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국가연구개발성과

성과
연구보고서 드론의 설계 및 관리 자동화: 체계적인 통합 저전력 설계 및 관리를 통한 드론의 총운용비용 최적화
(Design and management automation of drones: total cost of ownership optimization of drones with a systematic cross-layer low-power design and management)
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등록번호 TRKO202200017964 발행년월 2021-03
발행기관명 한국과학기술원 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 드론;경로 생성법;강화학습;전력 모델링;최적화;
Drone;Path planning;Reinforcement learning;Power modeling;Optimization;
초록
□ 연구개요
본 연구는 드론의 전기 추진체의 효율이 이미 이론적 한계에 근접한 상황에서도 가용비행 시간이 사용자의 요구 사항에 훨씬 못 미치는 현실을 체계적인 시스템 수준에서의 저전력 설계 및 운용 기법을 적용하여 극복하기 위한 연구로써, 드론 시스템의 총운용 비용을 통합 최적화 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
실제 실험을 통한 다차원 전력소모 모델링
- 고성능 전력측정 시스템 개발 및 드론에 장착 후 데이터 수집
- 다양한 드론 (전력 추진체, 배터리 종류 및 용량) 의 데이터 수집
- 심층 신경망을 기반으로 한 오차 10% 이내의 전력 소비 추정 모델 제작
드론의 운용 시나리오에 따른 전력 소모 및 배터리 소비/수명 예측
- 운용 시나리오에 따른 다양한 전력소모 변수를 모두 고려한 전력 예측 기법 개발
- 전기 자동차와 전기 추진체 드론의 전력 소모 모델의 유사점과 차이점을 파악 후 드론 스펙, 부하, 비행 경로, 비행 속도, 가속도 변동에 따른 전력 및 항속거리 예측
빠른 전력 시뮬레이션 연구 / 드론 전력 시뮬레이터 개발
- 빠른 시간안에 전력 시뮬레이션이 가능한 알고리즘 정립
- 개발 된 드론 전력예측 기법으로 공개 소프트웨어 형식의 드론 전력 시뮬레이터 개발
드론의 전력 소모 관리에 사이버 물리 시스템의 전력 소모 절감 개념 도입
- 사이버 물리 시스템을 적용한 드론 전력 소모 절감 수행
- EDA에서의 배선 알고리즘을 응용한 드론 배송 경로 도출 알고리즘 제안
단기, 다수의 드론 운용단계 동시 전력 최적화 수행
- N개의 드론 (100대 이상)이 M 개의 배송 요청을 제한된 공간에서 동시에 수행할때의 경로 도출
- 다수의 물품을 운반하는 경우 경로 스케쥴링 및 속도 최적화 수행
드론과 임무의 설계단계 최적화 수행
- 다수 드론의 전력 모델을 통해 드론이 임무에서 소모하는 전력을 유추하여 최적의 드론을 배정하는 알고리즘 도입
드론 전원 시스템 최적화
- 배터리 특성에 따른 SoC 변화 분석 및 분석 내용을 바탕으로 한 드론의 배터리 효율 향상 기법 제안
드론의 총 운용비용 최적화
- 다수 드론을 이용한 온라인 운용 최적화, 여러 드론이 각각의 판단 하에 온라인으로 임무를 수행
- 최적을 보장하는 알고리즘의 94% 성능에 달하는 온라인 경로 계획 시행

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구는 기술적 한계에 도달한 전기적 추진체에 의한 추가적인 하드웨어 설치 없이도 체계적인 시스템 설계를 통해 드론의 비행 패턴을 환경에 따라 최적으로 도출하여 드론의 비행에 필요한 에너지를 최소한으로 줄이는 연구임. 단 수의 드론부터 100 대가 넘는 다수의 드론까지 경로 계획법을 통하여 최적의 경로를 제시하며, 드론에게 일어 날 수 있는 예상외의 사고 (수직바람전단, 버드스트라이크 등) 를 강화학습을 이용한 온라인 경로계획법을 통해 드론 스스로 회피 할 수 있는 추가적인 기법을 도입함.외력에 의한 드론의 경로 설정, 배터리 에이징을 고려한 운용단계 설계, 온라인 경로계획을 통한 사고 방지 등을 포함한 본 연구는 기존의 드론을 이용한 물류 배송 대비 최대 24.01 %의 에너지 절감효과를 기대.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차
표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 연구개발의 목적 ... 4
• 연구가설 ... 4
• 연구 필요성 ... 4
• 연구의 최종 목표 ... 4
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 실제 실험을 통한 다차원 전력소모 모델링 ... 5
• 드론의 운용 시나리오에 따른 전력소모 및 배터리 소비 예측 ... 6
• 빠른 전력 시뮬레이션 연구 / 드론의 전력 시뮬레이터 개발 ... 7
• 운용단계 최적화 ... 8
• 사이버 물리 시스템을 적용한 드론 전력 소모 절감 개념 도입 ... 9
• 단, 다수의 드론 운용단계 동시 최적화 ... 10
• 드론과 임무의 설계단계 (Design time) 최적화 수행 ... 11
• 드론 배터리 시스템 최적화 수행 ... 12
• 드론의 총 운용 비용 (total cost of ownership) 최적화 수행 ... 14
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 18
1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 18
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
3) 목표 달성 수준 ... 18
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
6. 참고문헌 ... 20
붙임1 세부 정량적 연구개발성과 ... 21
붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 25
끝페이지 ... 31

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