KR102279956B1 - 3D optimal surveillance trajectory planning Method and Apparatus for multi-UAVs using particle swarm optimization with surveillance area priority - Google Patents

3D optimal surveillance trajectory planning Method and Apparatus for multi-UAVs using particle swarm optimization with surveillance area priority Download PDF

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KR102279956B1
KR102279956B1 KR1020200052352A KR20200052352A KR102279956B1 KR 102279956 B1 KR102279956 B1 KR 102279956B1 KR 1020200052352 A KR1020200052352 A KR 1020200052352A KR 20200052352 A KR20200052352 A KR 20200052352A KR 102279956 B1 KR102279956 B1 KR 102279956B1
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sai
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장경희
호등
아람기르
이쉬티아크
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

Provided are a method and device for optimizing three-dimensional surveillance trajectory setting of multiple unmanned aerial vehicles (UAV) using particle swarm optimization theory based on surveillance area priority. The method for optimizing three-dimensional surveillance trajectory setting of multiple unmanned aerial vehicles (UAV) using particle swarm optimization theory based on surveillance area priority provided in the present invention comprises: a step of deriving an optimal trajectory for each monitoring drones (MDr) using particle swarm optimization (PSO) theory; a step of obtaining the best flight waypoint sequence from all possible trajectories using a multipurpose suitability function; a step of detecting the presence of a collision using coordinated agents coevolution (CAC); a step of generating an optimal trajectory for one flight time if CAC is satisfied; and a step of updating a surveillance area importance (SAI) value prior to the next flight.

Description

감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기의 3차원 감시경로설정 최적화 방법 및 장치{3D optimal surveillance trajectory planning Method and Apparatus for multi-UAVs using particle swarm optimization with surveillance area priority}3D optimal surveillance trajectory planning method and Apparatus for multi-UAVs using particle swarm optimization with surveillance area priority

본 발명은 소수 무리 최적화 이론을 활용한 복수의 UAV용 3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for planning a 3D optimal security monitoring path for a plurality of UAVs using a minority optimization theory.

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)는 원격 감지, 센서 데이터 수집, UAV 지원 통신, 애드혹 네트워크용 릴레이, 재난 감시, 홍수 지역 감시 및 들불(wildfire) 추적 같은 분야의 군사 및 민간 애플리케이션 모두에서 지난 수십 년 동안 점점 더 중요해지고 있다. 하지만 법규가 제대로 갖춰지지 않아 드론 오용은 국민 안전에 심각한 위협이 되고 있다. 모니터링 드론(Monitoring Drones; MDr)은 대개 배터리로 작동하므로 물리적 제약을 고려하여 MDr의 가능한 감시 경로를 신중하게 설계해야 한다. 무인항공기 자율제어 모듈의 기본 요소로서 UAV 경로 계획 문제는 수십 년 동안 연구되어 왔다. 출발지에서 목적지까지의 실현 가능한 경로를 찾는 최적화 문제로 공식화할 수 있다. 그리고 최적 경로는 대개 특정 임무의 특정 최적화 지수(예를 들어, 에너지 소비, 경로 길이 등)를 극대화(또는 최소화)하는 경로와 관련된다.Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been used for decades in both military and civilian applications in areas such as remote sensing, sensor data acquisition, UAV-enabled communications, relays for ad hoc networks, disaster monitoring, flood area monitoring, and wildfire tracking. is becoming more and more important over time. However, the misuse of drones poses a serious threat to public safety due to the lack of proper legislation. Monitoring Drones (MDr) are usually battery-operated, so the possible monitoring path of the MDr must be carefully designed, taking into account physical constraints. The problem of UAV route planning as a fundamental element of unmanned aerial vehicle autonomous control modules has been studied for decades. It can be formulated as an optimization problem to find a feasible route from the origin to the destination. And an optimal path is usually associated with a path that maximizes (or minimizes) a particular optimization index (eg, energy consumption, path length, etc.) of a particular task.

최적의 경로를 도출하기 위해 많은 연구자들이 수많은 경로 플래너를 제안했다. 종래기술에서는 2차원(2D) 레이더 제약 환경에서 거의 최적 경로를 얻기 위해 모의 어닐링 알고리즘에 기초하여 경로 플래너를 제안했다. 또 다른 종래기술에서 A* 알고리즘을 활용하여 무선 센서 네트워크에서 감지 데이터를 수집하기 위한 최적의 UAV 경로를 도출했다. 그러나 최적의 경로를 얻기 위해서는 더 많은 제약조건을 모델링 해야 하기 때문에 그러한 제안(2D 환경을 위해 설계된)은 3D 운용 공간에 적용되기 어렵다. 3D 경로 계획의 경우, D*, RRT(Rapidly exploring Random Tree), 바이오-인스파이어드(bio-inspired) 알고리즘, 또는 EA(Evolutionary Algorithm)와 같은 알고리즘이 사용된다. 경로 문제에 대한 최적의 해결책을 찾는 것은 비결정론적 다항 시간-완전(non-deterministic polynomial time-complete) 문제이기 때문에, EA는 매우 복잡한 3D 경로 계획 문제를 처리할 때의 장점으로 인하여 최적이다. 또 다른 종래기술에서는 3D 경로 계획 문제를 해결하기 위해 차등적 진화(Differential Evolutionary; DE) 알고리즘의 최첨단 변형을 채택하였다. 복수의 UAV 경로 계획의 경우, 베사다-포타스(Besada-Portas)는 최적화 기준에 11개의 최적화 지수와 제약이 포함되는 다중 조정된 에이전트 상호진화 EA(multiple coordinated agents coevolution EA; MCACEA)에 기초하여 경로 플래너를 제안했다. 또 다른 종래기술에서는 농업용 애플리케이션 시나리오에서 복수의 UAV에 대한 VND(Variable Neighborhood Descend) 강화 유전 소수 무리 최적화(particle swarm optimization; PSO) 경로 플래너를 제안했지만, 운영 시간과 경로 길이 만을 최적화 대상으로 고려하였다. In order to derive the optimal route, many researchers have proposed numerous route planners. In the prior art, a path planner was proposed based on a simulation annealing algorithm to obtain an almost optimal path in a two-dimensional (2D) radar constraint environment. In another prior art, an optimal UAV path for collecting sensing data from a wireless sensor network was derived by utilizing the A* algorithm. However, such a proposal (designed for a 2D environment) is difficult to apply to the 3D operating space because more constraints need to be modeled to obtain the optimal path. For 3D path planning, algorithms such as D*, RRT (Rapidly exploring Random Tree), bio-inspired algorithm, or EA (Evolutionary Algorithm) are used. Since finding an optimal solution to a path problem is a non-deterministic polynomial time-complete problem, EA is optimal due to its advantages when dealing with very complex 3D path planning problems. Another prior art employs a state-of-the-art variant of the Differential Evolutionary (DE) algorithm to solve the 3D path planning problem. For multiple UAV route planning, Besada-Portas is based on multiple coordinated agents coevolution EA (MCACEA) with 11 optimization indices and constraints in the optimization criteria. Suggested route planner. Another prior art proposed a Variable Neighborhood Descend (VND)-enhanced particle swarm optimization (PSO) path planner for multiple UAVs in an agricultural application scenario, but only operating time and path length were considered as optimization targets.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 감시 드론을 위한 3차원 최적의 감시 경로를 도출하기 위한 보안 감시 지역 중요도 업데이트 메커니즘과 소수 무리 최적화 이론에 기초한 경로 플래너를 제공하는데 있다. 또한 제안된 경로 플래너에 의해 생성되는 경로를 평가하기 위해 에너지 소비, 비행 위험 및 감시 지역 우선 순위에 따른 다중 목적 적합성 함수를 제안하고자 한다. An object of the present invention is to provide a security monitoring area importance update mechanism for deriving a three-dimensional optimal monitoring path for a plurality of surveillance drones and a path planner based on a small swarm optimization theory. In addition, we propose a multi-purpose fitness function according to energy consumption, flight risk and monitoring area priority to evaluate the route generated by the proposed route planner.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 방법은 소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들(Monitoring Drones; MDr)에 대한 최적 경로를 도출하는 단계, 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 단계, CAC(Coordinated Agents Coevolution)를 이용하여 충돌의 존재를 감지하는 단계, CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성하는 단계 및 다음 비행 전, SAI(Surveillance Area Importance) 값을 업데이트하는 단계를 포함한다. In one aspect, the 3D monitoring route setting optimization method of multiple unmanned aerial vehicles (UAV) using the monitoring area priority-based small swarm optimization theory proposed in the present invention uses the Particle Swarm Optimization (PSO) theory. to derive the optimal route for each monitoring drone (MDr), obtain the best flight stop sequence from all possible routes using a multi-purpose fitness function, and collide using CAC (Coordinated Agents Coevolution) detecting the presence of , generating an optimal route for one flight time if the CAC is satisfied, and updating the Surveillance Area Importance (SAI) value before the next flight.

