KR20050104902A - Robot system for spacecraft docking using vision sensor - Google Patents

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KR20050104902A KR1020040030350A KR20040030350A KR20050104902A KR 20050104902 A KR20050104902 A KR 20050104902A KR 1020040030350 A KR1020040030350 A KR 1020040030350A KR 20040030350 A KR20040030350 A KR 20040030350A KR 20050104902 A KR20050104902 A KR 20050104902A
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Abstract

본 발명은 비전 센서를 이용한 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 관한 것으로써 보다 구체적으로는 추적 물체와 목표 물체의 관계를 2차원적으로 구하여 확장 칼만 필터와 관성항법장치 및 자이로를 통해 위치정보 및 자세정보를 정확히 추정하고, 상기와 같이 추정된 정보를 이용하여 목표 물체에 추적 물체가 도킹할 수 있게 하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a spacecraft docking robot system using a vision sensor. More specifically, the relationship between a tracking object and a target object is obtained in two dimensions, and the positional information and attitude information are obtained through an extended Kalman filter, an inertial navigation system, and a gyro. A system for accurately estimating and allowing a tracking object to dock to a target object using the estimated information as described above.

비전센서는 CCD 카메라와 다수의 비콘을 포함하여 이루어지며, 상기 CCD 카메라와 비콘들을 평면상에 투영시켜 이들의 기하학적인 관계와 확장 칼만 필터를 이용하여 위치정보 및 자세정보를 추정한다.The vision sensor includes a CCD camera and a plurality of beacons, and the CCD camera and the beacons are projected onto a plane to estimate the positional information and the attitude information using their geometric relationship and the extended Kalman filter.

상기와 같이 추정한 정보를 바탕으로 추적 물체의 위치와 자세를 각각 제어하여 목표 물체에 도킹하게 하는 시스템이다.It is a system for docking to a target object by controlling the position and attitude of the tracking object based on the estimated information as described above.

Description

비전 센서를 이용한 우주 비행체 도킹 로봇 시스템 {Robot System for Spacecraft Docking Using Vision Sensor} Robot System for Spacecraft Docking Using Vision Sensor}

본 발명은 비전 센서를 이용한 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 관한 것으로써 보다 구체적으로는 추적 물체와 목표 물체의 관계를 2차원적으로 구하여 확장 칼만 필터를 통해 위치정보 및 자세정보를 추정하고, 상기와 같이 추정된 정보를 이용하여 추적 물체에 목표 물체가 도킹할 수 있게 하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a spacecraft docking robot system using a vision sensor, and more specifically, to obtain a two-dimensional relationship between a tracking object and a target object, and to estimate position information and attitude information through an extended Kalman filter. A system for enabling a target object to dock to a tracking object using estimated information.

랑데부는 2대의 우주 비행체가 같은 궤도로 들어가 근접한 상태로 함께 비행하는 것이고, 그에 이어 2대의 우주 비행체가 결합하는 도킹 과정이 실시된다. 1966년 제미니 10호와 그 목표선이 유인 도킹에 최초로 성공하였으며, 1967년에는 코스모스 186호와 188호가 무인 도킹에 성공하였다. 랑데부와 도킹 기술은 인공위성의 수리와 회수, 유인우주선 구조, 우주 식민지나 우주공장과 같은 대형 구조물 건설 등에 필수적 기술이기 때문에 매우 중요하게 여겨져 왔다. 하지만, 이러한 과정을 자동화하게 될 경우 시스템의 비용이나 복잡성이 매우 감소하기 때문에 그 동안 량데뷰나 도킹에 있어서의 자동화 문제는 가장 중요하고 필요한 기술 중 하나로써 간주되어 왔다. 또한, 이렇게 해서 개발된 자동 랑데부/도킹 시스템(Automated Rendezvous and Docking, 이하 'ARD') 기술은 우주 비행체의 편대 비행이나 비행 중인 비행기에 연료를 주입하는 데에도 쓰일 수 있어, 그 활용도가 높다. 우주 개발 경쟁의 시작 이후 러시아, 미국, 유럽, 일본 등이 개별적으로 ARD를 개발하는데 주력하고 있다.The rendezvous is where two spacecraft enter the same orbit and fly together in close proximity, followed by a docking process in which the two spacecraft combine. In 1966 Gemini 10 and its target line were the first to manned docking, and in 1967 Cosmos 186 and 188 succeeded in unmanned docking. Rendezvous and docking technologies have been considered important because they are essential for repair and recovery of satellites, manned spaceship construction, and construction of large structures such as space colonies and space plants. However, automation of such a process greatly reduces the cost and complexity of the system, and thus automation problems in mass view or docking have been regarded as one of the most important and necessary technologies. In addition, the Automated Rendezvous and Docking (ARD) technology developed in this way can be used for the formation of aerospace flight, or fueling the aircraft in flight. Since the start of the space development competition, Russia, the United States, Europe and Japan have been focusing on developing ARD individually.

