KR102614755B1 - Optimal UAV Movement Path Planning and Sensing Data Acquisition Method Using PSO-based Machine Learning in UAV Assisted Sensor Data Acquisition Environment - Google Patents

Optimal UAV Movement Path Planning and Sensing Data Acquisition Method Using PSO-based Machine Learning in UAV Assisted Sensor Data Acquisition Environment Download PDF

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Abstract

PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 시스템은 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 UAV 커버리지 계산부, 상기 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 센싱가치 목적함수 계산부, 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산하는 UAV 운용시간 목적함수 계산부, 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산하는 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부 및 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출하는 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부를 포함한다.A method and system for obtaining optimal movement path and sensing information using PSO-based biomimetic machine learning is presented. The system proposed in the present invention uses information on pre-stored sensor deployment maps, 3D terrain maps, and 3D no-fly zone maps to calculate the evaluation value of the entire objective function for the candidates for the UAV's next sensing information acquisition location. A UAV coverage calculation unit that calculates the range of sensor area grids that can communicate at a location next to the UAV, a sensing value objective function calculation unit that calculates the value of sensing information obtainable from sensors within the UAV coverage at the calculated location next to the UAV, UAV operating time objective function calculation unit, which calculates the objective function value by estimating the flight time required to move from the current location of the UAV to the next location and the time required to acquire sensing information at the next location, from the current location of the UAV Constraints required for UAV network operation using the UAV operation energy consumption objective function calculation unit and PSO algorithm that calculates the objective function value by estimating the energy required to move to the next location and the energy required to acquire sensing information at the next location. It includes a PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit that satisfies the conditions and derives the position of the UAV that can maximize the calculated overall objective function.

Description

무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법{Optimal UAV Movement Path Planning and Sensing Data Acquisition Method Using PSO-based Machine Learning in UAV Assisted Sensor Data Acquisition Environment}Optimal UAV Movement Path Planning and Sensing Data Acquisition Method Using PSO-based Machine Learning in UAV Assisted Sensor Data Acquisition Environment}

본 발명은 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for acquiring optimal movement path and sensing information using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned aircraft.

무선 센서는 다양한 센서를 이용하여 주변 환경을 모니터링 하고 특정 이벤트를 검출하거나 추적할 수 있는 장치로 획득된 센싱정보를 무선 전송장치를 이용하여 다른 장치에 전송할 수 있는 기술이다. A wireless sensor is a device that monitors the surrounding environment using various sensors and can detect or track specific events. It is a technology that can transmit the acquired sensing information to another device using a wireless transmission device.

실외 환경에서 3차원 공간에 배치된 센서들의 정보를 원격에 있는 서버에 전송하기 위한 방법으로 센서네트워크나 기존의 통신 인프라를 이용할 수 있으나, 센서장치만으로 연결성을 보장하기 어렵거나 기존 통신인프라를 사용할 수 없는 경우 무인 비행체를 이용하여 센서들로부터 실시간으로 정보를 수신하고, 무인 비행체 간의 네트워크를 구성하여 원격에 있는 서버에 전데이터를 전달하는 기술이 사용될 수 있다. In an outdoor environment, a sensor network or existing communication infrastructure can be used as a method to transmit information from sensors placed in a three-dimensional space to a remote server. However, it is difficult to guarantee connectivity with only sensor devices, or existing communication infrastructure cannot be used. If there is no such technology, a technology that uses an unmanned aircraft to receive information from sensors in real time and configures a network between unmanned aircraft to transmit all data to a remote server can be used.

지상의 센서에서 얻어진 센싱정보를 다수의 무인 비행체를 이용하여 획득하기 위해서는 무인 비행체와 지상의 센서들이 통신 가능한 높이에 무인 비행체들이 위치해야 하며 높이 따라 통신 가능한 지상 영역의 범위와 센서들과의 통신 품질이 달라진다. 또한 무인 비행체가 빠른 속도로 이동하는 경우 지상의 센서로부터 원활한 센싱정보를 충분히 획득하기 어려우므로 특정 위치에 정지하여 통신 범위 내에 센서들로부터 센싱정보를 획득하고 다음 위치로 이동하는 것이 필요하다. In order to acquire sensing information obtained from sensors on the ground using multiple unmanned aerial vehicles, the unmanned aerial vehicles must be located at a height where the unmanned aerial vehicles and sensors on the ground can communicate, and the range of ground area that can communicate according to height and the quality of communication with the sensors must be determined. This changes. Additionally, when an unmanned aircraft moves at a high speed, it is difficult to obtain sufficient sensing information smoothly from sensors on the ground, so it is necessary to stop at a specific location, obtain sensing information from sensors within the communication range, and then move to the next location.

센서들로부터 획득한 정보는 어떤 센서 타입인가와 이전 센싱정보를 획득한 후에 얼마의 시간이 흘렀는가에 따라 정보의 가치가 달라진다. 따라서 무인 비행체들을 위치시킬 때 어느 지점의 어느 높이에 위치시켰을 때 가장 높은 센싱 가치가 획득되는 가에 대한 고려가 필요하다. 무인 비행체들은 제한된 시간 내에 많은 정보를 획득해야 하므로 정보 획득시간과 에너지 소모는 매우 중요한 요소이다. 이에 따라 정보의 가치는 최대화하고 시간과 에너지 소모는 최소화하는 방법이 필요하다. The value of information obtained from sensors varies depending on what type of sensor it is and how much time has passed since the previous sensing information was acquired. Therefore, when positioning unmanned aerial vehicles, it is necessary to consider where and at what height the highest sensing value is obtained. Since unmanned aerial vehicles must acquire a lot of information within a limited time, information acquisition time and energy consumption are very important factors. Accordingly, a method is needed to maximize the value of information and minimize time and energy consumption.

복수의 무인 비행체를 운용함에 있어 무인 비행체들은 비동기적으로 움직이므로 비동기적 최적화가 필요하며, 다른 무인 비행체에 의해 획득되는 센싱정보와 영역 정보를 고려하여 각 비행체의 위치가 결정되어야 한다. 또한 무인 비행체간 네트워크를 통해 원격의 서버에 센싱정보가 전달되고, 원격의 서버는 센싱정보 처리와 함께 무인 비행체들의 다음 최적위치를 결정하여 무인 비행체들에게 전달한다. 이를 위해 무인 비행체들은 주어진 환경에서 비행체간 연결성이 보장되어야 한다. When operating multiple unmanned aerial vehicles, asynchronous optimization is necessary because the unmanned aerial vehicles move asynchronously, and the location of each aerial vehicle must be determined considering the sensing information and area information obtained by other unmanned aerial vehicles. In addition, sensing information is transmitted to a remote server through an unmanned aerial vehicle network, and the remote server processes the sensing information and determines the next optimal location for the unmanned aerial vehicles and transmits it to the unmanned aerial vehicles. To this end, connectivity between unmanned aircraft must be guaranteed in a given environment.

한국 등록특허 제10-2009608호 (2019.08.05)Korean Patent No. 10-2009608 (2019.08.05)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 3차원 실외 공간에 배치된 센서들로부터 센싱정보를 복수의 무인 비행체(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)를 이용하여 실시간으로 획득함에 있어 UAV 들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 최대화하는 동시에 UAV의 운용시간 및 UAV 사용에너지를 최소화할 수 있는 최적의 3차원 위치 정보 및 이동 경로를 도출하는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is to acquire sensing information from sensors placed in a three-dimensional outdoor space in real time using a plurality of unmanned aerial vehicles (UAVs), and to determine the value of the sensing information that can be obtained from UAVs. The goal is to provide a method and system for deriving optimal 3D location information and movement paths that can maximize UAV operation time and UAV usage energy while simultaneously minimizing it.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템은 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 UAV 커버리지(coverage) 계산부, 상기 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 센싱가치 목적함수 계산부, 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산하는 UAV 운용시간 목적함수 계산부, 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산하는 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부, 시간에 따른 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱정보 가치의 변화를 계산하여 센싱정보 목적함수 계산부의 계산에 필요한 값을 제공하는 센싱격자 별 센싱가치 계산부, 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱정보 목적함수 계산부에 제공하는 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부 및 PSO(Particle Swam Optimization) 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출하는 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부를 포함한다. In one aspect, the optimal movement path and sensing information acquisition system using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned flying vehicle proposed in the present invention includes a pre-stored sensor placement map, a 3D terrain map, and a 3D flight ban. A UAV coverage calculation unit that calculates the range of sensor area grids that can communicate at the next location of the UAV in order to calculate the evaluation value of the overall objective function for the UAV's next sensing information acquisition location candidates using information about the area map. , a sensing value objective function calculation unit that calculates the value of sensing information that can be obtained from sensors within the UAV coverage at the calculated next location of the UAV, the flight time required to move from the current location of the UAV to the next location, and the next location. A UAV operating time objective function calculation unit that calculates the objective function value by estimating the time required to acquire sensing information, the energy required to move from the current location of the UAV to the next location, and the energy required to acquire sensing information at the next location. UAV operation energy consumption objective function calculation unit that calculates the objective function value by estimating energy, calculates the change in sensing information value according to sensor type for each sensing grid over time and provides the values required for calculation of the sensing information objective function calculation unit A sensing value calculation unit for each sensing grid, a multiple UAV current location data storage unit that stores the current location information of all UAVs placed in the sensor field and provides it to the sensing information objective function calculation unit, and a PSO (Particle Swam Optimization) algorithm. It includes a PSO-based maximum overall objective function UAV position calculation unit that satisfies the constraints required for UAV network operation and derives the position of the UAV that can maximize the calculated overall objective function.

