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문제 정의
- 본 논문에서는 비전센서를 사용하여 움직이는 물체를 항상 영상내의 중앙에 위치시키며 추적하고, 목표물이 정해진 사거리에 들어오면 목표물을 향하여 사격하는 무인 사격 로봇의 설계와 실험에 관하여 제안한다. 본 논문에서는 비전 센서로 USB 웹캠의 움직이는 카메라를 사용한다.
- 본 논문에서는 이러한 상황들을 극복할 수 있도록 영상처리 시스템을 구성하였다. 그리고 시각구동장치의 정밀 제어를 위한 퍼지논리시스템은 영상면의 목표물 중심좌표가 항상 화면의 중심좌표에 위치해야 한다는 조건을 만족하도록 설계된다.
- 이를 줄이기 위하여 퍼지논리 시스템을 적용한다. 아울러 가감속 제어를 함으로써 빠른 추적 성능을 얻고자 한다.
제안 방법
- 따라서 안정적인 NS과 PS 영역이 아닌 영역에서는 ZE 영역으로 간주하여 영상의 중심에 가까이 있을 때 불필요한 모터의 움직임을 제거함으로써 영상의 떨림 현상을 없애도록 하였다. 또한 (a)의 출력 멤버십 함수와 같이 NB과 PB의 영역에 속하는 거리에 대해서는 모터를 가속하여 이동하는 대상체를 빠르게 추적할 수 있도록 하였다.
- FLS에 의하여 가까운 곳의 애매모호한 영역에서 모터를 정지시킴으로써 이를 줄였다.
- ZE 영역을 벗어난 NS, PS에서는 안정적인 속도로 모터를 제어한다. N阳과 PB 영역은 NS과 PS 영역에 비해서 범위가 작아 영상의 중심에서 매우 먼 대상체를 빠르게 따라가도록 속도를 최대로 하여 모터를 제어함으로써 이동거리의 변화량에 따른 효율적인 추적을 가능하도록 하였다.
- 각 직렬 통신을 위한 포트와 LPT 포트의 신호는 MCS-51 계열의 8051 프로세서를 통하여 각 모터를 제어하도록 한다.
- 평균과 표준편차는 이진화를 위한 임계치 설정에 사용된다. 또한 형태의 복잡도와 목표물의 영역을 이용함으로서 잡음 또는 유사한 색상을 가지는 물체들이 제거될 수 있도록 하였다. 이러한 구조를 통해서 목표물을 학습한 후, 이를 기반으로 입력된 영상에서 이진화를 수행하고, 모폴로지, 복잡도, 크기를 이용하여 결과 영상으로부터 대상 추적을 위한 후보영역을 추출한다.
- 로봇의 모든 기구부는 직접 제작하고, 영상처리 시스템은 MFC를 이용하여 구현한다. 로봇의 구동부와 팬-틸트부는 DC 모터를 사용하여 제어한다.
- 목표물 사격을 위하여 팬-틸트에 웹캠과 함께 장난감 총의 일종인 BB탄 총을 장착한다. 그리고 장착된 총의 방아쇠를 당기기 위하여 서보 모터가 장착된다.
- 목표물을 추적하며 일정한 사격 거리를 유지하도록 LPT 포트를 이용하여 로봇의 몸체에 장착된 두 개의 바퀴를 제어하고, 직렬 통신을 이용하여 로봇의 앞쪽에 달린 팬-틸트를 제어한다. 각 직렬 통신을 위한 포트와 LPT 포트의 신호는 MCS-51 계열의 8051 프로세서를 통하여 각 모터를 제어하도록 한다.
- 본 논문의 실험은 실험실의 바닥에 물체를 두고서 FLS를적용하지 않고 실험한 결과와 FLS를 적용한 후의 실험 결과를 비교하였다. 이때 기존의 시스템에서의 가장 큰 문제인 물체의 중심과 화면의 중심이 근접해 있음에도 불구하고 화면의 중심과 물체의 중심을 일치시키고자 이루어진 불필요한 신호로 인해 정지된 물체에 대해서도 팬-틸트가 떨리는 현상을 나타내었다.
- 본 시스템에서는 저가의 USB 웹캠을 이용하여 획득된 영상으로부터 목표물의 상태를 얻는다. 이때 카메라 자체의 백색 조정(white balancing) 기능과 주변 환경의 영향으로 인하여 동일한 카메라를 사용하더라도 차이를 나타낸다.
- 먼저 획득한 영상에서 대상체만을 추출해 내기 위한영상처리 시스템을 거친다. 영상처리를 통해 얻어낸 화면의 중심과 물체의 중심 사이의 거리 변화량을 제안한 퍼지논리 시스템의 입력으로 사용한다. 제안한 퍼지논리시스템은 입력값을 설계한 룰 베이스에 따라 팬-틸트를 제어하기 위한 모터 입력 신호로 출력한다.
- 추적한다. 웹캠을 통하여 획득한 영상을 토대로 물체의 특징값을 추출한 후 이를 기준으로 하여 영상내의 데이터를 이진화시킨다. 그리고 화면의 중심과 물체의 중심 좌표를 얻어내어 이들의 거리 변화량에 따라 팬-틸트를 제어함으로써 항상 영상 내에 목표물이 존재하도록 한다.
