KR20230095274A - 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법 - Google Patents

무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법 Download PDF

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KR20230095274A KR1020210184591A KR20210184591A KR20230095274A KR 20230095274 A KR20230095274 A KR 20230095274A KR 1020210184591 A KR1020210184591 A KR 1020210184591A KR 20210184591 A KR20210184591 A KR 20210184591A KR 20230095274 A KR20230095274 A KR 20230095274A
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Abstract

본 발명은 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법에 관한 것으로, 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기는 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하는 임무 정보 수신부, 상기 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 상기 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성하는 목표물 타격 순서 생성부 및 상기 임무 정보 수신부에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 상기 목표물 타격 순서 생성부에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로, 상기 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 상기 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 상기 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성하는 최단 타격 경로 생성부를 포함한다.

Description

무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법{AUTONOMOUS FLIGHT CONTROLLER GENERATING SHORTEST TARGET INTERCEPT TRAJECTORY FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE AND AUTONOMOUS FLIGHT CONTROLLING METHOD GENERATING SHORTEST TARGET INTERCEPT TRAJECTORY}
본 발명은 무인 비행체의 자율비행 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목표물에 대한 타격 임무를 수행하는 무인 비행체가 효율적인 타격 임무를 수행할 수 있도록 최단 타격 경로를 생성하여 제공하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 적대적 세력에 대한 공대지 공격(Air to Ground Strike) 임무를 수행하는 비행체는 적대적 세력과 근접하여 비행을 해야하는 상황을 요구받는다. 따라서, 공대지 공격 임무를 수행하는 비행체는 적대적 세력의 방공 자산에 의해 공격 위협을 받을 가능성이 높다. 이는 비행체가 파괴되는 물적 피해뿐만 아니라, 해당 비행체에 탑승하는 승무원과 조종사의 목숨을 위협하는 인명 피해까지 일으킬 수 있다. 따라서, 임무 수행시 발생할 수 있는 인명 피해를 방지하기 위해, 공대지 공격 임무를 수행할 수 있는 자율 비행 무인 비행체의 필요성이 대두되고 있으며, 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
공대지 공격 임무는 하늘을 비행하는 비행체가 지상의 목표물을 타격하는 임무이다. 무인 비행체가 해당 임무를 안전하게 수행하기 위해서는, 무인 비행체가 지상의 목표물을 조준하고 무장을 투하하기 위한 적절한 비행 경로를 계획할 필요가 있다. 즉, 무인 비행체가 해당 임무를 수행하는 과정에서 적대적 세력의 위협에 노출되는 시간을 최소화하기 위해서 최단의 비행 경로를 계획할 필요가 있다. 또한, 한번의 공격 임무에서 무인 비행체가 타격해야 하는 목표물이 다수가 있을 수 있으므로, 다수의 타격 목표물에 대해 연속적인 타격을 수행하기 위한 비행 경로가 필요한 경우도 있다.
그러나, 자율 비행 무인 비행체가 공대지 공격 임무를 안전하게 수행할 수 있는 최단 타격 경로를 계획하는 기술은 아직까지 제시된 바가 없다.
한국등록특허 제10-2239444호 (2021.04.07)
본 발명의 일 실시예는 자율 비행 무인 비행체가 적대적 세력의 위협에 노출되는 시간을 최소화하고 다수의 목표물을 타격할 수 있는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 타격 경로를 생성하는데 걸리는 시간을 줄여서 긴급한 상황에서도 타격 임무를 수행할 수 있는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기는 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하는 임무 정보 수신부, 상기 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 상기 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성하는 목표물 타격 순서 생성부 및 상기 임무 정보 수신부에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 상기 목표물 타격 순서 생성부에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로 상기 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 상기 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 상기 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성하는 최단 타격 경로 생성부를 포함한다.
상기 임무 정보 수신부는 상기 무인 비행체에 대한 최소 회전 반경, 조준 가능 거리 및 무장 투하 가능 거리를 포함하는 무인 비행체 정보를 수신할 수 있다.
상기 최단 타격 경로 생성부는 각 타격 순서 조합마다 최단 타격 경로를 생성하여 해당 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하고, 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력할 수 있다.
상기 최단 타격 경로 생성부는 해당 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하고, 상기 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하고, 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장할 수 있다.
