3-dimensional Modeling and Mining Analysis for Open-pit Limestone Mine Stope Using a Rotary-wing Unmanned Aerial Vehicle

The purpose of this study is to show the possibility of 3-dimensional modeling of open-pit limestone mine by using a rotary-wing unmanned aerial vehicle, a drone, and to estimate the amount of mining before and after mining of limestone by explosive blasting. Analysis of the image duplication of the mine has shown that it is possible to achieve high image quality. Analysis of each axis error at the shooting position after analyzing the distortions through camera calibration was shown the allowable range. As a result of estimating the amount of mining before and after explosive blasting, it was possible to estimate the amount of mining of a wide range quickly and accurately in a relatively short time. In conclusion, it is considered that the drone of a rotary-wing unmanned aerial vehicle can be usefully used for the monitoring of open-pit limestone mines and the estimation of the amount of mining. Furthermore, it is expected that this method will be utilized for periodic monitoring of construction sites and road slopes as well as open-pit mines in the future

Unmanned aerial vehicle remotely sensed datasets, a reference dataset for coastal topography change and shoreline analysis

To analyze tendency of temporal and spatial change of coast using long-term topography and shoreline change data is important. In this study, high-resolution digital elevation model and orthorectified image data were generated using rotary-wing UAV(unmanned aerial vehicle) system for coastal topography and shoreline change analysis. The UAV system has advantage of low cost and high efficiency compared to satellite remote sensing platform so UAV system easily acquire time series image data. The spatial resolution of generated digital elevation model and orthorectified images are very high, in centimeter. Therefore, the above image data can be used in various fields of remote sensing and geography such as detailed coastal topography

UAV based infrared aerial thermal imaging and analysis for the estimation of crop water stress

