[논문]로버 카메라 시스템을 이용한 건설공간정보화 기술의 개발 방안 연구

홍성철; 정태일; 박재민; 신휴성

doi:10.5762/kais.2019.20.7.630

[국내논문] 로버 카메라 시스템을 이용한 건설공간정보화 기술의 개발 방안 연구
Research on Development of Construction Spatial Information Technology, using Rover's Camera System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.630 - 637

홍성철 (한국건설기술연구원 미래융합연구본부) , 정태일 (한국건설기술연구원 미래융합연구본부) , 박재민 (한국건설기술연구원 혁신전략실) , 신휴성 (한국건설기술연구원 미래융합연구본부)

초록
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달에 얼음 형태의 물과 희귀 자원의 대량 존재하는 것이 밝혀지면서, 달의 경제적, 산업적 가치는 증대되고 있다. 이에 우리나라를 포함한 전 세계 주요 우주국들은 달 자원 확보와 유인 기지 건설을 위한 현지 자원 활용 기술을 개발하고 있다. 향후 달 현지 건설을 준비하기 위해서는 로버에서 취득한 지형 및 건설 영상을 가공하여, 건설 전 주기의 의사결정 지원정보를 제공하는 무인 건설공간정보화 기술을 개발해야한다. 본 연구에서는 달 로버 카메라 시스템을 기반으로 한 건설공간정보화 기술의 개발 방안을 소개하였다. 세부적으로 로버의 주행 영상, 지형 및 건설 영상 취득을 위한 로버 기반 카메라 시스템의 개념 설계와 달 건설공간정보 구축을 위한 분산 환경 기반의 개념적 아키텍쳐인 달 로버 운영 시스템을 제안하였다. 또한 달 표면에 특화된 로버의 위치 결정 및 3차원 지형복원 기법 개발 방안을 제시하였다. 본 연구에 도출한 달 무인 건설공간정보화 기술은 개념적 설계로 실험을 통한 검증이 필요하다. 따라서 개발된 로버와 로버운영 시스템은 향후, 달 모의 지형에 적용하여 개선할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The scientific, economical and industrial values of the Moon have been increased, as massive ice-water and rare resource were founded from the lunar exploration missions. Korea and other major space agencies in the world are competitively developing the ISRU (In Situ Resource Utilization) technology to secure future lunar resource as well as to construct the lunar base. To prepare for the lunar construction, it is essential to develop the rover based construction spatial information technology to provide a decision-making aided information during the lunar construction process. Thus, this research presented the construction spatial information technology based upon rover's camera system. Specifically, the conceptual design of rover based camera system was designed for acquisition of a rover's navigation image, and lunar terrain and construction images around the rover. The reference architecture of the rover operation system was designed for computation of the lunar construction spatial information. Also, rover's localization and terrain reconstruction methods were introduced considering the characteristics of lunar surface environments. It is necessary to test and validate the conceptual design of the construction spatial information technology. Thus, in the future study, the developed rover and rover operation system will be applied to the lunar terrestrial analogue site for further improvements.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Yutu-1 [10]
그림 Fig. 2. Spirit [11]
그림 Fig. 3. Curiosity [12]
그림 Fig. 4. Conceptual Design of a Camera System based on Rover
표 Table 1. Development Requirements of Rover based Construction-Spatial Information Technology
그림 Fig. 5. Reference Architecture of a Rover Operation System
표 Table 2. Rover-based Camera System for Construction Spatial Technology
그림 Fig. 6. Example of Rover’s Planned Route and Current Position shown from GIS-based Rover Control System
그림 Fig. 7. Rover’s Localization Method. (a) Chang’e 3 and Yutu-1 [14], (b) Yutu-1 on LRO’s NAC Image [15]