소수 무리 최적화 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들에 대한 최적 경로를 도출하는 단계는 각 모니터링 드론들에 대한 속도 벡터와 위치 벡터를 생성하고, 속도 벡터와 위치 벡터를 이용한 PSO를 통해 개체(particle)의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 결정하고, 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 통해 각 개체의 속도와 위치를 개선하여 최적 경로를 도출하며, 자율 비행 장치에 적용 가능하도록 모니터링 드론들 간의 충돌방지를 위한 최적 경로를 도출한다. The step of deriving the optimal path for each monitoring drone using the small swarm optimization theory is to generate a velocity vector and a position vector for each monitoring drone, and to determine the particle size through PSO using the velocity vector and position vector. Determining individual peaks and peaks of all entities, and improving the speed and position of each entity through individual peaks and peaks of all entities to derive an optimal route, monitoring drones to be applicable to autonomous flying devices An optimal path is derived to prevent collisions between the two.

다음 비행 전, SAI 값을 업데이트하는 단계는 MDr이 이벤트가 감지되는 지역(셀)에서 불법 드론들(Illegal Drone; IDr)의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계, SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 대하여 SAI 값을 증가시키는 단계 및 동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계를 포함한다. Before the next flight, the step of updating the SAI value is a step of increasing the SAI value when the presence of illegal drones (IDr) is detected in the area (cell) where the MDr event is detected. increasing the SAI value for the rapidly changing area compared to the SAI value and decreasing the SAI value for the previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area.

MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 IDr의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계는 특정 셀에서 IDr이 감지되는 경우, IDr이 해당 지역에 침입하는 것을 방지하기 위해 인접 셀을 감시하고, 해당 셀과 해당 셀에 대한 인접 셀의 SAI 값을 증가시킨다. When the presence of IDr is detected in the cell in which the MDr event is detected, the step of increasing the SAI value is when IDr is detected in a specific cell, monitoring neighboring cells to prevent IDr from entering the area, and Increases the SAI value of a cell and its neighboring cells for that cell.

동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계는 미리 정해진 비행 시간 이상 동안 셀을 감시하지 않은 경우, 해당 셀에 대한 SAI 값을 증가시키고, 감시를 받은 셀에 대해서는 SAI 값을 줄이도록 셀의 SAI 값을 조정한다. In order to avoid repeated monitoring for the same area, the step of reducing the SAI value for the previously monitored area increases the SAI value for the cell when the cell is not monitored for more than a predetermined flight time, and For cells, adjust the cell's SAI value to reduce the SAI value.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 장치는 소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들(Monitoring Drones; MDr)에 대한 최적 경로를 도출하고, 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 예측부, CAC(Coordinated Agents Coevolution)을 이용하여 충돌의 존재를 감지하고, CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성하는 검출부 및 다음 비행 전, SAI(surveillance area importance) 값을 업데이트하는 업데이트부를 포함한다.In another aspect, the apparatus for optimizing the three-dimensional surveillance route setting of multiple unmanned aerial vehicles (UAV) using the surveillance area priority-based prime swarm optimization theory proposed in the present invention is based on the Particle Swarm Optimization (PSO) theory. Using CAC (Coordinated Agents Coevolution), a prediction unit that derives the optimal route for each monitoring drone (MDr) and obtains the best flight stop sequence from all possible routes using a multi-purpose fitness function is used. It includes a detector that detects the presence of collisions by doing this, and generates an optimal route for one flight time if CAC is satisfied, and an update unit that updates the Surveillance Area Importance (SAI) value before the next flight.

본 발명의 실시예들에 따르면 복수의 감시 드론에 대한 최적의 감시 경로를 도출하여 특정 작전 지역을 감시하고 불법 드론의 존재를 탐지할 수 있다. 제안된 경로 플래너를 사용하여 제안된 적합성 함수에 따라 가능한 모든 경로로부터 최적의 경로를 얻을 수 있다. 제안된 다중 목적 적합성 함수에서는 에너지 소비량(Energy Consumption; EC) 뿐만 아니라 UAV 기동성, 비행 위험 및 감시 지역 우선순위 또한 비용 결정 요소로 간주되어 제안하는 접근방식은 UAV 경로 계획에 있는 다른 많은 접근방식과 차별성을 갖는다. According to embodiments of the present invention, it is possible to derive an optimal monitoring path for a plurality of surveillance drones to monitor a specific operational area and to detect the presence of illegal drones. Using the proposed path planner, the optimal path can be obtained from all possible paths according to the proposed fit function. In the proposed multi-purpose fitness function, not only Energy Consumption (EC) but also UAV maneuverability, flight risk and monitoring area priority are considered as cost determinants, making the proposed approach different from many other approaches in UAV route planning. has

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운영 시나리오를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운영 영역 및 MDr 의 경로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감시중인 지형의 표현을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UAV 기동성 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수 무리 최적화 이론을 활용한 복수의 UAV용 3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수 무리 최적화 이론을 활용한 복수의 UAV용 3D 최적 보안 감시 경로 계획 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram for explaining an operation scenario according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an operating area and a path of an MDr according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a representation of the terrain being monitored according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining UAV mobility parameters according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart for explaining a method for planning a 3D optimal security monitoring path for a plurality of UAVs using a minority swarm optimization theory according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for planning a 3D optimal security monitoring path for a plurality of UAVs using a minority swarm optimization theory according to an embodiment of the present invention.

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)의 사용은 군사용과 민간용으로 모두 유망한 기술로 여겨져 왔다. 하지만 관련 법규가 완전히 갖추어져 있지 않기에 불법 드론의 오용은 사회 안전에 심각한 위협이 되고 있다. 본 발명에서는, 복수의 감시 드론을 위한 3차원(3D) 최적의 감시 경로를 도출하기 위한 보안 감시 지역 중요도 업데이트 메커니즘과 소수 무리 최적화 이론에 기초한 경로 플래너를 제안한다. 또한 제안된 경로 플래너에 의해 생성되는 경로를 평가하기 위해 에너지 소비, 비행 위험 및 감시 지역 우선 순위에 따른 다중 목적 적합성 함수를 제안한다. The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) has been considered a promising technology for both military and civilian applications. However, the misuse of illegal drones poses a serious threat to social safety as the relevant laws and regulations are not fully in place. In the present invention, we propose a security monitoring area importance update mechanism and a path planner based on a small group optimization theory to derive a three-dimensional (3D) optimal monitoring path for a plurality of surveillance drones. We also propose a multi-purpose fitness function according to energy consumption, flight risk and monitoring area priority to evaluate the route generated by the proposed route planner.

본 발명의 실시예들에 따르면 복수의 감시 드론에 대한 최적의 감시 경로를 도출하여 특정 작전 지역을 감시하고 불법 드론의 존재를 탐지할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 PSO와 감시지역 우선순위에 따른 경로 플래너를 제안한다. 추가적으로, 경로 계획을 3D 환경으로 확장한다. 제안된 경로 플래너를 사용하여 제안된 적합성 함수에 따라 가능한 모든 경로로부터 최적의 경로를 얻을 수 있다. 제안된 다중 목적 적합성 함수에서는 에너지 소비량(Energy Consumption; EC)뿐만 아니라 UAV 기동성, 비행 위험 및 감시 지역 우선순위도 비용 결정 요소로 간주된다. 이러한 점에서 제안하는 접근방식은 UAV 경로 계획에 있는 다른 많은 접근방식과 차별성을 갖는다. According to embodiments of the present invention, it is possible to derive an optimal monitoring path for a plurality of surveillance drones to monitor a specific operational area and to detect the presence of illegal drones. To solve this problem, we propose a route planner according to PSO and monitoring area priority. Additionally, it extends route planning into a 3D environment. Using the proposed path planner, the optimal path can be obtained from all possible paths according to the proposed fit function. In the proposed multi-purpose fitness function, not only Energy Consumption (EC) but also UAV maneuverability, flight risk and surveillance area priority are considered as cost determinants. In this respect, the proposed approach is different from many other approaches in UAV route planning.