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 농업생명과학대학 바이오시스템공학과, 2023. 2. 김기석.과수 생산에 있어 핵심적인 효율적인 관수 관리는 외기 영향에 따른 과수 작물의 수분 상태를 정확하게 파악하는 것으로부터 시작한다. 따라서 작물의 수분스트레스 정량화에 대한 연구는 지속적으로 이루어져 왔으며 최근에는 원격탐사 기술을 이용해 넓은 면적의 분포한 작물의 수분스트레스를 짧은 시간 안에 더 정밀하게 평가하기 위한 연구들이 주를 이루고 있다. 특히 엽온을 이용한 경험적 수분스트레스 지수(crop water stress index , CWSI)는 작물의 수분 상태를 평가하는 지표로서 널리 활용되어 왔는데, 무인항공기에 탑재된 적외선 열영상 센서를 이용해 넓은 면적의 항공열영상을 획득하고 열영상에서 추출된 엽온 데이터와 대기환경 데이터를 이용해 경험적 CWSI를 도출하는 연구가 많이 이루어졌다. 하지만 무인항공기는 장기간 연속적인 관측이 어렵기 때문에 다양한 환경에서의 경험적 데이터에 기반해 수분스트레스의 상한과 하한에 대한 기준선이 필요한 경험적 CWSI 연구에 최적의 데이터 수집 방법이라고 보기는 어렵다. 본 연구에서는 항공열영상 온도 보정 모델을 제시, 엽온 추출을 위한 영상처리 기법을 개선, 인공신경망 기반의 새로운 수분스트레스 진단 모델을 개발을 통해 수분스트레스 평가의 정확도를 향상하고 무인항공기를 이용한 수분스트레스 평가에 적합한 모델을 제시하고자 하였다. 먼저 항공열영상 온도 보정 모델은 휴대용 대면적(300mm×300mm) 흑체의 온도를 지상과 항공에서 각각 측정하여 그 차이를 예측하는 인공신경망 모델로 구성하였다. 투입 변수로는 촬영고도, 대기온도, 상대습도, 일사량, 풍속 등이 사용되었으며, 온도 보정 결과 실제 흑체 온도와 보정된 온도 간의 RMSE가 0.68 ℃로 작은 오차를 보였다. 항공 측정 엽온에 보정 모델을 적용하여 지상 적외선 열영상 센서와 기공전도도 센서에서 측정된 엽온과 비교한 결과 RMSE는 각각 0.73 ℃, 1.13 ℃로 크게 개선되었다. 한편, 항공영상에서의 수관 영역 분할을 통한 정밀 엽온 추출을 위해서 CHM(Canopy Height Model, 수관높이모델)과 딥러닝 Mask R-CNN(Mask Regional-Convolutional Neural Network) 방법을 비교하였으며, Mask R-CNN 기반의 수관 영역 분할 결과, 평균 정확도 기준 0.95의 성능을 보여 CHM에 비해 더 나은 수관 영역 분할 결과를 보였다. 수관 영역 분할 결과 추출된 엽온 데이터를 이용해 과수 수분스트레스 진단 모델을 개발하였다. 수분스트레스 진단 모델은 엽온, 대기온도, 상대습도를 이용해 기공전도도를 예측하는 인공신경망으로 구성되었다. 모델 예측 결과와 기공전도도 값 간의 상관계수는 0.86로 경험적 CWSI와 기공전도도 값 간의 상관계수인 0.56보다 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 본 연구에서 제시된 모델이 기존의 경험적 CWSI에 비해 무인항공기 기반의 수분스트레스 평가에 더 적합하다는 것을 보여주었다는 점에서 의의가 있었다.Efficient irrigation management, an important key to improve productivity, begins with accurate monitoring of the water status of crops. Therefore, researches on the crop water stress has been conducted, and in the present days, studies focus on using remote sensing technology in monitoring crop water stress of wider area in shorter time. Canopy temperature has been used as a major indicator for crop water stress evaluation for especially tree crops. Therefore, measuring crop water stress based on the aerial thermal image of canopy using unmanned aerial vehicle (UAV) has been widely attempted. In particular, the empirical crop water stress index (CWSI) which is calculated based on the canopy temperature has been used as an indicator of crop water status. However, although computation of empirical CWSI requires continuously collected data, UAVs are bound to have intermittent observations due to realistic constraints. Therefore, empirical CWSI may not be the best way to evaluate water stress when using UAV. The major objective of the present study is to improve the accuracy of crop water stress measurement based on aerial infrared thermal imaging and also to suggest a novel crop water stress evaluation model which is more suitable for UAV based observations. A temperature calibration modeling, image processing techniques for canopy area segmentation, and the novel artificial neural network (ANN)-based crop water stress evaluation model are suggested to achieve the main goals. First, we developed an ANN-based temperature calibration model using a large-area(300mm×300mm) blackbody which is a material that has emissivity of 1. The goal of calibration model was to predict temperature difference between the ground (ground truth) and airborne measurement of blackbody temperature. The flight altitude, air temperature, relative humidity, solar radiation, and wind speed were used as input variables. As a result of the calibration process, the RMSE between the calibrated airborne measurement and ground measurement was 0.68 ℃ which can be considered as a minor error. Next, canopy area segmentation performance of the canopy height model (CHM) and Mask R-CNN instance segmentation model were compared to determine the better model for accurate canopy temperature extraction. Mask R-CNN instance segmentation model showed better performance in canopy area segmentation. An average precision (AP)50 of 0.95 was achieved by the model meaning that of all the tree canopy area predictions by the model, 95% of them were true positives. Finally, a novel crop water stress evaluation model was developed. The main concept of the model was to develop an ANN model that predicts stomatal conductance (g_sw) of the canopy using the canopy temperature, air temperature, and relative humidity data. The R^2 between the prediction and the actual g_sw was 0.86, which showed a significant improvement compared to the result that the R^2 between conventional empirical CWSI and the g_sw was 0.56. However, the R^2 decreased to 0.79 when VPD was additionally used as an input variable and R^2 also decreased to 0.84 when air temperature variable was replaced by VPD. The results of this study are significant in that it showed the novel ANN-based model is more suitable and precise in crop water stress evaluation using UAV compared to the conventional empirical CWSI.제 1 장 서 론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 4 1.3 연구사 6 1.3.1 항공열영상 보정에 관한 연구 6 1.3.2 항공영상처리에 관한 연구 7 1.3.3 원격탐사 기반 작물 수분스트레스에 관한 연구 9 제 2 장 재료 및 방법 11 2.1 시험포장 및 무인항공기(UAV) 시스템 11 2.1.1 시험포장 11 2.1.2 무인항공기(UAV) 시스템 및 비행 14 2.1.3 항공촬영 및 지상실험 17 2.2 항공열영상 측정 및 보정 19 2.2.1 적외선 열영상 측정 시스템 19 2.2.2 흑체 시스템 21 2.2.3 항공열영상 보정 모델 개발 24 2.3 항공영상 및 열영상 영상처리 34 2.3.1 영상정합(Orthomosaic) 및 포인트클라우드 생성 34 2.3.2 CHM 기반 수관 영역 분할 38 2.3.3 딥러닝 개체 분할 기반 수관 영역 분할 41 2.3.4 엽온 추출 45 2.4 엽온 데이터를 이용한 수분스트레스 추측정 모델 개발 46 2.4.1 CWSI 분석 46 2.4.2 지상에서의 엽온 측정과 CWSI 분석 47 2.4.3 인공신경망을 이용한 수분스트레스 진단 모델 개발 연구 51 제 3 장 결과 및 고찰 54 3.1 흑체 시스템 기반의 열영상 보정 54 3.1.1 흑체 시스템 성능 평가 54 3.1.2 항공열영상 보정 모델 개발 59 3.2 항공영상 및 열영상 영상처리 결과 65 3.2.1 CHM(CHM) 기반 수관 영역 분할 결과 65 3.2.2 딥러닝 개체분할 기반 수관 영역 분할 결과 70 3.2.3 수관 영역 분할과 엽온 추출 74 3.3 인공신경망 기반 수분스트레스 추측정 모델 개발 연구 76 3.3.1 지상 적외선 열영상 센서를 이용한 수분스트레스 분석 76 3.3.2 기공전도도 센서를 이용한 수분스트레스 분석 81 3.3.3 적외선 항공열영상 기반 수분스트레스 분석 85 3.3.4 인공신경망 기반 수분스트레스 진단 모델 개발 90 제 4 장 요약 94 참고문헌 96 Abstract 100석

