무인수상선의 군집운항을 위한 충돌회피에 관한 연구

Abstract

According to the increasing interest and demand for the Unmanned Surface Vehicle(USV), obstacle detection, avoidance, and path planning are being studied. As research related to USV intensifies, research on swarm operations is being actively conducted. The swarm operation imitates the appearance of nature, such as ants, bees, and birds forming swarms, moving and attacking in search of food. However, there are several problems expected in USV's swarm operation. One of them is the problem of collisions between USVs. If there is a conflict between agents in the swarm, it can lead to operational failure and property loss. To solve this problem, the study of this paper was performed. In this paper, the virtual matrix approach is applied as a swarm operation. Velocity Obstacle(VO) and Artificial Potential Field(APF) methods are used and compared as algorithms for collision avoidance of USVs in a swarm when the formation is changed. For effective collision avoidance, evasive maneuvers should be performed at the appropriate moment and location. Therefore, the Closest Point of Approach(CPA)-based method that considers both temporal and spatial factors was used. The Distance of the Closest Point of Approach(DCPA) which is the distance to the CPA may consider spatial factors, and the Time of the Closest Point of Approach(TCPA), which means taken time to CPA, considers temporal factors. The swarm operation simulation was conducted in two cases. The first is a cross-place simulation in which USVs cross each other, and the second is a large-scale simulation in which 30 USVs change their formation 7 times in 3400 seconds. As a result of comparing the average distance, average error to waypoint, and average battery usage, there was no significant difference between VO and APF. As a result of comparing the cumulative time using the minimum distance, it was found that VO was safer than APF. In conclusion, it was confirmed that both the APF and VO methods could perform the swarm operation without collision.

무인수상선(Unmanned Surface Vehicle, USV)에 대한 관심과 수요가 높아짐에 따라 장애물 탐지 및 회피 등을 포함한 자율 항법 시스템이 개발되고 있다. USV 기술의 발달로 군집운항에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 군집운항은 개미, 벌, 새 등 생물체가 군집을 이뤄 먹이를 찾아 이동하고 공격하는 자연의 모습을 모방한 것이다. 하지만 USV의 군집운항에서 예상되는 몇 가지 문제점이 있다. 그중 하나는 USV간 충돌 문제이다. 군집 내 에이전트 간의 충돌이 발생한다면 작전 실패, 재산의 손실을 초래할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 군집운항 기법으로 가상 행렬 접근법을 적용하고, 포메이션 변경 시 군집 내 USV의 충돌회피 알고리즘으로 VO 및 APF 방법을 사용하여 비교하였다. 효율적인 충돌회피를 위해서 적절한 순간에 회피기동을 수행하여야 한다. 이를 위해 시간적 요소와 공간적 요소를 모두 고려한 최근접점(the Closest Point of Approach, CPA) 기반 방법을 사용하였다. CPA까지의 거리를 나타내는 최단접근거리(Distance of the Closest Point of Approach, DCPA)는 공간적 요소를 고려하고 CPA까지 걸리는 시간을 의미하는 최단접근시간(Time of the Closest Point of Approach, TCPA)은 시간적 요소를 고려한다. 군집운항 시뮬레이션은 두 가지로 수행되었다. 첫 번째는 USV가 서로 교차하는 cross-place 시뮬레이션이고, 두 번째는 30개의 USV가 3400초 동안 7번의 형성을 바꾸는 large-scale 시뮬레이션이다. 평균 거리, 평균 웨이포인트 오차, 평균 배터리 사용량을 비교한 결과 VO와 APF 사이에 유의미한 차이는 없었다. 최소 거리를 이용하여 누적 시간을 비교한 결과 VO가 APF보다 안전한 모습을 보였다. 결론적으로 APF와 VO 방법 모두 충돌 없이 군집운항을 수행할 수 있음을 확인하였다.