- 또한 형태의 복잡도와 목표물의 영역을 이용함으로서 잡음 또는 유사한 색상을 가지는 물체들이 제거될 수 있도록 하였다. 이러한 구조를 통해서 목표물을 학습한 후, 이를 기반으로 입력된 영상에서 이진화를 수행하고, 모폴로지, 복잡도, 크기를 이용하여 결과 영상으로부터 대상 추적을 위한 후보영역을 추출한다. 추출된 후보영역은 라벨링 과정을 거쳐 하나의 영역으로 만들어지며, 이러한 영역으로부터 목표물의 중심좌표를 구한다.
- 이것은 다시 웹캠의 진동을 초래하며, 결과적으로 영상의 떨림현상을 가져온다. 이러한 현상을 줄이기 위하여 FLS를 적용한다.
- 즉 영상처리 후 물체의 좌표, 물체와 화면 중심 간의 거리 차, 물체의 크기 등의 정보를 얻어낸다. 이를 통해 팬-틸트를 제어하여 물체가 화면의 중심에 오도록、제어하고, 화면의 중심에 왔을 때 물체의 크기를 확인하여 일정한 사격 거리를 유지하도록 로봇의 몸체에 장착된 구동부를 제어한다. 로봇이 원하는 거리까지 접근한 후, 목표물을 영상의 중앙에 오도록 해서 목표물을 향하여 사격하게 한다.
- 영상처리를 통해 얻어낸 화면의 중심과 물체의 중심 사이의 거리 변화량을 제안한 퍼지논리 시스템의 입력으로 사용한다. 제안한 퍼지논리시스템은 입력값을 설계한 룰 베이스에 따라 팬-틸트를 제어하기 위한 모터 입력 신호로 출력한다. 모터 신호는 팬-틸트를 제어하여 물체가 항상 화면의 중심에 있도록 추적한다.
대상 데이터
- 본 논문에서 설계한 목표물 추적을 위한 자율 이동 로봇인 무인 사격 로봇은 2륜 차동 구동방식과 USB 웹캠의 비전 센서를 사용하여 동적인 목표물을 추적하며 사격하는 로봇이 다.
- 설계와 실험에 관하여 제안한다. 본 논문에서는 비전 센서로 USB 웹캠의 움직이는 카메라를 사용한다.
데이터처리
- 카메라로부터 입력된 영상을 이용하여 추적하고자 하는 목표물을 지정하고, 지정된 목표물의 R, G, B 각 채널의 평균과 표준편차를 계산한다. 평균과 표준편차는 이진화를 위한 임계치 설정에 사용된다.
이론/모형
- 본 논문에서는 무인 사격 로봇의 팬-틸트 부분 제어를 위하여 퍼지논리시스템을 적용한다.
- 현상도 발생한다. 이를 줄이기 위하여 퍼지논리 시스템을 적용한다. 아울러 가감속 제어를 함으로써 빠른 추적 성능을 얻고자 한다.
성능/효과
- FLS를 적용함으로써 불필요한 모터의 떨림현상을 줄일 수 있으며, 아울러 팬-틸트의 가감속 제어를 통하여 목표물의 갑작스런 움직임에 대한 추적실패 대신에 안정적인 추적을 보장할 수 있다.
- 같은 실험 환경에서도 기존의 시스템에 비해 시간이 지나도 불필요한 제어가 없이 근접된 상태에서 정지됨을 보여주고 있다. 이를 통해 작은 양의 밝기 변화에도 안정적으로 목표물을 추적하고 있음을 알 수 있다.
- 또한 목표물의 급격한 변화에 민감하지 못한 문제들을 개선하였다. 또 한이 동체의 이동 변화량에 따른 팬-틸트의 가감속으로 추적이보다 안정화되었다.
- 본 논문에서 설계한 퍼지논리시스템을 사용하여 팬-틸트를 제어함으로써 기존에 추적하면서 생기는 모터의 떨림 현상으로 인한 영상의 블러링을 줄일 수 있었다. 또한 목표물의 급격한 변화에 민감하지 못한 문제들을 개선하였다.
- 본 시스템의 출력 멤버쉽 함수 (a)는 입력과는 달리 ZE 영역을 1/2로 줄였으며, NS과 PS 영역을 확장하였다. 따라서 영상의 중심과 매우 가까운 영역인 ZE에 대한 X축 모터의 속도는 매우 느리거나 정지된다.
- 기존의 시스템은 추적하고자 하는 물체의 중심과 카메라의 중심이 완전히 일치할 수 없는 기구학적인 문제로 인하여 거리오차가 아주 적은 경우에도 계속 추적 제어를 수행함에 따라 모터가 떨리는 현상을 야기시켰다. 제안한 FLS 시스템에 의해서는 정지된 물체의 중심과 거리오차가 어느 정도 가까이 있을 때는 불필요한 추적제어를 더 이상 하지 않고 정지시킴으로써 모터의 떨림 현상을 줄일 수 있었다.
- 이를 해결함으로 써 이동로봇에서 안정적인 추적이 가능하다고 사료된다. 제안한 FLS를 이용하여 정지된 물체에 대해서도 근접한 거리(팬-틸트의 기구학적인 제어 범위이내)에 대한 불필요한 제어를 줄임으로써 팬-틸트에 장착된 웹캠으로 받아들이는 영상에 흔들림이 덜하며, 밝기의 변화 폭을 줄이도록 하였다.
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