전형적인 도킹 과정은 보통 추적 우주 비행체(chaser spacecraft)와 목표 우주 비행체(target spacecraft) 사이의 거리가 100m 이하일 때를 가리키는데, 이러한 근접 작동 과정에서 필요한 정확한 항법에 쓰이는 방법은 대체로 다음과 같은 2가지가 있다. 칼만 필터를 이용해서 GPS를 사용하는 기술이 그 하나이고, 비전 센서를 사용하는 기술이 다른 하나이다. 첫 번째 기술은 대략 1cm 오차 범위를 가지고 있지만, 가까울 때에 GPS 사이의 문제가 있을 가능성이 있고, 지구가 아닌 다른 행성에서의 운영이 어렵다는 단점이 있다. 두 번째 기술은 위의 GPS 관련 기술이 가지는 문제는 없으나, 비전 관련 기술이 추가적으로 필요하다는 문제가 있다. 여기서는 후자의 기술을 사용한다.A typical docking process usually indicates when the distance between a chaser and a target spacecraft is less than 100 m. There are generally two ways to use the precise navigation required in this close operation: have. One technique is to use GPS using Kalman filter, and the other technique is to use vision sensor. The first technique has a margin of error of approximately 1 cm, but it is likely that there is a problem between GPS when close, and it is difficult to operate on a planet other than Earth. The second technique has no problem with the above GPS related technology, but has a problem that additional vision related technology is required. The latter technique is used here.

상기와 같은 기술을 개발하기 위해서는 도킹 과정에서 주위 정보를 적절하게 필터링해 주는 알고리듬이 반드시 필요하다. 본 발명에서 사용할 비전 시스템은 근접 작동에서 정확한 정보를 얻을 수 있으나, 하드웨어적인 한계로 인해 샘플링 주파수가 몇 Hz 밖에 되지 않는 단점이 있다. 반면 자이로를 포함한 관성항법장치(Inertial Measurement Unit, 이하 'IMU')는 단기적으로 안정하고 충분한 샘플링 주파수를 가지고 있으나, 장기적으로 발산하는 특성을 지니고 있다. 따라서 이 두 가지 센서를 혼합하여 사용하는 것이 우주 비행체 도킹 기술에 있어서 필수적이다.In order to develop such a technique, an algorithm for properly filtering the surrounding information during the docking process is necessary. The vision system to be used in the present invention can obtain accurate information in close operation, but has a disadvantage that the sampling frequency is only a few Hz due to hardware limitations. On the other hand, the Inertial Measurement Unit (IMU), including the gyro, is stable in the short term and has a sufficient sampling frequency, but emits in the long term. Therefore, using these two sensors in combination is essential for spacecraft docking technology.

한편, 자세 측정에 있어서 칼만 필터가 매우 유용하다는 사실은 그 동안 증명되어 왔다. 칼만 필터를 사용하면 시스템 모델 방정식의 반응과 실제 측정 사이의 오차를 최소화해 주어, 더 나은 상태 추정을 할 수 있다.On the other hand, the Kalman filter is very useful in posture measurement. The Kalman filter minimizes the error between the response of the system model equations and the actual measurements, allowing for better state estimation.

1960년 R.E. 칼만(Kalman)에 의해 제안된 이산 칼만 필터링은 디지털 컴퓨터의 급격한 발전으로 인하여 많은 분야에서 널리 쓰이고 있는 필터링 방법이다. 특히 자동화 시스템이나 유도 및 항법 분야에서는 칼만 필터링은 없어서는 안되는 중요한 기법이다.1960 R.E. Discrete Kalman filtering, proposed by Kalman, is a filtering method that is widely used in many fields due to the rapid development of digital computers. Especially in the field of automation systems, guidance and navigation, Kalman filtering is an indispensable technique.

이산 칼만 필터는 수학식 1과 같은 선형 확률 미분 방정식에 의해 지배되는 이산 제어 과정에서 상태를 추정하려는 데 쓰인다. 실제적으로 측정된 값은 수학식 2처럼 나타내어진다.Discrete Kalman filters are used to estimate states in discrete control processes governed by linear probability differential equations such as The actually measured value is represented by Equation 2.

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

여기서 번째 스텝에서의 상태값을 번째 스텝에서의 출력값을 나타낸다. 번째 입력값을 나타내고 랜덤 변수 는 각각 모델링 잡음과 측정 잡음을 나타낸다. 이 두 변수는 서로 독립이고 평균이 0인 백색 잡음으로 간주한다. 수학식 3은 두 잡음의 특성을 나타낸다.here Is State value in the first step Is The output value in the first step is shown. silver Random variable representing the th input value Wow Denote modeling noise and measurement noise, respectively. These two variables are considered independent of each other and mean zero white noise. Equation 3 shows the characteristics of the two noises.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, 는 각각 랜덤 변수 가 발생할 확률함수를 나타낸다.here , Are random variables Wow Represents the probability function.

실제적으로 모델링 잡음의 공분산 와 측정 잡음의 공분산 행렬은 각각의 시각과 측정마다 변하지만 일반적으로 상수라고 가정한다.Practically Covariance of Modeling Noise And covariance of measured noise The matrix changes with each time and measurement but is generally assumed to be a constant.

이산 칼만 필터의 확률적인 특성은 수학식 4처럼 상태 분포의 1차, 2차 모멘트를 설정해 주는 것으로 충분하다.The stochastic characteristic of the discrete Kalman filter is sufficient to set the first and second moments of the state distribution as shown in Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

여기서 는 변수 의 기대값을 나타내고 는 변수 의 평균을 의미한다. 또한 는 변수 의 분산을 나타낸다. 이러한 특성들을 가진 이산 칼만 필터는 시간과 측정에 대하여 각각 업데이트를 연속적으로 해 나가도록 구성되어 있다. 수학식 5는 시간에 대한 업데이트 구조, 수학식 6은 측정에 대한 업데이트 구조를 나타낸다.here Is a variable Represents the expected value of Is a variable Means the average. Also Is a variable The dispersion of Discrete Kalman filters with these characteristics are configured to continuously update each time and measurement. Equation 5 shows an update structure with respect to time, and Equation 6 shows an update structure with respect to the measurement.