A Study on Laws and Regimes for the Revitalization of the Autonomous Marine Vehicles

무인이동체(Autonomous Vehicles, AV)는 “기기가 외부 환경을 인식하고 스스로 판단하여 이동하거나 외부에서 원격으로 조종할 수 있는 이동체”를 말한다. 무인이동체(AV)는 사용이 가능한 지역에 따라 항공형(Aerial Vehicle), 육상형(Ground Vehicle), 해양형(Marine Vehicle)으로 구분할 수 있다. 그리고 해양무인이동체는 수상의 무인선박과 수중의 무인이동체로 구분이 가능하다. 최근 세계 각국의 정부에서는 무인이동체 관련 부품․소재, 운영기술 등을 개발하기 위해 대학, 연구기관 등과 함께 노력해 왔다. 무인항공기(드론)와 자율주행자동차을 이용한 택배 실험이 성공하면서 무인이동체에 대한 관심이 세계적으로 증가하고 있다. 무인항공기의 경우 과거에는 주로 국방․군수분야에서 활용되었으나 최근에는 화물수송, 산림보호, 해안감시, 국토조사, 농업지원, 촬영·레저 등 민간․상업분야에서 무인항공기의 수요가 증가하였다. 미국, 유럽, 중국, 일본 정부에서는 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)의 연구지원과 함께 관련 법 제정, 개정 등을 통한 법제 마련에 노력하고 있다. 지금까지는 무인항공기 수요가 가장 많았으나 2020년경에는 자율주행차가 무인항공기 보다 시장 점유율이 더 높아지게 되고 무인농기계 시장도 크게 성장할 것으로 예상된다. 2016년 이후 미국 교통부와 도로교통안전국은 주 정부 및 미국자동차관리협회(AAMVA)와 함께 자율주행자동차의 운행, 안전성 평가에 대한 지침을 마련하기 위해 노력하였다. 우리나라의 경우 항공안전법에서 초경량비행장치 안전성 인증검사 대상을 최대이륙중량 등을 기준으로 있다. 그리고 초경량비행장치를 조종하기 위한 항공종사자 자격증명 시험요령을 고시하여 교통안전공단에서 조종사 자격증명시험을 시행하고 있다. 그리고 우리나라 자동차관리법이 개정되어 자율주행자동차는 임시운행 허가를 받아서 시험·연구 목적으로 운행을 할 수 있도록 되었으며 향후 도로교통법에서 운전자의 자동차 조작을 의무적으로 규정하는 조항이 개정 되면 앞으로 실제 도로에서 자율주행차가 주행할 수 있을 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 항공드론, 자율주행차과 같은 항공, 육상의 무인이동체는 실제 생활에 활용이 가능한 단계로 기술적, 법제적 수준에 도달 했으나 해양무인동체의 경우 아직 우리나라의 핵심기술은 선진국에 비하여 뒤떨어져 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 해양무인이동체 중에서 수중로봇, 수중글라이더와 같은 수중의 무인이동체를 활성화를 위해 해사법, 해양수산과학기술육성법, 해양공간계획 및 관리에 관한 입법론적 개선안을 중심으로 연구를 수행하고 개선방안을 도출하였다.목 차 국문 요약 ⅲ Abstract ⅴ 제1장 서 론 1 제1절 연구의 목적 1 제2절 연구의 내용 및 방법 5 제2장 무인이동체에 관한 일반적 검토 8 제1절 항공무인이동체 8 Ⅰ. 국내 항공무인이동체 8 1. 개요 8 2. 안전성 인증검사 9 3. 초경량비행장치 비행공역 12 4. 초경량비행장치 비행자격 증명제도 16 Ⅱ. 주요국의 항공무인이동체 17 1. 미국 17 2. 영국 및 유럽(EU) 23 제2절 자율주행자동차 27 Ⅰ. 국내 자율주행자동차 27 1. 개요 28 2. 국내법제 28 Ⅱ. 주요국의 자율주행자동차 31 1. 미국 법제 31 2. 영국 법제 38 제3절 무인이동체의 표준, 인정 및 인증제도 42 Ⅰ. 표준제도 42 1. 국내표준 42 2. 국제 및 지역표준 47 Ⅱ. 인정 및 인증제도 51 1. 인정제도 52 2. 인증제도 53 제3장 해양무인이동체의 법제 64 제1절 해양무인이동체의 법제 현황 64 Ⅰ. 국내 해양무인이동체의 법제 64 1. 해양무인이동체의 정의 64 2. 해사법 64 3. 해양수산과학기술육성법 72 4. 해양공간계획 및 관리에 관한 법률 75 Ⅱ. 주요국의 해양무인이동체의 법제 76 1. 미국 법제 76 2. 국제법 및 제도 77 제2절 해양무인이동체의 활성화에 대한 문제점 79 Ⅰ. 해사법상 문제점 79 1. 선박성의 문제 79 2. 선박안전검사 문제 80 3. 조종사 자격증명 문제 81 Ⅱ. 해양수산과학기술육성법상 문제점 81 1. 표준 문제 81 2. 인정 및 인증 문제 82 Ⅲ. 해양공간계획 및 관리에 관한 법률상 문제점 83 1. 해양용도구역 문제 83 2. 전용시험장 문제 84 제4장 해양무인이동체의 법제에 관한 개선방안 85 제1절 해사법 개선방안 85 Ⅰ. 선박의 정의 개정 85 Ⅱ. 선박안전법 개정 87 Ⅲ. 선박직원법 개정 89 제2절 해양수산과학기술육성법 개선방안 90 Ⅰ. 표준 제정 90 Ⅱ. 인정 및 인증제도 도입 91 제3절 해양공간계획 및 관리에 관한 개선방안 93 Ⅰ. 해양용도구역 지정 93 Ⅱ. 전용시험장 법제 도입 95 제5장 결 론 97 참고문헌 101 부록 1. 부처별 인증제도 현황 105 부록 2. PART 107 소형 무인항공기 시스템 목차 114 부록 3. Part 107 주요 규정 요약 116 표 목 차 초경량비행장치 자격증명 및 안전성 검사 11 공역의 사용목적에 따른 구분 13 초경량비행장치 비행공역 현황 14 영국의 유형별 드론의 활용 현황과 특징 24 영국의 드론의 비행 요건 26 미국자동차공학회(SAE International) 분류 자동화 6단계 31 한국산업표준(KS) 분류체계 46 부처별 등록인증 현황 54 해양기자재 검사·승인 종류 59 국제해사기구(IMO)에서 인정받은 국내 인증시험기관 62 선박법 개정안 86 표준의 세부기준 예시 89 선박직원법 개정안 90 한국산업표준(KS) 분류체계 개정안 91 해양수산과학기술육성법 시행규칙 개정안 92 해양신기술인증을 위한 세부기준(예시) 92 공간정보의 구축 및 관리 등에 관한 법률 개정안 94 해양공간계획 및 관리에 관한 법률 개정안 96Maste