상기 센싱가치 목적함수 계산부는 UAV의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보가치를 정규화한 센싱 가치 목적함수로 정의하고, 상기 UAV 운용시간 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 위치에 대한 운용시간을 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간과 다음 위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간의 합을 정규화한 UAV 운용시간 목적함수로 정의하고, 상기 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모를 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 이동 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 UAV정지 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 UAV 통신 에너지의 합을 정규화한 UAV 운용 에너지 소모 목적함수로 정의한다. The sensing value objective function calculation unit defines the sensing information value obtainable from all grid cells within the coverage of the UAV as a normalized sensing value objective function, and the UAV operation time objective function calculation unit calculates the operation time from the current location to the next location as follows. The sum of the estimated travel time to move to the location and the estimated time to acquire sensing information from sensors within coverage while staying at the next location is defined as a normalized UAV operation time objective function, and the UAV operation energy consumption objective function calculation unit is currently Operational energy consumption for the next evaluation position is consumed as UAV movement flight energy to move to the next location, UAV stop flight energy for the UAV to fly stationary to acquire sensing information at the next location, and acquisition of sensing information at the next location. For this purpose, the sum of UAV communication energy for communication between UAV and sensors is defined as a normalized UAV operation energy consumption objective function.

상기 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부는 목적함수의 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하도록 하기 위해 PSO 알고리즘을 적용하여 탐색을 진행하고, 각 UAV의 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 최적 위치로 이동함에 있어서 새로운 이동 위치는 미리 정해진 조건들 만족하는 위치를 분류하여 최적 위치로 선정한다. The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit performs a search by applying the PSO algorithm to reduce the amount of calculation of the objective function and enable real-time implementation, and after completing the acquisition of sensing data at the current location according to the movement of each UAV, When moving to the next optimal location, the new moving location is selected as the optimal location by classifying positions that satisfy predetermined conditions.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법은 UAV 커버리지 (coverage) 계산부가 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 단계, 센싱가치 목적함수 계산부가 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 단계, UAV 운용시간 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산하는 단계, UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산하는 단계, 센싱격자 별 센싱가치 계산부가 시간에 따른 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱정보 가치의 변화를 계산하여 센싱정보 목적함수 계산부의 계산에 필요한 값을 제공하는 단계, 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부가 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱정보 목적함수 계산부에 제공하는 단계 및 PSO(Particle Swam Optimization) 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부가 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출하는 단계를 포함한다. In another aspect, the method of acquiring optimal movement path and sensing information using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned aircraft proposed in the present invention includes a sensor arrangement map in which a UAV coverage calculation unit is pre-stored, In order to calculate the evaluation value of the overall objective function for the candidates for the UAV's next sensing information acquisition location using information on the 3D terrain map and 3D no-fly zone map, the range of the sensor area grids that can communicate at the next location of the UAV is determined. Calculating step, the sensing value objective function calculation section calculates the value of sensing information that can be obtained from sensors within the UAV coverage at the location next to the calculated UAV, the UAV operating time objective function calculation section moves from the current location of the UAV to the next location. A step of calculating the objective function value by estimating the flight time required for movement of the UAV and the time required to acquire sensing information at the next location. The UAV operation energy consumption objective function calculation unit calculates the necessary for movement from the current location of the UAV to the next location. A step of calculating the objective function value by estimating the energy and the energy required to acquire sensing information at the next location. The sensing value calculation unit for each sensing grid calculates the change in sensing information value according to the sensor type for each sensing grid over time. A step of providing the values necessary for calculation of the sensing information objective function calculation unit, a step of storing the current location information of all UAVs placed in the sensor field by the multiple UAV current position data storage unit and providing it to the sensing information objective function calculation unit, and PSO (Particle Swam Optimization) based overall objective function maximum UAV position calculation unit satisfies the constraints required for UAV network operation using the PSO algorithm and includes the step of deriving the position of the UAV that can maximize the calculated overall objective function. do.

본 발명의 실시예들에 따르면 실외 환경에서 센서를 이용하여 환경 모니터링 및 감시, 재난 상황 등의 이벤트 검출, 특정한 객체의 이동 트레킹을 포함한 다양한 센서 운용환경에 대해 광범위한 영역에서 수집되는 정보를 무인 비행체와 센서들과의 통신을 통해 효율적으로 획득하고 이를 무인 비행체 네트워크를 이용하여 원격의 서버에 전송한다. 이를 통해, 실시간 대응이 필요한 다양한 응용에서 무인 비행체를 통해 광범위한 센서필드의 정보를 신속하게 획득할 수 있다. 또한, 복수의 UAV를 비동기적으로 최적 이동 위치를 결정함에 있어 센서로부터 획득되는 센싱정보의 가치를 최대화하면서 동시에 센싱정보 획득 및 이동에 필요한 시간 및 에너지를 종합적으로 고려하여 UAV 운용에 있어 효율성을 높일 수 있다.According to embodiments of the present invention, information collected in a wide range of areas for various sensor operating environments, including environmental monitoring and surveillance, detection of events such as disaster situations, and movement tracking of specific objects using sensors in an outdoor environment, is transmitted to an unmanned aircraft and an unmanned air vehicle. It is obtained efficiently through communication with sensors and transmitted to a remote server using an unmanned aerial vehicle network. Through this, information from a wide range of sensor fields can be quickly acquired through unmanned aerial vehicles in various applications that require real-time response. In addition, in determining the optimal movement position of multiple UAVs asynchronously, the value of sensing information obtained from sensors is maximized, and at the same time, the time and energy required for acquiring and moving sensing information are comprehensively considered to increase efficiency in UAV operation. You can.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 센서 영역에 대해 격자 기반 3차원 지형도 및 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 공간에서 무인 비행체의 위치에 따라 무인 비행체가 지상의 센서로부터 획득 가능한 센싱 데이터의 격자 영역인 UAV 센싱 커버리지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상의 임의 격자 셀이 특정 UAV의 센싱 커버리지에 포함되는지 여부를 검사하기 위한 단계들을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지상의 임의 격자 셀이 특정 UAV의 센싱 커버리지에 포함되는지 여부를 검사하기 위한 단계를 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 UAV에 대해 시간대별 센싱정보 획득 및 다음 최적위치로의 이동 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 UAV들이 각각의 최적위치를 결정함에 있어 시간대 별 동작을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 시간 단위 PSO를 이용한 최적위치 결정과 최적 위치 이동 후의 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing the configuration of an optimal movement path and sensing information acquisition system using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart illustrating a method for obtaining optimal movement path and sensing information using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing a grid-based 3D topographic map and model for the entire sensor area according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing UAV sensing coverage, which is a grid area of sensing data that an unmanned aircraft can obtain from sensors on the ground according to the position of the unmanned aircraft in three-dimensional space according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a process for performing steps to check whether a random grid cell on the ground is included in the sensing coverage of a specific UAV according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a process for performing steps to check whether a random grid cell on the ground is included in the sensing coverage of a specific UAV according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing a method of acquiring sensing information for each time slot and moving to the next optimal location for one UAV according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the operation of a plurality of UAVs according to time slots in determining each optimal position according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the network structure after determining the optimal location and moving the optimal location using each time unit PSO according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 실외에 설치된 무선 센서들로부터 센싱정보를 무인 비행체(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)를 이용하여 획득함에 있어 센서의 센싱정보 가치 합, 정보 획득 시간, 획득에 필요한 에너지를 통합적으로 고려하여 그 효율성을 최대화하고, UAV의 운용시간 및 UAV 사용에너지를 최소화할 수 있는 최적의 3차원 위치 정보 및 이동 경로를 도출하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention acquires sensing information from wireless sensors installed outdoors using an unmanned aerial vehicle (UAV), and its efficiency is achieved by comprehensively considering the sum of the sensor's sensing information value, information acquisition time, and energy required for acquisition. It relates to a method and system for deriving optimal 3D location information and movement paths that can maximize UAV operation time and UAV energy use.

본 발명의 실시예에 따르면, 각 UAV의 3차원 공간상의 위치에 따라 UAV와 통신을 통해 센싱 데이터를 전달할 수 있는 센서 노드들의 영역과 통신 품질이 달라지는 것을 고려해야 하며, 다른 UAV에 의해 이미 정보가 획득되었는지 여부 및 이전 정보 획득 이후 경과된 시간 등도 같이 고려되어야 한다. 또한, 복수의 UAV들이 비동기적으로 움직이는 상황에서 각 UAV 들은 전체적인 UAV 네트워크에 연결되어야 한다. 정보 획득을 위한 UAV 운용시간은 최소화되어야 하며 정보획득 및 다음 지점으로 이동을 위한 UAV 에너지 소모도 최소화되어야 한다. 이러한 다중의 요구조건을 만족하는 실시간 최적 UAV 위치 및 이동경로를 도출하는 것은 복잡한 과정과 긴 시간이 필요하다. According to an embodiment of the present invention, it must be taken into account that the area and communication quality of sensor nodes that can transmit sensing data through communication with the UAV vary depending on the location of each UAV in three-dimensional space, and the information has already been obtained by another UAV. The time elapsed since acquisition of previous information should also be considered. Additionally, in a situation where multiple UAVs move asynchronously, each UAV must be connected to the overall UAV network. UAV operation time for information acquisition must be minimized, and UAV energy consumption for information acquisition and movement to the next point must also be minimized. Deriving a real-time optimal UAV location and movement path that satisfies these multiple requirements requires a complex process and a long time.