[수학식 5][Equation 5]

[수학식 6][Equation 6]

여기서 는 칼만 필터 게인이고 나머지 변수들은 수학식 1 내지 4에서 사용된 변수들과 의미가 같다here Is the Kalman filter gain and the remaining variables have the same meanings as the variables used in Equations 1 to 4

상기와 같은 이산 칼만 필터는 선형 시스템에 대해 적용이 가능한 것이고, 선형으로 나타내기 곤란한 비선형 시스템에 대해서는 확장 칼만 필터의 형태를 사용하여야 한다. 확장 칼만 필터가 적용되는 시스템은 수학식 7과 같은 비선형 확률 미분 방정식에 의해 나타낼 수 있다.Discrete Kalman filters as described above are applicable to linear systems, and for nonlinear systems that are difficult to represent linearly, the form of extended Kalman filters should be used. The system to which the Extended Kalman Filter is applied may be represented by a nonlinear probability differential equation such as Equation (7).

[수학식 7][Equation 7]

선형 시스템에서 수학식 5 및 수학식 6으로 기술된 시간 및 측정 업데이트 구조는 비선형 시스템에서는 수학식 8 및 수학식 9로 수정된다.The time and measurement update structure described by Equations 5 and 6 in the linear system is modified to Equations 8 and 9 in the nonlinear system.

[수학식 8][Equation 8]

[수학식 9][Equation 9]

확장 칼만 필터의 기본적인 사용은 선형 시스템과 동일하다.The basic use of the Extended Kalman Filter is the same as the linear system.

비전을 사용하여 두 물체 간의 위치 및 각도 정보를 얻기 위해서는 적어도 하나의 CCD 카메라와 물체를 인식하기 위한 좌표를 제공하는 몇 개의 비콘이 동시에 제공되어야 한다. 비콘은 쉽게 감지될 수 있는 물질이나 LED 같은 발광 물질로 만들어져야 하고, 목표 물체의 알려진 위치에 부착되어 있어야 한다. CCD 카메라를 부착한 추적 물체가 목표 물체의 비콘을 인식하고 서로 간의 위치와 자세를 계산한다.In order to obtain position and angle information between two objects using vision, at least one CCD camera and several beacons that provide coordinates to recognize the object must be provided simultaneously. Beacons must be made of a material that can be easily detected or a light-emitting material such as an LED and attached to a known location on the target. A tracking object with a CCD camera recognizes the beacons of the target object and calculates the position and attitude of each other.

도 1은 비콘과 CCD 카메라 사이의 관계를 3차원으로 나타내고 있다. 는 목표 물체에 상대적인 추적 물체의 위치를 나타내고 는 오일러 각을 나타낸다. 이 때 목표 물체의 좌표와 추적 물체의 좌표 사이의 관계를 기술하는 방향 코사인 행렬은 3-2-1 회전을 이용하면 수학식 10처럼 나타난다.1 shows the relationship between a beacon and a CCD camera in three dimensions. Indicates the position of the tracking object relative to the target object. Represents the Euler angle. At this time, the direction cosine matrix describing the relationship between the coordinates of the target object and the coordinates of the tracking object is expressed by Equation 10 using 3-2-1 rotation.

[수학식 10][Equation 10]

도 1에 나타난 기하학으로부터 i번째 비콘과 그것의 CCD 상에서의 측정값은 수학식 11처럼 나타내어진다. 여기서 사용된 는 수학식 10에서 기술한 행렬의 요소이다From the geometry shown in FIG. 1, the i-th beacon and its measurements on the CCD are represented as in equation (11). Used here Is the matrix of the equation Element

[수학식 11][Equation 11]

또한, 공기 베어링 실험 장치는 경제적인 문제와 안전상의 문제로 인하여 우주 비행체의 위치/자세 제어 실험에 지난 40년 동안 유용하게 사용되어 온 장치이다. 즉, 우주 개발 경쟁의 시작과 더불어 거의 같이 발전되어 온 셈이다. 2차원 타입의 경우는 총 3자유도(회전 운동에 1자유도, 병진 운동에 2자유도)를 가진 자유비행 로봇이 사용된다. 이러한 실험을 하는 주요한 목적은 우주 비행체 동역학을 정확하게 기술하기 위함이다. 자유비행 로봇과 석정반(granite table)은 로봇과 석정반 사이의 마찰을 거의 0으로 해 줄 수 있어, 랑데뷰나 도킹 시스템의 지상 실험 장치로서 좋은 성능을 발휘한다. 현재, 미국이나 일본의 여러 대학에서 이러한 2차원 타입의 실험 장치를 사용하고 있다.In addition, the air bearing test apparatus has been useful for the past 40 years in the position / posture control experiments of space vehicles due to economic and safety problems. That is, with the beginning of the space development competition, it has developed almost together. In the case of the two-dimensional type, a free flying robot having a total of three degrees of freedom (one degree of freedom for rotational motion and two degrees of freedom for translational motion) is used. The main purpose of these experiments is to accurately describe the space vehicle dynamics. Free flying robots and granite tables can bring the friction between the robots and the tablets to almost zero, making them an excellent ground tester for rendezvous or docking systems. At present, several universities in the United States and Japan use this two-dimensional type of experimental apparatus.