레이더 스펙트로그램을 사용한 컨볼루션 신경망 기반 무인항공기 분류

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 융합과학기술대학원 융합과학부(지능형융합시스템전공), 2021. 2. 곽노준.With the upsurge in using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in various fields, identifying them in real-time is becoming an important issue. However, the identification of UAVs is difficult due to their characteristics such as Low altitude, Slow speed and Small radar cross-section (LSS). To identify UAVs with existing deterministic systems, the algorithm becomes more complex and requires large computations, making it unsuitable for real-time systems. Hence, we need a new approach to these threats. Deep learning models extract features from a large amount of data by themselves and have shown outstanding performance in various tasks. Using these advantages, deep learning-based UAV classification models using various sensors are being studied recently. In this paper, we propose a deep learning-based classification model that learns the micro-Doppler signatures (MDS) of targets represented on radar spectrogram images. To enable this, first, we recorded five LSS targets (three types of UAVs and two different types of human activities) with a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar in various scenarios. Then, we converted signals into spectrograms in the form of images by Short-time Fourier transform (STFT). After the data refinement and augmentation, we made our own radar spectrogram dataset. Secondly, we analyzed characteristics of the radar spectrogram dataset using the ResNet-18 model and designed the lightweight ResNet-SP model for the real-time system. The results show that the proposed ResNet-SP has a training time of 242 seconds and an accuracy of 83.39%, which is superior to the ResNet-18 that takes 640 seconds for training with an accuracy of 79.88%.본 논문에서는, 레이더 스펙트로그램 상에 형성된 서로 다른 이동표적의 고유한 마이크로 도플러신호를 학습하는 딥러닝 기반 분류모델을 제안한다. 이를위해 우리는 다섯가지 소형 이동표적(무인항공기 3종과 사람행동 2종)을 선정하여 주파수변조 연속파레이더로 표적들의 다양한 움직임을 측정하고 측정한 신호에 단시간 푸리에 변환의 신호처리과정과 데이터 정제 및 증강의 전처리과정을 적용하여 자체 레이더 스펙트로그램 데이터셋을 생성한다. 이후 광학이미지 분류모델인 ResNet-18을 사용하여 레이더 스펙트로그램 데이터셋의 특성을 분석한다. 레이더신호를 광학이미지로 변형하는 과정에서의 정보왜곡 및 손실을 가정하여 세가지 레이더 신호형태에 따른 성능을 비교하고 최적의 데이터형태를 확인한다. 노이즈 시험 및 구조에 따른 성능변화를 통해 모델이 학습하는 주요한 데이터 특징과 이상적인 모델구조를 확인한다. 마지막으로 레이더 스펙트로그램 데이터셋 특성분석을 기반으로 추가적인 경량화 및 안정화 기법을 적용하여 실시간 시스템을 위한 ResNet-SP 모델을 설계하고 ResNet-18모델과의 성능비교를 통하여 연산속도 증가와 안정성 및 정확성 향상 등의 성능개선을 확인한다.Abstract . . . . . . . . . . . . . . i Contents . . . . . . . . . . . . . . ii List of Tables . . . . . . . . . . . . iv List of Figures . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Related Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Micro Doppler Signature (MDS) . . . . . . . . 5 2.2 Classification of UAVs using MDS . . . . . . . 6 3 Dataset Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.1 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.2 Pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.1 ResNet-18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.2 ResNet-SP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.1 Experiment Result . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.2 Training Details . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Abstract (In Korean) . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Maste

