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자동 공중급유를 위한 적외선 영상기반 상대 항법
Relative Navigation for Autonomous Aerial Refueling Using Infra-red based Vision Systems 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.7, 2018년, pp.557 - 566  

윤형철 (Dept. of Aerospace Engineering, Chosun University) ,  양유영 (Dept. of Aerospace Engineering, Chosun University) ,  이현재 (Dept. of Aerospace Engineering, Chosun University)

초록
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본 논문에서는 항공기 자동 공중급유를 위해 영상기반 상대 항법 시스템을 구현한다. 급유기와 피급유기는 프로브-드로그 방식의 공중급유를 가정하며 상대항법은 피급유기가 드로그에 대한 상대정보를 획득하며 진행한다. 드로그로부터 상대정보를 획득하기 위해 드로그 형태를 규정하고 IR카메라를 이용한 영상처리를 진행한다. 영상처리를 통해 얻은 드로그의 정보로부터 Gaussian Least Squares Differential Correction(GLSDC) 및 Levenberg-Marquardt(LM)을 이용한 상대항법을 진행하고 시뮬레이션을 통해 두 알고리즘의 분석을 수행한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a vision-based relative navigation system is addressed for autonomous aerial refueling. In the air-to-air refueling, it is assumed that the tanker has the drogue, and the receiver has the probe. To obtain the relative information from the drogue, a vision-based imaging technology by i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 영상기반 자동 공중급유를 위한상대 항법을 구현하기 위해 영상처리부터 상대항법까지의 내용을 다룬다. 근적외선 카메라를 통해 획득한 잡음 섞인 영상으로부터 드로그를 식별하기 위해 드로그 형태를 구조화함으로써 잡음과 차별되는 특징을 부여했다.
  • 본 논문에서는 프로브 앤 드로그 재급유(Probeand Drogue Refueling)방식을 기반으로 자동 공중급유 시스템을 구현하기 위한 근적외선 카메라를 이용한 영상기반 상대 항법을 다룬다. 본 논문에서 제시하는 영상기반 상대항법은 목표 대상(드로그)에 해당되는 4개 이상의 특징(LED)인식을 요구한다.

가설 설정

  • 라벨링된 객체들은 크기, 형태를 기반으로 일차적인 필터를 진행할 수 있다. 구조화된 드로그의 LED들은 크기가 작으며 원형에 가깝다. 따라서 크기에 대한 임계값을 설정한다면 많은 잡음을 제거할 수 있다.
  • 목표 객체인 드로그는 대부분 공중급유 시스템을 구성하는 과정에서 크기가 선정된다. 본 시뮬레이션에서는 드로그의 크기를 1m로 가정하고 같은 초기 값을 통해 수렴 및 발산 여부를 확인하고 두 알고리즘의 안정성을 비교한다. 시뮬레이션의 좌표축은 Fig.
  • 상대항법에서는 영상처리를 통해 구한 영상평면에서의 LED위치를 기반으로 진행한다. 카메라모델은 핀홀(Pin-hole) 카메라 모델로 가정하며 Fig. 6과 같은 모습을 띈다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Gaussian Least SquaresDifferential Correction의 항법 정보를 획득하는 과정은? 기존의 연구에서는 항법정보를 획득하기 위하여 일반적으로 Gaussian Least SquaresDifferential Correction(GLSDC) 알고리즘이 주로 적용되었다[2]. 이 방법은 항법정보를 추정하기 위하여 초기값 선정에 따라 반복적으로 현재 예측값과의 차이를 계산하며, 임계값 이하로 차이가 수렴하면 최종적으로 항법정보를 획득하게 된다. 이때, 초기값의 과도한 오차는 발산을 야기했다.
자동 공중급유 시스템이 요구되는 이유는 무엇인가? 체공시간의 증가는 많은 연료소비를 야기하며 경우에 따라 임무수행 중 공중급유의 필요성이 증대 되었다. 그러나 공중급유는 조종사의 조종 실력이 급유 성공여부 결정하며 자칫 치명적인 사고로 이어질 수 있다. 따라서 안전한 공중급유를 위해서는 자동 공중급유 시스템이 요구된다.
GPS/IMU 센서의 단점은? 대표적인 방법으로 GPS/IMU 센서를 이용한 방법이다[1]. 그러나 GPS/IMU 센서의 경우 상대항법 시스템을 운용하기 위해 급유기와 피급유기의 정보 교환이 요구되며 GPS신호 정보의 왜곡이 발생되면 신뢰도가 떨어진다. 이와 같은 임무실패 요소 문제를 해결하는 대표적인 방법은 영상센서 기반의 상대항법 시스템이다[2,3].
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참고문헌 (11)

  1. Fosbury, A. M., and Crassidis, J. L., "Relative navigation of Air Vehicles," Journal of Guidance Control, and Dynamics, Vol. 31, No. 4, 2008, pp.824-834. 

  2. Valasek, J., Gunnam, K., Kimmett, J., Junkins, J. L., Hughes, D., and Tandale, M. D., "Vision-based sensor and navigation system for autonomous air refueling," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 28, No. 5, 2005, pp.979-985 

  3. Chen, C. I., Koseluk, R., Buchanan, C., Duerner, A., Jeppesen, B., and Laux, H., "Autonomous aerial refueling ground test demonstration-Asensor-in-the-loop, non-tracking method," Sensors, Vol. 15, No. 5, pp.10948-10972. 

  4. Kasturi, J. R., and Schunck, B. G., "Machine Vision," Vol. 5. New York : McGraw-Hill, 1955. 

  5. Di Stefano, L., and Bulgarelli, A., "A simple and efficient connected components labeling algorithm," Proceedings 10th International Conference on Image Analysis and Processing, September 1999, pp.322-327. 

  6. Chang, F., Chen, C. J., and Lu, C. J., "A linear-time component-labeling algorithm using contour tracing technique," Computer Vision and Image Understanding, Vol. 93, No. 2, 2004, pp.206-220. 

  7. Ballard, D. H., "Generalizing the hough transform to detect arbitrary shapes," Pattern Recognition, Vol. 13, No. 2, 1981, pp.111-122. 

  8. Fitzgibbon, A., Pilu, M., and Fisher, R. B., "Direct least square fitting of ellipse," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 21, No. 5, 1999, pp.476-480. 

  9. Jizheng, C., Jianping, Y., and Qun F., "Flight vehicle attitude determination using the modified rodrigues parameters," Chinese journal of aeronautics, Vol. 21, No. 5, 2008, pp. 433-440. 

  10. Crassidis, J. L., and Junkins, J. L., "Optimal estimation of dynamic systems," CRC press, 2011. 

  11. More, J. J., "The Levenberg-Marquardt algorithm: implementation and theory," Numerical Analysis, 1978, pp.105-116. 

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