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문제 정의
- 기존 드론들의 유용한 이점을 살릴 수 있으면서도 안정성을 보장받는 방법은 해당 분야에서 기존 사용되는 로봇을 결합하는 일이다. 본 논문에서는 도킹 유도 마커를 이용한 드론과의 도킹을 통하여 로봇은 목적지까지의 고속이동이 가능하며 빠르게 임무 수행을 할 수 있는 로봇 시스템의 설계를 제안한다. 인공위성 등의 우주비행체에서 쓰이는 용어인 도킹(docking)은 우주상의 두 물체가 물리적으로 연결되는 것을 의미한다.
- 본 논문에서는 드론의 이점과 기존 개발된 각종 분야에서 쓸 수 있는 이동 로봇의 이점을 모두 가져오기 위한 하나의 방법으로 마커 인식과 레이저 센서를 이용한 도킹 기술이 적용된 드론 시스템의 설계를 제안하였다. 실험 결과에 의해서 마커 인식 기술과 레이저 센서의 송수신 기술을 융합한 도킹 시스템의 도킹 성공률이 매우 높아서 추후 연구를 통하여 다른 모듈 로봇의 결합도 검토해볼 수 있다.
제안 방법
- 도킹 유도 마커의 인식이 완료되면 마커 중심 좌표가 카메라 중앙에 있을 수 있게 드론이 이동하며, 레이저 송수신을 이용하여 위치를 조정하고 추력을 낮춘다, 이후 추력 0이 되었을 때 도킹 기어를 통한 기계적 결합이 진행된다. 3D프린터로 직접 제작한 도킹 기어를 통해 그림 8과 같이 4족 로봇과 도킹할 수 있게 제작하였다.
- 그림4와 같이 좌우 관절을 이용하여 실험을 통하여 구한 값들을 패킷 통신으로 DC 서보 모터의 각도를 세밀하게 제어하였으며, 다리의 모터들은 USART 통신을 이용하여 주기적인 펄스에 의해 제어되며 평형이 되는 부분을 찾아 균형을 유지되도록 이루어져 하며 모든 보행은 일정한 걸음걸이로 이루어진다. Interrupt와 Timer를 이용하여 초음파센서에서 받아온 값으로 장애물 거리 측정 및 회피가 가능하며 도킹 모드 시 레이저 송신부에서 자율적으로 불이 들어오게끔 MCU에서 제어되도록 설계하였다.
- 드론과 도킹할 대상은 동체의 균형성과 보행의 안정성 및 무게 등을 고려하여 4족 로봇으로 선정되었다.[6] 만들어진 로봇에 대한 실험은 마커 인식에 따른 실제 로봇의 도킹 성공률을 측정한 실험과, 적용한 P-PID 제어기 성능을 측정하는 실험의 두 가지를 진행하였다.
- 기계적 결합 측면에서, 드론과 4족 로봇이 도킹하기 위해 5개의 기어를 사용하였으며 도킹모듈 내부엔 서보모터를 통해 모터가 회전하면서 제어할 수 있게 제작하였다.
- 드론에 대한 제어는 P-PID 피드백 제어기와 초음파 센서를 사용하여 제어한다. P-PID 피드백 제어기는 드론의 자세 제어에 쓰이며[6] 초음파 센서는 드론의 고도 측정을 위해 사용된다.
- 본 로봇에 적용한 도킹 기술은 마커 인식과 레이저 송수신 센서를 융합한 기술이다. 본 기술은 그림 6-(a)의 마커로 드론 아래 설치된 임베디드 카메라가 해당 마커를 인식하게 되면 인식된 마커의 중심 좌표로 드론이 이동하고, 레이저 송수신을 이용해 위치를 미세 조정한 후 추력을 낮춰 기계적 결합을 하는 방식으로 설명된다.
- 제작된 로봇의 도킹 성공률을 검토하는 실험이다. 실험은 마커가 인식될 수 있는 지근거리(1m로 설정)까지 드론이 이동했다는 전제 조건하에 진행되고 이후 사용자의 제어 없이 상태를 관측하였다. 실험은 바람이 통하지 않는 넓은 실내에서 진행하였으며, 변인 조건으로 마커 인식, 레이저 센서 작동 여부의 두 가지로 구성하였다.