상기 최단 타격 경로 생성부는 하기 수학식 1을 만족하는 경로를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서, fobj()은 목적 함수(objective function),
Figure pat00002
는 각 타격 목표물에 대한 진입각 벡터(vector of target intercept entry angels),
Figure pat00003
는 타격 목표물에 대한 진입각, n은 타격 목표물의 개수
상기 최단 타격 경로 생성부는 상기 무인 비행체가 회전시에는 최소 회전 반경 이상으로 회전하되, 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각 방향으로 상기 타격 목표물로부터 조준 가능 거리만큼 떨어진 조준 시작 지점 및 상기 타격 진입각 방향으로 상기 타격 목표물로부터 무장 투하 가능 거리만큼 떨어진 무장 투하 지점을 직선으로 지나는 타격 경로를 생성할 수 있다.
상기 자율비행 제어기는 상기 타격 목표물에 대한 타격 임무를 수행할 타격 임무 영역에 진입하기까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협(threat) 영역을 회피하여 안전 영역에서 상기 타격 임무 영역까지 진입(ingress)하는 진입 경로를 생성하는 진입 경로 생성부 및 상기 타격 임무를 종료하고 상기 타격 임무 영역에서 안전 영역까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협 영역을 회피하여 상기 타격 임무 영역에서 상기 안전 영역까지 탈출(egress)하는 탈출 경로를 생성하는 탈출 경로 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 각 위협 영역은 위협 영역 중심으로부터 거리를 기초로 최대 위협 거리와 방사형 기저 함수(Radial Basis Function)에 따라 위협을 수치화한 영역으로 정의될 수 있다.
상기 각 위협 영역은 하기 수학식 2를 통해 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
여기에서,
Figure pat00005
는 위협 영역의 안쪽에서 위협의 수치를 나타내는 함수(Function of threat distribution in the inner domain of threat), R은 반경 거리(Radial distance), Rmax는 최대 위협 거리(Radial distance of maximum threat reach), Sthreat는 중심에서의 위협의 수치(strength of the threat center),
Figure pat00006
는 RBP 모양 요소(RBF shape factor),
Figure pat00007
는 방사형 기저 함수(RBF)
실시예들 중에서, 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법은 임무 정보 수신부가 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하는 단계, 목표물 타격 순서 생성부가 상기 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 상기 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성하는 단계 및 최단 타격 경로 생성부가 상기 임무 정보 수신부에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 상기 목표물 타격 순서 생성부에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로 상기 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 상기 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 상기 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 최단 타격 경로 생성하는 단계는 각 타격 순서 조합마다 최단 타격 경로를 생성하여 해당 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하는 단계 및 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하는 단계는 해당 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하는 단계, 상기 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하는 단계 및 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법은 자율 비행 무인 비행체가 적대적 세력의 위협에 노출되는 시간을 최소화하고 다수의 목표물을 타격할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기 및 이를 이용한 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법은 타격 경로를 생성하는데 걸리는 시간을 줄여서 긴급한 상황에서도 타격 임무를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 지형도에 분포된 위협 영역을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 최단 타격 경로 생성부에서 수행되는 타격 경로 생성 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 무인 비행체의 타격 임무를 위한 최단 타격 경로를 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 회전익 무인 비행체가 도 1의 최단 타격 경로 생성부를 통해 생성된 최단 타격 경로를 따라 비행하는 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7은 도 6의 최단 타격 경로를 생성하는 단계를 상세히 설명하는 순서도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기(100)는 진입 경로(ingress path) 생성부(110), 임무 정보 수신부(120), 목표물 타격 순서 생성부(130), 최단 타격 경로 생성부(140) 및 탈출 경로(egress path) 생성부(150)를 포함할 수 있다.
자율 비행하는 무인 비행체를 이용하여 타격 목표물을 공격하는 임무는 크게 안전 영역에서 타격 임무 영역까지 안전하게 진입(ingress)하는 진입 임무, 타격 임무 영역에 위치하는 적어도 하나 이상의 타격 목표물을 타격하는 타격 임무 및 타격 임무를 종료하고 타격 임무 영역에서 안전 영역까지 안전하게 탈출(egress)하는 탈출 임무로 구성될 수 있다.
진입 임무는 무인 비행체가 안전 영역에서 출발하여 타격 임무 영역에 진입하기까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협(threat) 영역을 회피하여 안전하게 타격 임무 영역에 도달하는 것이 중요하다. 또한, 탈출 임무는 무인 비행체가 타격 임무 영역에서 출발하여 안전 영역으로 탈출하기까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협(threat) 영역을 회피하여 안전하게 안전 영역에 도달하는 것이 중요하다.