충돌회피를 고려한 무인항공기

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2015. 2. 김유단.Unmanned aerial vehicle (UAV) has developed to perform military missions including patrol, surveillance, and reconnaissance. Recently, the applications of UAV are expanding to the private markets of UAV agriculture, aerial photography and etc. For these various applications, collision avoidance of UAV is an essential problem, because collision to obstacles may cause not only mission failure but also destruction of UAV and fatal accident including loss of human life. In this study, modified A* path planning algorithm is proposed for UAV systems. In various robot applications, standard A* algorithm is widely used, which does not apply dynamics of UAV. Therefore, the results from the path planning algorithm should be post-processed to reflect the dynamic constraint of an UAV such as limited turning angle. To deal with this problem, search direction achievable by the UAV is considered in the proposed A* algorithm. The proposed algorithm can be implemented on the on-board system of the UAV in real-time, and does not need post processing to follow the result of path planning. Nonlinear guidance algorithm and PID controller to follow the path are also designed. The performance of the proposed algorithm is demonstrated using numerical simulations. Six degree-of-freedom simulation model was obtained by system identification flight test. Finally, the integrated algorithm is verified by the flight test.1. Introduction 2. Guidance and Control of UAV 3 2.1 Guidance of UAV for Path Following 3 2.1.1 Longitudinal Guidance 3 2.1.2 Lateral Guidance[10] 4 2.2 Autopilot system of UAV 6 2.2.1 Longitudinal Control 6 2.2.2 Lateral Control 7 3. Path Planning of UAV 9 3.1 A* Path Planning Algorithm 9 3.2 Modified A* Path Planning Algorithm for UAV 13 3.2.1 Problems of Standard A* Search 13 3.2.2 Search Candidate Point Selection 14 3.2.3 Cost and Heuristic Function Design 18 3.2.4 Modified A* Path Planning Simulation 21 4. Numerical Simulation 26 4.1 UAV System Modeling 26 4.1.1 UAV Model 26 4.1.2 UAV System ID 26 4.1.3 Longitudinal UAV System Model 27 4.1.4 Lateral UAV System Model 28 4.2 Linear Model Based A* Simulation 28 4.2.1 Simulink Simulator Block 28 4.2.2 Angle of Sight Target Point Calculation 34 4.2.3 Simulation Result 36 5. Flight Test 44 5.1 UAV System 44 5.1.1 UAV System Introduction 44 5.1.2 Flight Control Computer 47 5.2 Flight Test Preparation 49 5.3 Flight Test Result 49 6. Conclusion 56Maste