우주 비행체 간의 상대적인 운동을 기술하는 선형화된 지배 방정식을 알아보자. 도 3은 목표 물체와 추적 물체를 표현하는 좌표를 나타낸다. 만일 목표 물체가 지구 주위를 일정한 각속도로 원형 궤도를 이루며 돌고, 도 3에 나타난 좌표계가 목표 물체에 부착되어 있다고 하면, 근접 상황에서 운동 방정식은 선형화될 수 있다. 잘 알려진 클로시-윌트셔(Clohessy-Wiltshire: 이하 'CW') 방정식은 수학식 12처럼 기술된다.Consider a linearized governing equation that describes the relative motion between space vehicles. 3 shows coordinates representing a target object and a tracking object. If the target object rotates in a circular orbit around the earth at a constant angular velocity, and the coordinate system shown in Fig. 3 is attached to the target object, the equation of motion can be linearized in close proximity. The well known Clohessy-Wiltshire (CW) equation is described as:

[수학식 12][Equation 12]

여기서 , , 는 각각 좌표축에서 추적 물체에 작용하는 가속도 성분이다. 수학식 12의 위 두 개의 방정식은 평면내(in-plane) 운동을 나타내고 서로 연관되어 있다. 마지막 방정식은 평면외(out-plane) 운동으로 평면내 성분과는 연관되어 있지 않다. 일반적인 상대적 궤도운동 연구에서 평면내 운동은 평면외 운동보다 더 중요하다. 이 발명에서 개발한 실험 장치는 2차원 타입이므로 평면내 운동 방정식을 따르게 된다.here , , Are each Acceleration component acting on the tracking object in the coordinate axis. The above two equations in (12) represent in-plane motion and are related to each other. The final equation is out-plane motion and is not related to in-plane components. In general relative orbital motion, in-plane motion is more important than out-of-plane motion. Since the experimental apparatus developed in this invention is a two-dimensional type, it follows the in-plane equation of motion.

이 자유비행 로봇을 다른 하나의 자유비행 로봇에 부드럽게 접근 및 도킹시키기 위한 방법으로 비전 시스템을 사용하였다. 평면내 운동에서는 비전 시스템만으로도 상대적인 위치 및 자세 정보를 획득하는 것이 가능하다. 하지만, 비전 시스템이 충분한 샘플링 주파수를 주지 못하기 때문에, 자이로를 포함한 관성항법장치(Inertial Measurement Unit, 이하 'IMU') 정보와 더불어 사용되어야 한다The vision system was used as a way to smoothly approach and dock the free flying robot to another free flying robot. In in-plane motion, it is possible to obtain relative position and posture information with the vision system alone. However, since the vision system does not provide enough sampling frequency, it must be used with information from the Inertial Measurement Unit (IMU), including the gyro.

본 발명은 상술한 종래의 자유비행 로봇이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 추적 물체에 하나의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에 여러 개의 비콘들을 배치하였다. 비전 시스템에 의해 상대적인 위치 정보 및 자세 정보를 정확하게 획득하고 자이로를 포함한 IMU 시스템에 의해 비전 시스템의 낮은 샘플링 주파수 특성을 보상하는 자유비행 로봇 시스템을 구축하는 것을 그 목표로 한다. 곧, 비전 시스템으로부터 정보를 획득할 수 있을 경우에는 비전 시스템, IMU 및 자이로 정보를 모두 이용하여 칼만 필터링을 수행하고 비전 시스템으로부터 정보를 획득할 수 없을 경우에는 IMU 및 자이로 정보만을 이용하여 칼만 필터링을 수행한다. The present invention is to solve the problems of the conventional free flying robot described above, one CCD camera is installed on the tracking object and a plurality of beacons are arranged on the target object. The aim is to build a free flying robot system that accurately acquires relative position and attitude information by the vision system and compensates for the low sampling frequency characteristics of the vision system by the IMU system including the gyro. In other words, Kalman filtering is performed using all of the vision system, IMU, and gyro information if information can be obtained from the vision system, and Kalman filtering is performed using only IMU and gyro information if information cannot be obtained from the vision system. Perform.

본 발명은 추적물체에 CCD 카메라가 설치되고, 목표 물체에 다수개의 비콘이 설치되는 것을 포함하는 비전 센서가 장착된 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.The present invention provides a spacecraft docking robot system, characterized in that the CCD camera is installed on the tracking object, the vision sensor including a plurality of beacons are installed on the target object.

또한, 본 발명은 상기 우주 비행체 도킹 로봇이 추력시스템, 파워시스템, CCD카메라, 자이로, IMU, 제어 및 명령시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.The present invention also provides a space vehicle docking robot system, characterized in that the spacecraft docking robot is composed of a thrust system, power system, CCD camera, gyro, IMU, control and command system.

또한, 본 발명은 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.In addition, the present invention is provided with at least one or more CCD cameras on the tracking object and at least two beacons on the target object, two-dimensional relationship expressed by projecting their relationship on a suitable plane, expressed as described above Distance from the tracking object to the target And angle , Angle It provides a space vehicle docking robot system comprising a vision sensor for calculating the.

또한, 본 발명은 제 3 항에 있어서, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) psi를 하기식 (a)와 (b)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.In addition, the present invention according to claim 3, wherein the distance between the tracking object and the target object And angle , Angle To provide a space vehicle docking robot system, characterized in that the angle (psi) is calculated by the following equations (a) and (b), respectively.

(a) (a)

(b) (b)

또한, 본 발명은 자이로 및 관성항법장치와 비전센서의 정보를 갱신하기 위해 확장 칼만 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.The present invention also provides a space vehicle docking robot system, characterized in that the use of an extended Kalman filter to update the information of the gyro and inertial navigation system and the vision sensor.

또한, 본 발명은 추적물체를 제어하는 데 있어 위치제어와 자세제어를 별개로 하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a space vehicle docking robot system characterized in that the position control and attitude control separately in controlling the tracking object.

또한, 본 발명은 상기 제어가 PID제어기를 이용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.The present invention also provides a space vehicle docking robot system, characterized in that the control uses a PID controller.

