[논문 리뷰] Flocking behavior for dynamic and complex swarm structures

Carmen D. R. Pita-Romero, Pedro Arias‐Perez외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 29.

Distributed Control Multi-Agent Systems인용 수 0

한 줄 요약

FlockingBehavior를 제시하는 가상 중심 기반 알고리즘으로, 복잡한 UAV 스웜 편대 형상과 궤적을 구성하고 유지하며, 시뮬레이션과 실제 드론에서의 검증과 함께 형상 및 팀 규모의 동적 변화가 가능하게 한다.

ABSTRACT

Maintaining the formation of complex structures with multiple UAVs and achieving complex trajectories remains a major challenge. This work presents an algorithm for implementing the flocking behavior of UAVs based on the concept of Virtual Centroid to easily develop a structure for the flock. The approach builds on the classical virtual-based behavior, providing a theoretical framework for incorporating enhancements to dynamically control both the number of agents and the formation of the structure. Simulation tests and real-world experiments were conducted, demonstrating its simplicity even with complex formations and complex trajectories.

연구 동기 및 목표

• 에이전트 수에 고정된 한계 없이 임의로 복잡한 UAV 스웜 형상을 설계하기 위한 형식적 프레임워크를 제공한다.
• 단일 스웜 중심 궤적으로부터 각 개별 에이전트 자세를 온라인으로 생성할 수 있도록 한다.
• 비행 중에 스웜 구조와 규모의 동적 변화를 Reynolds’ flocking 규칙을 유지하면서 지원한다.
• Crazyflie 2.1 드론과 Aerostack2를 이용한 시뮬레이션 및 실제 세계 실험을 통해 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 가상 중심(VC) 프레임을 사용하여 형상 중심의 궤적을 P_i^W(t)=σ_VC^W(t) G_i^VC(t,i)로 변환하여 개별 에이전트 참조를 생성한다.
• 형상을 VC에 대해 방향 및 기하를 보존하도록 SE(3) 변환으로 모델링한다.
• Reynolds’ 응집성, 분리, 정렬 제약을 강제하여 오픈 루프 에이전트 참조를 안내한다.
• G_i^VC(t,i)를 업데이트하고 d_min 제약 하에서 에이전트를 추가/해제하여 동적 구조 변화를 허용한다.
• 정 centralized offline 제어 설정에서 정적(강체) 및 동적(시간에 따라 변하는) 형상을 모두 지원하고, 장애에 대응한 재구성도 포함한다.
• 모듈식 ROS 2 지향 설계를 가진 오픈 소스 코드를 게시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 VC 궤적이 임의로 복잡한 스웜 기하학에 대해 올바른 개별 UAV 참조를 생성할 수 있는가?
• RQ2 VC 기반 접근이 동적 형상에서 Reynolds’ 응집성, 분리, 정렬을 어떻게 보장하는가?
• RQ3 비행 중 스웜 규모를 변경하거나 형상을 재구성하는 것이 응집성, 분리, 정렬과 같은 성능 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 작은 및 중간 규모의 스웜을 이용한 실제 실험이 시뮬레이션 결과를 검증하고 경로 전면의 능력을 보여줄 수 있는가?
• RQ5 정적 대 동적 형상 간의 트레이드오프는 로버스트성과 확장성 측면에서 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 본 논문은 FlockingBehavior를 형식화하여 동적으로 재구성 가능한 복잡하고 확장 가능한 스웜 구조를 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 및 실제 드론 실험(Crazyflie 2.1 및 Aerostack2)은 선형, 곡선형, 회전 궤적에서 Reynolds’ 규칙의 준수를 검증한다.
• 장애 이후 약 1.5초 내에 재구성이 가능하며 궤적을 중단하지 않는다.
• 단일 VC 궤적이 여러 에이전트를 위해 충분하다는 것을 입증하며 12-drone 3D 궤적에서 형상을 유지한다.
• 비행 중 에이전트의 추가 및 해제가 가능한 상태로 동적 제약 하에서 확장성을 지원한다.
• 커뮤니티 평가 및 확장을 용이하게 하기 위해 코드를 오픈 소스로 공개한다.