본 발명에서는 생체 모방학습 기반 PSO(Particle Swam Optimization) 기법을 활용하여 요구되는 모든 조건을 만족하면서 실시간으로 최적위치를 도출하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. The present invention seeks to provide a method and system for deriving the optimal position in real time while satisfying all required conditions by utilizing the biomimetic learning-based PSO (Particle Swam Optimization) technique. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. Figure 1 is a diagram showing the configuration of an optimal movement path and sensing information acquisition system using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 실외 환경에서 사전에 설치된 센서들이 센싱한 정보를 복수의 무인 비행체 UAV를 이용하여 실시간으로 획득하여 원격의 지상 서버로 전송함에 있어 각 UAV의 최적 위치 점들의 이동 경로를 계산하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 미리에 준비된 3차원 지형 지도와 센서들의 배치를 알고 있는 상황에서 서버가 비동기적으로 각 UAV의 현재 위치에서 센싱정보 획득이 종료되는 시점에 추가적인 센서 데이터 획득을 위한 다음 최적 위치를 도출하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of calculating the movement path of the optimal location points of each UAV in acquiring information sensed by pre-installed sensors in an outdoor environment in real time using a plurality of unmanned aerial vehicles (UAVs) and transmitting it to a remote ground server. will be. More specifically, in a situation where the 3D terrain map prepared in advance and the arrangement of sensors are known, the server asynchronously derives the next optimal location for acquiring additional sensor data at the time the acquisition of sensing information from the current location of each UAV ends. It's about how to do it.

본 발명에서의 최적 위치를 결정하기 위한 목적함수는 지정된 다음 위치에서의 UAV와 통신가능한 센서들의 센싱정보 가치, 다음위치까지의 UAV 이동시간 및 정보 획득시간, 다음위치까지의 UAV 이동을 위한 에너지 및 다음위치에서의 정보 획득을 위한 에너지 등을 고려하여 정의된다. The objective function for determining the optimal location in the present invention is the sensing information value of sensors capable of communicating with the UAV at the designated next location, UAV movement time and information acquisition time to the next location, energy for UAV movement to the next location, and It is defined by considering the energy for obtaining information at the next location.

본 발명의 실시예에서는 3차원 공간의 모든 가능한 지점에 대해 완전한 전역 검사를 수행하는 대신 생체 모방 기술인 PSO 방식을 이용하여 이동이 필요한 UAV의 다음 최적위치를 빠르게 계산한다. 검색을 보다 빠르게 하고 계산 부하를 줄이기 위해 본 발명에서는 센서 필드의 (x,y) 좌표에 대해 미리 정의된 크기의 격자(cell) 영역으로 구분하고 격자단위의 센서 배치와 격자 영역 중심에서의 지형 높이 등의 정보를 저장한다. UAV의 위치에 따른 지상의 통신 가능한 센서필드 격자의 조합은 UAV의 지향성 안테나 각도, UAV 위치, 지상 지형의 형태, 센서 및 UAV의 송신전력 등에 의해 결정된다. In an embodiment of the present invention, instead of performing a complete global inspection of all possible points in three-dimensional space, the PSO method, a biomimetic technology, is used to quickly calculate the next optimal position of the UAV that needs to move. In order to make the search faster and reduce the computational load, the present invention divides the (x,y) coordinates of the sensor field into grid (cell) areas of a predefined size, places sensors in grid units, and terrain height at the center of the grid area. Save information such as The combination of sensor field grids capable of communicating on the ground according to the location of the UAV is determined by the directional antenna angle of the UAV, the UAV location, the shape of the ground terrain, and the transmission power of the sensor and UAV.

무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템은 UAV 커버리지(coverage) 계산부(110), 센싱가치 목적함수 계산부(120), UAV 운용시간 목적함수 계산부(130), UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부(140), 센싱격자 별 센싱가치 계산부(150), 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부(160) 및 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부(170)를 포함한다. In acquiring sensor data using an unmanned aerial vehicle, the optimal movement path and sensing information acquisition system using PSO-based biomimetic machine learning consists of a UAV coverage calculation unit 110, a sensing value objective function calculation unit 120, and a UAV operation time objective. Function calculation unit 130, UAV operation energy consumption objective function calculation unit 140, sensing value calculation unit 150 for each sensing grid, multiple UAV current position data storage unit 160, and PSO-based overall objective function maximum value UAV position Includes a calculation unit 170.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 커버리지(coverage) 계산부(110)는 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산한다. The UAV coverage calculation unit 110 according to an embodiment of the present invention uses information about the pre-stored sensor placement map, 3D terrain map, and 3D no-fly zone map to determine the UAV's next sensing information acquisition location candidates. In order to calculate the evaluation value of the overall objective function, the range of the sensor area grids that can communicate at the location next to the UAV is calculated.

본 발명의 실시예에 따른 센싱가치 목적함수 계산부(120)는 상기 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산한다. The sensing value objective function calculation unit 120 according to an embodiment of the present invention calculates the value of sensing information that can be obtained from sensors within UAV coverage at a location next to the calculated UAV.

본 발명의 실시예에 따른 센싱가치 목적함수 계산부(120)는 UAV의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보가치를 정규화한 센싱 가치 목적함수로 정의한다. The sensing value objective function calculation unit 120 according to an embodiment of the present invention defines the sensing information value obtainable from all grid cells within the coverage of the UAV as a normalized sensing value objective function.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용시간 목적함수 계산부(130)는 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산한다. The UAV operating time objective function calculation unit 130 according to an embodiment of the present invention estimates the flight time required to move the UAV from the current location to the next location and the time required to acquire sensing information at the next location to calculate the objective function. Calculate the value.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용시간 목적함수 계산부(130)는 현재 위치에서 다음 위치에 대한 운용시간을 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간과 다음 위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간의 합을 정규화한 UAV 운용시간 목적함수로 정의한다 The UAV operation time objective function calculation unit 130 according to an embodiment of the present invention calculates the operation time from the current location to the next location, the estimated movement time for moving to the next location, and the estimated movement time for moving to the next location and the operation time from the sensors in coverage while staying at the next location. The sum of the estimated times to acquire sensing information is defined as the normalized UAV operation time objective function.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부(140)는 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산한다. The UAV operation energy consumption objective function calculation unit 140 according to an embodiment of the present invention estimates the energy required to move the UAV from the current location to the next location and the energy required to acquire sensing information at the next location to calculate the objective function. Calculate the value.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부(140)는 현재 위치에서 다음 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모를 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 이동 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 UAV정지 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 UAV 통신 에너지의 합을 정규화한 UAV 운용 에너지 소모 목적함수로 정의한다. The UAV operation energy consumption objective function calculation unit 140 according to an embodiment of the present invention calculates the operation energy consumption for the next evaluation location from the current location, UAV movement flight energy for moving to the next location, and acquisition of sensing information at the next location. For this purpose, the UAV operational energy consumption objective function is defined as the normalized sum of UAV stationary flight energy for stationary flight and UAV communication energy for communication between the UAV and sensors to acquire sensing information at the next location.

본 발명의 실시예에 따른 센싱격자 별 센싱가치 계산부(150)는 시간에 따른 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱정보 가치의 변화를 계산하여 센싱정보 목적함수 계산부의 계산에 필요한 값을 제공한다. The sensing value calculation unit 150 for each sensing grid according to an embodiment of the present invention calculates the change in sensing information value according to the sensor type for each sensing grid over time and provides the values required for calculation by the sensing information objective function calculation unit. .

본 발명의 실시예에 따른 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부(160)는 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱정보 목적함수 계산부에 제공한다. The multiple UAV current location data storage unit 160 according to an embodiment of the present invention stores the current location information of all UAVs deployed in the sensor field and provides it to the sensing information objective function calculation unit.

본 발명의 실시예에 따른 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부(170)는 PSO(Particle Swam Optimization) 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출한다. The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit 170 according to an embodiment of the present invention satisfies the constraints required for UAV network operation using the PSO (Particle Swam Optimization) algorithm, and the calculated overall objective function Derive the position of the UAV that can maximize .

본 발명의 실시예에 따른 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부(170)는 목적함수의 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하도록 하기 위해 PSO 알고리즘을 적용하여 탐색을 진행하고, 각 UAV의 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 최적 위치로 이동함에 있어서 새로운 이동 위치는 미리 정해진 조건들 만족하는 위치를 분류하여 최적 위치로 선정한다. The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit 170 according to an embodiment of the present invention performs a search by applying the PSO algorithm to reduce the amount of calculation of the objective function and enable real-time implementation, and determines the movement of each UAV. When moving to the next optimal location after completing the acquisition of sensing data from the current location, the new moving location is selected as the optimal location by classifying the location that satisfies predetermined conditions.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. Figure 2 is a flowchart illustrating a method for obtaining optimal movement path and sensing information using PSO-based biomimetic machine learning in sensor data acquisition using an unmanned flying vehicle according to an embodiment of the present invention.

제안하는 무인 비행체를 이용한 센서 데이터 획득에서 PSO 기반 생체모방 기계학습을 이용한 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법은 UAV 커버리지 (coverage) 계산부가 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 단계(210), 센싱가치 목적함수 계산부가 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 단계(220), UAV 운용시간 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산하는 단계(230), UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산하는 단계(240), 센싱격자 별 센싱가치 계산부가 시간에 따른 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱정보 가치의 변화를 계산하여 센싱정보 목적함수 계산부의 계산에 필요한 값을 제공하는 단계(250), 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부가 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱정보 목적함수 계산부에 제공하는 단계(260) 및 PSO(Particle Swam Optimization) 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부가 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출하는 단계(270)를 포함한다. In the proposed sensor data acquisition using an unmanned aerial vehicle, the optimal movement path and sensing information acquisition method using PSO-based biomimetic machine learning is a sensor deployment map with a UAV coverage calculation unit pre-stored, a 3D terrain map, and a 3D no-fly zone. Step (210) of calculating the range of communicable sensor area grids at the next location of the UAV to calculate the evaluation value of the overall objective function for the candidates for the next sensing information acquisition location of the UAV using information about the map (210), sensing value purpose A step (220) in which the function calculation unit calculates the value of sensing information obtainable from sensors within the UAV coverage at the next location of the calculated UAV, and the UAV operating time objective function calculation unit calculates the value required to move the UAV from the current location to the next location. Calculating an objective function value by estimating the flight time and the time required to acquire sensing information at the next location (230), the UAV operation energy consumption objective function calculation unit calculates the energy required to move the UAV from the current location to the next location. and calculating the objective function value by estimating the energy required to acquire sensing information at the next location (240), the sensing value calculation unit for each sensing grid calculates the change in sensing information value according to the sensor type for each sensing grid over time. Step 250 of calculating and providing a value necessary for the calculation of the sensing information objective function calculation unit, the multiple UAV current location data storage unit stores the current location information of all UAVs placed in the sensor field and provides it to the sensing information objective function calculation unit. Step 260 and the maximum overall objective function based on PSO (Particle Swam Optimization) UAV position calculation unit satisfies the constraints required for UAV network operation using the PSO algorithm and maximizes the calculated overall objective function. It includes a step 270 of deriving the location of .