또한, 본 발명은 비전센서의 정보가 가용할 때에는 비전센서의 정보를 이용하고, 비전센서의 정보가 가용하지 않을 때에는 관성항법장치 및 자이로 정보를 이용하여 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.In addition, the present invention uses the information of the vision sensor when the information of the vision sensor is available, the spacecraft docking, characterized in that to estimate the state using the inertial navigation system and gyro information when the information of the vision sensor is not available Provide a robotic system.

또한, 본 발명은 상기 비전센서의 정보가 가용할 때에는 하기 (c)식과 같은 측정 방정식을 사용하고, 상기 비전센서의 정보가 가용하지 않을 때에는 하기 (d)식과 같은 측정 방정식을 사용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 제공한다.In addition, the present invention is characterized by using the measurement equation as shown in the following equation (c) when the information of the vision sensor is available, and using the measurement equation as shown in (d) when the information of the vision sensor is not available. To provide a spacecraft docking robot system.

(c) (c)

(d) (d)

또한, 본 발명은 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention is provided with at least one or more CCD cameras on the tracking object and at least two beacons on the target object, two-dimensional relationship expressed by projecting their relationship on a suitable plane, expressed as described above Distance from the tracking object to the target And angle , Angle It includes a vision sensor that calculates the, and adds a gas support pad for spraying the gas on the tracking object and the lower part of the target object to support the space robot, the suspended space vehicle robot moves on the stone platform test It provides a space vehicle docking ground test apparatus, characterized in that it can be.

또한, 본 발명은 상기 우주 비행체 도킹 지상 시험장치에 있어서, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (a)와 (b)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention is the space vehicle docking ground test apparatus, the distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference It provides a space vehicle docking ground test apparatus, characterized in that the calculation by the formula (a) and (b), respectively.

또한, 본 발명은 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주비행체 정렬비행 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention is provided with at least one or more CCD cameras on the tracking object and at least two beacons on the target object, two-dimensional relationship expressed by projecting their relationship on a suitable plane, expressed as described above Distance from the tracking object to the target And angle , Angle It includes a vision sensor that calculates the, and adds a gas support pad for spraying the gas on the tracking object and the lower part of the target object to support the space robot, the suspended space vehicle robot moves on the stone platform test It provides a space vehicle alignment flight ground test apparatus characterized in that it is possible to.

또한, 본 발명은 상기 우주비행체 정렬비행 지상 시험장치에 있어서, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (a)와 (b)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 정렬비행 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention, in the space vehicle alignment flight ground test apparatus, the distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference It provides a space vehicle alignment flight ground test apparatus, characterized in that the calculation by the formula (a) and (b), respectively.

또한, 본 발명은 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주비행체 전개 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention is provided with at least one or more CCD cameras on the tracking object and at least two beacons on the target object, two-dimensional relationship expressed by projecting their relationship on a suitable plane, expressed as described above Distance from the tracking object to the target And angle , Angle It includes a vision sensor that calculates the, and adds a gas support pad for spraying the gas on the tracking object and the lower part of the target object to support the space robot, the suspended space vehicle robot moves on the stone platform test It provides a space vehicle deployment ground test apparatus, characterized in that it is possible to.

또한, 본 발명은 상기 우주비행체 전개 지상 시험장치에 있어서, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (a)와 (b)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 전개 지상 시험장치를 제공한다.In addition, the present invention, the space vehicle deployment ground test apparatus, the distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference It provides a space vehicle deployment ground test apparatus, characterized in that to be calculated by the formula (a) and (b), respectively.

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

도 4에 보이는 것이 본 발명에서 개발한 자유비행 로봇의 전체적인 시스템 모습이다. 로봇 시스템은 기능적 특성에 따라 전체 3개의 층으로 이루어져 있다. 제일 아래 위치한 첫 번째 층은 가스 탱크와 8개의 추력기가 설치된 추력 시스템으로 구성되어 있고, 중간에 위치한 두 번째 층은 CCD 카메라, 자이로, IMU, 배터리 등이 설치된 파워 시스템으로 구성되어 있다. 마지막으로 제일 위에 위치한 세 번째 층은 비행 제어 소프트웨어가 실행되는 컴퓨터가 설치된 제어 및 명령 시스템으로 구성되어 있다. 도 5는 자유비행 로봇의 일실시예로 전체적인 신호 흐름도이다. 이러한 모든 장비들을 실은 자유비행 로봇 시스템은 초기 상태(초기 위치 및 초기 자세)에서 목표 상태(목표 위치 및 목표 자세)로 외부에서의 어떠한 명령 없이 완전히 자동으로 적절한 추력기를 터트리면서 실행된다.4 shows the overall system of the free flying robot developed in the present invention. The robotic system consists of three layers, depending on the functional characteristics. The first floor, located at the bottom, consists of a thrust system with a gas tank and eight thrusters, and the second, located in the middle, consists of a power system with a CCD camera, gyro, IMU, and batteries. Finally, the third floor at the top consists of a control and command system with a computer running flight control software. 5 is an overall signal flow diagram as an embodiment of a free flying robot. The free-flying robotic system, loaded with all of these equipments, runs from the initial state (initial position and initial posture) to the target state (target position and target position) with the appropriate thruster fully automatic without any command from the outside.