- 연구에서는 1대의 카메라를 이용한 도킹 유도 마커의 영상 처리 알고리즘과 레이저 센서 인식을 통한 도킹 기술이 사용되었다. 드론과 도킹할 대상은 동체의 균형성과 보행의 안정성 및 무게 등을 고려하여 4족 로봇으로 선정되었다.
- 제작된 로봇의 설계 안정성을 검토하기 위하여 두 가지의 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 총 50번의 실험을 통하여 모듈화된 4족 로봇과 드론의 도킹 성공률을 검토하는 실험이며 두 번째 실험은 기존 4족 로봇이 아닌 다른 무게의 물건에 도킹 기어를 부착하여 P-PID 제어기의 안정성 시험을 진행하였다.
- 제작된 로봇의 설계 안정성을 검토하기 위하여 두 가지의 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 총 50번의 실험을 통하여 모듈화된 4족 로봇과 드론의 도킹 성공률을 검토하는 실험이며 두 번째 실험은 기존 4족 로봇이 아닌 다른 무게의 물건에 도킹 기어를 부착하여 P-PID 제어기의 안정성 시험을 진행하였다. 드론의 입장에서 이 물체의 무게는 페이로드(payload)가 된다.
대상 데이터
- 4족 이동로봇은 12개의 DC 서보 모터 12개와 MCU, 초음파센서, 레이저 송신기 그리고 마커로 구성되어있다. 그림4와 같이 좌우 관절을 이용하여 실험을 통하여 구한 값들을 패킷 통신으로 DC 서보 모터의 각도를 세밀하게 제어하였으며, 다리의 모터들은 USART 통신을 이용하여 주기적인 펄스에 의해 제어되며 평형이 되는 부분을 찾아 균형을 유지되도록 이루어져 하며 모든 보행은 일정한 걸음걸이로 이루어진다.
- 연구에서는 1대의 카메라를 이용한 도킹 유도 마커의 영상 처리 알고리즘과 레이저 센서 인식을 통한 도킹 기술이 사용되었다. 드론과 도킹할 대상은 동체의 균형성과 보행의 안정성 및 무게 등을 고려하여 4족 로봇으로 선정되었다.[6] 만들어진 로봇에 대한 실험은 마커 인식에 따른 실제 로봇의 도킹 성공률을 측정한 실험과, 적용한 P-PID 제어기 성능을 측정하는 실험의 두 가지를 진행하였다.
- 실험은 마커가 인식될 수 있는 지근거리(1m로 설정)까지 드론이 이동했다는 전제 조건하에 진행되고 이후 사용자의 제어 없이 상태를 관측하였다. 실험은 바람이 통하지 않는 넓은 실내에서 진행하였으며, 변인 조건으로 마커 인식, 레이저 센서 작동 여부의 두 가지로 구성하였다. 총 실험 횟수는 50회이며 퍼센테이지(%)로 성공률을 표시하였다.
- 제작된 로봇의 전체적인 구성은 그림 2와 같이 드론 부분과 모듈로봇 부분이 있으며 본 연구에서는 4족 로봇을 그 대상으로 한다. 시스템에는 Embedded board, MCU, 도킹 모듈이 포함된다.
이론/모형
- 마커를 인식하기 위하여 그림 6-(b)와 같은 영상 처리 알고리즘이 사용되었다. 입력 이미지는 이진화 처리를 거친 후 케니 엣지 검출(Canny Edge Detection) 알고리즘을 사용한다. 케니 엣지 알고리즘은 낮은 에러율과 높은 윤곽 인식률로 영상 내 모든 엣지들을 제거할 수 있는 방법이다.
성능/효과
- 두 번째 실험은 기존 도킹 대상 모듈이었던 4족 로봇의 무게와 다른 무게의 물체와 도킹이 가능한 지 여부를 확인하는 실험으로 기존 4족 로봇보다 가벼운 종이 재질의 상자와 그에 반대하는 4족 로봇보다 무거운 철 재질의 물체에 도킹 기어를 부착하고 도킹 시의 안정성을 확인하였다. 실험 결과로 모든 도킹은 성공하였으나 페이로드의 변화가 추력에 많은 영향을 끼치는 것을 확인하였으며, 모든 상황에서 자세 제어는 안정적으로 이루어졌다.