본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과는 제안된 경로 플래너에 의해 생성된 경로가 다양한 실제 상황에서 높은 적합성을 얻으면서 중요한 지역을 우선적으로 방문할 수 있음을 보여준다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. The simulation results according to the embodiment of the present invention show that the route generated by the proposed route planner can preferentially visit important areas while obtaining high suitability in various real situations. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운영 시나리오를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining an operation scenario according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 유사한 사양을 가진 MDr(Monitoring Drones)은 3D 운영 공간에서 IDr(Illegal Drones) 의 존재를 탐지하기 위해 전체 운영 지역을 감시하기 위해 사용된다. 감시하는 동안, 우리는 MDr이 규정에 의해 금지된 어떤 지역에도 들어갈 수 없다고 설정한다. 적대적 드론으로 인식되어 파괴되는 것을 피하기 위해 MDr은 지상 기반 드론 탐지를 위한 지상 기반 탐지 시스템(Ground-based Detection System; GBDS)에 MDr로서 미리 인지되어 있다. 더욱이, MDr이 UAV-to-그라운드 링크 또는 애드혹 방식으로 서로 통신한다고 설정한다. 따라서 MDr은 비행 업무 수행 중에 정보를 상호 공유할 수 있다.1 , MDr (Monitoring Drones) having similar specifications is used to monitor the entire operating area to detect the presence of IDr (Illegal Drones) in the 3D operating space. While monitoring, we establish that MDr cannot enter any area prohibited by regulation. To avoid being recognized and destroyed as a hostile drone, MDr is pre-recognized as MDr in Ground-based Detection System (GBDS) for detecting ground-based drones. Furthermore, it is established that the MDr communicate with each other in a UAV-to-ground link or ad hoc manner. Thus, MDr can share information with each other while performing flight tasks.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운영 영역 및 MDr 의 경로를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating an operating area and a path of an MDr according to an embodiment of the present invention.

구현 시, 전체 운영 지역을 도 2와 같이 셀이라고 불리는 몇 개의 작은 단위 지역으로 구분하며, 여기서 빨간색으로 표시된 지역은 제한 지역을 나타낸다. MDr이 기내에 탑재된 카메라 이미징 센서의 커버리지 기울기(즉, 파란색으로 표시된 지역)에 따라 특정 위치(즉, 경유지: waypoint)에서 네 개의 셀을 커버할 수 있다고 가정한다. In the implementation, the entire operating area is divided into several small unit areas called cells as shown in FIG. 2 , where the area marked in red represents the restricted area. It is assumed that the MDr can cover four cells at a specific location (i.e., waypoint) depending on the coverage gradient of the onboard camera imaging sensor (i.e., the area shown in blue).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감시중인 지형의 표현을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a representation of the terrain being monitored according to an embodiment of the present invention.

실제 지형을 모방하기 위해 폭스홀 세켈(Foxhole Shekel) 함수의 변형을 채택하여 경관을 나타내며, 식(1)과 같이 공식화된다.The landscape is represented by adopting a transformation of the Foxhole Shekel function to mimic the real terrain, and it is formulated as Equation (1).

Figure 112020044503530-pat00001
(1)
Figure 112020044503530-pat00001
(One)

여기서, 파라미터

Figure 112020044503530-pat00002
Figure 112020044503530-pat00003
는 지형 형태를 변화시키기 위해 활용한다. UAV에 대한 경로 계획 분야에서 널리 받아들여지는 벤치마크가 없기 때문에, 이러한 지형을 채택했다. 왜냐하면 이러한 지형은 지역의 경관에 고도가 높은 산, 빌딩과 같은 형태를 나타낼 수 있기 때문이다.Here, the parameter
Figure 112020044503530-pat00002
and
Figure 112020044503530-pat00003
is used to change the topography. Since there is no widely accepted benchmark in the field of route planning for UAVs, this terrain has been adopted. This is because such topography can represent high-altitude mountains and buildings in the local landscape.

본 발명의 실시예에 따른 구현에서 최적화 알고리즘에 의해 생성되는 경로는 3차원 경유지들의 시퀀스이다. 따라서 실현 가능한 경로는 벡터로 인코딩된다. 여기서, 요소 w i =(x i , y i , z i )는 (2)와 같이 i번째 경유지를 나타낸다.In an implementation according to an embodiment of the present invention, the path generated by the optimization algorithm is a sequence of three-dimensional waypoints. Thus, feasible paths are encoded as vectors. Here, the element w i =( x i , y i , z i ) represents the i-th waypoint as in (2).

Figure 112020044503530-pat00004
(2)
Figure 112020044503530-pat00004
(2)

여기서, N w 는 실현 가능한 경로의 경유지 수이다.Here, N w is the number of waypoints of the feasible route.

다음으로, 제안된 복수의 UAV 경로 계획 알고리즘에 의해 생성되는 경로를 평가하기 위해 8개의 최적화 지수로 구성된 다중 목적 적합성 함수를 제안한다. 최적화 과정에서 서로 다른 최적화 지수의 중요성을 강조하기 위해 다음 두 그룹으로 나누고 다른 우선 순위를 배정한다: (I) 물리적 한계로 인해 UAV가 충족해야 하는 제약조건(예를 들어, 지형, 금지된 지역, 회전각, 비행 경사, 복수의 UAV 충돌 회피)과 (II) 특정 임무 기준에 따라 최대화해야 하는 최적화 객체(예를 들어, 에너지 소비, 비행 위험 및 감시 지역의 중요성).Next, we propose a multi-objective fitness function composed of 8 optimization indices to evaluate the path generated by the proposed multiple UAV path planning algorithm. To emphasize the importance of different optimization indices in the optimization process, we divide them into two groups and assign them different priorities: (I) constraints that the UAV must meet due to physical limitations (e.g., terrain, prohibited areas, angle of rotation, flight inclination, avoidance of multiple UAV collisions) and (II) optimization objects that must be maximized according to specific mission criteria (eg, energy consumption, flight hazard, and importance of surveillance area).

<표 1><Table 1>

Figure 112020044503530-pat00005
Figure 112020044503530-pat00005

표 1은 이러한 분류와 계산식들을 보여준다. 가능한 모든 UAV 경로에는 항상 높은 적합성 값을 가진 경로가 선호된다. 따라서 다음과 같이 적합성 함수를 공식화한다.Table 1 shows these classifications and their calculation formulas. For all possible UAV routes, a route with a high suitability value is always preferred. Therefore, we formulate the fitness function as

Figure 112020044503530-pat00006
(3)
Figure 112020044503530-pat00006
(3)

여기서, F objective 는 최적의 경로를 도출하기 위해 값을 최대화해야 하는 목적함수이다. 나머지 부분은 경로를 계획하기 전 만족해야 하는 제약조건에 해당한다. 자세한 내용은 다음에서 설명하기로 한다.Here, the F objective is an objective function whose value must be maximized to derive the optimal path. The remaining parts correspond to constraints that must be satisfied before planning a route. More details will be described below.

최적화 기준 중 하나는 목적함수로서 경로 계획의 품질을 향상시키는 데 사용된다. 목적함수를 에너지 소비, 비행 위험 및 감시 지역 중요도의 가중 성분으로 정의한다. 따라서 목적함수는 (4)에서 표시한 대로 공식화된다.One of the optimization criteria is the objective function, which is used to improve the quality of the route planning. We define the objective function as the weighted component of energy consumption, flight risk, and surveillance area importance. Therefore, the objective function is formulated as indicated in (4).

Figure 112020044503530-pat00007
(4)
Figure 112020044503530-pat00007
(4)

여기서, F EC , F FR F SAI 는 [0,1] 범위에서 정의되며, w i (i=1, 2, 3)는 각 요소의 가중치로서 후보 경로를 평가하면서 중요한 차이를 반영한다. 직관적으로 에너지와 비행 위험이 적지만 감시 지역 중요도가 높은 경로가 보다 바람직하다. 따라서, 에너지 소비와 비행 위험을 음의 값으로 규정하는 반면, 감시 지역의 중요도는 양의 값이다.Here, F EC , F FR and F SAI are defined in the range [0,1], and w i ( i = 1, 2, 3) reflects the significant difference while evaluating the candidate path as the weight of each factor. Intuitively, routes with lower energy and flight risk, but with higher surveillance area importance, are more desirable. Thus, while energy consumption and flight risk are defined as negative values, the importance of the monitoring area is positive.