제일 아래층에 있는 추력기 시스템은 가스 탱크에 질소 가스를 채우고 가스 탱크로부터 8개의 추력기에 가스를 공급할 수 있도록 구성해 놓았다. 각 추력기는 스위칭 회로에 연결하여 제어 소프트웨어에서 오는 신호를 온-오프 신호로 인식하여 온(on)이면 추력기 입구가 개방되어 가스가 새어나가며 추력을 얻고 오프(off)이면 추력기 입구가 폐쇄되어 가스의 방출을 막는다. 이렇게 가스의 방출에서 얻어지는 반작용력이 비행체의 추력원이 된다.The lower thruster system is configured to fill the gas tank with nitrogen gas and supply gas to the eight thrusters from the gas tank. Each thruster is connected to the switching circuit and recognizes the signal coming from the control software as an on-off signal. When on, the thruster inlet is opened to allow gas to leak out and thrust is obtained. When off, the thruster inlet is closed to close the gas. To prevent release; The reaction force obtained from the release of the gas thus becomes the thrust source of the aircraft.

추력기에 명령을 내리는 비행 제어 소프트웨어는 2차원 평면 운동에 대한 8개의 추력기 분사 알고리듬 및 비전 기반 상태 추정기 루프를 포함한다. 추력기 분사 알고리듬은 일정한 토크나 힘을 발생시키기 위해서 켜지고 꺼져야 하는 추력기 상태를 규정하는 것으로 수학식 13과 같은 추력 제어 로직을 사용한다.Flight control software that commands thrusters includes eight thruster injection algorithms for two-dimensional planar motion and a vision-based state estimator loop. The thruster injection algorithm defines thruster states that must be turned on and off in order to generate a constant torque or force and uses thrust control logic such as Equation 13.

[수학식 13][Equation 13]

여기서 는 비행체에 요구되는 힘이나 토크를 나타내며 는 8개 추력기의 온(1)이나 오프(0) 상태를 나타낸다. 그리고 는 그 둘 사이의 관계를 기술하는 행렬이다. 본 발명에서 사용하는 비행체는 2차원 평면에서 움직이기 위해 도 6에서 보이는 것과 같은 8개의 추력기를 사용하였다. 이러한 비행체는 수학식 14와 같은 행렬이 적절하다. 첫 번째와 두 번째 줄은 추력기 상태로부터 축과 축에 발생하는 힘을 관련시키고 세 번째 줄은 추력기 상태로부터 축에 발생하는 토크를 관련시킨다.here Represents the force or torque required for the aircraft. Indicates the on (1) or off (0) state of the eight thrusters. And Is a matrix describing the relationship between the two. The aircraft used in the present invention used eight thrusters as shown in FIG. 6 to move in a two-dimensional plane. Such a vehicle is represented by Equation 14 The matrix is appropriate. The first and second lines from the thruster state Axis The force generated on the shaft and the third line from the thruster The torque generated on the shaft is related.

[수학식 14][Equation 14]

수학식 13은 추력기의 현재 상태로부터 비행체에 가해지는 토크나 힘을 구하는 식이고 우리가 원하는 것은 그 반대이다. 즉, 소프트웨어로부터 계산되어 나온 토크나 힘이 비행체에 가해지기 위해서 어떠한 추력기가 켜지고 어떠한 추력기가 꺼져야 하는 것을 알아야 한다. 수학식 15와 같이 가역행렬(假逆行列, pseudo inverse)을 정의함으로 인해 수학식 13으로부터 다른 식을 얻을 수 있다.Equation 13 calculates the torque or force applied to the vehicle from the current state of the thruster, and vice versa. In other words, it is important to know which thrusters are turned on and which thrusters must be turned off so that the torque or force calculated from the software is applied to the aircraft. By defining a pseudo inverse as shown in Equation 15, another equation can be obtained from Equation 13.

[수학식 15][Equation 15]

수학식 13과 수학식 15를 이용하여 U로부터 적절한 F를 얻는 식을 수학식 16처럼 정의할 수 있다.Using Equations 13 and 15, an equation for obtaining an appropriate F from U can be defined as in Equation 16.

[수학식 16][Equation 16]

여기서 함수 는 추력기에 1(on) 아니면 0(off) 신호를 넣어주기 위한 함수이고, 은 실험에서 적절히 선택되어져야 하는 변수로 본 발명에서는 0.3을 사용하였다.Where function Is a function to put a 1 (on) or 0 (off) signal into the thruster, 0.3 is used as a variable that should be appropriately selected in the experiment.

본 발명에서 사용한 비전 기반 상태 추정은 해석적으로 주어진다. 3차원 공간에서의 비전 기반 상태 추정은 그 비선형성 때문에 해석적으로 구할 수 없으나 2차원 평면 운동일 때는 비전 정보로부터 상대적인 위치 및 자세 정보를 해석적으로 획득할 수 있다The vision based state estimation used in the present invention is given analytically. Vision-based state estimation in three-dimensional space cannot be obtained analytically because of its nonlinearity, but relative position and attitude information can be analytically obtained from vision information in two-dimensional plane motion.

도 2는 2차원 평면운동에서 비콘과 CCD 카메라 사이의 관계를 나타낸다. 도 2에서 나타낸 의 부호는 회전각 계산에 영향을 미치기 때문에 미리 결정해 두는 것이 필요하다. 도 2에서의 는 모두 음의 값을 갖는다. 즉 방향각 는 수학식 17처럼 정의된다.2 shows the relationship between beacons and CCD cameras in two-dimensional plane motion. Shown in Figure 2 Since the sign of affects the rotation angle calculation, it is necessary to decide in advance. In FIG. 2 Are all negative values. Direction angle Is defined as in equation (17).

[수학식 17][Equation 17]

CCD 카메라 상에서의 비콘들의 픽셀 위치인 와 실제 비콘들 사이의 거리 , 렌즈의 초점 거리 는 알 수 있는 5개의 변수들인 반면, 와 추적 물체와 목표 물체 사이의 거리 은 알아내어야 할 3개의 변수들이다. 는 수학식 18에서처럼 간단하게 알아낼 수 있다.The pixel position of the beacons on the CCD camera And distance between real beacons Focal length of lens Are five known variables, And the distance between the tracking object and the target object Are the three variables to figure out. Can be found simply as in Equation 18.