AI 본문요약
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문제 정의

또한 스테레오 카메라를 사용할 경우 지형 및 건설 현장을 3차원으로 입체감 있게 구현할 수 있어, 건설 기획 및 설계, 건설 시공관리, 건설물 유지관리 등에 활용이 가능하다. 본 연구에서는 로버 카메라 시스템 기반 건설공간정보화 기술의 개념적 설계와 개발 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 달과 화성 탐사 로버를 조사하였고, 로버 기반의 건설공간정보화 기술을 개발하기 위한 고려 사항을 도출 하였다.
이중 카메라는 로버의 원격 조작을 위한 주변 영상 확보, 자율 주행, 지형정보 취득 등에 활용된다. 본 장에서는 2000년 대 들어 달과 화성 탐사를 위해 개발된 로버와 탑재된 카메라 시스템을 조사하여 로버 기반 건설공간정보화 기술의 개발 고려 사항을 도출하고자 하였다.
달 무인 로버의 카메라 시스템을 기반으로 한 건설공간정보화 기술은 달 건설부지의 지형 및 건설 정보 구축과 건설부지 내 로버의 이동 및 위치추정을 위해 사용된다. 본 장에서는 그동안 개발된 행성 탐사 로버의 카메라 시스템을 참조하여 건설공간정보화 기술의 개발 요건을 도출하고, 이를 기반으로 로버의 카메라 시스템과 로버 운영 시스템의 개념적 설계를 제시하고자 한다.
사용자 인터페이스는 로버에서 전송하는 영상과 로버 위치 및 이동 경로 계획을 달 지형 및 자원 지도와 함께 보여준다. 따라서 지구의 원격 조작자가 보다 효과적으로 달 건설공간정보 구축을 할 수 있도록 설계하였다. Fig.
본 연구에서는 그동안 개발된 행성 탐사 로버의 카메라 시스템을 조사하여, 향후 달 건설공간정보를 구축하기 위한 로버 카메라 시스템과 로버 운영 시스템의 개념적 설계를 제안하였다. 로버 카메라 시스템은 마스트 카메라, 주행 카메라, 위험물 회피 카메라로 구분된다.

