동적 가상 중심을 이용한 UAV 군집 형성 및 궤적 제어 알고리즘

초록

본 논문은 가상 중심(Virtual Centroid) 개념을 기반으로 UAV 군집의 복잡한 구조와 궤적을 손쉽게 구현하는 FlockingBehavior 알고리즘을 제안한다. 중앙집중식 혹은 분산식 스키마와 무관하게 임의의 에이전트 수와 형상을 지원하며, 형상·에이전트 수의 실시간 변화를 허용한다. 시뮬레이션과 실제 Crazyflie 실험을 통해 레이놀즈 규칙(응집·분리·정렬)을 만족함을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 가상 구조(Virtual Structure) 방식의 한계를 보완하기 위해 가상 중심(Virtual Centroid, VC)을 전역 기준점으로 설정하고, 각 UAV의 목표 자세를 σ_W^VC(t)·G_i^VC(t) 형태의 SE(3) 변환으로 직접 계산한다. 이렇게 하면 개별 UAV가 별도의 궤적을 설계할 필요 없이, VC가 따라가는 입력 궤적만 정의하면 된다. 논문은 세 가지 핵심 가정을 둔다: (1) 생성된 궤적이 UAV의 동역학적 제한(V_max) 내에 있다, (2) 각 UAV가 목표 자세를 정확히 추종한다, (3) 장애물이 없는 자유공간에서 비행한다. 이러한 전제 하에 응집(Cohesion), 분리(Separation), 정렬(Alignment) 규칙을 수식(2)-(4)으로 명시하고, d_min, d_max, δ 파라미터를 통해 정량적으로 검증한다.

구조 생성 단계에서는 정규 다각형 형태의 정적 형상을 예시로 들며, G_i^VC를 회전 행렬 I와 원형 배치된 평행이동 벡터 T_i(θ)로 정의한다. d_max·2·sin(π/N) ≥ d_min 조건을 통해 최소 거리 제약을 만족하도록 설계한다. 이때 형상이 강체(Rigid Body)로 가정되면 모든 UAV 간 거리와 VC와의 거리는 시간에 따라 변하지 않아 레이놀즈 규칙을 자동으로 보장한다.

동적 구조 단계에서는 G_i^VC(t)를 시간에 따라 변화시켜 형상 자체를 재구성하거나, UAV를 추가·제거하는 메커니즘을 제공한다. 이는 기존 가상 구조 방식이 고정된 에이전트 수와 형상에 묶였던 점을 크게 확장한다. 알고리즘은 VC의 궤적을 외부 플래너(예: 3차 다항식 궤적)에서 받아오고, 각 UAV는 실시간으로 P_i^W(t)=σ_W^VC(t)·G_i^VC(t) 를 계산해 오픈루프 제어 신호로 사용한다. 따라서 통신 부하가 최소화되고, 모든 UAV가 동등한 역할을 수행한다는 장점이 있다.

실험에서는 Bitcraze Crazyflie 2.1을 사용해 3대, 5대, 7대 규모의 삼각형·정다각형 형상을 구현하고, VC가 직선·곡선·경로-전방(Facing) 궤적을 따라갈 때 각 UAV의 응집·분리·정렬 지표를 측정했다. 시뮬레이션과 실제 비행 모두 d_min, d_max, δ 기준을 만족했으며, 형상 변환 및 UAV 추가·제거 시에도 안정적인 재구성이 확인되었다. 코드와 영상이 공개되어 재현성과 확장성이 높다.

이 논문의 주요 기여는 (1) 에이전트 수와 형상에 제한이 없는 일반화된 가상 중심 기반 군집 형성 알고리즘, (2) 정적·동적 형상 전환 및 실시간 UAV 추가·제거를 지원하는 구조적 유연성, (3) ROS 2 기반 모듈형 구현과 오픈소스 공개를 통한 연구 커뮤니티 기여이다. 다만, 장애물 회피와 비선형 동역학을 고려한 폐루프 제어, 통신 지연에 대한 견고성 분석은 향후 과제로 남는다.