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문제 정의
- 본 시스템과 같은 UAV 기반의 멀티센서 시스템은 기존의 항공측량 시스템과 달리 개별 센서들이 좁은 영역 안에 결합되어 있어 탑재변수가 크지 않고 UAV의 비행 특성상 자세의 변화가 심하기 때문에 이에 적합한 방법론이 요구된다. 따라서 개발된 항공부문 시스템의 제원을 통해 시뮬레이션을 수행하여 실제 시스템을 운용하였을 때 획득 가능한 센서 데이터를 생성하고 이를 이용하여 정확하고 효율적인 시스템 캘리브레이션을 위한 방법론을 도출하고자 한다.
- 본 연구에서는 개발된 항공부문 시스템에 대한 효율적이고 정확한 시스템 캘리브레이션 방법을 도출하기 위하여 3 종류의 비행경로에 따른 시뮬레이션을 수행하였으며 지상기준점의 개수에 따라 추정되는 탑재변수와 지상점 좌표의 정확도를 분석하였다.
- 시스템 캘리브레이션 시 최소로 요구되는 비행경로 및 지상기준점의 구성은 lever-arm offsets 중 △X, △Y와 bore-sight angles 중 roll, pitch angle을 결정하기 위한 100% 중첩을 두고 획득된 서로 반대 방향으로의 두 개의 스트립, bore-sight angles 중 yaw angle을 결정하기 위하여 두 개의 스트립 중 50%의 side lap을 갖으면서 평행을 이루는 스트립, 그리고 △Z를 결정하기 위한 하나의 지상기준점이다(Habib, 2010a). 본 연구에서는 정확하고 효율적인 시스템 캘리브레이션을 수행할 수 있는 최적의 비행경로 및 지상기준점의 개수를 도출하기 위하여 다양한 비행경로와 지상기준점의 분포를 시뮬레이션하고 제안된 수학적 모델에 기반한 캘리브레이션을 통해 그 결과를 분석하였다.
- 시스템 캘리브레이션은 UAV기반 멀티센서 시스템에 탑재되는 카메라와 GPS/IMU 사이의 기하학적 관계인 탑재변수를 결정하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 탑재변수의 추정 정확도 및 경제성을 고려하여 캘리브레이션 방법론을 적용하고자 한다. 따라서 기존의 시스템 캘리브레이션을 위한 두 가지 방법론 중 높은 정확도로 탑재변수의 추정이 가능하고 소수의 지상기준점을 이용하는 한 단계 방법론을 적용하였다.
- 본 연구에서는 현재 개발 중인 UAV기반 실시간 공중자료획득 시스템 중 항공부문 시스템의 탑재변수를 추정하기 위한 선행연구로서 멀티센서 시스템에 대한 캘리브레이션 방법론을 제안하고자 한다. 본 시스템과 같은 UAV 기반의 멀티센서 시스템은 기존의 항공측량 시스템과 달리 개별 센서들이 좁은 영역 안에 결합되어 있어 탑재변수가 크지 않고 UAV의 비행 특성상 자세의 변화가 심하기 때문에 이에 적합한 방법론이 요구된다.
- 본 연구에서는 현재 개발 중인 실시간 공중자료획득 시스템의 항공부문 시스템에 대한 탑재변수를 정확하게 추정하기 위하여 시스템 캘리브레이션 방법론을 수립하고 시뮬레이션을 통해 정확하고 효율적인 시스템 캘리브레이션을 위한 최적의 비행경로와 지상기준점의 필요 개수를 확인해보았다. 제안된 시스템 캘리브레이션 방법론에 따라 시뮬레이션을 수행한 결과 스트립간 중복도를 100%로 하는 서로 반대 방향으로의 2개 스트립과 스트립간 중복도를 50%로 하여 중복되는 스트립과 동일한 방향으로의 1개 스트립, 그리고 또 다른 비행고도에서 위와 같은 3개의 스트립을 추가로 구성하여 데이터를 획득하고 5점 이상의 지상기준점 정보를 획득하면 정확한 탑재변수의 추정이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 시스템 캘리브레이션은 UAV기반 멀티센서 시스템에 탑재되는 카메라와 GPS/IMU 사이의 기하학적 관계인 탑재변수를 결정하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 탑재변수의 추정 정확도 및 경제성을 고려하여 캘리브레이션 방법론을 적용하고자 한다.
- 실험은 효율적이고 정확한 시스템 캘리브레이션 방법을 도출하기 위하여 3 종류의 비행경로에 따른 시뮬레이션 데이터에 제안된 방법론을 적용함에 있어서 제약조건으로 입력하는 지상기준점의 개수를 변경해가며 수행하였다. 이때, 먼저 지상기준점을 제약조건으로 입력하지 않을 경우 어느 정도의 오차가 발생하는지 실험해 보았다. 실험결과, 비행경로 1에 대한 실험에서 추정된 지상점의 X, Y, Z 좌표에 대한 RMSE는 각각 0.
가설 설정
- 06°의 표준편차를 갖도록 생성하였다. 센서 제원상의 RTK 모드일 때 정확도는 이보다 높지만, 본 연구에서는 실제 데이터를 획득하였을 때를 가정하여 센서 정확도를 약 2배 정도 낮게 설정하였다. 지상점의 측정오차는 0.
- 식 (1)은 공선조건식에 탑재변수를 추가한 그림 4에 대한 수학적 모델이며 이를 이용하여 광속조정법 기반의 항공삼각측량을 수행하게 된다. 이때, 카메라의 내부표정요소는 별도의 카메라 캘리브레이션을 통해 정확하게 알고 있다고 가정하였다.
- 이때, 동-서 방향으로의 스트립(L1, L2, L3)은 고도 150m로 설정하여 스트립 당 8장의 영상을 획득하고, 남-북 방향으로의 스트립(L4, L5, L6)은 고도 200m로 설정하여 스트립 당 4장의 영상을 획득하도록 하였다. 항공 시스템은 정해진 경로를 따라 60km/h의 속도로 비행하고 초당 1개의 영상을 획득하는 시나리오를 가정하였다. 이때 영상 간 중복도는 150m의 비행고도에서 85%, 200m의 고도에서 88.
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