무인항공기 운영을 위한 덮개 모델 기반의 대규모 최적화 기법

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 산업공학과, 2021. 2. 문일경.There is increasing interest in the unmanned aerial vehicle (UAV) in various fields of the industry, starting from the surveillance to the logistics. After introducing the smart city, there are attempts to utilize UAVs in the public service sector by connecting individual components of the system with both information and physical goods. In this dissertation, the UAV operation problems in the public service sector is modeled in the set covering approach. There is a vast literature on the facility location and set covering problems. However, when operating UAVs in the system, the plan has to make the most of the flexibility of the UAV, but also has to consider its physical limitation. We noticed a gap between the related, existing approaches and the technologies required in the field. That is, the new characteristics of the UAV hinder the existing solution algorithms, or a brand-new approach is required. In this dissertation, two operation problems to construct an emergency wireless network in a disaster situation by UAV and one location-allocation problem of the UAV emergency medical service (EMS) facility are proposed. The reformulation to the extended formulation and the corresponding branch-and-price algorithm can overcome the limitations and improve the continuous or LP relaxation bounds, which are induced by the UAV operation. A brief explanation of the UAV operation on public service, the related literature, and the brief explanation of the large-scale optimization techniques are introduced in Chapter 1, along with the research motivations and contributions, and the outline of the dissertations. In Chapter 2, the UAV set covering problem is defined. Because the UAV can be located without predefined candidate positions, more efficient operation becomes feasible, but the continuous relaxation bound of the standard formulation is weakened. The large-scale optimization techniques, including the Dantzig-Wolfe decomposition and the branch-and-price algorithm, could improve the continuous relaxation bound and reduce the symmetries of the branching tree and solve the realistic-scaled problems within practical computation time. To avoid numerical instability, two approximation models are proposed, and their approximation ratios are analyzed. In Chapter 3, UAV variable radius set covering problem is proposed with an extra decision on the coverage radius. While implementing the branch-and-price algorithm to the problem, a solvable equivalent formulation of the pricing subproblem is proposed. A heuristic based on the USCP is designed, and the proposed algorithm outperformed the benchmark genetic algorithm proposed in the literature. In Chapter 4, the facility location-allocation problem for UAV EMS is defined. The quadratic variable coverage constraint is reformulated to the linear equivalent formulation, and the nonlinear problem induced by the robust optimization approach is linearized. While implementing the large-scale optimization techniques, the structure of the subproblem is analyzed, and two solution approaches for the pricing subproblem are proposed, along with a heuristic. The results of the research can be utilized when implementing in the real applications sharing the similar characteristics of UAVs, but also can be used in its abstract formulation.현재, 지역 감시에서 물류까지, 무인항공기의 다양한 산업에의 응용이 주목받고 있다. 특히, 스마트 시티의 개념이 대두된 이후, 무인항공기를 공공 서비스 영역에 활용하여 개별 사회 요소를 연결, 정보와 물자를 교환하고자 하는 시도가 이어지고 있다. 본 논문에서는 공공 서비스 영역에서의 무인항공기 운영 문제를 집합덮개문제 관점에서 모형화하였다. 설비위치결정 및 집합덮개문제 영역에 많은 연구가 진행되어 있으나, 무인항공기를 운영하는 시스템의 경우 무인항공기가 갖는 자유도를 충분히 활용하면서도 무인항공기의 물리적 한계를 고려한 운영 계획을 필요로 한다. 우리는 본 문제와 관련된 기존 연구와 현장이 필요로 하는 기술의 괴리를 인식하였다. 이는 다시 말해, 무인항공기가 가지는 새로운 특성을 고려하면 기존의 문제 해결 방법을 통해 풀기 어렵거나, 혹은 새로운 관점에서의 문제 접근이 필요하다는 것이다. 본 논문에서는 재난이 발생한 지역에 무인항공기를 이용하여 긴급무선네트워크를 구성하는 두가지 문제와, 무인항공기를 이용하여 응급의료서비스를 제공하는 시설의 위치설정 및 할당문제를 제안한다. 확장문제로의 재공식화와 분지평가법을 활용하여, 무인항공기의 활용으로 인해 발생하는 문제 해결 방법의 한계를 극복하고 완화한계를 개선하였다. 공공 서비스 영역에서의 무인항공기 운영, 관련된 기존 연구와 본 논문에서 사용하는 대규모 최적화 기법에 대한 개괄적인 설명, 연구 동기 및 기여와 논문의 구성을 1장에서 소개한다. 2장에서는 무인항공기 집합덮개문제를 정의한다. 무인항공기는 미리 정해진 위치 없이 자유롭게 비행할 수 있기 때문에 더 효율적인 운영이 가능하나, 약한 완화한계를 갖게 된다. Dantzig-Wolfe 분해와 분지평가법을 포함한 대규모 최적화 기법을 통해 완화한계를 개선할 수 있으며, 분지나무의 대칭성을 줄여 실제 규모의 문제를 실용적인 시간 안에 해결할 수 있었다. 수치적 불안정성을 피하기 위하여, 두 가지 선형 근사 모형이 제안되었으며, 이들의 근사 비율을 분석하였다. 3장에서는 무인항공기 집합덮개문제를 일반화하여 무인항공기 가변반경 집합덮개문제를 정의한다. 분지평가법을 적용하면서 해결 가능한 평가 부문제를 제안하였으며, 휴리스틱을 설계하였다. 제안한 풀이 방법들이 기존 연구에서 제안한 벤치마크 유전 알고리즘을 능가하는 결과를 나타내었다. 4장에서는 무인항공기 응급의료서비스를 운영하는 시설의 위치설정 및 할당문제를 정의하였다. 2차 가변반경 범위제약이 선형의 동치인 수식으로 재공식화되었으며, 강건최적화 기법으로 인해 발생하는 비선형 문제를 선형화하였다. 대규모 최적화 기법을 적용하면서, 평가 부문제의 구조를 분석하여 두 가지 풀이 기법과 휴리스틱을 제안하였다. 본 연구의 결과는 무인항공기와 비슷한 특징을 가지는 실제 사례에 적용될 수 있으며, 추상적인 문제로써 다양한 분야에 그대로 활용될 수도 있다.Abstract i Contents vii List of Tables ix List of Figures xi Chapter 1 Introduction 1 1.1 Unmanned aerial vehicle operation on public services 1 1.2 Facility location problems 3 1.3 Large-scale optimization techniques 4 1.4 Research motivations and contributions 6 1.5 Outline of the dissertation 12 Chapter 2 Unmanned aerial vehicle set covering problem considering fixed-radius coverage constraint 14 2.1 Introduction 14 2.2 Problem definition 20 2.2.1 Problem description 22 2.2.2 Mathematical formulation 23 2.2.3 Discrete approximation model 26 2.3 Branch-and-price approach for the USCP 28 2.3.1 An extended formulation of the USCP 29 2.3.2 Branching strategies 34 2.3.3 Pairwise-conflict constraint approximation model based on Jung's theorem 35 2.3.4 Comparison of the approximation models 40 2.3.5 Framework of the solution algorithm for the PCBP model 42 2.4 Computational experiments 44 2.4.1 Datasets used in the experiments 44 2.4.2 Algorithmic performances 46 2.5 Solutions and related problems of the USCP 61 2.6 Summary 64 Chapter 3 Unmanned aerial vehicle variable radius set covering problem 66 3.1 Introduction 66 3.2 Problem definition 70 3.2.1 Mathematical model 72 3.3 Branch-and-price approach to the UVCP 76 3.4 Minimum covering circle-based approach 79 3.4.1 Formulation of the pricing subproblem II 79 3.4.2 Equivalence of the subproblem 82 3.5 Fixed-radius heuristic 84 3.6 Computational experiments 86 3.6.1 Datasets used in the experiments 88 3.6.2 Solution algorithms 91 3.6.3 Algorithmic performances 94 3.7 Summary 107 Chapter 4 Facility location-allocation problem for unmanned aerial vehicle emergency medical service 109 4.1 Introduction 109 4.2 Related literature 114 4.3 Location-allocation model for UEMS facility 117 4.3.1 Problem definition 118 4.3.2 Mathematical formulation 120 4.3.3 Linearization of the quadratic variable coverage distance function 124 4.3.4 Linear reformulation of standard formulation 125 4.4 Solution algorithms 126 4.4.1 An extended formulation of the ULAP 126 4.4.2 Branching strategy 129 4.4.3 Robust disjunctively constrained integer knapsack problem 131 4.4.4 MILP reformulation approach 132 4.4.5 Decomposed DP approach 133 4.4.6 Restricted master heuristic 136 4.5 Computational experiments 137 4.5.1 Datasets used in the experiments 137 4.5.2 Algorithmic performances 140 4.5.3 Analysis of the branching strategy and the solution approach of the pricing subproblem 150 4.6 Summary 157 Chapter 5 Conclusions and future research 160 5.1 Summary 160 5.2 Future research 163 Appendices 165 A Comparison of the computation times and objective value of the proposed algorithms 166 Bibliography 171 국문초록 188 감사의 글 190Docto

