[논문]미니드론의 영상기반 자동 비행 제어에 관한 연구

선은혜; 트랜후루엇트; 김동연; 김용태

doi:10.5391/jkiis.2015.25.6.536

미니드론의 영상기반 자동 비행 제어에 관한 연구
A Study on the Image-based Automatic Flight Control of Mini Drone 원문보기 논문타임라인

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.25 no.6, 2015년, pp.536 - 541

선은혜 (한경대학교 전기전자제어공학과) , 트랜후루엇트 (한경대학교 전기전자제어공학과) , 김동연 (한경대학교 전기전자제어공학과) , 김용태 (한경대학교 전기전자제어공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 실내에서 미니드론의 영상기반 자동 비행 및 이 착륙 제어시스템을 제안한다. 천정 카메라와 지면에 마커가 있는 환경에서 미니드론의 자동 비행 제어시스템을 구성하였다. 천장에 설치된 카메라영상을 기반으로 착륙 위치와 드론을 인식할 뿐만 아니라 드론의 움직임을 추적한다. PC서버는 드론의 위치를 계산하여 드론에 제어 명령을 전송한다. 드론의 비행 제어기는 상태 머신 기법, PID 제어와 웨이포인트-위치 제어기법을 사용하여 구현하였다. 실제 미니드론을 사용하여 제안한 자동제어시스템을 검증하였다. 바닥의 마커를 인식하여 ㄱ, ㄷ, ㅁ자 등의 특정 형상의 궤적을 따라 비행하는 것을 실험으로 확인하였으며, 높이의 차이가 있는 두 개의 착륙지점에도 착륙하는 실험에서도 우수한 성능을 보여 주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a the image-based automatic flight control system for the mini drone. Automatic flight system with a camera on the ceiling and markers on the floor and landing position is designed in an indoor environment. Images from the ceiling camera is used not only to recognize the makers and landing position but also to track the drone motion. PC sever identifies the location of the drone and sends control commands to the mini drone. Flight controller of the mini drone is designed using state-machine algorithm, PID control and way-point position control method. From the, The proposed automatic flight control system is verified through the experiments of the mini drone. We see that known makers in environment are recognized and the drone can follows the trajectories with the specific ㄱ, ㄷ and ㅁ shapes. Also, experimental results show that the drone can approach and correctly land on the target positions which are set at different height.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 웨이포인트-위치 제어 기법을 직접적으로 궤적추적-행동을 생성하기 위해 사용하였다. 원하는 경로는 연속적인 중간 점의 순서로 드론의 웨이포인트의 집합으로 분류된다.
본 논문에서는 이미지 마커를 인식하는 영상처리기법을 통해 미니드론의 자동 비행시스템을 연구하였다. 실제 미니드론을 사용한 비행 및 이·착륙 실험을 통하여 제안한 자동 비행 시스템을 검증하였다.