진입 경로 생성부(110)는 무인 비행체가 진입 임무를 수행하기 위한 진입 경로를 생성한다. 일 실시예에서, 진입 경로 생성부(110)는 무인 비행체가 타격 목표물에 대한 타격 임무를 수행할 타격 임무 영역에 진입하기까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협(threat) 영역을 회피하여 안전 영역에서 타격 임무 영역까지 진입(ingress)하는 진입 경로를 생성한다. 예를 들어, 위협은 적대적 세력의 방공 자산에 의해 무인 비행체에 가해질 수 있는 위협에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 각 위협 영역은 적대적 세력의 방공 자산이 위치하는 위협 영역의 중심으로부터 거리를 기초로 최대 위협 거리와 방사형 기저 함수(RBF, Radial Basis Function)에 따라 위협을 수치화한 영역으로 정의될 수 있다. 최대 위협 거리를 벗어나면 위협은 사라지므로, 무인 비행체가 최대 위협 거리를 벗어나는 경우 위협 수치는 0일 수 있다.
일 실시예에서, 각 위협 영역은 하기 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00008
여기에서,
Figure pat00009
는 위협 영역의 안쪽에서 위협의 수치를 나타내는 함수(Function of threat distribution in the inner domain of threat), R은 반경 거리(Radial distance), Rmax는 최대 위협 거리(Radial distance of maximum threat reach), Sthreat는 중심에서의 위협의 수치(strength of the threat center),
Figure pat00010
는 RBP 모양 요소(RBF shape factor),
Figure pat00011
는 방사형 기저 함수(RBF)를 나타낸다.
수학식 1의 방사형 기저 함수(RBF)는 하기 수학식 2에 기재된 함수 가운데 하나로 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00012
예를 들어, 진입 경로 생성부(110)는 가우시안 방사형 기저 함수(RBF,
Figure pat00013
)를 갖는 수학식 1을 위협 영역으로 정의할 수 있다.
도 2는 지형도에 분포된 위협 영역을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2는 X축 방향으로 12Km, Y측 방향으로 12Km, Z축 방향으로 -2Km에서 2Km까지 범위를 갖는 영역의 지형도에 눌린 구형의 위협 영역이 5개 설정되어 있는 것을 나타내는 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 진입 경로 생성부(110)는 안전 영역에서 타격 임무 영역 사이에 수학식 1과 같이 정의된 위협 영역이 적어도 하나 이상 분포된 것으로 설정하고, 무인 비행체가 위협 영역을 회피하여 타격 임무 영역까지 진입할 수 있는 진입 경로를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 위협 영역의 개수와 중심 위치는 사용자에 의해 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 진입 경로 생성부(110)는 RRT(Rapidly-exploring Random Tree) 알고리즘, RRT* 알고리즘, RRT*-smart 알고리즘, P- RRT* 알고리즘, P- RRT*-smart 알고리즘 가운데 하나를 이용하여 안전 영역 내에 설정된 출발 위치에서 타격 임무 영역까지의 무인 비행체의 진입 경로를 생성할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 임무 정보 수신부(120), 목표물 타격 순서 생성부(130), 최단 타격 경로 생성부(140)는 무인 비행체가 타격 임무를 수행하기 위한 최단 타격 경로를 생성한다.
임무 정보 수신부(120)는 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하여 저장한다. 일 실시예에서, 타격 임무 정보는 사용자에 의해 설정되어 입력될 수 있으며, 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치는 각각 GPS 위치 정보로 입력될 수 있다.
일 실시예에서, 임무 정보 수신부(120)는 타격 임무를 수행할 무인 비행체에 대한 최소 회전 반경, 조준 가능 거리 및 무장 투하 가능 거리를 포함하는 무인 비행체 정보를 더 수신하여 저장할 수 있다. 무인 비행체 정보는 사용자에 의해 설정되어 입력될 수 있다.
목표물 타격 순서 생성부(130)는 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성한다. 예를 들어, 4개의 타격 목표물이 입력된 경우, 목표물 타격 순서 생성부(130)는 4개의 타격 목표물에 대해 무인 비행체가 타격을 수행할 수 있는 타격 순서의 조합을 모두 생성할 수 있다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 임무 정보 수신부(120)에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 목표물 타격 순서 생성부(130)에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성한다.