소형 드론은 보통 배터리로 작동하는데, 이것은 그들이 모든 에너지를 소비하기 전에 감시 작업을 끝내야 한다는 것을 의미한다. 따라서 연료 소비량이 낮은 실현 가능 경로가 항상 선호된다. 본 발명에서는 UAV 속도가 작동 시간 동안 일정하다고 가정한다. EC는 다음과 같이 공식화할 수 있다.Small drones are usually battery-powered, meaning they have to finish monitoring before they consume all of their energy. Therefore, feasible routes with low fuel consumption are always preferred. In the present invention, it is assumed that the UAV speed is constant during the operating time. EC can be formulated as

Figure 112020044503530-pat00008
(5)
Figure 112020044503530-pat00008
(5)

Figure 112020044503530-pat00009
(6)
Figure 112020044503530-pat00009
(6)

Figure 112020044503530-pat00010
(7)
Figure 112020044503530-pat00010
(7)

Figure 112020044503530-pat00011
(8)
Figure 112020044503530-pat00011
(8)

여기서, EC i i번째 경유지에서 (i+1) 경유지까지의 연료 소비량이다. P u 는 시간 단위 속도 v에서의 에너지 소비량이다. t i,j+1 i번째 경유지에서 (i+1) 경유지까지의 비행시간이다. d i,i+1 은 i번째 경유지와 (i+1) 경유지 사이의 3D 비행 거리이고, maxEC는 정규화 상수 값이며 다음과 같이 공식화된다.Here, EC i is the fuel consumption from the i- th stop to the ( i +1) stop. P u is the energy consumption at speed v in units of time. t i,j+1 is the flight time from the i- th waypoint to the ( i+1) waypoint. d i,i+1 is the 3D flight distance between the i-th waypoint and the ( i +1) waypoint, and max EC is the normalization constant value, which is formulated as follows.

Figure 112020044503530-pat00012
(9)
Figure 112020044503530-pat00012
(9)

여기서, X, YZ는 각기 운용 공간에서의 x, y, z 축을 나타낸다.Here, X , Y and Z represent the x, y, and z axes in the operating space, respectively.

MDr은 자체적인 물리적 특성(예를 들어, 작고 가벼운)으로 인하여 감시 작업 중 기상 조건(예를 들어, 비, 눈)에 취약하게 된다. 또한, 고도가 높으면 강한 바람에 의하여 MDr이 우발적으로 파괴될 수 있기 때문에, 비행 고도는 또 다른 큰 위험이 될 수 있다. 위의 시나리오에 기초하여, 다음의 두 종류의 비행 위험(Flight Risk; FR)을 정의한다. MDr due to its physical properties (eg small and light) makes it vulnerable to weather conditions (eg rain, snow) during surveillance operations. In addition, flying altitude can be another great risk, as MDr can be accidentally destroyed by strong winds at high altitude. Based on the above scenario, we define the following two types of Flight Risk (FR).

환경 위험의 강한 무작위 특성 때문에 정확한 수학적 모델을 구축하기 어렵다. 단순성을 위해 각 경유지에 대해 무작위로 환경 위험 값을 생성했다. 그리고 i번째 경유지와 (i+1) 경유지 사이의 환경 위험인 r

Figure 112020044503530-pat00013
은 그것들의 환경 가치의 합으로 정의된다.Because of the strong random nature of environmental risks, it is difficult to build accurate mathematical models. For simplicity, we generated random environmental risk values for each waypoint. and r, the environmental risk between the i- th stop and the ( i +1) stop
Figure 112020044503530-pat00013
is defined as the sum of their environmental values.

Figure 112020044503530-pat00014
(10)
Figure 112020044503530-pat00014
(10)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00015
는 상수 제어 파라미터이다.here,
Figure 112020044503530-pat00015
is a constant control parameter.

비행 위험은 위치 의존적인 파라미터로, 비행 중 기상 조건과 UAV 비행 고도에 따라서만 증가하거나 감소한다. 총 비행 위험은 공식(11)~(13)과 같이 계산할 수 있다.Flight risk is a position-dependent parameter that only increases or decreases depending on weather conditions during flight and UAV flight altitude. The total flight risk can be calculated as in formulas (11) to (13).

Figure 112020044503530-pat00016
(11)
Figure 112020044503530-pat00016
(11)

Figure 112020044503530-pat00017
(12)
Figure 112020044503530-pat00017
(12)

여기서, FR i i번째 경유지에서 (i+1) 경유지까지의 비행 위험이며, W ER W AR 는 각각 환경 위험과 비행 고도 위험의 가중치로서, maxFR은 다음과 같이 표기된다.Here, FR i is the flight risk from the i- th waypoint to the ( i +1) waypoint, W ER and W AR are the weights of the environmental risk and the flight altitude risk, respectively, and max FR is expressed as follows.

Figure 112020044503530-pat00018
(13)
Figure 112020044503530-pat00018
(13)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00019
는 최대 환경 위험을 나타낸다.here,
Figure 112020044503530-pat00019
represents the maximum environmental risk.

MDr이 특정 보안 감시 임무를 수행하도록 지정되었을 때, 우선 중요한 지역, 즉 더 높은 보안 감시 지역 중요도(Surveillance Area Importance; SAI) 값을 갖는 지역을 우선 감시하도록 한다. 따라서, 셀 간 서로 다른 감시 지역 우선순위를 특징짓기 위해 SAI 값을 도입한다. 본 발명의 실시예에 따른 구현에서, 각 셀에 무작위 SAI 값을 할당하는데, 이것은 지도상의 전체 그리드에 적용된다. 따라서, 실현 가능한 경로의 정규화된 SAI 값은 공식(14)~(16)에 의해 계산할 수 있다.When an MDr is designated to perform a specific security monitoring mission, it is first to monitor an important area, that is, an area with a higher Surveillance Area Importance (SAI) value. Therefore, SAI values are introduced to characterize different surveillance area priorities between cells. In an implementation according to an embodiment of the present invention, each cell is assigned a random SAI value, which is applied to the entire grid on the map. Therefore, the normalized SAI value of the feasible path can be calculated by formulas (14) to (16).

Figure 112020044503530-pat00020
(14)
Figure 112020044503530-pat00020
(14)

Figure 112020044503530-pat00021
(15)
Figure 112020044503530-pat00021
(15)

Figure 112020044503530-pat00022
(16)
Figure 112020044503530-pat00022
(16)

여기서, SAI i (t)와 v cellx (t)는 각각 비행 시간 t 에 대한 i번째 경유지와 셀 x의 SAI 값이다. N(i)는 i번째 경유지에서 감시할 수 있는 셀 집합이다. N n N( i )의 숫자, V max 는 최대 SAI 값이다.Here, SAI i ( t ) and v cellx ( t ) are the SAI values of the i- th waypoint and cell x for flight time t, respectively. N ( i ) is the set of cells that can be monitored at the i-th waypoint. N n is the number of N ( i ), and V max is the maximum SAI value.

제약함수(Constraint Function)는 경로의 타당성을 평가하는 데 사용된다. 그것들이 만족되면, 각각의 제약조건은 0과 같고 만족되지 않으면 부정적 페널티 값 Q가 선택된다. Q값을 -1보다 작은 값으로 선택함으로써, 실현 가능한 경로의 적합성 값이 어떤 실현 불가능한 경로보다 항상 더 크게 되도록 한다. 따라서 최적화 과정에서 모든 제약함수가 만족된다면 항상 실현 가능한 궤적을 얻을 수 있다.A constraint function is used to evaluate the validity of a path. If they are satisfied, then each constraint equals zero and if not, a negative penalty value Q is chosen. By choosing the Q value to be less than -1, we ensure that the fitness value of a feasible path is always greater than any non-feasible path. Therefore, if all constraint functions are satisfied during the optimization process, a feasible trajectory can always be obtained.

MDr은 문자 그대로 지형을 통과할 수 없다(예를 들어, 산과 충돌). 따라서 MDr의 비행 고도는 지형의 고도보다 높아야 한다. 어떤 위치 (x, y)의 고도를 결정하기 위하여 설명된 지형 함수 Altd(x, y)를 사용한다. 그러면 지형 제약조건을 다음과 같이 설명할 수 있다.MDr cannot literally pass through terrain (eg collide with a mountain). Therefore, the flight altitude of the MDr must be higher than the altitude of the terrain. Use the described terrain function Altd ( x , y ) to determine the elevation of a location ( x , y ). Then, the terrain constraint can be described as follows.