제안 방법

축 목표에 접근한 후, 드론은 앞 또는 뒤로 목표를 향해 비행한다. PID 제어기는 비행하는 드론의 위치와 목표위치를 추적할 수 있도록 설계하였다. PID 제어기의 출력은 속도 값이다.
두 개의 이미지 마커를 이용하여 ㄱ, ㄷ, ㅁ자 비행을 수행하고, 이·착륙 마커가 인식된 경우에는 이·착륙을 한다.
그림 11은 자동 비행시스템의 착륙 실험 결과이다. 두 개의 착륙 마커는 지면과 지면위의 50cm 높이에 위치해 높이를 달리하여 진행하였다. 드론은 두 마커의 중간지점에 위치하며, 가까운 착륙지점에 착륙한 뒤 이륙하여 나머지 착륙지점으로 향한다.
5초간 호버링하면서 지정된 목표로 비행한다. 본 논문에서는 ㄱ자 비행, ㄷ자 비행, ㅁ자 비행을 제어 목표로 제어기를 구현하였다.
본 논문에서는 자동 비행 모드에 이미지 마커에 따라 비행 실험과 이·착륙 실험을 진행하였다.
본 논문의 자동 비행시스템은 그림 1과 같이 천장 카메라와 드론, 지도제작을 위한 바닥의 안내용 마커와 이미지 마커로 구성된다. 천장 카메라는 바닥의 2m×3.
드론 제어 방법은 다양하다. 본 연구는 천장에 설치된 카메라 영상을 이용해 드론의 움직임을 추적하여 비행제어를 한다. 그림 7과 같이 드론의 이동시 방향을 판단할 수 없는 경우 제어가 어려워진다.
본 연구에서는 천장에 카메라를 설치하여 미니드론의 위치를 추정하고, 바닥의 마커를 인식하는 영상처리기법을 통해 ㄱ자비행, ㄷ자 비행, ㅁ자 비행하고, 착륙위치에 이·착륙하는 미니 드론의 자동 비행 및 착륙시스템을 제안하였다.
실제 미니드론을 사용한 비행 및 이·착륙 실험을 통하여 제안한 자동 비행 시스템을 검증하였다.
그림 5와 같이 비행용 이미지 마커를 이용하여 ㄱ자 비행, ㄷ자 비행, ㅁ자 비행 실험을 진행한 실험 결과이다. 제시한 그림 3의 동작알고리즘을 따라 먼저 자신의 위치와 방향을 인지하고 첫 번째 마커를 향해 수직선상의 오차를 줄이며 수평 비행하고, 수평선상의 오차를 줄이며 수직 비행하여 ㄱ자 비행, ㄷ자 비행, ㅁ자 비행을 수행한다. 웨이포인트 위치제어를 통해 드론이 카메라에서 벗어나도 ㄱ자, ㄷ자, ㅁ자 비행하는 것을 볼 수 있었다.
자동 비행시스템 실험을 위해 그림 1과 같은 실험환경을 구축 하여 진행하였다. 천장에 카메라를 설치하고, 바닥의 각 모서리 지점에 각각 A4용지로 안내용 마커를 부착하였다. 본 논문에서는 자동 비행 모드에 이미지 마커에 따라 비행 실험과 이·착륙 실험을 진행하였다.

대상 데이터

5m이다. 미니 드론은 PARROT사의 Rolling Spider를 사용한다.
사용된 안내용 마커는 A4용지 크기이며, 비행용 이미지 마커는 20cm×20cm이고, 착륙용 이미지 마커도 A4용지 크기를 사용하였다.
이미지 마커는 그림 4와 같이 비행 마커 두 개와 이·착륙 마커 한 개를 사용한다.
천장카메라는 USB-CAM 720P를 사용하였으며, 30f/s로 이미지를 획득한다. Rolling Spider는 직경 140mm, 프로펠러 직경 55mm, 모터 간격 85mm, 무게 55g의 미니드론이다.

이론/모형

본 연구에서는 미니드론의 실내 자동 비행을 위해 천장카메라 영상 기반 비주얼 서보잉기법을 이용하였다. 따라서 드론은 항상 실험 환경 내에 위치해 있어야 하며, 가장 자리의 4개의 안내용 마커를 벗어나면 안 된다.

성능/효과

하지만, 이 경우 마크가 존재해야 한다는 가정이 들어가기 때문에 불특정 공간에 적용하기가 어렵다. PID 제어와 웨이포인트-위치 제어를 통하여 위치를 보정할 수 있었고, 이를 통해 카메라 화각에서 벗어난 경우에도 자동 비행이 가능했다. 본 논문에서 제안한 자동 착륙 알고리즘은 착륙 지점이 두 개인 경우에도 성공적으로 수행하는 것을 실제 실험으로 검증하였다.
PID 제어와 웨이포인트-위치 제어를 통하여 위치를 보정할 수 있었고, 이를 통해 카메라 화각에서 벗어난 경우에도 자동 비행이 가능했다. 본 논문에서 제안한 자동 착륙 알고리즘은 착륙 지점이 두 개인 경우에도 성공적으로 수행하는 것을 실제 실험으로 검증하였다.