제안 방법

본 연구에서는 로버 카메라 시스템 기반 건설공간정보화 기술의 개념적 설계와 개발 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 달과 화성 탐사 로버를 조사하였고, 로버 기반의 건설공간정보화 기술을 개발하기 위한 고려 사항을 도출 하였다. 마지막으로 로버 카메라 시스템의 개념 설계와 로버 운영 시스템의 참조 아키텍처를 제시하였고, 이를 기반을 둔 달 건설공간정보화 기술 개발 방안을 제시하였다.
이를 위해 달과 화성 탐사 로버를 조사하였고, 로버 기반의 건설공간정보화 기술을 개발하기 위한 고려 사항을 도출 하였다. 마지막으로 로버 카메라 시스템의 개념 설계와 로버 운영 시스템의 참조 아키텍처를 제시하였고, 이를 기반을 둔 달 건설공간정보화 기술 개발 방안을 제시하였다.
1m(H)로 140kg의 무게를 지닌다. 험준한 지형을 주행하기 위해 6개의 바퀴를 이용하여 최대 20km/h의 속도로 주행하도록 제작되었다. Yutu 1호는 지표 투과 레이더, 알파입자 X 선, 적외선 분광기 등의 탑재체를 가진다.
5m 높이의 마스트에 탑재하였고, 본체 하단에는 위험 회피용 카메라를 탑재하였다. 각각의 카메라는 2대로 구성되어 스테레오 영상을 생성하므로 3차원 지형공간정보를 취득하기 위해 이용되며, 구축된 3차원 지형정보는 로버의 안전한 주행을 위해 사용할 수 있도록 설계되었다.
두 로버는 지형공간정보 구축과 주행을 위해 파노라마 카메라와 주행 카메라를 탑재하였다. 파노라나카메라는 지형의 질감, 색깔, 광물과 구조 등을 분석하고,주행 카메라는 로버 주변 탐색과 주행을 위한 정보를 수집하는 기능을 담당하였다.
달 건설공간정보 취득을 위한 로버 카메라 시스템의 개념적 설계를 제작 하였다 (Fig. 4). 카메라 시스템은 로버의 깃대에 설치된 2대의 마스트 카메라 (Mast Cam),로버 본체 전후방 및 측면에 설치된 6대의 주행 카메라(Nav Cam), 로버 전면부 하단에 설치된 1대의 위험물 회피 카메라(Haz Cam)으로 구성된다.
전방 및 후방 카메라는 로버 경로 상의 장애물을 3차원으로 구현할 수 있다. 따라서 로버가 장애물을 안전하게 회피할 수 있고, 주변 지형의 평탄도와 경사도를 측정함으로써 경제적인 주행이 가능하도록 하였다. 또한 측면카메라는 전후방 카메라와 함께 로버 주변 전방위 영상을 제공하도록 하여, 로버의 원활한 원격 조정을 지원하도록 하였다.
따라서 로버가 장애물을 안전하게 회피할 수 있고, 주변 지형의 평탄도와 경사도를 측정함으로써 경제적인 주행이 가능하도록 하였다. 또한 측면카메라는 전후방 카메라와 함께 로버 주변 전방위 영상을 제공하도록 하여, 로버의 원활한 원격 조정을 지원하도록 하였다. 마지막으로 위험물 회피 카메라는 로버의 근접 영상을 촬영함으로써 로버의 장애물 회피 주행을용이하도록 하였다.
또한 측면카메라는 전후방 카메라와 함께 로버 주변 전방위 영상을 제공하도록 하여, 로버의 원활한 원격 조정을 지원하도록 하였다. 마지막으로 위험물 회피 카메라는 로버의 근접 영상을 촬영함으로써 로버의 장애물 회피 주행을용이하도록 하였다.
따라서 본 연구에서 제안한 로버 운영 시스템은 레이어들을 로버의 내장 시스템과 서버, 그리고 로버 원격 조정 시스템에 분산하여 구현하였다. 로버의 모터와 센서 필터와 같은 고속 연산 장치를 담당하는 드라이버 레이어는 로버 내장 시스템에서 실행하도록 하였지만, 로버 이동을 제어하고 카메라와 관성측정 장치의 입출력 데이터를 처리하고 저장하는 플랫폼 레이어와 알고리즘 레이어는 로버 서버에서 구현하였다.
따라서 본 연구에서 제안한 로버 운영 시스템은 레이어들을 로버의 내장 시스템과 서버, 그리고 로버 원격 조정 시스템에 분산하여 구현하였다. 로버의 모터와 센서 필터와 같은 고속 연산 장치를 담당하는 드라이버 레이어는 로버 내장 시스템에서 실행하도록 하였지만, 로버 이동을 제어하고 카메라와 관성측정 장치의 입출력 데이터를 처리하고 저장하는 플랫폼 레이어와 알고리즘 레이어는 로버 서버에서 구현하였다. 하지만 로버 서버의 연산 능력과 저장 용량은 우주의 가혹한 환경으로 인해 제한적이다.
하지만 로버 서버의 연산 능력과 저장 용량은 우주의 가혹한 환경으로 인해 제한적이다. 따라서 로버의 안전 주행을 위한 장애물 회피 기능은 로버 서버의 알고리즘 레이어에서 구현하도록 하였지만, 3차원 지형모델 구축, 토공량 계산, 이동 경로 계획 수립 등 많은 용량의 데이터와 높은 연산 능력이 필요한 건설공간정보 구축 기능은 지구의 원격 조작 시스템의 알고리즘 레이어에서 구현 하도록 하였다. 마지막으로 로버 원격 조작 시스템의 사용자 인터페이스 레이어는 지리정보시스템 (Geographic Information System)을 기반으로 개발된다.
6은 사용자 인터페이스 레이어의 지형 경사도와 이를 이용하여 산출한 로버 이동 경로 계획의 예를 보여준다. 지형 경사를 생성하기 위해 1에서 100까지 생성된 난수를 건설 부지의 경사도로 간주하여 각각의 그리드에 할당하였으며, Dijkstra 알고리즘을 이용하여 출발지와 목적지까지의 경사도 합이 최소인 경로를 최적경로로 결정하였다. 또한 현재의 로버 위치를 빨간색으로 표시하여 원격 조작자의 로버 운행을 위한 의사결정을 지원하도록 하였다.
행성 표면에서 로버의 정확한 위치 결정을 위해 로버 카메라의 스테레오 영상을 이용한 영상주행거리 측정기법 (Visual Odometry)이 활용되고 있다 [9]. 본 연구에서 제안한 로버 카메라 시스템의 마스트 카메라와 로버 전방 및 후방에 위치한 주행 카메라는 두 대의 카메라로 구성되므로, 자갈, 바위 등의 객체를 스테레오 영상을 이용하여 매칭 함으로써, 로버의 위치와 주행 거리를 측정할 수 있다. Fig.
반면 전방 및 후방 카메라는 스테레오 영상을 제공하므로 3차원 지형정보 구축에 활용할 수 있다. 마지막으로 달 로버 운영 시스템은 레이어들을 로버의 내장 시스템과 서버, 그리고 로버 원격 조정 시스템에 분산하여 구현하였다. 일반적인 로버 운영 시스템과 같이 드라이버 및 플랫폼 레이어는 로버에서 구현된다.
일반적인 로버 운영 시스템과 같이 드라이버 및 플랫폼 레이어는 로버에서 구현된다. 하지만 극한 환경에서 활동하는 로버의 연산 능력의 제약과 영상 송수인의 지연을 고려하여, 지형 및 건설 영상 취득 및 저장,로버의 장애물 회피 등을 위한 알고리즘 레이어는 로버의 서버에서 구현하였고, 건설공간정보 구축을 위한 알고리즘 레이어는 지구의 원격 조정 시스템에서 구현하였다. 지리정보시스템을 기반으로 제작된 사용자 인터페이스는 로버의 위치 및 경로 정보를 달 지형 및 자원 지도와 함께 보여줌으로써 보다 효과적으로 달 건설공간정보 구축을 할 수 있도록 하였다.
하지만 극한 환경에서 활동하는 로버의 연산 능력의 제약과 영상 송수인의 지연을 고려하여, 지형 및 건설 영상 취득 및 저장,로버의 장애물 회피 등을 위한 알고리즘 레이어는 로버의 서버에서 구현하였고, 건설공간정보 구축을 위한 알고리즘 레이어는 지구의 원격 조정 시스템에서 구현하였다. 지리정보시스템을 기반으로 제작된 사용자 인터페이스는 로버의 위치 및 경로 정보를 달 지형 및 자원 지도와 함께 보여줌으로써 보다 효과적으로 달 건설공간정보 구축을 할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 제안한 달 로버 기반의 건설공간정보화기술의 개념적 설계 모델과 개발 방안은 향후 달 지형 및 건설 정보를 구축하기 위한 요구 사항을 반영하여 구현하였다. 향후 건설공간정보화 기술 개념 설계를 기반으로 제작된 로버와 로버 운영 시스템은 달 모의 지형을 대상으로 운행할 예정이다.