Figure 112020044503530-pat00023
(17)
Figure 112020044503530-pat00023
(17)

일부 특정 지역(예를 들어, 민감한 정부 지역)에 대해서는 규정상 MDr이 들어갈 수 없다. 법적 경로는 그러한 제한 구역들을 피할 수 있도록 세심하게 설계되어야 한다. 단순하게, 그러한 금지된 지역들이 직사각형이라고 가정한다. 금지된 지역 제약(Forbidden Area Constraint; FAC)은 다음과 같이 공식화할 수 있다.In some specific areas (eg sensitive government areas), MDr cannot be entered by regulation. Legal pathways should be carefully designed to avoid such restricted areas. For simplicity, it is assumed that such forbidden areas are rectangular. The Forbidden Area Constraint (FAC) can be formulated as:

Figure 112020044503530-pat00024
(18)
Figure 112020044503530-pat00024
(18)

여기서, l x l y 는 각각 j번째 금지 구역의 xy 좌표 하한이며, u x u y 는 각각 j번째 금지 구역의 xy 좌표 상한이다.Here, l x and l y are the lower limits of the x and y coordinates of the j- th forbidden zone, respectively, and u x and u y are the upper limits of the x and y coordinates of the j- th forbidden zone, respectively.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UAV 기동성 파라미터를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining UAV mobility parameters according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 회전각은 이전 방향과 현재 방향 사이의 수평각으로 정의된다. UAV가 쉽게 기동할 수 있도록 실용적인 경로가 적절히 부드러워야 한다. 따라서 UAV의 회전각은 최대 허용 회전각보다 작아야 한다. 이 제약조건은 다음과 같이 공식화할 수 있다.As shown in Fig. 4(a), the rotation angle is defined as the horizontal angle between the previous direction and the current direction. Practical paths must be reasonably smooth to allow the UAV to maneuver easily. Therefore, the rotation angle of the UAV must be less than the maximum allowable rotation angle. This constraint can be formulated as

Figure 112020044503530-pat00025
(19)
Figure 112020044503530-pat00025
(19)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00026
i번째 경유지(x i , y i , z i )에서의 회전각이며,
Figure 112020044503530-pat00027
는 최대 허용 회전각이다.
Figure 112020044503530-pat00028
의 공식화는 다음과 같다.here,
Figure 112020044503530-pat00026
is the rotation angle at the i- th waypoint ( x i , y i , z i ),
Figure 112020044503530-pat00027
is the maximum allowable rotation angle.
Figure 112020044503530-pat00028
The formulation of is as follows.

Figure 112020044503530-pat00029
(20)
Figure 112020044503530-pat00029
(20)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00030
는 표준 벡터이다.here,
Figure 112020044503530-pat00030
is the standard vector.

도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 수평 방향의 회전각과 유사하게 비행경사를 도입하여 수직 방향, 즉 활공 및 상승각에서의 UAV 기동성을 나타낸다. 비행 경사는 현재 경유지와 다음 경유지 사이의 수평 방향 사이의 경사로 정의된다. 비행 경사는 최대 활공 및 상승 각도의 범위 내에 있어야 한다. 비행경사 제약(Flying Slope Constraint; FSC)은 (21)로 공식화할 수 있다.As shown in Fig. 4(b), similar to the rotation angle in the horizontal direction, the flight inclination was introduced to show the UAV maneuverability in the vertical direction, that is, the glide and climb angles. Flight slope is defined as the slope between the horizontal direction between the current waypoint and the next waypoint. The flight slope must be within the range of maximum glide and climb angles. The Flying Slope Constraint (FSC) can be formulated as (21).

Figure 112020044503530-pat00031
(21)
Figure 112020044503530-pat00031
(21)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00032
Figure 112020044503530-pat00033
는 각각 허용 가능한 최대 활공각과 상승각이며, r i i번째 경유지의 비행경사이다. r i 는 (22)와 같이 공식화할 수 있다.here,
Figure 112020044503530-pat00032
Wow
Figure 112020044503530-pat00033
are the maximum allowable glide and climb angles, respectively, and r i is the flight slope of the i-th waypoint. r i can be formulated as (22).

Figure 112020044503530-pat00034
(22)
Figure 112020044503530-pat00034
(22)

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 UAV에 대한 경로 계획에 초점을 맞추고 있다. 복잡한 감시 임무에 복수의 UAV를 사용할 경우, UAV 간의 충돌을 피하기 위해 경로를 신중하게 설계해야 하며, 이는 임무 수행에 필수적이다. 두 개의 개별 경로에 대해 UAV는 충돌을 피하기 위해 최소 안전 거리를 유지해야 한다. 이 제약조건은 다음과 같이 설명할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the focus is on route planning for a plurality of UAVs. When multiple UAVs are used for complex surveillance missions, the path must be carefully designed to avoid collisions between the UAVs, which is essential for mission performance. For the two separate routes, the UAV must maintain a minimum safe distance to avoid collisions. This constraint can be described as follows.

Figure 112020044503530-pat00035
(23)
Figure 112020044503530-pat00035
(23)

여기서, d min 은 충돌을 피하기 위한 최소 안전 거리이며,

Figure 112020044503530-pat00036
는 q번째 UAV 경로의 i번째 경유지와 q번째 UAV 경로의 j번째 경유지 사이의 직교 거리이다.where d min is the minimum safety distance to avoid collision,
Figure 112020044503530-pat00036
is the orthogonal distance between the i- th stop of the q-th UAV path and the j-th stop of the q-th UAV path.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 5 is a flowchart illustrating a method for optimizing a three-dimensional monitoring route setting of a plurality of unmanned aerial vehicles (UAV) using a small swarm optimization theory based on a monitoring area priority according to an embodiment of the present invention.

제안하는 감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 방법은 소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들(Monitoring Drones; MDr)에 대한 최적 경로를 도출하는 단계(510), 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 단계(520), CAC(Coordinated Agents Coevolution)를 이용하여 충돌의 존재를 감지하는 단계(530), CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성하는 단계(540) 및 다음 비행 전, SAI(surveillance area importance) 값을 업데이트하는 단계(550)를 포함한다. The proposed 3D monitoring route setting optimization method for multiple unmanned aerial vehicles (UAV) using the small swarm optimization theory based on the priority of the monitoring area uses the Particle Swarm Optimization (PSO) theory to monitor drones (Monitoring Drones). ; deriving an optimal route for MDr (510), obtaining the best flight stop sequence from all possible routes using a multi-objective fitness function (520), the existence of a collision using CAC (Coordinated Agents Coevolution); detecting (530), generating an optimal route for one flight time (540) if CAC is satisfied, and updating (550) the survival area importance (SAI) value before the next flight. .

단계(510)에서, 소수 무리 최적화 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들에 대한 최적 경로를 도출한다. 각 모니터링 드론들에 대한 속도 벡터와 위치 벡터를 생성하고, 속도 벡터와 위치 벡터를 이용한 PSO를 통해 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 결정한다. 이후, 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 통해 각 개체의 속도와 위치를 개선하여 최적 경로를 도출한다. In step 510, an optimal path for each monitoring drone is derived using the small swarm optimization theory. The velocity vector and position vector are generated for each monitoring drone, and the individual maximum value of the object and the maximum value of all objects are determined through PSO using the velocity vector and the position vector. Then, the optimal path is derived by improving the speed and position of each individual through the individual peak values of the individual and the highest values of all entities.

단계(520)에서, 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득한다. In step 520, the best flight waypoint sequence is obtained from all possible routes using the multi-objective fitness function.

단계(530)에서, CAC을 이용하여 충돌의 존재를 감지하고, CAC가 만족되는 경우 단계(540)에서 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성한다. In step 530, the presence of a collision is detected using the CAC, and if the CAC is satisfied, in step 540, an optimal route is generated for one flight time.

이후 단계(550)에서 다음 비행 전, SAI 값을 업데이트한다. 단계(550)는 MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 불법 드론들(Illegal Drone; IDr)의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계, SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 대하여 SAI 값을 증가시키는 단계 및 동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계를 포함한다. Then, in step 550, before the next flight, the SAI value is updated. Step 550 is a step of increasing the SAI value when the presence of illegal drones (IDr) is detected in the cell in which the MDr event is detected, the SAI value is rapidly changing compared to the past average SAI value increasing the SAI value for the area and decreasing the SAI value for the previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area.

MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 IDr의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계는 특정 셀에서 IDr이 감지되는 경우, IDr이 해당 지역에 침입하는 것을 방지하기 위해 인접 셀을 감시하고, 해당 셀과 해당 셀에 대한 인접 셀의 SAI 값을 증가시킨다. 또한, 동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계는 미리 정해진 비행 시간 이상 동안 셀을 감시하지 않은 경우, 해당 셀에 대한 SAI 값을 증가시키고, 감시를 받은 셀에 대해서는 SAI 값을 줄이도록 셀의 SAI 값을 조정한다. 아래에서 제안하는 소수 무리 최적화 이론을 활용한 복수의 UAV용 3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. When the presence of IDr is detected in the cell in which the MDr event is detected, the step of increasing the SAI value is when IDr is detected in a specific cell, monitoring neighboring cells to prevent IDr from entering the area, and Increases the SAI value of a cell and its neighboring cells for that cell. In addition, the step of reducing the SAI value for the previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area increases the SAI value for the cell when the cell is not monitored for more than a predetermined flight time, and monitoring Adjust the SAI value of the cell to reduce the SAI value for the cell that received . The 3D optimal security monitoring path planning method for multiple UAVs using the swarm optimization theory proposed below will be described in more detail.

본 발명의 실시예에 따르면, 이벤트 탐지에 기초한 감시 지역 우선 업데이트 메커니즘을 제안한다. MDr이 특정 지역(즉, 해당 지역에서 이벤트가 감지됨)에서 IDr의 존재를 감지할 때, 직관에 따라 다음 비행 중 해당 지역에 더 주의를 기울이거나, 다른 MDr과 정보를 공유한다. 또한 MDr은 SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 더 많은 주의를 기울여야 한다. 더욱이 일정 수 이상의 비행에 대해 감시가 이루어지지 않은 지역에 대해서는 MDr 들이 다음 비행 중에 커버할 수 있도록 SAI 값을 증가시킬 필요가 있다. 감시 효율을 높이기 위해서는, 동일한 지역에 대한 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 감소시킨다. 상기 요건에 근거하여, SAI 값의 업데이트를 위한 4가지 사례를 정의한다.According to an embodiment of the present invention, a monitoring area priority update mechanism based on event detection is proposed. When an MDr detects the presence of an IDr in a particular area (i.e., an event is detected in that area), it will either pay more attention to that area during the next flight or share information with other MDr, depending on intuition. MDr should also pay more attention to regions where SAI values are changing rapidly compared to historical average SAI values. Moreover, it is necessary to increase the SAI value so that the MDr can cover the area during the next flight for an area that is not monitored for more than a certain number of flights. In order to increase the monitoring efficiency, the SAI value for the previously monitored area is reduced to avoid repeated monitoring of the same area. Based on the above requirements, we define four cases for updating the SAI value.

1) 특정 셀에서 IDr이 검출되면 IDr이 해당 지역에 침입하는 것을 방지하기 위해 인접 셀을 감시한다. 따라서, 그 셀과 그 인접 셀의 SAI 값을 증가시킨다.1) When IDr is detected in a specific cell, the neighboring cell is monitored to prevent IDr from entering the area. Therefore, the SAI value of that cell and its adjacent cell is increased.

2) 한 셀의 SAI 값이 이전 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하면 해당 셀의 SAI 값이 조정된다.2) If the SAI value of a cell changes rapidly compared to the previous average SAI value, the SAI value of that cell is adjusted.

3) 특정 비행 시간 이상 셀을 감시하지 않은 경우, SAI 값을 증가시켜야 한다.3) If the cell is not monitored for more than a certain flight time, the SAI value should be increased.

4) 셀이 감시를 받았으면 SAI 값을 줄여야 한다.4) If the cell is monitored, the SAI value should be reduced.

위의 설명에 근거하여, 다음과 같이 그 사례들을 공식화한다.Based on the explanation above, we formulate the cases as follows.

첫 번째 경우,

Figure 112020044503530-pat00037
일 때, i번째 경유지에서 감시된 셀들에서 이벤트가 발생하였고, 그 셀들의 SAI 값은 (24)를 활용하여 업데이트할 수 있다.In the first case,
Figure 112020044503530-pat00037
When , an event has occurred in the monitored cells at the i- th waypoint, and the SAI value of the cells may be updated by using (24).

Figure 112020044503530-pat00038
(24)
Figure 112020044503530-pat00038
(24)

여기서, SAI i (t)는 t번째 비행 시간 동안의 i번째 경유지의 SAI 값이고, v cellx (t)는 t번째 비행 시간 동안의 셀 x의 SAI 값을 나타내며, th event v max 는 각각 이벤트 감지 임계값과 최대 SAI 값이다.Here, SAI i ( t ) is the SAI value of the i- th waypoint during the t- th flight time , v cellx ( t ) represents the SAI value of the cell x during the t-th flight time , th event and v max are the events, respectively. The detection threshold and the maximum SAI value.

두 번째 경우, 셀 x의 현재 SAI 값과 이전 평균 SAI 값 사이의 절대값이 미리 결정된 업데이트 임계값인 th update 보다 클 경우, SAI 값은 최대값[v max , f cellx (t)]으로 반환되는 값으로 업데이트되므로, 두 번째 사례를 (25) 및 (26)으로 공식화한다.In the second case, if the absolute value between the current SAI value of cell x and the previous average SAI value is greater than the predetermined update threshold th update , the SAI value is returned as the maximum value[ v max , f cellx ( t )] Since it is updated by value, we formulate the second case as (25) and (26).

Figure 112020044503530-pat00039
(25)
Figure 112020044503530-pat00039
(25)

Figure 112020044503530-pat00040
(26)
Figure 112020044503530-pat00040
(26)

여기서,

Figure 112020044503530-pat00041
는 첫 번째부터 (t - 2)번째 비행 시간까지의 평균 SAI 값을 나타내며,
Figure 112020044503530-pat00042
는 셀 x의 초기 SAI 값이며
Figure 112020044503530-pat00043
는 상수 제어 매개변수이다. here,
Figure 112020044503530-pat00041
represents the average SAI value from the first to the ( t - 2) time of flight,
Figure 112020044503530-pat00042
is the initial SAI value of cell x
Figure 112020044503530-pat00043
is a constant control parameter.

세 번째 경우, 특정 비행 시간 임계값 이상 동안 셀이 감시되지 않은 경우 (27)을 활용하여 SAI 값을 증가시킨다.In the third case, if the cell is not monitored for more than a certain time-of-flight threshold (27), the SAI value is increased.

Figure 112020044503530-pat00044
(27)
Figure 112020044503530-pat00044
(27)

네 번째 경우, 셀이 감시를 받았을 때, (28)을 계산하여 SAI 값을 감소시킨다.In the fourth case, when the cell is being monitored, (28) is calculated to decrease the SAI value.

Figure 112020044503530-pat00045
(28)
Figure 112020044503530-pat00045
(28)

본 발명에서는 표준 PSO 및 위에서 설명된 감시 지역 우선 업데이트 메커니즘에 기반하여 복수의 UAV에 대한 경로 플래너를 제안한다. 제안된 플래너는 먼저 PSO를 이용하여 각 MDr에 대한 최적 경로를 도출한다. 여기서, 제안된 다중 목적 적합성 함수는 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 데 사용된다. 그리고 나서 CAC는 충돌의 존재를 감지하기 위해 이용된다. CAC가 만족되면 플래너는 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성한다. 마지막으로, SAI 값은 다음 비행 전에 업데이트될 것이다. 자세한 내용은 다음 하위 섹션에서 설명한다.The present invention proposes a route planner for a plurality of UAVs based on the standard PSO and the surveillance area-first update mechanism described above. The proposed planner first derives an optimal path for each MDr using PSO. Here, the proposed multi-objective fitness function is used to obtain the best flight waypoint sequence from all possible routes. The CAC is then used to detect the presence of a collision. If the CAC is satisfied, the planner generates an optimal route for one flight time. Finally, the SAI value will be updated before the next flight. More details are provided in the next subsection.