후속연구

앞으로 영상을 처리할 수 없는 상황에서 미니드론의 위치 검출을 위해 무선통신 신호를 사용하는 실내 자율 비행 제어기 설계 방법을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인 항공기란?	무인 항공기란 미리 입력된 경로 및 프로그램에 따라 비행하거나 스스로 주위의 환경을 인식하고 분석하여 자율 비행하는 비행체를 지칭하며, 세계적으로 활발히 연구 중에 있다. 무인 항공기는 광학장비, GPS 등의 기체 탑재 장비들의 다변화를 통해 군사용뿐만 아니라 민간용, 산업용 및 탐사용 등으로 다양하게 응용될 수 있다[1].
	무인 항공기는 어디에 응용될 수 있는가?	무인 항공기란 미리 입력된 경로 및 프로그램에 따라 비행하거나 스스로 주위의 환경을 인식하고 분석하여 자율 비행하는 비행체를 지칭하며, 세계적으로 활발히 연구 중에 있다. 무인 항공기는 광학장비, GPS 등의 기체 탑재 장비들의 다변화를 통해 군사용뿐만 아니라 민간용, 산업용 및 탐사용 등으로 다양하게 응용될 수 있다[1]. 최근 드론은 항공 촬영, 방송 영상 제작, 항공 구조, 물류 배송, 감시, 측량, 방역 방제, 군사용 등으로 그 활용 분야를 점차 확장하고 있다.
	영상이나 비콘을 활용한 드론의 실내 비행이 연구되는 이유는?	또한 실외에서 무인기의 연구 뿐 아니라 실내 환경에서의 비행에 관한 연구도 진행되고 있다. 실내 환경에서 드론은 자체 위치인식을 할 때, GPS를 사용할 수 없다. 따라서 영상이나 비콘을 활용한 드론의 실내 비행 등 다양한 연구가 진행되고 있으며, 드론의 자율비행에 관련한 연구와 실내 드론의 비행에 관련해서도 많은 연구가 필요하다.

참고문헌 (17)
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P. J. Kim, H. J. Kim, "Design of an Image-Based Quadrotor Controller for Automatic Landing on Shipboard", The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, pp.442-446, 2013.11

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무인 항공기는 광학장비, GPS 등의 기체 탑재 장비들의 다변화를 통해 군사용뿐만 아니라 민간용, 산업용 및 탐사용 등으로 다양하게 응용될 수 있다[1].
Anh Kim Tran, K. J. Kim, Tan Lam Chung, H. K. Kim, S. B. Kim, "Path Design Method of Mobile Robot for Obstacle Avoidance Using Ceiling-mounted Camera System and Its Implementation", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Fuzzy Sets and Systems, Vol. 21, No.8, pp. 73-82, 2004

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이미 엔터테인먼트 분야에서 항공 촬영 및 방송 영상 제작용 드론은 사용자의 조종을 통해 원하는 영상을 제공하며, 최근에는 아마존과 페덱스, DHL 등에서 드론을 이용한 물류 배송실험들이 성공적인 결과로 발표되었다[2-3].
D. H. Jeong, J. H. Yoon, Y. T. Kim, "Fuzzy Visual Navigation Method for Autonomous Freight Transportation Robot", Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol.269, pp.71-81, 2013

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이미 엔터테인먼트 분야에서 항공 촬영 및 방송 영상 제작용 드론은 사용자의 조종을 통해 원하는 영상을 제공하며, 최근에는 아마존과 페덱스, DHL 등에서 드론을 이용한 물류 배송실험들이 성공적인 결과로 발표되었다[2-3].
Airplanes(Boeing), Commercial, "Statistical Summary of Commercial Jet Airplane Accidents 1959-2014" 2015.8

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특히 항공 안전사고 중 과반수가 이륙 및 착륙 단계[4]에서 일어나고 있으며, 이러한 사실은 비행체의 이·착륙 제어의 어려움을 나타낸다.
J. O. Park, J. H. Sul, S. C. Kim, Y.D. Lim, "Flight Attitude Control of using a Fuzzy Controller", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 13, No. 1, pp.91-96, 2003.2

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따라서 최근에는 부가장비 없이 오로지 비행체에 탑재된 카메라의 영상 정보만을 이용하여 자동 착륙을 구현하려는 연구가 많이 개발 진행되고 있다[5-8].
D. Y. Kim, D. M. Kim, J. Y. Suk, "Vision Processing for Precision Autonomous Landing Approach of an Unmanned Helicopter", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 15, No.1, pp. 54-60, 2009