단계(210)에서, UAV 커버리지 (coverage) 계산부가 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산한다. In step 210, the UAV coverage calculation unit calculates the overall objective function for the next sensing information acquisition location candidates of the UAV using information about the sensor deployment map, 3D terrain map, and 3D no-fly zone map stored in advance. To calculate the evaluation value, the range of communicable sensor area grids at the location next to the UAV is calculated.

단계(220)에서, 센싱가치 목적함수 계산부가 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산한다. In step 220, the sensing value objective function calculation unit calculates the value of sensing information obtainable from sensors within UAV coverage at a location next to the calculated UAV.

본 발명의 실시예에 따른 센싱가치 목적함수 계산부는 UAV의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보가치를 정규화한 센싱 가치 목적함수로 정의한다. The sensing value objective function calculation unit according to an embodiment of the present invention defines the sensing information value obtainable from all grid cells within the coverage of the UAV as a normalized sensing value objective function.

단계(230)에서, UAV 운용시간 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수 값을 계산한다. In step 230, the UAV operation time objective function calculation unit calculates the objective function value by estimating the flight time required to move the UAV from the current location to the next location and the time required to acquire sensing information at the next location.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용시간 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 위치에 대한 운용시간을 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간과 다음 위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간의 합을 정규화한 UAV 운용시간 목적함수로 정의한다 The UAV operating time objective function calculation unit according to an embodiment of the present invention estimates the operating time from the current location to the next location, the estimated travel time for moving to the next location, and the acquisition of sensing information from sensors in coverage while staying at the next location. The sum of times is defined as the normalized UAV operation time objective function.

단계(240)에서, UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수 값을 계산한다. In step 240, the UAV operation energy consumption objective function calculation unit calculates the objective function value by estimating the energy required to move the UAV from the current location to the next location and the energy required to acquire sensing information at the next location.

본 발명의 실시예에 따른 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모를 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 이동 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 UAV정지 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 UAV 통신 에너지의 합을 정규화한 UAV 운용 에너지 소모 목적함수로 정의한다. The UAV operation energy consumption objective function calculation unit according to an embodiment of the present invention calculates the operation energy consumption for the next evaluation location from the current location, the UAV movement flight energy for moving to the next location, and the UAV movement flight energy for moving to the next location. The sum of UAV stationary flight energy for stationary flight and UAV communication energy for communication between the UAV and sensors to acquire sensing information at the next location is defined as a normalized UAV operation energy consumption objective function.

단계(250)에서, 센싱격자 별 센싱가치 계산부가 시간에 따른 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱정보 가치의 변화를 계산하여 센싱정보 목적함수 계산부의 계산에 필요한 값을 제공한다. In step 250, the sensing value calculation unit for each sensing grid calculates the change in the sensing information value according to the sensor type for each sensing grid over time and provides the value necessary for the calculation of the sensing information objective function calculation unit.

단계(260)에서, 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부가 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱정보 목적함수 계산부에 제공한다. In step 260, the multiple UAV current location data storage unit stores the current location information of all UAVs placed in the sensor field and provides it to the sensing information objective function calculation unit.

단계(270)에서, PSO(Particle Swam Optimization) 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부가 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용에서 요구되는 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수를 최대화할 수 있는 UAV의 위치를 도출한다. In step 270, the maximum overall objective function based on PSO (Particle Swam Optimization) UAV position calculation unit satisfies the constraints required for UAV network operation using the PSO algorithm and maximizes the calculated overall objective function. Derive the location of the UAV.

본 발명의 실시예에 따른 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부는 목적함수의 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하도록 하기 위해 PSO 알고리즘을 적용하여 탐색을 진행하고, 각 UAV의 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 최적 위치로 이동함에 있어서 새로운 이동 위치는 미리 정해진 조건들 만족하는 위치를 분류하여 최적 위치로 선정한다. The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit according to an embodiment of the present invention applies the PSO algorithm to reduce the amount of calculation of the objective function and enable real-time implementation, and performs a search in the current location according to the movement of each UAV. When moving to the next optimal location after completing sensing data acquisition, the new moving location is selected as the optimal location by classifying the location that satisfies predetermined conditions.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 센서 영역에 대해 격자 기반 3차원 지형도 및 모델을 나타내는 도면이다. Figure 3 is a diagram showing a grid-based 3D topographic map and model for the entire sensor area according to an embodiment of the present invention.

도 3(a)는 격자 기반 지형지도를 나타내고, 도 3(b)는 격자 셀의 3차원 좌표를 나타내는 도면이다. Figure 3(a) shows a grid-based topographic map, and Figure 3(b) shows the three-dimensional coordinates of grid cells.

본 발명의 실시예에 따른 원격의 서버는 센서 필드의 지형 지도를 이용하여 도 3(a)에서와 같은 격자 기반 지형지도를 구성한다. 전체 센서필드(311)는 의 3차원 공간에 정의되고, 센서필드의 센서 필드의 평면은 의 단위 크기를 가지는 격자 셀(312)로 구분된다. 3차원 전체 센서 필드 공간에서 비행금지 구역은 사전에 3차원 공간으로 정해진다. i 번째 격자 셀의 중심 점 (321)에 대응하는 지형의 높이를 zi라 하면 격자기반 지형 지도의 i 번째 격자 셀의 3차원 좌표는 (322)로 정의된다. 각 UAV는 센싱정보 획득을 위해 특정 위치에 정지할 때에는 정의된 격자들 중 하나의 격자 중심점 위에 위치하도록 한다. 이는 센싱정보 가치 등 최적위치 결정에 필요한 계산 량을 줄이기 위해서이다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서 UAV의 다음 센싱정보 획득을 위한 다음 위치가 위에 존재한다고 하면, 해당 k번째 UAV의 위치(323)는 로 정의된다. The remote server according to an embodiment of the present invention uses the topographic map of the sensor field to construct a grid-based topographic map as shown in FIG. 3(a). The entire sensor field 311 is is defined in the three-dimensional space of, and the sensor field of the sensor field The plane is It is divided into grid cells 312 with a unit size of . In the entire 3D sensor field space, the no-fly zone is determined in advance in 3D space. Center point of ith grid cell If z i is the height of the terrain corresponding to (321), the three-dimensional coordinates of the ith grid cell of the grid-based terrain map are It is defined as (322). When each UAV stops at a specific location to acquire sensing information, it is positioned on the center point of one of the defined grids. This is to reduce the amount of calculations required to determine the optimal location, including the value of sensing information. Therefore, in an embodiment of the present invention, the next location for obtaining the next sensing information of the UAV is If it exists above, the location (323) of the kth UAV is It is defined as

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 공간에서 무인 비행체의 위치에 따라 무인 비행체가 지상의 센서로부터 획득 가능한 센싱 데이터의 격자 영역인 UAV 센싱 커버리지를 나타내는 도면이다. Figure 4 is a diagram showing UAV sensing coverage, which is a grid area of sensing data that an unmanned aircraft can obtain from sensors on the ground according to the position of the unmanned aircraft in three-dimensional space according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 UAV의 다음 위치에 따라 지상의 센서들과 통신 가능한 영역이 결정된다. 도 4에서 k 번째 UAV()의 임의 위치(410)에서 지상의 센서들로부터 센싱정보를 획득하기 지향성 안테나를 사용하여 자신의 아이디(ID)를 포함하는 센싱정보 송신 요청 메시지를 방송한다. 이때 3차원 지향성 안테나의 각도는 (420)로 정의된다. 지상의 센서들과 상호 통신하기 위해서는 UAV와 지상의 센서와 UAV의 거리가 통신 최대거리 (430)보다 작아야 한다. 는 식 (1)로 결정된다.An area where communication is possible with sensors on the ground is determined according to the next location of the UAV according to an embodiment of the present invention. In Figure 4, the kth UAV ( ) To obtain sensing information from sensors on the ground at a random location 410, a directional antenna is used to broadcast a sensing information transmission request message including the user's ID. At this time, the angle of the 3D directional antenna is It is defined as (420). In order to communicate with sensors on the ground, the distance between the UAV and the sensors on the ground is the maximum communication distance. It must be smaller than (430). is determined by equation (1).

