Online Trajectory Optimization Of Quadrotor for Reproduction of Marionette Show

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 컴퓨터공학부, 2018. 2. 이제희.마리오네트는 프랑스어로, 줄 인형극 이라는 의미를 가지 고 있다. 국내에서는 접할 기회가 많지 않지만, 유럽에는 많 은 극단들이 있으며 사람들에게 많이 사랑받는다. 다양한 인 형극 중에서도 줄 인형극은 가장 사랑 받는 장르이며, 그래 서 인형극을 마리오네트라고 통용해서 부르기도 한다. 줄 인 형극은 주요 관절에 줄을 매단 인형을 무대 뒤편의 사람이 조종하여 마치 살아 움직이는 듯한 움직임을 만들며 풍자, 해학과 같은 메시지를 관객에게 전달한다. 줄 인형극은 인형 극 중에서도 난이도가 높은 공연에 속한다. 인형을 직접 제 어하는 것이 아니라, 조종 막대와 줄이라는 매개체를 이용해 서 인형을 조종하기 때문에 직관적이지 못하기 때문이다. 조 종 막대는 여러 가닥의 줄을 사람이 두 손만으로 관리할 수 없기 때문에 사용한다. 십자가 형태의 나무 막대에 줄들을 매달고, 이를 회전시키고 이동시키면서 인형의 움직임을 만 들어낸다. 조종 막대의 자세는 인형의 자세로 연결되며, 따라 서 한편의 인형극은, 조종 막대가 그리는 궤적에 의해 인형 의 움직임이 생성되어 만들어진다. 따라서 인형극 중의 조종 막대의 움직임을 정교하게 재현한다면, 본래의 인형극 또한 재현할 수 있다. 한편, 최근 기술의 발달로 인해 드론의 성능이 크게 발전 했다. 안정적인 공중 선회 기능을 가진 드론은 군사, 농업, 인명구조, 예술 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 이렇게 드 론이 다른 비행체보다 다양한 분야에 사용될 수 있는 드론의 장점은, 간단한 동역학, 쉬운 제어, 그리고 안정적인 공중 선 회능력을 꼽을 수 있다. 본 학위 논문에서는 이러한 드론의 장점을 이용하여 사람 이 조종하는 조종 막대를 대체하여 인형극을 재현하는 방법 에 대해 이야기 하고자 한다. 줄 인형극은 많은 연습을 필요로 하는 기술이기 때문에, 전문 팀들이 많지 않다. 또한 현실감을 높이기 위해서는 뒤 에서 조종하는 사람이 최대한 보이지 않아야 한다. 이를 위 해 무대 뒤 배경에 숨거나, 배경과 비슷한 색의 옷을 입어 최대한 드러내지 않으려고 노력한다. 또한 사람보다 큰 인형 을 제어할 수 없다. 하지만 드론을 이용한다면, 더 많은 사람 들에게 다양한 장르의 공연을 생산, 보급할 수 있고, 무대의 시야에서 벗어난 높은 곳에서 조종한다면 사람이 숨는 노력 을 할 필요 또한 없을 것이다. 그리고 다수의 드론을 이용한 다면, 사람보다 큰 무거운 인형의 제어 또한 가능할 것이다. 사람이 조종하는 조종 막대와, 드론의 움직임은 비슷하면 서도 큰 차이가 있다. 조종 막대는 회전과 이동에 대해 자유 로운 6 자유도를 가지는 반면 드론의 동역학은 회전과 이동 이 모두 가능하지만, 부분적으로 두 움직임이 연결되어있다. 따라서 완벽하게 조종 막대의 움직임을 따라가기는 불가능하 다. 따라서 이를 최대한 비슷하게 따라가기 위해 모델 예측 제어 기법 중 하나인 미분 동적 프로그래밍 기법을 사용하고 적절한 손실 함수를 설계하였다. 조종 막대의 궤적은 조종 막대를 모션 캡쳐하여 얻어내고 이렇게 얻어진 궤적을 미분 동적 프로그래밍을 이용해, 물리 기반 드론 시뮬레이터가 추적하게 하고, 드론이 그려낸 궤적 을 얻어내었다. 이렇게 얻어낸 드론의 궤적을 이용해 물리 기반 엔진을 통 해 기존 인형극과 최대한 유사한 인형을 설계하고 줄 위에 매달아서, 실제 인형극을 얼마나 비슷하게 재현해 내는지에 대해 평가하였다.제１장 서론 1 제２장 관련 연구 6 제３장 목표 및 접근방법 8 3.1 인형과 조종 막대와의 관계 8 3.2 조종 막대와 드론 9 제４장 최적화 12 4.1 미분 동적 프로그래밍 12 4.2 손실 함수 디자인 14 제５장 결과 17 5.1 인형극 궤적 데이터 생성 17 5.2 시뮬레이션 18 5.3 궤적 최적화 결과 19 제６장 결론 및 향후 연구 28 참고문헌 30 Abstract 33Maste

Master of Science

thesisFlying rotorcraft, such as helicopters and quadrotors, can gather useful information without the need for human presence, but they consume a great deal of power and have limited on-board energy resources. Our work aims to provide a passive perching mechanism so that a rotorcraft is able to grip branch-like perches and resist external wind disturbances, using only the weight of the rotorcraft to maintain the grip. Deviating from previous bio-inspired approaches, in this thesis, we propose a mechanism that incorporates a Sarrus linkage to convert the weight of the rotorcraft into grip force. We provide an analysis of the mechanism's kinematics, we present the static force equations that describe how the weight of the rotorcraft is converted into grip force onto a cylindrical perch, and we describe how grip forces relate to the ability to reject horizontal disturbances such as wind gusts. The mechanism is then optimized for use on a single perch size, and then for a range of perch sizes. We conclude by constructing a prototype mechanism, and we demonstrate its use with a remote-controlled helicopter