대상 데이터

Yutu 1호는 지표 투과 레이더, 알파입자 X 선, 적외선 분광기 등의 탑재체를 가진다. 주행용 카메라와 파노라마 카메라는 로버의 주행 및 지형 영상 촬영을 위해 1.5m 높이의 마스트에 탑재하였고, 본체 하단에는 위험 회피용 카메라를 탑재하였다. 각각의 카메라는 2대로 구성되어 스테레오 영상을 생성하므로 3차원 지형공간정보를 취득하기 위해 이용되며, 구축된 3차원 지형정보는 로버의 안전한 주행을 위해 사용할 수 있도록 설계되었다.
화성에서 활동 중인 세 번째 무인 탐사 로버는 미국의 Curiosity로 2012년 Gale Crater에 착륙하여 화성 기후, 지질 조사, 물의 흔적 및 생명체 존재 찾기 등의 탐사 임무를 수행 중에 있다 [8]. Curiosity는 대형 탐사 로버로 크기는 2.7m(W ) x 2.9m(L) x 2.2m(H), 총 중량은 899kg이다. 다른 로버와는 달리 방사선 동위원소 발전기를 이용하여 동력을 공급한다.
4). 카메라 시스템은 로버의 깃대에 설치된 2대의 마스트 카메라 (Mast Cam),로버 본체 전후방 및 측면에 설치된 6대의 주행 카메라(Nav Cam), 로버 전면부 하단에 설치된 1대의 위험물 회피 카메라(Haz Cam)으로 구성된다. 2대의 마스트 카메라는 망원 렌즈를 장착한 저조도 카메라이다.
주행용 카메라는 광각 렌즈를 장착한 전방 및 후방 카메라와 어안 렌즈를 장착한 측면 카메라로 구성된다.

후속연구

본 연구에서 제안한 달 로버 기반의 건설공간정보화기술의 개념적 설계 모델과 개발 방안은 향후 달 지형 및 건설 정보를 구축하기 위한 요구 사항을 반영하여 구현하였다. 향후 건설공간정보화 기술 개념 설계를 기반으로 제작된 로버와 로버 운영 시스템은 달 모의 지형을 대상으로 운행할 예정이다. 달 모의 지형은 크레이터와 바위 등의 지형지물을 포함한다.
달 모의 지형은 크레이터와 바위 등의 지형지물을 포함한다. 무인 로버의 카메라 영상을 이용하여 취득된 로버의 위치 및 3차원 지형정보는 로버의 GNSS으로부터 취득된 경로 데이터와 측량된 고정밀 3차원 지형모델과 비교 및 검증을 통해 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로버 주행과 관측장비가 송수신 지연을 고려해서 제작되어야 하는 이유는 무엇인가?	달 탐사 로버는 행성 표면의 험한 지형에서 목적지까지 충돌 없이 빠르게 움직여야하며, 달 표면의 토양과 지반을 조사할 경우 안전하고 정확하게 관측장비를 조작해야 한다. 하지만 로버 주행과 관측장비는 지구와의 원격통신을 통해 조작되므로 송수신 지연을 고려해서 제작되어야한다. 또한 로버는 극고온 및 극저온, 우주 방사선,진공 등의 극한환경을 견딜 수 있도록 제작되어야 한다[8].
	유인 로버의 단점은 무엇인가?	유인 로버는 과거 아폴로 임무(Apollo Mission)에서 사용된 사례가 있다 [7]. 하지만 우주인이 행성 표면에 착륙해서 직접 조정해야 하므로 높은 위험성이 있으며 장기간 탐사가 불가능하다(Fig. 1).
	행성 탐사 로버에서 이중 카메라의 용도는 무엇인가?	행성 탐사 로버는 카메라, 분광기, 시추 장비 등 다양한 장비를 탑재한다. 이중 카메라는 로버의 원격 조작을 위한 주변 영상 확보, 자율 주행, 지형정보 취득 등에 활용된다. 본 장에서는 2000년 대 들어 달과 화성 탐사를 위해 개발된 로버와 탑재된 카메라 시스템을 조사하여 로버 기반 건설공간정보화 기술의 개발 고려 사항을 도출하고자 하였다.

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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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