도 3은 도 1의 최단 타격 경로 생성부에서 수행되는 타격 경로 생성 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 무인 비행체(310)의 타격 경로는 접근 구간, 무장 조준 구간 및 다음 타격 목표물을 향해 접근하는 구간으로 나뉘어질 수 있다. 무인 비행체(310)는 회전 시 최소 회전 반경(Rturning) 이상의 반경으로 회전하며, z축을 기준으로 일정 진입각(
Figure pat00014
)으로 타격 목표물(320)에 접근한다. 무인 비행체(310)는 타격 목표물(320)에서 조준 가능 거리(dAiming)만큼 떨어진 위치(조준 시작 지점)에서 조준을 시작하고, 타격 목표물(320)에서 무장 투하 가능 거리(dRelease)만큼 떨어진 위치(무장 투하 지점)에서 무장을 투하한다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 무인 비행체(310)가 회전시에는 최소 회전 반경 이상으로 회전하되, 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각(
Figure pat00015
) 방향으로 조준 시작 지점 및 무장 투하 지점을 일직선으로 지나는 타격 경로를 생성한다.
다시 도 1을 참조하면, 최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 순서 조합마다 최단 타격 경로를 생성하여 해당 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하고, 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 최단 타격 경로 생성부(140)는 선택된 타격 순서 조합에 대해 임의의 타격 경로를 생성하고, 해당 임의의 타격 경로를 기초로 해당 타격 순서 조합에 대해 최단 타격 경로를 생성할 수 있다.
예를 들어, 최단 타격 경로 생성부(140)는 해당 선택된 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출한다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 다시 산출한다. 일 실시예에서, 최단 타격 경로 생성부(140)는 임의의 타격 진입각을 기초로 타격 진입각을 양 또는 음으로 변경하여 타격 진입각 변경에 따른 타격 경로의 거리 변화 경향을 감지하고 타격 경로의 거리가 짧아지는 방향(양 또는 음)으로 타격 진입각을 변경할 수도 있다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장할 수 있다.
예를 들어, 최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 하기 수학식 3을 만족하는 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 산출하여 저장할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00016
여기에서, fobj()은 목적 함수(objective function),
Figure pat00017
는 각 타격 목표물에 대한 진입각 벡터(vector of target intercept entry angels),
Figure pat00018
는 타격 목표물에 대한 진입각, n은 타격 목표물의 개수를 나타낸다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 포함하여 무인 비행체의 타격 임무를 위한 최단 타격 경로를 출력할 수 있다. 무인 비행체는 산출된 최단 타격 경로를 기초로 비행을 제어할 수 있다.
도 4는 무인 비행체의 타격 임무를 위한 최단 타격 경로를 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4는 4개의 타격 목표물(412, 414, 416, 418)이 위치하는 타격 임무 영역을 나타낸다. 도 4는 X축으로 -2.5Km에서 2.5Km까지의 범위와 Y축으로 -2Km에서 2Km까지의 범위를 갖는 타격 임무 영역을 나타낸다.
도 4의 (a)는 무인 비행체가 타격 임무 시작 위치(422)에서 시작하여 제1 타격 목표물(412), 제2 타격 목표물(414), 제3 타격 목표물(416) 및 제4 타격 목표물(418)을 순서대로 타격하고 타격 임무 종료 위치(424)로 이동하는 타격 경로를 나타내는 도면이다. 즉, 도 4의 (a)는 제1 타격 목표물(412), 제2 타격 목표물(414), 제3 타격 목표물(416) 및 제4 타격 목표물(418)을 순서대로 타격하는 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로를 나타낸다.
도 4의 (b)는 무인 비행체가 타격 임무 시작 위치(422)에서 시작하여 제1 타격 목표물(412), 제4 타격 목표물(418), 제2 타격 목표물(414) 및 제3 타격 목표물(416)을 순서대로 타격하고 타격 임무 종료 위치(424)로 이동하는 타격 경로를 나타내는 도면이다. 즉, 도 4의 (b)는 제1 타격 목표물(412), 제4 타격 목표물(418), 제2 타격 목표물(414) 및 제3 타격 목표물(416)을 순서대로 타격하는 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로를 나타낸다.
최단 타격 경로 생성부(140)는 도 4의 (a)의 타격 경로의 거리와 도 4의 (b)의 타격 경로 거리를 비교하여 도 4의 (b)의 타격 경로를 무인 비행체의 타격 임무를 위한 최단 타격 경로를 출력할 수 있다.