식 (1) Equation (1)

본 발명의 실시예에서 센서들은 지향성 안테나를 사용하는 것으로 한다. 또한 UAV와 센서 간의 통신은 자유공간(free space)에서 이루어지는 것으로 가정한다. 는 UAV에서 센서로의 최대 메시지 전달거리, 는 센서로부터 UAV로의 최대 메시지 전달 거리이다. 는 송신안테나 이득, 은 수신안테나 이득, 는 신호의 파장, 는 UAV의 송신 전력, 는 센서의 송신전력, 는 메시지 수신을 위한 최소로 요구되는 수신전력이다. 지상의 센서들이 존재하는 격자 셀 들 중에서 와 통신할 수 있는 격자 셀들의 집합을 커버리지()(440)로 정의한다. UAV 커버리지는 UAV의 위치, UAV 안테나 각도, 송수신 전력 요구조건에 따른 상호 통신거리, 지상의 지형형태에 따른 UAV와 센서 격자 셀 간의 LOS(Line of Sight) 지원 여부 등에 의해 결정된다. 본 발명의 모델에서는 지상 지형의 굴곡으로 특정 지상 지점이 UAV와 LOS가 확보되지 않으면 통신 품질이 열악하여 통신을 정상적으로 수행할 수 없다고 가정한다.In an embodiment of the present invention, sensors use directional antennas. Additionally, it is assumed that communication between the UAV and sensors takes place in free space. is the maximum message transmission distance from the UAV to the sensor, is the maximum message transmission distance from the sensor to the UAV. is the transmit antenna gain, is the receiving antenna gain, is the wavelength of the signal, is the transmit power of the UAV, is the transmission power of the sensor, is the minimum reception power required to receive a message. Among the grid cells where sensors on the ground exist, A set of grid cells that can communicate with Coverage ( ) is defined as (440). UAV coverage is determined by the location of the UAV, UAV antenna angle, mutual communication distance according to transmission and reception power requirements, and whether LOS (Line of Sight) is supported between the UAV and sensor grid cells according to the terrain type of the ground. In the model of the present invention, it is assumed that if the UAV and LOS are not secured at a specific ground point due to the curvature of the ground terrain, communication quality is poor and communication cannot be performed normally.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상의 임의 격자 셀이 특정 UAV의 센싱 커버리지에 포함되는지 여부를 검사하기 위한 단계들을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 5 is a diagram illustrating a process for performing steps to check whether a random grid cell on the ground is included in the sensing coverage of a specific UAV according to an embodiment of the present invention.

도 5(a)는 원뿔 영역에서 하단 원의 최대 길이를 계산하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 5(b)는 UAV 빔 각도 영역을 계산하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다. Figure 5(a) is a diagram for explaining the process for calculating the maximum length of the bottom circle in the cone area, and Figure 5(b) is a diagram for explaining the process for calculating the UAV beam angle area.

의 3차원 위치가 일 때, 본 발명에서 지상의 임의 격자 셀 커버리지 안에 있는지를 검사하는 과정은 다음과 같다. The 3D position of When, in the present invention, a random grid cell on the ground go The process of checking whether something is in coverage is as follows.

단계 1에서 최대 송수신 바닥 영역을 검사한다. UAV와 센서들 간의 통신을 위해 격자 셀 간의 거리는 식(1)의 보다 작아야 한다. 가 지향성 안테나 각도 를 사용할 때 최대 송수신 거리 내의 원뿔 영역에서 하단 원의 최대 길이 하단 (511)는 식(2)로 계산된다. In step 1 Check the maximum transmitting and receiving floor area. Grid cells for communication between UAVs and sensors and The distance between Equation (1) is It must be smaller than Directional antenna angle Maximum transmitting and receiving distance when using Maximum length of the bottom circle in the cone area within the bottom (511) is calculated using equation (2).

식(2) Equation (2)

평면에서, 격자 셀 의 중심점 의 위치 간의 거리 (512)가 보다 크면 커버리지의 바깥쪽에 위치하게 된다. 따라서 임의임 격자 셀 커버리지에 포함되려면 식(3)을 만족해야 한다. 도 5의 실시 예에서 는 식(3)을 만족하지 못해 커버지리 밖에 있다. In a plane, grid cells center point of class location of distance between (512) If it is bigger than It is located outside of coverage. Therefore, random grid cells go To be included in coverage, equation (3) must be satisfied. In the embodiment of Figure 5 does not satisfy equation (3) It is outside the coverage area.

식(3) Equation (3)

단계 2에서 최대 통신거리를 검사한다. 단계 1을 통과한 격자 셀들이 와의 최대 통신거리 내에 위치하는지를 검사한다. 와 단계 1을 통과한 임의 셀 와의 3차원 거리 (513)가 식(4)를 만족하는지를 검사한다. 만족하는 경우 격자 셀 의 커버리지 내에 있다. In step 2, check the maximum communication distance. Grid cells that passed stage 1 Check whether it is located within the maximum communication distance. and any cell that passed step 1 3D distance from Check whether (513) satisfies equation (4). grid cell if satisfied Is is within the coverage of.

식(4) Equation (4)

단계 3에서, UAV 빔 각도 영역을 검사한다. 단계 2을 통과한 격자 셀들이 의 지향성 안테나 각도 안에 위치하는지를 검사한다. 와 단계 2을 통과한 임의 셀 의 지상 중심중의 높이 에서의 안테나 방사 영역에서 UAV로 부터의 최대 거리 (521)를 식(5)로 구하고, 와 셀 와의 3차원 거리 (522)가 거리 보다 작은가를 검사한다. 또한 UAV의 지향성 안테나는 지상을 향하므로 격자 셀 의 높이는 UAV 높이보다 낮아야 한다. 따라서 식(6)을 만족해야 한다. In step 3, the UAV beam angle area is inspected. Grid cells that passed step 2 Check whether it is located within the directional antenna angle. and any cell that passed step 2 height of the center of the ground in Maximum distance from UAV in antenna radiation area (521) is obtained using equation (5), and cell 3D distance from 522 street Check whether it is smaller than . Additionally, since the UAV's directional antenna points toward the ground, the grid cell The height should be lower than the UAV height. Therefore, equation (6) must be satisfied.

식(5) Equation (5)

식(6) Equation (6)

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지상의 임의 격자 셀이 특정 UAV의 센싱 커버리지에 포함되는지 여부를 검사하기 위한 단계를 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a process for performing steps to check whether a random grid cell on the ground is included in the sensing coverage of a specific UAV according to an embodiment of the present invention.

단계 4에서 LOS를 검사한다. 단계 3을 통과한 격자 와의 최단 전파 경로에서 지형적 장애물 없이 통신할 수 있는가를 검사한다. 도 6과 같이 평면에서 (611)와 (612)를 직선으로 연결하는 선(613) 상의 모든 격자 셀 조합 (set of direct path cells between and )(613)에 있는 격자 셀 (614)이 검사 대상 격자 셀과 와의 LOS 직접 통신을 방해하는지를 조사한다. 격자 셀 간의 LOS 직선에서 조합에 있는 격자 셀 중심점 상공상의 점을 로 정의한다. 는 식(7)로 계산된다. Check LOS in step 4. Grid passed step 3 go Check whether communication is possible without geographical obstacles on the shortest propagation path. As shown in Figure 6 in a plane (611) and Combination of all grid cells on line 613 connecting 612 with a straight line (set of direct path cells between and )(613) grid cell 614 This is inspected grid cells and Investigate whether it interferes with direct LOS communication with . grid cells and In the LOS straight line between grid cells in combination node point of commerce It is defined as is calculated using equation (7).

식(7) Equation (7)

조합에 있는 격자 셀 의 높이 보다 낮으면 격자 셀 는 격자 셀 간 LOS 직접통신을 방해하지 않게 된다. 따라서 조합에 있는 모든 격자 셀 에 대하여 식(8)이 만족되면 격자 셀 의 커버리지 안에 있는 것으로 판단한다. grid cells in combination height of go If it is lower than the grid cell is a grid cell and It does not interfere with direct LOS communication. thus All grid cells in combination If equation (8) is satisfied for the grid cell Is It is judged to be within the coverage of .

식(8) Equation (8)

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 UAV에 대해 시간대별 센싱정보 획득 및 다음 최적위치로의 이동 방법을 나타내는 도면이다. Figure 7 is a diagram showing a method of acquiring sensing information for each time slot and moving to the next optimal location for one UAV according to an embodiment of the present invention.

도 7(a)는 하나의 UAV에 대해 시간대별 센싱정보 획득을 설명하기 위한 도면이고, 도 7(b)는 최적위치로의 이동을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 7(a) is a diagram for explaining the acquisition of sensing information for each time slot for one UAV, and FIG. 7(b) is a diagram for explaining movement to an optimal location.

본 발명의 실시예에 따른 가 현재 m번 이동하여 최적위치에 있을 때(701), 는 현재 위치에 머물면서 센싱 커버지리 안에 있는 모든 센서들로부터 센싱정보를 전송 받는다(702). 이때 소요되는 시간을 으로 정의한다. 가 센싱 커버리지 내의 센서들로부터 정보 수신을 완료하기 전에 원격의 서버는 의 다음 최적 센싱정보 획득 위치를 결정하여 에게 전달한다(703). 는 서버로부터 전달받은 (m+1) 번째 최적위치로 이동한다(704). 이때 UAV 이동에 필요한 시간은 로 정의한다. (m+1)번째 최적위치(705)에서 는 다시 커버리지 내의 센서들로부터 센싱정보를 획득한다. According to an embodiment of the present invention When is currently in the optimal position after moving m times (701), Stays at the current location and receives sensing information from all sensors within the sensing coverage area (702). The time it takes is It is defined as Before the remote server completes receiving information from sensors within its sensing coverage, the remote server By determining the next optimal sensing information acquisition location, Delivered to (703). moves to the (m+1)th optimal location received from the server (704). At this time, the time required to move the UAV is It is defined as At the (m+1)th optimal position (705) Again obtains sensing information from sensors within coverage.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 UAV들이 각각의 최적위치를 결정함에 있어 시간대 별 동작을 나타내는 도면이다.Figure 8 is a diagram showing the operation of a plurality of UAVs according to time slots in determining each optimal position according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 시간 단위 PSO를 이용한 최적위치 결정과 최적 위치 이동 후의 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.Figure 9 is a diagram showing the network structure after determining the optimal location and moving the optimal location using each time unit PSO according to an embodiment of the present invention.

도 8의 예시에서와 같이, 각 UAV는 비동기적으로 다음 최적 위치가 결정된다(810). As in the example of FIG. 8, the next optimal position for each UAV is determined asynchronously (810).

도 9를 참조하면, UAV들은 다음 위치로 이동 후(812)에도 기존 네트워크에 연결 가능하여야 하고, UAV 네트워크중의 최소한 한 UAV는 지상의 서버와 연결된 GBS(Ground Base Station)과 연결 가능하여야 한다.Referring to FIG. 9, UAVs must be able to connect to the existing network even after moving to the next location (812), and at least one UAV in the UAV network must be able to connect to a Ground Base Station (GBS) connected to a server on the ground.

