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군집 제어를 위한 분산형 모바일 네트워크 프로토콜과 이를 이용한 드론 위치 제어 기법

Drone Formation Control using a Distributed Mobile Network Protocol

손준우 (Junwoo Son, 포항공과대학교)

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This thesis proposes a new practical distributed mobile network protocol that adopts a Time Division Multiple Access (TDMA) based communication algorithm for consensus control systems. The proposed protocol uses a desynchronized TDMA to synchronize agents in a distributed environment. A listen-before-talk method is employed to avoid a communication collision. To illustrate the performance of the proposed protocol, formation controllers for drones are designed with double loop controllers, or inner loop attitude controllers and outer loop formation controllers. A basic Proportional-Integral-Derivative (PID) controller is used for the attitude controller, and a consensus protocol for a double integrator dynamics model is used for the formation controller. It is shown through simulation that a drone formation controller using consensus algorithms works well with the proposed protocol.
This thesis proposes a new practical distributed mobile network protocol that adopts a Time Division Multiple Access (TDMA) based communication algorithm for consensus control systems. The proposed protocol uses a desynchronized TDMA to synchronize agents in a distributed environment. A listen-before-talk method is employed to avoid a communication collision. To illustrate the performance of the proposed protocol, formation controllers for drones are designed with double loop controllers, or inner loop attitude controllers and outer loop formation controllers. A basic Proportional-Integral-Derivative (PID) controller is used for the attitude controller, and a consensus protocol for a double integrator dynamics model is used for the formation controller. It is shown through simulation that a drone formation controller using consensus algorithms works well with the proposed protocol.
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본 논문은 컨센서스 알고리즘을 통한 제어 시스템에 적합한 TDMA (Time Division Multiple Access) 기반 통신 알고리즘을 적용한 새로운 실용적인 분산형 모바일 네트워크 프로토콜을 제안한다. 컨센서스 알고리즘이 응용되는 제어 분야에서는 통신 시간 지연이나 충돌, 송신 실패 등의 통신의 한계를 극복하여 목표를 달성하기 위해 여러가지 알고리즘들이 제안되었다. 이러한 알고리즘들은 네트워크의 구조적인 정보를 필요로 하거나 라우팅을 통한 모든 노드의 데이터를 수집해야만 동작할 수 있는 복잡한 방식이 많다. 본 논문에서는...
본 논문은 컨센서스 알고리즘을 통한 제어 시스템에 적합한 TDMA (Time Division Multiple Access) 기반 통신 알고리즘을 적용한 새로운 실용적인 분산형 모바일 네트워크 프로토콜을 제안한다. 컨센서스 알고리즘이 응용되는 제어 분야에서는 통신 시간 지연이나 충돌, 송신 실패 등의 통신의 한계를 극복하여 목표를 달성하기 위해 여러가지 알고리즘들이 제안되었다. 이러한 알고리즘들은 네트워크의 구조적인 정보를 필요로 하거나 라우팅을 통한 모든 노드의 데이터를 수집해야만 동작할 수 있는 복잡한 방식이 많다. 본 논문에서는 복잡한 컨센서스 알고리즘을 사용하는 방식이 아닌 단순하면서도 안정적인 모바일 네트워크 프로토콜을 제시하고, 이를 응용한 드론 위치 제어 기법을 소개한다. 제안된 프로토콜은 분산형 동기화 방식인 desynchronized TDMA를 사용하여 에이전트들을 동기화하고, 노드 간의 시각 차이 등에 의해 발생하는 통신 충돌을 피하기 위해 Listen-Before-Talk 방식을 사용한다. 이러한 통신 방식에 의해 제안된 프로토콜은 컨센서스 알고리즘에서 요구되는 시간 지연과 동적 네트워킹을 만족시킬 수 있다. 이를 응용하여 드론의 위치를 제어하기 위해, 내부 루프로써 자세 제어기와 외부 루프로써 위치 제어기를 갖는 2단계의 제어 시스템이 구성되었다. 자세 제어기는 기본적인 PID-PID 제어기를 사용하였고, 위치 제어기는 2차 적분기 모델에 사용되는 컨센서스 알고리즘을 기반으로 구성되었다. 제안된 프로토콜과 드론 위치 제어 기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 동적인 네트워크 환경에서도 안정적인 동작을 보임을 알 수 있었다.
목차 moremore
I. Introduction 1
II. Preliminaries 5
2.1 Consensus protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
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I. Introduction 1
II. Preliminaries 5
2.1 Consensus protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Communication algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Drone dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
III. Proposed Method 12
3.1 Communication requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Distributed mobile network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Drone formation control using the proposed method . . . . . . . . 16
IV. Simulation and Experiment 20
4.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.1 Mobile network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.2 Average consensus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.3 Drone formation control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Experiment of mobile network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 23
V. Result and Discussion 25
5.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.1.1 Mobile network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.1.2 Average consensus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.1.3 Drone formation control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 Experiment of mobile network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 32
VI. Conclusion and Further work 33
Summary (in Korean) 35
References 36