[수학식 18]Equation 18

CCD 카메라 상에서 비콘들 사이의 거리인 p, q는 수학식 19처럼 정의된다.P and q, the distances between the beacons on the CCD camera, are defined by Equation 19.

[수학식 19][Equation 19]

도 2에서 나타난 기하학으로부터 , 는 수학식 20처럼 나타난다.From the geometry shown in Figure 2 , Is represented by Equation 20.

[수학식 20][Equation 20]

수학식 18과 수학식 20을 연합하여 풀게 되면 마침내 우리가 얻고자 하는 방향각 psi를 수학식 21처럼 계산할 수 있다.Solving the equations (18) and (20) together, we can finally calculate the direction angle psi that we want to obtain as shown in equation (21).

[수학식 21][Equation 21]

수학식 21에서 오른쪽 항에 있는 모든 변수들을 알고 있기 때문에 단지 하나의 CCD 카메라와 비콘들 만을 이용해서 방향각 를 해석적으로 구할 수 있다. 비슷한 방식으로 가운데 비콘과 렌즈 사이의 거리를 수학식 22처럼 구할 수 있다.Since we know all the variables in the right term in Equation 21, we use only one CCD camera and beacons Can be obtained analytically. In a similar manner, the distance between the center beacon and the lens can be obtained as shown in Equation 22.

[수학식 22][Equation 22]

방향각 는 수학식 21에서 보듯이 의 크기 차이를 이용하여 나타내어지고, 거리 은 수학식 22에서 보듯이 주로 렌즈의 초점 거리에 의존함을 알 수 있다.Direction angle Is shown in Equation 21 Wow Represented by the size difference of As shown in Equation 22, it can be seen that mainly depends on the focal length of the lens.

본 발명에서 개발된 알고리듬을 적용시킬 시스템은 위치 및 자세를 추정하기 위한 자유비행 로봇 시스템이다. 2개의 병진 자유도와 1개의 회전 자유도를 가져 총 3개의 자유도를 가지고 있고, 상태 벡터는 수학식 23처럼 나타낼 수 있다. The system to which the algorithm developed in the present invention is applied is a free flying robot system for estimating position and attitude. It has two translational degrees of freedom and one rotational degree of freedom and has a total of three degrees of freedom, and the state vector can be expressed by Equation 23.

[수학식 23][Equation 23]

여기서 와 y는 위치 정보를, psi는 로봇의 방향각 변수로써 자세 정보를 나타낸다. 이 때 자유비행 로봇의 동력학 방정식과 위치 및 자세를 제어하기 위한 간단한 PD 제어기는 수학식 24처럼 기술된다.here And y represent positional information, and psi represents attitude information as a robot's orientation angle variable. At this time, a dynamic PD equation of a free flying robot and a simple PD controller for controlling a position and attitude are described as in Equation (24).

[수학식 24][Equation 24]

여기서 는 3×3 대각 관성 행렬이고 는 자유비행 로봇에 가해지는 힘과 토크이다. 또한 는 비행체가 목표로 하는 상태(위치 및 자세)를 나타내고 는 현재 비행체의 상태(위치 및 자세)를 나타낸다.는 튜닝을 통해 결정되어야 하는 제어 게인이다.here Is a 3 × 3 diagonal inertia matrix Is the force and torque applied to the free flying robot. Also Indicates the state (position and attitude) that the aircraft is aiming for Indicates the state (position and attitude) of the current vehicle. Wow Is the control gain that must be determined through tuning.

수학식 24에서 사용된 상태 변수는 수학식 23에서 정의한 것처럼 단지 3개이다. 하지만, 실제적으로 센서에서 얻어지는 변수들은 수학식 23에서 정의한 변수들 그 자체가 아니라 그것들의 미분 형태이다. 따라서, 칼만 필터 형태를 이용하여 그 정보들을 사용하기 위해서는 수학식 25처럼 시스템 상태 벡터를 확장해야 한다.The state variables used in (24) are only three as defined in (23). However, in practice, the variables obtained in the sensor are not the variables defined in Equation 23, but their derivative form. Therefore, in order to use the information using the Kalman filter form, the system state vector must be extended as shown in Equation 25.

[수학식 25][Equation 25]

수학식 24를 잘 알려진 최적 선형 추정기 형태로 다시 고쳐 쓰면 수학식 26과 같은 형태가 된다.Rewriting Equation 24 into the form of a well-known optimal linear estimator gives the form of Equation 26.

[수학식 26][Equation 26]

여기서 는 최적 문제를 풀기 쉽게 하기 위해서 일정한 공분산을 가진 백색 잡음이라 가정된다. 는 샘플링 시간이고, 는 현재의 시스템 상태 벡터이다.here Is assumed to be white noise with constant covariance to make it easier to solve the optimal problem. Is the sampling time, Is the current system state vector.

위에서 살펴 본 바와 같이 비전 기반 시스템은 직접적으로 위치와 자세 정보를 얻을 수 있고, IMU와 자이로로부터 가속도와 요 각속도를 얻을 수 있기 때문에 이 두 가지 정보를 모두 획득할 수 있을 경우에 측정 방정식은 수학식 27처럼 기술된다.As shown above, since the vision-based system can obtain position and attitude information directly, and acceleration and yaw velocity from the IMU and gyro, the measurement equation can be expressed as It is described as 27.