A Legal Research on Human Elements of Maritime Autonomous Surface Ships (MASS) for Securing of Maritime Traffic Safety

This paper focuses on the normative issues and improvement plans related to maritime traffic safety of Maritime Autonomous Surface Ships (hereinafter referred to as“MASS”) related to human elements, including prior research on the normative study autonomous vessel. This work tried to find out what the regulatory barriers for securing maritime traffic safety in earnest when an autonomous vessel with the automated system. And it proposed the improvement plans to review any restriction conditions and problems of The United Nations Convention on the Law of the Sea(UNCLOS) and the International Maritime Convention. The purpose of this research is to suggest an improvement plan for the safety of maritime traffic through legal issues related to MASS that will change the paradigm of the future maritime industry including Shipping and Port and comparative legal consideration. This paper analyzed the characteristics and definitions of MASS and the autonomy in order to secure the safety of maritime traffic. The Autonomous airplane and Self-driving car field which have advanced in autonomy have been examined comparatively. In MASS, It has been concluded that this research faithfully fulfill both reliability of the technology and normative maintenance. Also, it is desirable to make a system that does not replace humans but that requires human intervention and keeps safety in common. In addition, the International Convention and the matters related to the safety of maritime traffic on autonomous vessel were compared with each other in domestic and foreign laws and regulations. This research have sought to explore whether there are any problems in applying the existing laws and regulations for MASS which completely different from the existing ship operation forms. As a result, This paper have determined that MASS can enjoy their status as vessels regardless of the human factors that played an essential role in conventional vessels. It was proved that very difficult for MASS to operate and secure safety within the framework of the UNCLOS and the International Maritime Convention. Therefore, if the technical reliability of MASS is seriously suspected, or if they are not expressly contrary to international conventions or flag laws, it is the general principle of the international community to treat vessels under the principle of international reciprocity or international comity. This paper examined the MASS in terms of human, ethical, and physical as to whether there are any regulatory barriers that violate the UNCLOS, the International Convention, and flag laws & regulations. The issues of human regulatory barriers for securing maritime traffic safety were examined by focusing on COLREG, STCW, LLMC, SOLAS(chapter VI, V, Ⅸ, XI). In relation to the MASS ethical dilemma, this research looked at what to consider and decide on navigation algorithm programming. MASS are based on sophisticated computer system, so ethical problems applied to Artificial Intelligence(AI) are very important. Ethical considerations also need to be studied in the future. Consequently, even if it is the MASS lacking human factors, it is an essential element that can not be abandoned and it is a great advantage in terms of securing the safety of maritime traffic. Therefore, it is appropriate to review the matters and related regulations by absorbing and integrating them in the existing normative system rather than the special law system that recognizes the specificity or exceptionality of MASS. In this regard, this research introduced the legislative proposals for the introduction and operation of MASS regarding the safety of life and maritime traffic and the prevention of marine environmental pollution at sea. Finally, Amendments for the domestic maritime law proposed relating to the definition of MASS, the permission of the provisional operation of MASS, the safety operation requirements, the collection of sailing information and suspension & punishment for MASS, Master's authority and duty for onboard reflecting the specificity of the sea.目 次 Abstract ⅲ 第1章 서론 1 제1절 연구의 목적 및 배경 1 제2절 연구의 방법 및 범위 10 제3절 선행연구 12 第2章 자율운항선박의 개념과 타 자율시스템과의 비교 고찰 17 제1절 자율운항선박의 개념 17 Ⅰ. 자율운항선박의 정의 17 Ⅱ. 자율운항선박의 자율화 단계 23 제2절 자율운항선박과 자율비행 항공기 자율화 비교 30 Ⅰ. 자율비행 항공기 자율화 현황 30 Ⅱ. 자율운항항공기와 자율운항선박의 자율화 단계 비교 33 제3절 자율운항선박과 자율주행 자동차 자율화 비교 36 Ⅰ. 자율주행 자동차 자율화 현황 36 Ⅱ. 자율주행 자동차와 자율운항선박의 자율화 단계 비교 39 第3章 자율운항선박의 선박지위에 따른 규범적 고찰 44 제1절 자율운항선박의 선박성에 관한 고찰 44 제2절 유엔해양법협약상 자율운항선박의 관할권 49 Ⅰ. 유엔해양법협약상 기국의 관할권과 MASS의 쟁점분석 50 Ⅱ. 유엔해양법협약상 연안국의 관할권과 MASS의 쟁점분석 52 Ⅲ. 유엔해양법협약상 항만국 관할권과 MASS의 쟁점분석 55 第4章 자율운항선박과 해상교통안전의 인적요소에 관한 고찰 58 제1절 자율운항선박 원격운항자의 선원성에 관한 판단 60 Ⅰ. 선박의 필수요소로서의 선장과 선원 60 Ⅱ. 자율운항선박 원격운항자의 역할 및 인적 감항성 60 제2절 자율운항선박의 인적요소와 선원의 상무 적용에 관한 고찰 68 Ⅰ. 자율운항선박에 선원의 상무 적용 근거와 내용 68 Ⅱ. 자율운항선박 선원의 상무 적용에 대한 쟁점사항 71 第5章 자율운항선박 해상교통안전 관련 규제 장벽 및 개선방안 76 제1절 자율운항선박 해상교통안전 확보를 위한 쟁점 및 개선방안 76 Ⅰ. 자율운항선박 해상교통안전 확보를 위한 인적규제 쟁점분석 및 개선방안 77 Ⅱ. 자율운항선박 해상교통안전 확보를 위한 윤리적 쟁점분석 및 개선방안 87 제2절 자율운항선박 해상교통안전을 위한 국제협약과 국내법 개정방향 및 개정원칙 95 Ⅰ. 자율운항선박 해상교통안전을 위한 규범의 개정방향 및 원칙 96 Ⅱ. 자율운항선박 도입 및 해상교통안전 확보를 위한 입법화 원칙 99 Ⅲ. 선장의 권한과 책임에 관한 원칙 102 第6章 결론 104 제1절 요약 및 정리 104 제2절 결론 106 參考文獻 111Maste