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따라서 최근에는 부가장비 없이 오로지 비행체에 탑재된 카메라의 영상 정보만을 이용하여 자동 착륙을 구현하려는 연구가 많이 개발 진행되고 있다[5-8].
J. G. Han, T. S. Jin, "Dynamic Modeling based Flight Control of Hexa-Rotor Helicopter System", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 25, No. 4, pp.398-404, 2015.8

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따라서 최근에는 부가장비 없이 오로지 비행체에 탑재된 카메라의 영상 정보만을 이용하여 자동 착륙을 구현하려는 연구가 많이 개발 진행되고 있다[5-8].
M. G. Yoo, S. K. Hong, "Target Tracking Control of a Quadrotor UAV using Vision Sensor", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 40, No. 2, pp. 118-128, 2012

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따라서 최근에는 부가장비 없이 오로지 비행체에 탑재된 카메라의 영상 정보만을 이용하여 자동 착륙을 구현하려는 연구가 많이 개발 진행되고 있다[5-8].
S. H. Kim, D. Y. Yun, "A Design of Fire Monitoring System Based On Unmaned Helicopter and Sensor Network", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 17, No. 2, pp.173-178, 2007.4

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특히, 미니드론은 수직 이동 특성과 공중 정지 특성을 가지고 있기 때문에 실내 비행이 가능하고 자율 비행이 가능하다는 점에서 사람의 출입이 어려운 위험 지역에 비행이나 감시가 가능하며[9], 넓은 공간의 물류센터 내에서 가벼운 운송목록 등 서류의 이동을 통하여 작업자의 편의와 작업효율성을 높일 수 있다.
S. K. Kang, J. W. Choi, T.S. Jin, "Performance Enhancement of the Attitude Estimation using Small Quadrotor by Vision-based Marker Tracking", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 25, No. 5, pp.444-450, 2015.10

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리튬 폴리머 전지로 90분 충전하여 연속 8분 비행이 가능하다[10].
http://www.parrot.com/kr/products/rolling-spider/

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쿼드콥터는 독립된 4개의 로터 회전 속도 차이에 따라 롤 (roll), 피치(pitch), 요(yaw)축에 대한 회전력이 결정되며, 전체로터의 회전 속도에 의해 정축에 대한 추력이 결정된다[11].
H. S. Shi, H. Park, H. H. Kim, K. H. Park, "Vision-Based Trajectory Tracking Control System for a Quadrotor-Type UAV in Indoor Environment", The Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, Vol.39, No.1, pp.48-49, 2014.1

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동작 제어 부분에서는 드론의 위치좌표와 목표 마커의 위치좌표를 일치시키는 동작을 수행하여 올바른 위치로 비행 또는 이·착륙할 수 있도록 제어한다[12].
E. H. Sun, Tran Huu Luat, Y. T. Kim "A Study on the Image-based Automatic Landing System of Mini Drone", Proceedings of KIIS Autumn Conference 2015, Vol.25, No.2, pp. 101-102, 2015.10

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자동 비행 모드는 이미지 마커를 이용하여 비행 동작과 이·착륙 동작을 제어한다[13-16].
S. T. Moon, D. H. Cho, S, H, Han, "Image-based Localization Recognition System for Indoor Autonomous Navigation", Aerospace Engineering and Technology, Vol.12, No.1, pp.128-136, 2013.7

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자동 비행 모드는 이미지 마커를 이용하여 비행 동작과 이·착륙 동작을 제어한다[13-16].
K. S. Gwak, J. H. Park, H. l. Chae, S. W. Han, H. U. Lim, K. N. Choi, "AR.Drone Wireless Control System Based on the Color Recognition on Android", Proceedings of Korean Society For Internet Information, pp.189-190, 2013.11

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자동 비행 모드는 이미지 마커를 이용하여 비행 동작과 이·착륙 동작을 제어한다[13-16].
D. Y. Lee, G. H. Moon, B. Y. Lee, D. Y. Yoo, H. I. Lee, M. J. Tak, "QR code Reconnaissance Mission Study using Color detection", Proceedings of The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, pp.1406-1409, 2014.11

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자동 비행 모드는 이미지 마커를 이용하여 비행 동작과 이·착륙 동작을 제어한다[13-16].
Sarah Yifang Tang, "Vision-Baced Control for Autonomous Quadrotor UAVs" Princeton University Senior Thesis, 2013.2

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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