소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론은 최적화 문제를 해결하기 위해 널리 사용되는 진화 체험적 검색 알고리즘이다. 이 이론은 새들의 무리를 사냥하는 행동에 근거하여 개발되었다. 먹이를 찾는 과정에서, 각각의 새는 스스로와 무리들로부터 수집된 정보에 기초하여 속도(단계 크기)와 위치를 업데이트한다. PSO에서 각 개체는 무작위로 초기화되는 후보 솔루션에 해당한다. 그런 다음, 각 반복에서 각 개체의 속도와 위치는 이전 속도, 개체가 차지한 최고의 위치(개별적인 영향), 그리고 무리 속의 어떤 개체가 점령한 최고의 위치(사회적 무리)에 관한 정보에 기초하여 업데이트 된다. 수학적 공식은 다음과 같다.Particle Swarm Optimization (PSO) theory is a widely used evolutionary heuristic search algorithm to solve optimization problems. This theory was developed based on the behavior of hunting flocks of birds. In the process of finding food, each bird updates its speed (step size) and position based on information gathered from itself and from the flock. In PSO, each entity corresponds to a randomly initialized candidate solution. Then, at each iteration, the velocity and position of each entity is updated based on information about the previous velocity, the highest position occupied by the entity (individual influence), and the highest position occupied by any entity in the group (social group). The mathematical formula is:

개체의 수는 P, 개체의 차원은 D, 반복되는 수를 N이라고 가정하자. i번째 개체의 경우 x i = (x i1 , x i2 , ..., x iD )와 v i = (v i1 , v i2 , ..., v iD )는 각각 속도와 위치 벡터를 나타낸다. 표준 PSO에서, 두 종류의 비용 값이 있다. 즉, (29)에서 설명된 개별 최고값인 P i,best 와 모든 개체의 최고값인 S best 가 있다. Assume that the number of objects is P, the dimension of objects is D, and the number of repetitions is N. For the i-th entity, x i = ( x i1 , x i2 , ..., x iD ) and v i = ( v i1 , v i2 , ..., v iD ) represent the velocity and position vectors, respectively. In a standard PSO, there are two kinds of cost values. That is, there are P i,best , which is the individual highest value described in (29), and S best, which is the highest value of all individuals.

Figure 112020044503530-pat00046
(29)
Figure 112020044503530-pat00046
(29)

두 가지 비용 값이 결정되면, 각 차원에서 각 개체의 속도와 위치는 (28)을 사용하여 개선한다.Once the two cost values are determined, the velocity and position of each entity in each dimension is improved using (28).

Figure 112020044503530-pat00047
(30)
Figure 112020044503530-pat00047
(30)

(30)에서, r 1r 2는 0과 1 사이의 무작위 값이다. w는 관성 매개변수로, 이전 반복 속도가 현재 반복에 미치는 영향을 반영한다. c 1c 2는 개체 자체와 전체 무리로부터 계승 능력을 나타내는 자기 인식과 사회적 인식을 나타낸다.In (30), r 1 and r 2 are random values between 0 and 1. w is the inertia parameter, which reflects the effect of the previous iteration rate on the current iteration. c 1 and c 2 represent self-awareness and social awareness indicating the ability to inherit from the individual itself and from the whole group.

제안된 플래너에서, 실현 가능한 비행 경로는 경유지 시퀀스와 선 세그먼트로 구성된다. 구현하는 동안 8방향의 경로가 채택된다. 본 발명에서는 작전 지역 전체를 단위 셀 지역으로 나눈다. In the proposed planner, a feasible flight path consists of a stopover sequence and line segments. During implementation, an 8-way path is adopted. In the present invention, the entire operational area is divided into unit cell areas.

제안된 플래너의 과정은 알고리즘1에 나타나 있다. The proposed planner process is shown in Algorithm 1.

Figure 112020044503530-pat00048
Figure 112020044503530-pat00048

처음에는 전체 작전 지역을 커버하기 위해 예상 감시 비행 시간을 설정하고, 모든 셀에 대한 SAI 값을 초기화한다. 다음으로, PSO를 이용하여 복수의 MDr에 대한 최적 경로를 도출하는데, 이는 단계5에서 단계33에 해당한다. 최적화 프로세스 중에 먼저 무작위로 N par 개체의 위치와 속도 벡터를 생성하고, 각각 P t,Best S best x t x Npar 로 초기화한다. 다음으로, 각 개체의 위치와 속도 벡터를 (27) 공식을 사용하여 개선한다. 그런 다음 제안된 다중 목적 적합성 함수를 사용하여 새로 업데이트된 개체를 평가하며, 이 개체는 위에서 설명하는 몇 가지 목적함수 및 제약함수로 구성된다.Initially, the estimated surveillance flight time is set to cover the entire operational area, and SAI values for all cells are initialized. Next, an optimal path for a plurality of MDr is derived using PSO, which corresponds to step 5 to step 33. During the optimization process, we first randomly generate the position and velocity vectors of N par objects, and initialize P t,Best and S best to x t and x Npar , respectively. Next, the position and velocity vectors of each object are improved using the formula (27). Then, the newly updated entity is evaluated using the proposed multi-objective fitness function, which consists of several objective and constraint functions described above.

그 후, 우리는 모든 개체의 적합성 값에 기초하여 P t,Best , S best 를 갱신한다. 그런 다음 반복 번호가 N iter 와 동일하게 설정된 상태에서 첫 번째 MDr의 최적 경로를 저장한다. 마지막으로, 동일한 지역에 대한 반복적인 감시와 같이 복수의 MDr 사이에서 경유지가 겹치는 것을 방지하기 위해, 다음 경로 계획을 시작하기 전에 감시 받은 셀의 SAI 값을 줄인다. 따라서 감시 효율이 향상된다. 우리의 연구는 주로 복수의 UAV에 대한 무충돌 경로 계획에 초점을 맞추고 있기 때문에, 충돌 회피 제약을 적용하여 MDr 경로 사이에 충돌이 발생할 수 있는지 여부를 결정한다. CAC가 만족스럽지 않으면 단계5로 돌아간다. 복수의 MDr에 대한 최적 경로는 CAC가 만족될 경우에만 얻을 수 있다. 그 후, SAI 값은 다음 비행에 앞서 공식 (22)에서 (25)를 활용하여 갱신해야 한다. 마지막으로, 비행 시간이 N flight 와 같을 경우, 제한된 지역을 제외한 전체 운용 지역을 포괄하는 복수의 MDr에 대하여 모든 최적 계획 경로를 생성한다. After that, we update P t,Best and S best based on the fitness values of all entities. Then, with the iteration number set equal to N iter , the optimal path of the first MDr is stored. Finally, in order to prevent overlapping of waypoints between multiple MDrs, such as repeated monitoring of the same area, the SAI value of the monitored cell is reduced before starting the next route planning. Therefore, monitoring efficiency is improved. Since our study mainly focuses on collision-free path planning for multiple UAVs, we apply collision avoidance constraints to determine whether collisions can occur between MDr paths. If the CAC is not satisfactory, return to step 5. An optimal path for a plurality of MDr can be obtained only when CAC is satisfied. After that, the SAI value should be updated using formulas (22) to (25) before the next flight. Finally, when the flight time is equal to N flight , all optimal planned routes are generated for a plurality of MDr covering the entire operating area except for the restricted area.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 장치의 구성을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for optimizing a three-dimensional monitoring route setting of a plurality of unmanned aerial vehicles (UAV) using a small swarm optimization theory based on a monitoring area priority according to an embodiment of the present invention.

감시영역 우선도 기반 소수무리최적화 이론을 활용한 복수 무인항공기(UAV)의 3차원 감시경로설정 최적화 장치(600)는 예측부(610), 검출부(620) 및 업데이트부(630)를 포함한다. The apparatus 600 for optimizing the setting of a three-dimensional monitoring route of a plurality of unmanned aerial vehicles (UAV) using a small number optimization theory based on the priority of the monitoring area includes a prediction unit 610 , a detection unit 620 , and an update unit 630 .

예측부(610), 검출부(620) 및 업데이트부(630)는 도 5의 단계들(510~550)을 수행하기 위해 구성될 수 있다. The predictor 610 , the detector 620 , and the updater 630 may be configured to perform steps 510 to 550 of FIG. 5 .

예측부(610)는 소수 무리 최적화 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들에 대한 최적 경로를 도출한다. 각 모니터링 드론들에 대한 속도 벡터와 위치 벡터를 생성하고, 속도 벡터와 위치 벡터를 이용한 PSO를 통해 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 결정한다. 이후, 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 통해 각 개체의 속도와 위치를 개선하여 최적 경로를 도출한다. The prediction unit 610 derives an optimal path for each monitoring drone by using a small swarm optimization theory. The velocity vector and position vector are generated for each monitoring drone, and the individual maximum value of the object and the maximum value of all objects are determined through PSO using the velocity vector and the position vector. Then, the optimal path is derived by improving the speed and position of each individual through the individual peak values of the individual and the highest values of all entities.

예측부(610)는 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득한다. The prediction unit 610 obtains the best flight waypoint sequence from all possible routes by using the multi-objective fitness function.

검출부(620)는 CAC을 이용하여 충돌의 존재를 감지하고, CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성한다. The detector 620 detects the presence of a collision by using the CAC, and generates an optimal route for one flight time when the CAC is satisfied.