- 실험 결과에 의해서 마커 인식 기술과 레이저 센서의 송수신 기술을 융합한 도킹 시스템의 도킹 성공률이 매우 높아서 추후 연구를 통하여 다른 모듈 로봇의 결합도 검토해볼 수 있다. 따라서 이 시스템은 다른 분야에 사용되는 로봇에 기동성이란 이점을 더해주어 모듈화 가능성을 보여줄 뿐만 아니라 MCU와 Embedded board가 포함되어 있어 지능적인 로봇 퍼포먼스가 가능하다. 예를 들어 재난 구조 측면에서는 4족 로봇의 Embedded board에서 전송되어오는 실시간 영상 전송 기술로 사고나 사건이 발생하였을 시 인명 구조를 하기 위한 초반의 상황 파악 및 행동 시간을 뜻하는 골든타임(golden time) 확보에 이점이 있고, 건설 측면에서 4족을 이용해 위험 지역으로 물품 조달에 사용할 수도 있다.
- <표 1>의 결과를 보면 레이저 송수신만을 사용하였을 때 도킹 성공률이 현저히 낮은 것이 보이며, 마커 인식만을 사용하였을 때 비교적 도킹 성공률이 높아진 것을 확인하였다. 또한, 두 가지 방법을 융합하였을 때 96%의 도킹 성공률을 보여주는 것으로 확인되었다.
- 두 번째 실험은 기존 도킹 대상 모듈이었던 4족 로봇의 무게와 다른 무게의 물체와 도킹이 가능한 지 여부를 확인하는 실험으로 기존 4족 로봇보다 가벼운 종이 재질의 상자와 그에 반대하는 4족 로봇보다 무거운 철 재질의 물체에 도킹 기어를 부착하고 도킹 시의 안정성을 확인하였다. 실험 결과로 모든 도킹은 성공하였으나 페이로드의 변화가 추력에 많은 영향을 끼치는 것을 확인하였으며, 모든 상황에서 자세 제어는 안정적으로 이루어졌다.
- <표 1>의 결과를 보면 레이저 송수신만을 사용하였을 때 도킹 성공률이 현저히 낮은 것이 보이며, 마커 인식만을 사용하였을 때 비교적 도킹 성공률이 높아진 것을 확인하였다. 또한, 두 가지 방법을 융합하였을 때 96%의 도킹 성공률을 보여주는 것으로 확인되었다.
- 실험은 바람이 통하지 않는 넓은 실내에서 진행하였으며, 변인 조건으로 마커 인식, 레이저 센서 작동 여부의 두 가지로 구성하였다. 총 실험 횟수는 50회이며 퍼센테이지(%)로 성공률을 표시하였다. 마커 인식과 레이저 센서를 모두 작동하지 않는 상태는 고려하지 않는다.
후속연구
- 예를 들어 재난 구조 측면에서는 4족 로봇의 Embedded board에서 전송되어오는 실시간 영상 전송 기술로 사고나 사건이 발생하였을 시 인명 구조를 하기 위한 초반의 상황 파악 및 행동 시간을 뜻하는 골든타임(golden time) 확보에 이점이 있고, 건설 측면에서 4족을 이용해 위험 지역으로 물품 조달에 사용할 수도 있다. 더 나아가 영상이나 방범, 농업 분야에서 특수한 기술을 갖는 로봇을 드론과의 도킹을 통해 쉽게 모듈화하고 드론의 활용도를 더욱더 증진시킬 수 있을 것이며 드론을 통하여 다른 모듈화 된 로봇들과 교체하여 실효성을 극대화 시킬 수 있을 것이다.
- 본 논문에서는 드론의 이점과 기존 개발된 각종 분야에서 쓸 수 있는 이동 로봇의 이점을 모두 가져오기 위한 하나의 방법으로 마커 인식과 레이저 센서를 이용한 도킹 기술이 적용된 드론 시스템의 설계를 제안하였다. 실험 결과에 의해서 마커 인식 기술과 레이저 센서의 송수신 기술을 융합한 도킹 시스템의 도킹 성공률이 매우 높아서 추후 연구를 통하여 다른 모듈 로봇의 결합도 검토해볼 수 있다. 따라서 이 시스템은 다른 분야에 사용되는 로봇에 기동성이란 이점을 더해주어 모듈화 가능성을 보여줄 뿐만 아니라 MCU와 Embedded board가 포함되어 있어 지능적인 로봇 퍼포먼스가 가능하다.
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