본 발명에서 원격의 서버는 각 UAV의 다음 최적 위치를 결정하기 위해 목적함수를 정의하고 목적함수를 최대화하는 위치를 선정한다. 목적함수는 센싱가치 목적함수(fitness function), UAV 운용시간 목적함수, UAV 운용 에너지 소모 목적함수로 정의하고 세가지 목적함수를 가중치 합하여 전체 목적함수를 정의한다.In the present invention, a remote server defines an objective function to determine the next optimal location for each UAV and selects a location that maximizes the objective function. The objective function is defined as a sensing value objective function (fitness function), a UAV operation time objective function, and a UAV operation energy consumption objective function, and the overall objective function is defined by adding the weights of the three objective functions.

센싱가치 목적함수 계산 실시 예로, 에 대해 시간t에 (m+1) 번째 새로운 최적 센싱정보 획득 위치를 결정함에 있어, 특정 위치에서의 센싱 가치 목적함수(sensing value fitness function) 는 식(9)와 같이 의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보가치를 정규화한 값으로 정의된다. As an example of calculating the sensed value objective function, In determining the (m+1)th new optimal sensing information acquisition location at time t, the sensing value fitness function at a specific location is As shown in equation (9), It is defined as the normalized value of the sensing information value obtainable from all grid cells within the coverage of .

식(9) Equation (9)

의 커버리지 내에 있는 격자 셀들의 집합이다. 의 계산에 있어 의 커버리지 내에 있는 격자 셀들 중 현재 다른 UAV에 의해 이미 정보를 획득중인 격자 셀은 제외한다. 는 시간 에서 격자 셀 의 센서 타입 의 센싱 가치 함수 값이다. 가 m번째 현재 위치에서 목적함수를 평가하는 (m+1)번째 위치로의 추정 이동시간이다. 는 식 (10)으로 계산된다. 의 m번째 현재 위치에서 (m+1)번째 평가 위치 간의 거리이다. 는 UAV의 이동 속도이다는 센서 타입 의 격자 당 센서 수에 따른 가치 함수이다. 는 격자 셀 의 센서 타입 의 센서의 수이다. 는 센싱 가치 목적함수 정규화를 위한 정규화 값이다. 는 식(11)로 정의된다. 는 사전에 정의된 격자 셀의 크기 이다. Is It is a set of grid cells within the coverage of . In the calculation of Among the grid cells within the coverage, grid cells that are currently acquiring information by another UAV are excluded. is the time In grid cells sensor type is the value of the sensed value function. Is is the estimated travel time from the mth current location to the (m+1)th location where the objective function is evaluated. is calculated using equation (10). silver It is the distance between the mth current position and the (m+1)th evaluation position. is the movement speed of the UAV is the sensor type is a value function according to the number of sensors per grid. is a grid cell sensor type is the number of sensors. is the normalization value for normalizing the sensed value objective function. is defined as equation (11). is the size of the grid cell defined in advance.

식(10) Equation (10)

식(11) Equation (11)

식 (9)에서 함수는 시간에 따라 변화하는 센싱가치 함수이다. 센싱가치 함수는 UAV가 격자 셀 의 센서 타입 의 센서들로부터 센싱정보를 획득하였을 때 이전에 해당 격자 셀에서 동일 센서 타입을 언제 획득하였는지에 따라 그 센싱 가치가 변화함을 나타낸다. 센서 타입 별로 최대 센싱 가치 와 최소 센싱가치 이 사전에 정의되고 해당 셀에서 센서 타입 의 센싱정보가 전송되었다면, 동일 셀에서 동일 타입의 센싱정보 추가 획득에 따른 정보의 가치는 최소 센싱가치 으로 감소하게 되고 이후 시간이 흐르면서 최대 센싱 가치 까지 증가하게 된다. 본 발명의 실시 예에서 센싱 가치 함수 는 응용에 따라 지수함수, 선형함수, 로그함수 등으로 다양하게 설정될 수 있다. In equation (9) The function is a sensed value function that changes over time. The sensing value function is a UAV grid cell sensor type This indicates that when sensing information is obtained from sensors in , the sensing value changes depending on when the same sensor type was previously obtained in the corresponding grid cell. Maximum sensing value by sensor type and minimum sensing value This is defined in the dictionary and the sensor type in that cell If sensing information of is transmitted, the value of information resulting from additional acquisition of the same type of sensing information from the same cell is the minimum sensing value decreases to the maximum sensing value over time. increases until. Sensing value function in an embodiment of the present invention Depending on the application, can be set in various ways, such as an exponential function, linear function, or logarithmic function.

식(9)에서 은 센서 타입 의 격자 셀 당 센서 수에 따른 가치 함수이다. 격자 셀내에서 센서 타입 별 센서 수가 너무 적으면 개별 센서의 센싱 가치는 커지고, 반대로 센서의 수가 임계치 이상 많으면 각 센서의 센싱가치는 작아진다. 센서 타입 별로 센서 수에 따른 가치 함수 값은 사전에 설정된 사이에서 결정된다. 본 발명의 실시 예에서 센서 수에 따른 가치함수 은 응용에 따라 지수함수, 선형함수, 로그함수 등으로 다양하게 설정될 수 있다.In equation (9) Silver sensor type is a value function based on the number of sensors per grid cell. If the number of sensors for each sensor type within a grid cell is too small, the sensing value of each sensor increases, and conversely, if the number of sensors exceeds the threshold, the sensing value of each sensor decreases. The value function value according to the number of sensors for each sensor type is preset. class It is decided between Value function according to the number of sensors in an embodiment of the present invention can be set in various ways, such as an exponential function, linear function, or logarithmic function, depending on the application.

UAV 운용시간 목적함수 계산 실시 예로, 의 현재 m번째 위치에서 다음 (m+1)번째 위치에 대한 운용시간은 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간 ()과 다음위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간 의 합을 정규화 하여 식(12)를 이용하여 계산한다. 식(13)은 식(12) 계산에서 정규화를 위한 값이다. As an example of calculating the UAV operation time objective function, The operating time for the next (m+1)th location from the current mth location is the estimated travel time to move to the next location ( ) and the estimated time to acquire sensing information from sensors within coverage while staying at the next location. The sum is normalized and calculated using equation (12). Equation (13) is the value for normalization in calculating Equation (12).

식(12) Equation (12)

식(13) Equation (13)

평가를 위한 (m+1)번째 위치에서 의 커버리지 내의 모든 센서로부터 센싱정보를 전송 받는 추정시간 은 식(12)에서와 같이 커버리지 내의 모든 격자 셀 의 모든 센서 타입 의 센서 수 에 대해 센싱정보 패킷을 수신하기 위해 필요한 시간의 합이 된다. 는 센서 타입 의 한 개의 센싱정보 패킷을 수신 받는데 필요한 평균 지연시간이다. 이 값은 UAV와 센서와의 통신을 위한 프로토콜 구현 사항에 따라 사전에 결정된다. 는 격자 셀 의 센서 타입 패킷 전송시의 평균 패킷 전송 오류 확률이다. 의 (m+1)번째 위치에서 격자 셀 와 거리를 이용하여 추정한 자유공간 신호 대 잡음 비(SNR)을 이용하여 추정한다. 식(12)와 식(13)에서의 값은 주어진 패킷 오류 확률에서 성공적인 패킷 전송까지 수행한 평균 패킷 전송 횟수이다. 정규화를 위한 식(13)에서 는 UAV 운용시간 목적함수 정규화 파라미터로 사전에 설정된다. 는 센서 필드에 운용중인 전체 UAV의 수이다. 는 센서 필드에서UAV와 센서 격자 셀에 대한 가능한 거리 조합의 평균거리에서의 SNR을 이용하여 추정된 평균 패킷 오류 확률로 정의한다. At the (m+1)th position for evaluation Estimated time to receive sensing information from all sensors within coverage is all grid cells within the coverage as in equation (12) All sensor types number of sensors It is the sum of the time required to receive the sensing information packet. is the sensor type This is the average delay time required to receive one sensing information packet. This value is predetermined depending on the protocol implementation for communication between the UAV and the sensor. is a grid cell sensor type This is the average packet transmission error probability during packet transmission. silver grid cell at the (m+1)th position of It is estimated using the free space signal-to-noise ratio (SNR) estimated using the distance. In equations (12) and (13), The value is the average number of packet transmissions from a given packet error probability to a successful packet transmission. In equation (13) for normalization, is preset as the UAV operation time objective function normalization parameter. is the total number of UAVs operating in the sensor field. is defined as the average packet error probability estimated using the SNR at the average distance of the possible distance combinations for the UAV and sensor grid cells in the sensor field.

UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산 실시 예로, 의 현재 m번째 위치에서 다음 (m+1)번째 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모는 다음 위치로의 이동을 위한 식(14)의 UAV 이동 비행 에너지 , 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 식(15)의 UAV정지 비행 에너지 , 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 식(16)의 UAV 통신 에너지 의 합을 정규화 한 식(17)의 목적함수로 정의한다. 식(18)은 식(17) 계산에서 정규화를 위한 값이다. As an example of calculating the UAV operation energy consumption objective function, The operational energy consumption for the next (m+1)th evaluation position from the current mth position is the UAV movement flight energy in equation (14) for movement to the next position. , UAV stationary flight energy in Equation (15) for the UAV to fly stationary to acquire sensing information at the next location. , UAV communication energy in equation (16) for communication between UAV and sensors to acquire sensing information at the next location. The sum of is defined as the objective function of equation (17), which is normalized. Equation (18) is the value for normalization in calculating Equation (17).

