Reactive Collision Avoidance of Unmanned Aerial Vehicles Using Vision Sensors

Abstract

영상센서는 수동적이고, 비협조적 특성으로 인해 무인항공기의 충돌탐지 및 충돌회피 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지닌다. 이에 따라 움직이는 침입기를 회피하기 위한 무인항공기의 Senseand-Avoid에 적합한 센서로 고려된다. 일반적인 영상센서는 장애물과의 상대거리를 측정하지 못하기 때문에 장애물의 상태를 파악하는 데에 어려움을 준다. 침입기와 같은 이동 장애물에 대해서는 장애물의 움직임에 따른 불확정성 또한 존재한다. 따라서 기존의 충돌회피 알고리듬을 영상센서를 기반으로 하는 무인항공기에 직접 적용할 수 없는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 무인항공기의 충돌회피 시스템에 영상센서를 적용한 영상기반 반응적 충돌회피 알고리듬을 제안하였다. 제안한 충돌회피 알고리듬은 단일 영상센서의 측정치 모델과 최근접점 기하학을 이용하여 충돌회피에 유용한 특징들을 도출하고, 도출된 특징을 바탕으로 침입기 크기를 가정하여 침입기 움직임에 강건하고 안전한 충돌회피 방향을 제공한다. 침입기의 크기에 대한 가정으로 인해 발생하는 무인항공기의 불필요한 기동들을 제한하기 위해 알고리듬의 실행 타이밍을 고려한 시간 조건을 추가로 제안하였다. 한편, 무인항공기는 목표점까지 또는 기준궤적을 따라 비행하기 위해 유도법칙이 필요하고, 이 유도법칙은 충돌회피 알고리듬과 호환되어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 경로점 추종, 경로점 및 경로선 추종, 궤적 추종 문제에 대한 무인항공기 유도법칙을 제안하였다. 유도법칙은 수렴성을 보장하는 속력, 방향각, 비행 경로각의 명령을 생성하는데, 이 명령들은 충돌회피 알고리듬에서 생성되는 명령과 동일한 형태를 지닌다. 따라서 유도법칙과 충돌회피 알고리듬을 결합한 시스템을 구성하였으며, 부드러운 명령전환을 위해 명령필터를 사용하도록 제안하였다. 본 논문에서 제안된 충돌회피와 유도 알고리듬의 유효성은 수치 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

Vision sensors have the potential to deal with collision avoidance of unmanned aerial vehicles (UAVs) due to their passive and noncooperative characteristics, and therefore they are suited to the Sense-and-Avoid of the UAV for avoiding intruders. However, the vision sensors cannot directly provide range information of the obstacles, and therefore it is difficult to obtain the states of the obstacles. To deal with the Sense-and-Avoid of the vision-based UAV, a vision-based reactive collision avoidance algorithm is proposed in this dissertation. The collision avoidance algorithm adopts a measurement model of a single vision sensor and the concept of the closest-point-of-approach to obtain useful characteristics for collision avoidance. By utilizing the characteristics and assuming the size of the intruder, a robust and safe collision avoidance direction is provided. A time condition for collision avoidance is also proposed, which prevents unnecessary trajectory extension caused by the size assumption. On the other hand, the UAV guidance law should be compatible with the collision avoidance algorithm. In this dissertation, several UAV guidance problems are considered

waypoint tracking, waypoint tracking with line tracing, and general trajectory tracking problems. Speed, heading angle, and flight path angle commands, which guarantee convergence with a desired trajectory, are generated for the guidance problems. The guidance commands are combined with the collision avoidance commands by adopting a command switching scheme which uses the command filter. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through numerical simulations.