차량 간 GPS 공통 가시위성 검색을 통한 상대위치 추정 정확도 향상에 대한 연구

본 논문은 저가의 GPS 수신기와 MEMS급 IMU, B-CDMA 무선 통신 모듈을 이용한 다수 차량의 상대위치 추 정에 관한 연구이다. 차량의 상대위치를 추정함에 있어서, 각 차량의 가시 위성 조합이 불일치 할 경우 오차가 급증하는 현상이 발생한다. 본 논문에서는, 이를 개선하기 위하여 측정치 기반으로 상대위치를 계산하는 RGPS 알고리즘을 제안한다. 동시에 GPS/INS 통합 항법 알고리즘을 적용하여 각 차량의 방향각과 속도를 추정한다. 최종적으로 RGPS 알고리즘과 각 차량의 GPS/INS 통합항법 알고리즘 결과를 사용한 Position Integration Filter 알고리즘으로부터 최종적인 상대위치와 상대속도를 추정한다. 이와 같은 연구 결과를 증명하기 위하여 실제 실 험을 통하여 추정 결과를 확인하였다. 실시간 프로그램과 실험용 모형 차량을 제작하여 상대위치, 상대속도 추 정 실험을 실시, 실제 환경에서의 알고리즘의 성능을 검증하였다.In this paper, we present relative positioning algorithm for moving land vehicle using GPS, MEMS IMU and B-CDMA module. This algorithm does not calculate precise absolute position but calculates relative position directly, so additional infrastructure and I2V communication device are not required. Proposed algorithm has several steps. Firstly, unbiased relative position is calculated using pseudorange difference between two vehicles. Simultaneously, the algorithm estimates position of each vehicle using GPS/INS integration. Secondly, proposed algorithm performs filtering and finally estimates relative position and relative velocity. Using proposed algorithm, we can obtain more precise relative position for moving land vehicles with short time interval as IMU sensor has. The simulation is performed to evaluate this algorithm and the several field tests are performed with real time program and miniature vehicles for verifying performance of proposed algorithm.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2012-01/102/0000003405/9SEQ:9PERF_CD:SNU2012-01EVAL_ITEM_CD:102USER_ID:0000003405ADJUST_YN:NEMP_ID:A000360DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:05 한영민(927~934).pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]_YN:NCONFIRM: