the energy consumption calculation unit
According to the channel state between the drone disposed at each of at least one mission position and the drone control device, communication power consumption is calculated by dividing line-of-sight communication and non-line-of-sight communication, and averaged from line-of-sight communication power consumption and non-line-of-sight communication power consumption. calculating the transmission rate by analyzing the path loss, calculating the communication energy according to the transmission rate, the data transmission time at each mission location, and the size of the data to be transmitted,
The hovering power, which is the power required for stationary flight of the drone, and the moving power, which is the power required for the moving flight of the drone, are respectively calculated, the hovering power is multiplied by the time the drone transmits data at the mission location, and the moving power is A drone control device that calculates the propulsion energy by multiplying and summing the travel time to an adjacent mission location.
상기 총 드론 배터리 소비량을 상기 드론 배터리 용량과 드론 충전 시간의 합으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별하는 드론 제어 장치.According to claim 1, wherein the task execution time calculation unit
A drone control device for determining the number of battery-based drones by dividing the total drone battery consumption by the sum of the drone battery capacity and the drone charging time.
상기 임무가 수행되어야 하는 적어도 하나의 임무 위치를 포함하는 임무 지역의 환경과 상기 적어도 하나의 드론 및 적어도 하나의 임무 위치 각각에 드론이 배치되어 통신을 수행하기 위한 채널에 대한 정보를 수집하는 단계;
수집된 정보에 기반으로 임무 지역의 전체 임무 위치 각각에서 임무를 수행하기 위한 드론의 총 드론 소비 에너지와 총 드론 운용 시간 및 총 드론 배터리 소비량을 계산하여, 상기 총 드론 소비 에너지로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 에너지 기반 드론 개수를 판별하고, 상기 총 드론 운용 시간으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 시간 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 총 드론 배터리 소비량으로부터 임무 수행에 요구되는 드론의 개수인 배터리 기반 드론 개수를 판별하며, 상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수로부터 상기 임무를 수행하기 위한 최적 드론 개수를 획득하는 단계; 및
상기 최적 드론 개수에 대응하는 개수의 드론을 선택하고, 상기 선택된 드론이 적어도 하나의 임무 위치 각각에서 지정된 임무를 수행하도록 통신하여 제어하는 단계를 포함하되,
상기 최적 드론 개수를 획득하는 단계는
임무 지역의 적어도 하나의 임무 각각에서 소비되는 임무별 에너지 소비량을 계산하고, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 에너지 소비량에 따라 상기 총 드론 소비 에너지를 계산하며, 상기 총 드론 소비 에너지를 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 가용 에너지로 나누어 상기 에너지 기반 드론 개수를 판별하는 단계;
하나의 드론이 하나의 임무 위치에서 임무를 수행하는 1사이클 동안 소요되는 임무별 소비 시간을 계산하고, 임무별 소비 시간으로부터 전체 임무를 수행하기 위해 소요되는 총 소비 시간을 계산하며, 획득된 임무에 포함된 임무 제한 시간과 상기 총 소비 시간을 비교하여 더 작은 시간을 상기 총 드론 운용 시간으로 획득하며, 획득된 상기 총 드론 운용 시간을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 운용 시간으로 나누어 상기 시간 기반 드론 개수를 판별하는 단계;
적어도 하나의 임무 위치 각각에서 소요되는 임무별 베터리 소비량을 계산하여, 임무 지역의 전체 임무 위치의 개수와 상기 임무별 베터리 소비량에 다라 총 드론 배터리 소비량을 계산하고, 상기 총 드론 배터리 소비량을 미리 수집된 완전 충전 상태의 드론 배터리 용량으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별하는 단계; 및
상기 에너지 기반 드론 개수와 상기 시간 기반 드론 개수 및 상기 배터리 기반 드론 개수 중 최대값을 최적 드론 개수로 판별하는 단계를 포함하는 드론 제어 방법.