식(14) Equation (14)

식(15) Equation (15)

식(16) Equation (16)

식(17) Equation (17)

식(18) Equation (18)

은 UAV의 이동 비행에 필요한 초당 단위 에너지이다. 는 UAV의 정지 비행에 필요한 초당 단위 에너지이다. 는 센서 타입 의 패킷 전송 당 필요한 통신 단위 에너지이다. 식(18)의 는 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 정규화 파라미터로 사전에 설정된다. is the unit energy per second required for mobile flight of the UAV. is the unit energy per second required for stationary flight of the UAV. is the sensor type is the communication unit energy required per packet transmission. In equation (18) is preset as the UAV operation energy consumption objective function normalization parameter.

최종적으로 UAV의 다음 이동위치를 결정하는 전체 목적함수는 식(19)와 같이 센싱가치 목적함수 , UAV 운용 시간 목적함수 , UAV 운용 에너지 소모 목적함수 의 가중치 합으로 정의된다. 전체 목적함수는 센싱가치 목적함수를 최대화 하고, UAV 운용시간 목적함수와 UAV 운용에너지 소모 목적함수는 최소화 하는 것을 목적으로 한다. 식(19)의 각 목적함수의 가중치 값 는 UAV를 이용한 센서네트워크 응용에 따라 운용자에 의해 결정된다.Ultimately, the overall objective function that determines the next movement location of the UAV is the sensing value objective function as shown in Equation (19). , UAV operation time objective function , UAV operation energy consumption objective function It is defined as the weighted sum of . The overall objective function aims to maximize the sensing value objective function and minimize the UAV operation time objective function and UAV operation energy consumption objective function. Weight value of each objective function in equation (19) is determined by the operator according to the sensor network application using UAV.

식(19) Equation (19)

현재 위치에서 다음 위치로의 이동이 필요한 UAV에 대해 센서 필드내의 3차원 공간에서 식(19)의 전체 목적함수를 최대화하는 위치를 계산한다. 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하게 하기 위해 PSO(Particle Swam Optimization) 알고리즘을 적용하여 탐색을 빠르게 진행한다. 각 UAV의 m-번째 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 (m+1)번째 최적 위치로 이동함에 있어 새로운 이동 위치는 다음의 조건들을 필수적으로 만족하여야 하며 아래의 조건을 만족하지 않는 위치는 최적 위치 선정의 고려대상에서 제외한다:For a UAV that needs to move from the current position to the next position, the position that maximizes the overall objective function of equation (19) is calculated in the three-dimensional space within the sensor field. In order to reduce the amount of calculation and enable real-time implementation, the PSO (Particle Swam Optimization) algorithm is applied to speed up the search. When moving to the next (m+1)th optimal location after completing the acquisition of sensing data from the current location according to the m-th movement of each UAV, the new movement location must necessarily satisfy the following conditions and must not satisfy the conditions below. Locations that do not work are excluded from consideration for optimal location selection:

조건1: UAV의 위치는 정의된 3차원 센서필드 내에 위치해야 한다Condition 1: The location of the UAV is a defined 3D sensor field. must be located within

조건 2: UAV의 평면 좌표는 미리 정의된 평면 격자 셀 중 하나의 중심에 위치하여야 한다.Condition 2: UAV's Plane coordinates are predefined It must be located in the center of one of the planar grid cells.

조건 3: UAV의 높이는 UAV의 평면 위치에 있는 격자 셀의 지상 높이 보다 높아야 한다. Condition 3: The height of the UAV is It must be higher than the ground level of the grid cells in a flat position.

조건 4: UAV의 3차원 위치는 사전에 정의된 비행금지구역에 포함되지 않아야 한다.Condition 4: The 3D position of the UAV must not fall within a predefined no-fly zone.

조건 5: 만약 다른 UAV 들이 서버가 연결된 지상 기지국 (GBS)과 직접 통신이 불가능한 위치에 있을 때에는 위치 이동이 필요한 UAV의 다음 위치는 지상 기지국가 통신이 가능한 범위 내에 위치하여야 한다.Condition 5: If other UAVs are in a location where direct communication with the ground base station (GBS) to which the server is connected is impossible, the next location of the UAV that needs to move must be located within the range where communication with the ground base station is possible.

조건 6: UAV의 위치는 다른 UAV 중 최소한 하나의 UAV와 직접통신이 가능한 범위내에 있어야 한다.Condition 6: The location of the UAV must be within a range that allows direct communication with at least one UAV among other UAVs.

본 발명의 PSO를 이용한 실시예에서 의 m번째 이동에 따른 현재 위치를 라고 하고, PSO 파티클(particle)의 수를 라 할 때, 다음 위치의 전체 목적함수 평가를 위한 파티클 번째 이터레이션 (iteration)의 UAV 위치와 파티클의 속도는 각각 로 정의한다. PSO 알고리즘에서 파티클 번째 이터레이션의 파티클 이동속도는 식(20)으로 계산된다.In an embodiment using the PSO of the present invention The current position according to the mth movement of and the number of PSO particles is When , particles for evaluating the entire objective function at the following positions of The UAV position and particle speed of the first iteration are respectively and It is defined as Particles in the PSO algorithm of The particle movement speed of the first iteration is calculated using equation (20).

식(20) Equation (20)

는 가중치 값, 는 0~1사이의 랜덤 값, 는 파티클 최대값(particle best)과 글로벌 최대값(global best)에 사용되는 가중치이다. 는 이터레이션 까지 파티클 의 움직임 중 식(19)를 최대화 하는 파티클 최대 값이다. 는 이터레이션 까지 모든 파티클 움직임 중 식(19)를 최대화하는 글로벌 최대 값이다. 파티클 의 다음 위치는 식(21)로 업데이트 된다. is the weight value, class is a random value between 0 and 1, class is the weight used for the particle best and global best. is an iteration particles until This is the particle maximum value that maximizes Equation (19) during the movement of . is an iteration It is the global maximum value that maximizes Equation (19) among all particle movements up to . particle The next position of is updated as equation (21).

식(21) Equation (21)

PSO를 이용한 UAV의 다음 최적 이동위치는 사전에 정의된 이터레이션 수 후의 글로벌 최대값으로 결정된다.The next optimal movement position of the UAV using PSO is determined by the global maximum value after a predefined number of iterations.

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, FPGA(field programmable gate 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 with hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA), etc. , may be implemented using one or more general-purpose or special-purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications that run on the operating system. Additionally, a processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For ease of understanding, a single processing device may be described as being used; however, those skilled in the art will understand that a processing device includes multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, a processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

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.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing unit to operate as desired, or may be processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be used on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device to be interpreted by or to provide instructions or data to a processing device. It can be embodied in . Software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on 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 on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. 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 computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.

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 limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

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

Claims (7)