도 5는 회전익 무인 비행체가 도 1의 최단 타격 경로 생성부를 통해 생성된 최단 타격 경로를 따라 비행하는 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 회전익 무인 비행체가 도 4의 최단 타격 경로를 기초로 비행을 제어하여 비행을 시뮬레이션한 궤적을 나타낸다. 무인 비행체는 최단 타격 경로 생성부(140)에서 생성된 최단 타격 경로를 따라 비행을 제어하되, 비행 높이(H)는 해당 타격 임무 영역에 형성된 지형(terrain)의 높이에서 일정 거리 이상 떨어진 높이에서 비행하도록 설정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 탈출 경로 생성부(150)는 무인 비행체가 탈출 임무를 수행하기 위한 탈출 경로를 생성한다. 일 실시예에서, 탈출 경로 생성부(150)는 무인 비행체가 타격 임무를 종료하고 타격 임무 영역에서 안전 영역까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협 영역을 회피하여 타격 임무 영역에서 안전 영역까지 탈출(egress)하는 탈출 경로를 생성한다.
일 실시예에서, 탈출 경로 생성부(150)가 탈출 경로를 생성하는 과정은 진입 경로 생성부(110)가 진입 경로를 생성하는 과정과 동일하게 설정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 임무 정보 수신부(120)가 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신한다(단계 S610). 일 실시예에서, 임무 정보 수신부(120)는 타격 임무를 수행할 무인 비행체에 대한 최소 회전 반경, 조준 가능 거리 및 무장 투하 가능 거리를 포함하는 무인 비행체 정보를 더 수신하여 저장할 수 있다.
목표물 타격 순서 생성부(130)가 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성한다(단계 S620).
최단 타격 경로 생성부(140)가 임무 정보 수신부(120)에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 목표물 타격 순서 생성부(130)에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로, 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성한다(단계 S630).
일 실시예에서, 무인 비행체의 자율비행 제어 방법은 진입 경로 생성부(110)가 진입 임무를 수행하기 위한 진입 경로를 생성하는 단계 및 탈출 경로 생성부(150)가 탈출 임무를 수행하기 위한 탈출 경로를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7은 도 6의 최단 타격 경로를 생성하는 단계를 상세히 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 최단 타격 경로 생성부(140)가 해당 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출한다(단계 S710).
최단 타격 경로 생성부(140)가 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출한다(단계 S720).
최단 타격 경로 생성부(140)가 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장한다(단계 S730). 예를 들어, 최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 상기 수학식 3을 만족하는 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 산출하여 저장할 수 있다.
모든 타격 순서 조합에 대해 최단 타격 경로가 산출되지 않은 경우(단계 S740), 최단 타격 경로 생성부(140)는 다음 타격 순서 조합에 대해 S710 단계부터 다시 수행한다.
모든 타격 순서 조합에 대해 최단 타격 경로가 산출된 경우(단계 S740), 최단 타격 경로 생성부(140)는 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 포함하여 무인 비행체의 최단 타격 경로를 출력한다(단계 S750).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 진입 경로 생성부 120: 임무 정보 수집부
130: 목표물 타격 순서 생성부 140: 최단 타격 경로 생성부
150: 탈출 경로 생성부

Claims (12)

  1. 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하는 임무 정보 수신부;
    상기 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 상기 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성하는 목표물 타격 순서 생성부; 및
    상기 임무 정보 수신부에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 상기 목표물 타격 순서 생성부에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로, 상기 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 상기 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 상기 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성하는 최단 타격 경로 생성부를 포함하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임무 정보 수신부는
    상기 무인 비행체에 대한 최소 회전 반경, 조준 가능 거리 및 무장 투하 가능 거리를 포함하는 무인 비행체 정보를 수신하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 최단 타격 경로 생성부는
    각 타격 순서 조합마다 최단 타격 경로를 생성하여 해당 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하고, 각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 최단 타격 경로 생성부는