업데이트부(630)는 다음 비행 전, SAI 값을 업데이트한다. 업데이트부(630)는 MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 불법 드론들(Illegal Drone; IDr)의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시킨다. 또한, SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 대하여 SAI 값을 증가시키고, 동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄인다. The update unit 630 updates the SAI value before the next flight. The update unit 630 increases the SAI value when the presence of illegal drones (IDr) is detected in the cell in which the MDr event is detected. In addition, the SAI value is increased for an area where the SAI value is rapidly changing compared with the historical average SAI value, and the SAI value for the previously monitored area is decreased to avoid repeated monitoring for the same area.

업데이트부(630)는 특정 셀에서 IDr이 감지되는 경우, IDr이 해당 지역에 침입하는 것을 방지하기 위해 인접 셀을 감시하고, 해당 셀과 해당 셀에 대한 인접 셀의 SAI 값을 증가시킨다. 또한, 동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계는 미리 정해진 비행 시간 이상 동안 셀을 감시하지 않은 경우, 해당 셀에 대한 SAI 값을 증가시키고, 감시를 받은 셀에 대해서는 SAI 값을 줄이도록 셀의 SAI 값을 조정한다. When IDr is detected in a specific cell, the updater 630 monitors an adjacent cell in order to prevent IDr from entering the corresponding area, and increases the SAI value of the corresponding cell and the adjacent cell for the corresponding cell. In addition, the step of reducing the SAI value for the previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area increases the SAI value for the cell when the cell is not monitored for more than a predetermined flight time, and monitoring Adjust the SAI value of the cell to reduce the SAI value for the cell that received .

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (8)

소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들(Monitoring Drones; MDr)에 대한 최적 경로를 도출하는 단계;
다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 단계;
CAC(Coordinated Agents Coevolution)을 이용하여 충돌의 존재를 감지하는 단계;
CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성하는 단계; 및
다음 비행 전, SAI(surveillance area importance) 값을 업데이트하는 단계
를 포함하는 3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법.
deriving an optimal path for each monitoring drone (MDr) using a particle swarm optimization (PSO) theory;
obtaining a best flight waypoint sequence from all possible routes using a multi-objective fitness function;
detecting the presence of a collision using Coordinated Agents Coevolution (CAC);
generating an optimal route for one flight time if CAC is satisfied; and
Steps to update SAI (surveillance area importance) values before next flight
A 3D optimal surveillance path planning method comprising a.
제1항에 있어서,
소수 무리 최적화 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들에 대한 최적 경로를 도출하는 단계는,
각 모니터링 드론들에 대한 속도 벡터와 위치 벡터를 생성하고, 속도 벡터와 위치 벡터를 이용한 PSO를 통해 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 결정하고, 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 통해 각 개체의 속도와 위치를 개선하여 최적 경로를 도출하며, 자율 비행 장치에 적용 가능하도록 모니터링 드론들 간의 충돌방지를 위한 최적 경로를 도출하는
3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법.
According to claim 1,
The step of deriving the optimal path for each monitoring drone using the small swarm optimization theory is:
Generate velocity vector and position vector for each monitoring drone, determine individual maximum value of object and maximum value of all objects through PSO using velocity vector and position vector, individual maximum value of object and maximum value of all objects It derives the optimal path by improving the speed and position of each entity through the value, and derives the optimal path for collision prevention between monitoring drones to be applicable to autonomous flying devices.
How to plan a 3D optimal surveillance path.
제1항에 있어서,
다음 비행 전, SAI 값을 업데이트하는 단계는,
MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 불법 드론들(Illegal Drone; IDr)의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계;
SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 대하여 SAI 값을 증가시키는 단계; 및
동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계
를 포함하는 3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법.
According to claim 1,
Before the next flight, the steps to update the SAI value are:
increasing the SAI value when the presence of illegal drones (IDr) is detected in the cell in which the MDr event is detected;
increasing the SAI value for regions where the SAI value is rapidly changing compared to the historical average SAI value; and
Decreasing the SAI value for the previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area.
A 3D optimal surveillance path planning method comprising a.
제3항에 있어서,
MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 IDr의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키는 단계는,
특정 셀에서 IDr이 감지되는 경우, IDr이 해당 지역에 침입하는 것을 방지하기 위해 인접 셀을 감시하고, 해당 셀과 해당 셀에 대한 인접 셀의 SAI 값을 증가시키는
3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법.
4. The method of claim 3,
When the presence of IDr is detected in the cell in which the MDr event is detected, increasing the SAI value comprises:
When IDr is detected in a specific cell, it monitors the neighboring cell to prevent IDr from entering the area, and increases the SAI value of that cell and the neighboring cell for that cell.
How to plan a 3D optimal surveillance path.
제3항에 있어서,
동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는 단계는,
미리 정해진 비행 시간 이상 동안 셀을 감시하지 않은 경우, 해당 셀에 대한 SAI 값을 증가시키고, 감시를 받은 셀에 대해서는 SAI 값을 줄이도록 셀의 SAI 값을 조정하는
3D 최적 보안 감시 경로 계획 방법.
4. The method of claim 3,
The step of reducing the SAI value for a previously monitored area to avoid repeated monitoring for the same area is:
When a cell is not monitored for more than a predetermined flight time, the SAI value of the cell is adjusted to increase the SAI value for the cell and decrease the SAI value for the monitored cell.
How to plan a 3D optimal surveillance path.
소수 무리 최적화(Particle Swarm Optimization; PSO) 이론을 이용하여 각 모니터링 드론들(Monitoring Drones; MDr)에 대한 최적 경로를 도출하고, 다중 목적 적합성 함수를 이용하여 가능한 모든 경로로부터 최상의 비행 경유지 시퀀스를 획득하는 예측부;
CAC(Coordinated Agents Coevolution)을 이용하여 충돌의 존재를 감지하고, CAC가 만족되는 경우 한 번의 비행 시간 동안 최적의 경로를 생성하는 검출부; 및
다음 비행 전, SAI(surveillance area importance) 값을 업데이트하는 업데이트부
를 포함하는 3D 최적 보안 감시 경로 계획 장치.
Using the Particle Swarm Optimization (PSO) theory to derive the optimal route for each Monitoring Drones (MDr), and to obtain the best flight waypoint sequence from all possible routes using the multi-purpose fitness function. predictor;
a detection unit that detects the presence of a collision using Coordinated Agents Coevolution (CAC) and generates an optimal route for one flight time when the CAC is satisfied; and
Updater to update SAI (surveillance area importance) values before the next flight
A 3D optimal surveillance path planning device comprising a.
제6항에 있어서,
예측부는,
각 모니터링 드론들에 대한 속도 벡터와 위치 벡터를 생성하고, 속도 벡터와 위치 벡터를 이용한 PSO를 통해 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 결정하고, 개체의 개별 최고값 및 모든 개체의 최고값을 통해 각 개체의 속도와 위치를 개선하여 최적 경로를 도출하며, 자율 비행 장치에 적용 가능하도록 각 모니터링 드론들 간의 충돌방지를 위한 최적 경로를 도출하는
3D 최적 보안 감시 경로 계획 장치.
7. The method of claim 6,
the prediction unit,
Generate velocity vector and position vector for each monitoring drone, determine individual maximum value of object and maximum value of all objects through PSO using velocity vector and position vector, individual maximum value of object and maximum value of all objects It derives the optimal path by improving the speed and position of each entity through the value, and derives the optimal path for collision prevention between monitoring drones so that it can be applied to autonomous flying devices.
3D Optimal Security Surveillance Path Planning Device.
제6항에 있어서,
업데이트부는,
MDr이 이벤트가 감지되는 셀에서 불법 드론들(Illegal Drone; IDr)의 존재가 감지되는 경우, SAI 값을 증가시키고;
SAI 값이 과거 평균 SAI 값과 비교하여 빠르게 변화하고 있는 지역에 대하여 SAI 값을 증가시키고; 및
동일한 지역에 대하여 반복적인 감시를 피하기 위해 이전에 감시를 받은 지역에 대한 SAI 값을 줄이는
3D 최적 보안 감시 경로 계획 장치.
7. The method of claim 6,
update department,
When the presence of illegal drones (IDr) is detected in the cell in which the MDr event is detected, the SAI value is increased;
increasing the SAI value for regions where the SAI value is rapidly changing compared to the historical average SAI value; and
Decrease the SAI value for previously monitored areas to avoid repeated monitoring for the same area.
3D Optimal Security Surveillance Path Planning Device.
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