[논문]배터리 교체형 전기자동차의 배터리 위치좌표 획득을 위한 영상처리기술 검증

김응필; 정원재; 김정윤; 박준석; 김태희

문제 정의

본 논문에서는 QCM 영상처리시스템에 대한 알고리즘에 대하여 설명하고, 영상처리 카메라를 통해 획득한 영상을 QCM의 영상처리장치가 획득한 배터리 영상을 PLC의 배터리 탈부착 로봇에게 정확한 위치 좌표를 전달하는 영상처리기술을 제안한다. 또한 배터리 위치좌표 획득을 위한 배터리의 랜드마크를 정의하여 QCM/QTPE-BUS 배터리 교환 시스템의 현장실험을 통한 배터리 위치좌표 획득 과정을 검증한다.
본 논문은 배터리의 안전한 교환 기술 구현을 위해 영상처리장치 기반의 배터리 좌표 획득 알고리즘 및 기술을 개발하였다. 영상처리장치를 통해 배터리 위치좌표 획득 방법을 제안하고, 배터리 교환 방법의 타당성 검증을 위해 구현된 배터리 교환 시스템에 적용하였다.
본 논문은 영상처리를 통한 배터리 좌표인식을 통해 QCM/QTPE-BUS의 배터리 교환 시스템 인프라의 구현을 조금 더 용이하게 할 수 있도록 제안하였다. 이와 같은 영상처리 기술을 이용하여 배터리 탈부착 로봇의 배터리 교환이 정교하게 이루어질 수 있었다.

제안 방법

QCM 영상처리시스템은 QTPE-BUS 배터리 교환을 위해 그림 2의 영상처리 순서와 같이 진행한다. 1차적으로 배터리 탈착을 위해 QTPE-BUS의 상단에 부착된 배터리 랜드마크 위치를 영상처리로 판독하여 위치좌표 데이터를 획득하고, 중계서버 역할을 하는 QCM Agent로 전송한다. PLC는 획득된 위치 좌표를 배터리 탈착 로봇에 전송하여 위치를 알려주게 되며 배터리 분리 작업을 진행한다.
29-6기반의 S/W 개발환경으로 제작한 영상처리 장치는 최대 833 MHz 클럭의 SAMSUNG S5PC100 CPU를 적용하였다. Local server와 버스 구조 방식의 근거리 통신망(LAN)의 프로토콜인 Ethernet을 적용하였고, QCM PLC와는 ANSI/TIA/EIA-574-90 규격의 RS-232 프로토콜 및 RS-422 프로토콜을 적용하였다. 또한, QTPE-BUS와 IEEE.
QTPE-BUS 배터리 교환 시 배터리의 정확한 위치좌표를 획득하기 위해 그림 6과 같이 QCM 영상처리장치를 구현하였다. Linux ver.
정확한 배터리 위치좌표를 획득하기 위하여 QCM PLC기준의 좌표계와 영상처리장치 기준의 좌표계 0점을 동일하게 조절하는 과정이 필요하다. 두 기준점 좌표의 0점을 배터리 교환이 이루어지도록 좌표계를 분석하는 과정을 캘리브레이션 과정이라 제안한다.
본 논문에서는 QCM 영상처리시스템에 대한 알고리즘에 대하여 설명하고, 영상처리 카메라를 통해 획득한 영상을 QCM의 영상처리장치가 획득한 배터리 영상을 PLC의 배터리 탈부착 로봇에게 정확한 위치 좌표를 전달하는 영상처리기술을 제안한다. 또한 배터리 위치좌표 획득을 위한 배터리의 랜드마크를 정의하여 QCM/QTPE-BUS 배터리 교환 시스템의 현장실험을 통한 배터리 위치좌표 획득 과정을 검증한다.
Local server와 버스 구조 방식의 근거리 통신망(LAN)의 프로토콜인 Ethernet을 적용하였고, QCM PLC와는 ANSI/TIA/EIA-574-90 규격의 RS-232 프로토콜 및 RS-422 프로토콜을 적용하였다. 또한, QTPE-BUS와 IEEE.802.11기반 WIFI 통신 프로토콜을 적용하였고, 영상감지 카메라와는 HUB를 통한 접속 방식을 적용하는 방식으로 영상처리장치를 구현하였다.
랜드마크의 종류는 빨강색의 +모양, 정사각형 모양의 가로, 세로 24 cm × 24 cm를 표준 값으로 정하였다.
즉, QCM 최초 설치 시 QCM PLC와 영상처리 장치간 서로의 기준점 위치좌표를 알고 있어야 하므로 최초 한번은 배터리의 초기 위치를 확보해야 한다. 배터리 탈부착 QCM 로봇이 배터리 교환 가능 위치를 잡은 후, 영상처리장치가 그 위치에서의 배터리 영상을 획득하여, QCM 로봇의 X, Y, Z 좌표 값과 영상처리장치의 배터리 X, Y, Z 좌표 값을 캘리브레이션 하게 된다.
본 논문은 배터리의 안전한 교환 기술 구현을 위해 영상처리장치 기반의 배터리 좌표 획득 알고리즘 및 기술을 개발하였다. 영상처리장치를 통해 배터리 위치좌표 획득 방법을 제안하고, 배터리 교환 방법의 타당성 검증을 위해 구현된 배터리 교환 시스템에 적용하였다.

대상 데이터

실제 현장 테스트를 위해 QCM 내부 천정으로부터 QTPE-BUS 상단의 배터리 랜드마크까지의 거리가 약 163 cm이므로 영상처리장치를 QCM 내부 천정에 배치하였다. 그림 8은 카메라 설치 위치를 보여주는 도면이다.
카메라의 해상도는 가로, 세로 704 × 480으로 41만화소이며 화각 30˚로 설정한 카메라를 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 여러 환경 요소를 설정하여 가시거리 확보 문제 극복을 위한 잡음 필터링을 통해 배터리 좌표 획득 정확도가 98±2%가 되었다.
배터리 교환 시 QCM PLC 로봇의 허용오차는 10 cm로 설계되어 영상처리장치가 배터리 위치 판독을 10 cm의 호용오차 범위 안에 들어오게 인식해야 한다. 현장 실험 결과 X, Y, Z의 값이 최대 2 pixel의 오차가 발생 되어 QCM 기구부의 허용 오차 범위 안에 들어감을 알 수 있다. 기울기와 높이 판단은 인식된 랜드마크 모양과 크기에 의해 계산하여 기울기와 높이의 오차가 5 pixel 내에 위치하여 그림 9의 그래프의 결과와 같이 QCM PLC의 허용오차 범위 안으로 들어감을 알 수 있다.

후속연구

이와 같은 영상처리 기술을 이용하여 배터리 탈부착 로봇의 배터리 교환이 정교하게 이루어질 수 있었다. 하지만 650 kg의 무거운 배터리를 교환하려면 안전성을 고려해 본 논문을 통한 정확도 98±2 %보다 좀 더 정확한 위치 판독이 필요하다. 향후 레이져 스캔 시스템을 적용하게 된다면 배터리 탈부착 위치 오차율을 줄이고 보다 더 정밀한 배터리 위치 인식이 가능할 것으로 판단된다.
하지만 650 kg의 무거운 배터리를 교환하려면 안전성을 고려해 본 논문을 통한 정확도 98±2 %보다 좀 더 정확한 위치 판독이 필요하다. 향후 레이져 스캔 시스템을 적용하게 된다면 배터리 탈부착 위치 오차율을 줄이고 보다 더 정밀한 배터리 위치 인식이 가능할 것으로 판단된다.

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