    해당 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하고,
    상기 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하고,
    타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 최단 타격 경로 생성부는
    하기 수학식 1을 만족하는 경로를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
    [수학식 1]
    Figure pat00019

    여기에서, fobj()은 목적 함수(objective function),
    Figure pat00020
    는 각 타격 목표물에 대한 진입각 벡터(vector of target intercept entry angels),
    Figure pat00021
    는 타격 목표물에 대한 진입각, n은 타격 목표물의 개수
  6. 제4항에 있어서, 상기 최단 타격 경로 생성부는
    상기 무인 비행체가 회전시에는 최소 회전 반경 이상으로 회전하되, 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각 방향으로 상기 타격 목표물로부터 조준 가능 거리만큼 떨어진 조준 시작 지점 및 상기 타격 진입각 방향으로 상기 타격 목표물로부터 무장 투하 가능 거리만큼 떨어진 무장 투하 지점을 직선으로 지나는 타격 경로를 생성하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자율비행 제어기는
    상기 타격 목표물에 대한 타격 임무를 수행할 타격 임무 영역에 진입하기까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협(threat) 영역을 회피하여 안전 영역에서 상기 타격 임무 영역까지 진입(ingress)하는 진입 경로를 생성하는 진입 경로 생성부; 및
    상기 타격 임무를 종료하고 상기 타격 임무 영역에서 안전 영역까지 분포된 적어도 하나 이상의 위협 영역을 회피하여 상기 타격 임무 영역에서 상기 안전 영역까지 탈출(egress)하는 탈출 경로를 생성하는 탈출 경로 생성부를 더 포함하는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 각 위협 영역은
    위협 영역 중심으로부터 거리를 기초로 최대 위협 거리와 방사형 기저 함수(Radial Basis Function)에 따라 위협을 수치화한 영역으로 정의되는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각 위협 영역은
    하기 수학식 2를 통해 정의되는 무인 비행체의 최단 타격 경로를 생성하는 자율비행 제어기.
    [수학식 2]
    Figure pat00022

    여기에서,
    Figure pat00023
    는 위협 영역의 안쪽에서 위협의 수치를 나타내는 함수(Function of threat distribution in the inner domain of threat), R은 반경 거리(Radial distance), Rmax는 최대 위협 거리(Radial distance of maximum threat reach), Sthreat는 중심에서의 위협의 수치(strength of the threat center),
    Figure pat00024
    는 RBP 모양 요소(RBF shape factor),
    Figure pat00025
    는 방사형 기저 함수(RBF)
  10. 임무 정보 수신부가 무인 비행체가 타격 임무를 수행할 적어도 하나 이상의 타격 목표물의 위치와 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치를 포함하는 타격 임무 정보를 수신하는 단계;
    목표물 타격 순서 생성부가 상기 타격 임무 정보에 포함된 모든 타격 목표물에 대해 상기 무인 비행체가 타격을 수행하는 타격 순서를 포함하는 모든 가짓수의 타격 순서 조합을 생성하는 단계; 및
    최단 타격 경로 생성부가 상기 임무 정보 수신부에서 수신된 타격 임무 정보에 포함된 타격 목표물의 위치, 타격 임무 시작 위치 및 타격 임무 종료 위치와 상기 목표물 타격 순서 생성부에서 수신된 타격 순서 조합을 기초로, 상기 타격 임무 시작 위치에서 시작하여 각 타격 목표물에 대한 조준 시작 지점과 무장 투하 지점을 순서대로 지나고 상기 타격 임무 종료 위치에서 끝나되 상기 무인 비행체의 최소 회전 반경을 만족하는 최단 타격 경로를 생성하는 단계를 포함하는 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최단 타격 경로 생성하는 단계는
    각 타격 순서 조합마다 최단 타격 경로를 생성하여 해당 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하는 단계; 및
    각 타격 순서 조합의 최단 타격 경로 가운데 거리가 가장 짧은 타격 경로, 해당 타격 경로의 타격 순서 및 경로 거리를 상기 무인 비행체의 최단 타격 경로로 출력하는 단계를 포함하는 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 타격 순서 조합의 최단 타격 경로의 거리를 산출하는 단계는
    해당 타격 순서 조합의 각 타격 목표물에 대해 임의의 타격 진입각을 설정하고 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하는 단계;
    상기 각 타격 목표물에 대해 타격 진입각을 변경하여 Dubins 경로 산출 모델을 통해 해당 변경된 타격 진입각에 대한 타격 경로를 생성하여 해당 타격 경로의 거리를 산출하는 단계; 및
    타격 진입각을 변경하여 산출된 각각의 타격 경로에 대해 타격 경로의 거리를 비교하여 거리가 가장 짧은 타격 경로를 해당 타격 순서 조합에 대한 최단 타격 경로로 저장하는 단계를 포함하는 무인 비행체의 최단 타격 경로 생성하는 자율비행 제어 방법.
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