acquiring a mission to be performed using at least one drone;
collecting information on an environment of a mission area including at least one mission location at which the mission is to be performed, and a channel through which the at least one drone and the drone are placed in each of the at least one mission location to perform communication;
Based on the collected information, the total drone consumption energy, the total drone operation time, and the total drone battery consumption of the drone for performing the mission at each of the entire mission locations in the mission area are calculated, and the total drone battery consumption required for the mission is calculated from the total drone consumption energy. Determining the number of energy-based drones that is the number of drones, determining the number of time-based drones that are the number of drones required for mission performance from the total drone operating time, and determining the number of drones required for mission performance from the total drone battery consumption determining the number of battery-based drones, and obtaining the optimal number of drones for performing the mission from the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the number of battery-based drones; and
Selecting a number of drones corresponding to the optimal number of drones, and communicating and controlling the selected drones to perform a specified task at each of at least one task location,
The step of obtaining the optimal number of drones is
calculating the energy consumption for each mission consumed in each of at least one mission in the mission area, calculating the total drone energy consumption according to the total number of mission positions in the mission area and the energy consumption for each mission, and calculating the total drone energy consumption determining the number of energy-based drones by dividing it by the available energy of the drones in a fully charged state collected in advance;
Calculates the time consumed for each mission during one cycle when one drone performs a mission at one mission location, calculates the total time consumed to perform the entire mission from the time consumed by each mission, and calculates the Comparing the included mission time limit and the total consumption time, a smaller time is obtained as the total drone operation time, and the time-based drone is divided by the obtained total drone operation time by the pre-collected drone operation time in a fully charged state. determining the number;
Calculate the battery consumption for each mission consumed in each of at least one mission location, calculate the total drone battery consumption according to the total number of mission locations in the mission area and the battery consumption for each mission, and calculate the total drone battery consumption in advance. determining the number of battery-based drones by dividing the drone battery capacity in a fully charged state; and
and determining a maximum value among the number of energy-based drones, the number of time-based drones, and the number of battery-based drones as an optimal number of drones.
드론이 임무 수행시에 통신을 수행하기 위해 소비하는 통신 에너지와 드론의 임무 위치로 이동하기 위해 소비하는 추진 에너지를 구분하여 계산하고, 계산된 상기 추진 에너지와 상기 통신 에너지를 합하여 상기 임무별 에너지 소비량을 계산하는 드론 제어 방법.The method of claim 6, wherein determining the number of energy-based drones comprises:
When the drone performs a mission, the communication energy consumed to perform communication and the propulsion energy consumed to move to the drone's mission position are divided and calculated, and the calculated propulsion energy and the communication energy are added to the energy consumption for each mission. How to control the drone to calculate.
적어도 하나의 임무 위치 각각에 배치되는 상기 드론과 상기 드론 제어 방법 사이의 채널 상태에 따라 가시선 통신과 비가시선 통신으로 구분하여 통신 소비 전력을 계산하고, 가시선 통신 소비 전력과 비가시선 통신 소비 전력으로부터 평균 경로 손실을 분석하여 전송률을 계산하며, 상기 전송률과 각 임무 위치에서의 데이터 전송 시간과 전송되어야 하는 데이터의 크기에 따라 통신 에너지를 계산하는 단계: 및
드론의 정지 비행에 요구되는 전력인 호버링 전력과 드론의 이동 비행에 요구되는 전력인 이동 전력을 각각 계산하고, 상기 호버링 전력에 드론이 임무 위치에서 데이터를 전송하는 시간을 곱하고 상기 이동 전력에 드론이 인접한 임무 위치로 이동하는 시간을 곱하고 합하여 상기 추진 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 드론 제어 방법.The method of claim 8, wherein determining the number of energy-based drones comprises:
According to the channel state between the drone disposed at each of at least one mission position and the drone control method, communication power consumption is calculated by dividing line-of-sight communication and non-line-of-sight communication, and averaged from line-of-sight communication power consumption and non-line-of-sight communication power consumption. calculating the transmission rate by analyzing the path loss, calculating the communication energy according to the transmission rate, the data transmission time at each mission location, and the size of the data to be transmitted; and
The hovering power, which is the power required for stationary flight of the drone, and the moving power, which is the power required for the moving flight of the drone, are respectively calculated, the hovering power is multiplied by the time the drone transmits data at the mission location, and the moving power is and calculating the propulsion energy by multiplying and summing time to move to an adjacent mission position.
상기 총 드론 배터리 소비량을 상기 드론 배터리 용량과 드론 충전 시간의 합으로 나누어 상기 배터리 기반 드론 개수를 판별하는 드론 제어 방법.The method of claim 6, wherein determining the number of battery-based drones comprises:
A drone control method for determining the number of battery-based drones by dividing the total drone battery consumption by the sum of the drone battery capacity and the drone charging time.
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