미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 UAV 커버리지(coverage) 계산부;
상기 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 센싱가치 목적함수 계산부 -상기 센싱정보의 가치는 센싱정보를 획득한 센서 타입 및 이전 센싱정보를 획득한 후로부터의 경과 시간을 포함하는 센싱정보 획득 환경에 따라 변화하는 센싱정보에 대한 효율성을 의미함-;
해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수의 평가 값을 계산하는 UAV 운용시간 목적함수 계산부;
해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수의 평가 값을 계산하는 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부;
PSO(Particle Swam Optimization) 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용을 위한 미리 정해진 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수의 평가 값이 최대값을 갖도록 하는 UAV의 위치를 도출하는 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부 -상기 UAV 네트워크 운용을 위한 미리 정해진 제약조건은 센싱정보 획득을 위한 UAV 운용시간, 센싱정보획득 및 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 운용 에너지를 포함함-;
상기 UAV 커버리지 계산부를 통해 계산된 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위에 따라 상기 센싱가치 목적함수 계산부에 제공하기 위한 상기 이전 센싱정보를 획득한 후로부터의 경과 시간 및 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱격자 별 센싱가치를 계산하는 센싱격자 별 센싱가치 계산부; 및
센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 상기 센싱가치 목적함수 계산부에 제공하는 복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부를 포함하는 무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템.
Using information about the pre-stored sensor deployment map, 3D terrain map, and 3D no-fly zone map, communication is possible at the next location of the UAV to calculate the evaluation value of the overall objective function for the candidates for the UAV's next sensing information acquisition location. A UAV coverage calculation unit that calculates the range of sensor area grids;
A sensing value objective function calculation unit that calculates the value of sensing information obtainable from sensors within the UAV coverage at the location next to the calculated UAV - The value of the sensing information is determined by the type of sensor that obtained the sensing information and the type of sensor that obtained the previous sensing information. It refers to the efficiency of sensing information that changes depending on the sensing information acquisition environment, including the elapsed time since -;
A UAV operation time objective function calculation unit that calculates an evaluation value of the objective function by estimating the flight time required to move the UAV from the current location to the next location and the time required to acquire sensing information at the next location;
A UAV operation energy consumption objective function calculation unit that calculates the evaluation value of the objective function by estimating the energy required to move the UAV from the current location to the next location and the energy required to acquire sensing information at the next location;
Maximum PSO-based overall objective function that uses the PSO (Particle Swam Optimization) algorithm to derive the position of the UAV that satisfies predetermined constraints for UAV network operation and ensures that the evaluation value of the calculated overall objective function has the maximum value. Value UAV location calculation unit - Predetermined constraints for the UAV network operation include UAV operation time for acquiring sensing information, UAV operation energy for acquiring sensing information and moving to the next location -;
The elapsed time since acquiring the previous sensing information to be provided to the sensing value objective function calculation unit according to the range of the sensor area grids communicable at the location next to the UAV calculated through the UAV coverage calculation unit and for each sensing grid A sensing value calculation unit for each sensing grid that calculates the sensing value for each sensing grid according to the sensor type; and
An optimal movement path and sensing information acquisition system for an unmanned aerial vehicle, including a multiple UAV current location data storage unit that stores the current location information of all UAVs placed in the sensor field and provides the current location information to the sensing value objective function calculation unit.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 센싱가치 목적함수 계산부는 UAV의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 정규화된 값로 나타내기 위한 센싱 가치 목적함수로 정의하고,
상기 UAV 운용시간 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 위치에 대한 운용시간을 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간과 다음 위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간의 합을 정규화된 값로 나타내기 위한 UAV 운용시간 목적함수로 정의하고,
상기 UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부는 현재 위치에서 다음 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모를 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 이동 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 UAV정지 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 UAV 통신 에너지의 합을 정규화된 값로 나타내기 위한 UAV 운용 에너지 소모 목적함수로 정의하는
무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템.
According to paragraph 1,
The sensing value objective function calculation unit defines a sensing value objective function to represent the value of sensing information obtainable from all grid cells within the coverage of the UAV as a normalized value,
The UAV operating time objective function calculation unit normalizes the operating time from the current location to the next location by calculating the sum of the estimated travel time for moving to the next location and the estimated time to acquire sensing information from sensors within coverage while staying at the next location. Define the UAV operation time objective function to express it as a value,
The UAV operation energy consumption objective function calculation unit calculates the operation energy consumption for the next evaluation location from the current location to the UAV movement flight energy for moving to the next location, and the UAV stop for the UAV to stop and fly to acquire sensing information at the next location. Flight energy, defined as a UAV operation energy consumption objective function to express the sum of UAV communication energy as a normalized value for communication between the UAV and sensors to obtain sensing information at the next location
Optimal movement path and sensing information acquisition system for unmanned aerial vehicles.
제1항에 있어서,
상기 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부는,
목적함수의 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하도록 하기 위해 PSO 알고리즘을 적용하여 탐색을 진행하고, 각 UAV의 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 최적 위치로 이동함에 있어서 새로운 이동 위치는 센싱가치 목적함수, UAV 운용시간 목적함수 및 UAV 운용 에너지 소모 목적함수의 평가 값이 최대값을 갖도록 하는 위치를 최적 위치로 선정하는
무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 시스템.
According to paragraph 1,
The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit,
In order to reduce the amount of calculation of the objective function and enable real-time implementation, the PSO algorithm is applied to conduct the search, and after completing the acquisition of sensing data at the current position according to the movement of each UAV, when moving to the next optimal position, the new moving position is sensed. The optimal location is selected so that the evaluation values of the value objective function, UAV operation time objective function, and UAV operation energy consumption objective function have the maximum value.
Optimal movement path and sensing information acquisition system for unmanned aerial vehicles.
UAV 커버리지 (coverage) 계산부가 미리 저장된 센서 배치 지도, 3차원 지형지도, 3차원 비행 금지구역 지도에 관한 정보를 이용하여 UAV의 다음 센싱정보 획득 위치 후보들에 대한 전체 목적함수의 평가 값을 계산하기 위해 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위를 계산하는 단계;
센싱가치 목적함수 계산부가 계산된 UAV 다음 위치에서의 UAV 커버리지 내의 센서들로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 계산하는 단계-상기 센싱정보의 가치는 센싱정보를 획득한 센서 타입 및 이전 센싱정보를 획득한 후로부터의 경과 시간을 포함하는 센싱정보 획득 환경에 따라 변화하는 센싱정보에 대한 효율성을 의미함-;
UAV 운용시간 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 비행시간과 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 시간을 추정하여 목적함수의 평가 값을 계산하는 단계;
UAV 운용 에너지 소모 목적함수 계산부가 해당 UAV의 현재 위치에서 다음 위치로의 이동에 필요한 에너지와 다음 위치에서 센싱정보를 획득하기 위해 필요한 에너지를 추정하여 목적함수의 평가 값을 계산하는 단계;
센싱격자 별 센싱가치 계산부가 상기 UAV 커버리지 계산부를 통해 계산된 UAV 다음 위치에서의 통신 가능한 센서 영역 격자들의 범위에 따라 센싱가치 목적함수 계산부에 제공하기 위한 상기 이전 센싱정보를 획득한 후로부터의 경과 시간 및 각 센싱 격자 별 센서 타입에 따른 센싱격자 별 센싱가치를 계산하는 단계;
복수 UAV 현재 위치 데이터 저장부가 센서 필드에 배치된 모든 UAV들의 현재 위치 정보를 저장하고 센싱가치 목적함수 계산부에 제공하는 단계; 및
PSO(Particle Swam Optimization) 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부가 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용을 위한 미리 정해진 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수의 평가 값이 최대값을 갖도록 하는 UAV의 위치를 도출하는 단계 -상기 UAV 네트워크 운용을 위한 미리 정해진 제약조건은 센싱정보 획득을 위한 UAV 운용시간, 센싱정보획득 및 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 운용 에너지를 포함함-
를 포함하는 무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법.
The UAV coverage calculation unit uses information about the pre-stored sensor deployment map, 3D terrain map, and 3D no-fly zone map to calculate the evaluation value of the entire objective function for the candidates for the UAV's next sensing information acquisition location. calculating a range of communicable sensor area grids at a location next to the UAV;
A step in which the sensing value objective function calculation unit calculates the value of sensing information obtainable from sensors within the UAV coverage at a location next to the calculated UAV - the value of the sensing information is determined by the type of sensor that obtained the sensing information and the type of sensor that obtained the previous sensing information. It refers to the efficiency of sensing information that changes depending on the sensing information acquisition environment, including the elapsed time since -;
A UAV operating time objective function calculation unit calculating an evaluation value of the objective function by estimating the flight time required to move the UAV from the current location to the next location and the time required to acquire sensing information at the next location;
A step where the UAV operation energy consumption objective function calculation unit calculates an evaluation value of the objective function by estimating the energy required to move the UAV from the current location to the next location and the energy required to acquire sensing information at the next location;
Elapsed time since the sensing value calculation unit for each sensing grid acquired the previous sensing information to provide to the sensing value objective function calculation unit according to the range of the communicationable sensor area grids at the location next to the UAV calculated through the UAV coverage calculation unit. Calculating the sensing value for each sensing grid according to time and sensor type for each sensing grid;
A plurality of UAV current location data storage units storing the current location information of all UAVs placed in the sensor field and providing the information to a sensing value objective function calculation unit; and
PSO (Particle Swam Optimization)-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit satisfies predetermined constraints for UAV network operation using the PSO algorithm, and the evaluation value of the calculated overall objective function has the maximum value. Step of deriving the location - Predetermined constraints for the UAV network operation include UAV operation time for acquiring sensing information, UAV operation energy for acquiring sensing information and moving to the next location -
Method for obtaining optimal movement path and sensing information of unmanned aerial vehicle, including.
제5항에 있어서,
상기 센싱 가치 목적함수는, UAV의 커버리지 내의 모든 격자 셀로부터 획득 가능한 센싱정보의 가치를 정규화된 값로 나타내기 위한 목적함수로 정의하고,
상기 UAV 운용시간 목적함수는, 현재 위치에서 다음 위치에 대한 운용시간을 다음 위치로의 이동을 위한 추정 이동시간과 다음 위치에서 머물면서 커버리지 내의 센서들로부터의 센싱정보 획득 추정시간의 합을 정규화된 값로 나타내기 위한 목적함수로 정의하고,
UAV 운용 에너지 소모 목적함수는 현재 위치에서 다음 평가 위치에 대한 운용 에너지 소모를 다음 위치로의 이동을 위한 UAV 이동 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV가 정지 비행하기 위한 UAV정지 비행 에너지, 다음 위치에서의 센싱정보 획득을 위해 UAV와 센서들과의 통신을 위한 UAV 통신 에너지의 합을 정규화된 값로 나타내기 위한 목적함수로 정의하는
무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법.
According to clause 5,
The sensing value objective function is defined as an objective function to express the value of sensing information obtainable from all grid cells within the coverage of the UAV as a normalized value,
The UAV operating time objective function is the normalized sum of the operating time from the current location to the next location, the estimated travel time to move to the next location, and the estimated time to acquire sensing information from sensors in coverage while staying at the next location. Define an objective function to express it as a value,
The UAV operation energy consumption objective function is the operation energy consumption for the next evaluation location from the current location, the UAV moving flight energy for moving to the next location, and the UAV stationary flight energy for the UAV to fly stationary to acquire sensing information at the next location. , defined as an objective function to express the sum of UAV communication energy as a normalized value for communication between the UAV and sensors to obtain sensing information at the next location.
Optimal movement path and sensing information acquisition method for unmanned aerial vehicles.
제5항에 있어서,
상기 PSO 기반 전체 목적함수 최대값 UAV 위치 계산부가 PSO 알고리즘을 이용하여 UAV 네트워크 운용을 위한 미리 정해진 제약조건을 만족하고, 상기 계산된 전체 목적함수의 평가 값이 최대값을 갖도록 하는 UAV의 위치를 도출하는 단계는,
목적함수의 계산량을 줄이고 실시간 구현이 가능하도록 하기 위해 PSO 알고리즘을 적용하여 탐색을 진행하고, 각 UAV의 이동에 따른 현재 위치에서 센싱 데이터 획득이 끝난 후 다음 최적 위치로 이동함에 있어서 새로운 이동 위치는 센싱가치 목적함수, UAV 운용시간 목적함수 및 UAV 운용 에너지 소모 목적함수의 평가 값이 최대값을 갖도록 하는 위치를 최적 위치로 선정하는
무인 비행체의 최적 이동경로 및 센싱정보 획득 방법.
According to clause 5,
The PSO-based overall objective function maximum value UAV position calculation unit uses the PSO algorithm to derive the position of the UAV that satisfies predetermined constraints for UAV network operation and ensures that the evaluation value of the calculated overall objective function has the maximum value. The steps are:
In order to reduce the amount of calculation of the objective function and enable real-time implementation, the PSO algorithm is applied to conduct the search, and after completing the acquisition of sensing data at the current position according to the movement of each UAV, when moving to the next optimal position, the new moving position is sensed. The optimal location is selected so that the evaluation values of the value objective function, UAV operation time objective function, and UAV operation energy consumption objective function have the maximum value.
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