[수학식 27][Equation 27]

번째의 측정 잡음이고 공분산 행렬은 센서 정확도에 따라 의미 있는 값으로 정한다. Is The measured noise and the covariance matrix are set to meaningful values according to the sensor accuracy.

수학식 25과 수학식 27에서 각각 상태 방정식과 측정 방정식을 기술하였기 때문에 위에서 설명한 칼만 필터링을 이용해서 상태를 추정할 수 있다. 하지만, 비전 센서와 IMU 및 자이로의 샘플링 주파수가 다르기 때문에 항상 이 두 정보를 모두 얻을 수는 없다. 따라서 두 정보를 동시에 얻을 때에는 비전 센서로부터 정보를, IMU 및 자이로로부터 정보를 얻을 수 있기 때문에 수학식 27와 같은 측정 방정식을 사용한다. 하지만, 비전센서 정보를 이용할 수 없어서 샘플링 주파수가 높은 IMU 및 자이로 정보만을 얻을 때에는 만을 얻을 수 있기 때문에 수학식 28과 같은 측정 방정식을 이용하여 칼만 필터링을 한다.Since Equation 25 and Equation 27 describe the state equation and the measurement equation, respectively, the Kalman filtering described above can be used to estimate the state. However, because the sampling frequency of the vision sensor and the IMU and gyro are different, it is not always possible to get both of them. So when you get two pieces of information at the same time, Information from IMU and Gyro Since information can be obtained, a measurement equation such as Equation 27 is used. However, when only the IMU and gyro information with high sampling frequency is obtained because the vision sensor information is not available. Since only Kalman can be obtained, Kalman filtering is performed using a measurement equation such as Equation 28.

[수학식 28][Equation 28]

도 7은 본 발명에 따른 비전 기반 시스템 알고리듬 순서도이다.7 is a flowchart of a vision based system algorithm in accordance with the present invention.

수학식 24에서 보듯 시스템은 명백히 선형이고 위치와 자세 제어 시스템은 서로 연관되어 있지 않다. 하지만, 실제 시스템에서는 추력기의 배치나 무게 중심에서의 불일치가 일어날 수 있기 때문에 병진 운동을 하는 동안 기대하지 않은 토크를 발생시킬 수 있다. 그러므로 연속적으로 자세 보정을 해 주어야만 한다. 만일 위치와 자세 제어를 동시에 실시하려고 한다면 제어에 필요한 적절한 힘 또는 토크가 추력기 제어 로직(TCL)에 의해 감소될 수 있다. 이러한 문제점을 없애고 도킹 과정을 간단하게 해 주기 위하여 위치와 자세 제어를 분리시켜 실시하도록 하였다.As shown in (24), the system is clearly linear and the position and attitude control systems are not related to each other. However, in a real system, discrepancies in thruster placement or center of gravity can cause unexpected torque during translation. Therefore, posture correction must be performed continuously. If a simultaneous position and attitude control is to be performed, the appropriate force or torque required for the control can be reduced by the thruster control logic (TCL). In order to eliminate this problem and simplify the docking process, the position and posture control are performed separately.

본 발명에서 사용한 비전 기반 시스템은 한 대의 CCD 카메라와 세 개의 비콘들로 이루어져 있다. 만일 CCD 카메라가 비콘의 위치를 인식하고 적절한 계산 알고리듬을 거치면 추적 물체와 목표 물체 사이의 위치와 자세 정보를 매우 정확하게 얻을 수 있다. 하지만, 추적 로봇이 비콘에 점차 다가감에 CCD 카메라의 초점 거리와 시야각(FOV: Field Of View) 한계로 인해 비콘을 정확히 인식하기가 어려워진다. 따라서, 추적 물체와 목표 물체는 일정한 거리가 떨어져 있어 비콘 인식성능을 확보해야만 한다. 도 8은 자동 도킹 과정의 순서도를 나타낸다.The vision based system used in the present invention consists of a CCD camera and three beacons. If the CCD camera recognizes the position of the beacon and goes through the appropriate calculation algorithm, the position and attitude information between the tracking and target objects can be obtained very accurately. However, as the tracking robot approaches the beacon, it becomes difficult to accurately recognize the beacon due to the focal length and field of view (FOV) limitations of the CCD camera. Therefore, the tracking object and the target object must be separated by a certain distance to ensure beacon recognition performance. 8 shows a flowchart of an automatic docking procedure.

본 발명은 그 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양돤 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 하는 우주비행체 도킹 지상 시험장치에도 응용이 가능하다. The present invention adds a gas flotation pad that allows the space robot to support the jet by spraying the gas at the bottom thereof, and is also applied to the spacecraft docking ground test apparatus that enables the floating robot to move and test on the stone platform. This is possible.

본 발명은 그 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양돤 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 하는 우주비행체 정렬비행 지상 시험장치에도 응용이 가능하다. The present invention adds a gas flotation pad that allows the space robot to support the jet by spraying the gas to the bottom, and also in the space vehicle alignment flight ground test apparatus that allows the floating space robot to move and test on the stone platform Application is possible.

본 발명은 그 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양돤 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 하는 우주비행체 전개(deployment) 지상 시험장치에도 응용이 가능하다. The present invention adds a gas flotation pad for spraying a gas to a lower portion of the space robot so that the spacecraft robot can support it, and a spacecraft deployment ground test for allowing the floating spacecraft robot to move and test on a stone platform. It can also be applied to devices.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are not intended to limit the present invention, but various limitations, modifications, and changes are possible without departing from the spirit of the present invention. It will be obvious to him.

[실시예 1 및 비교예 1]Example 1 and Comparative Example 1

하기와 같은 제원을 갖는 기기를 사용하여 도 4와 같은 우주 비행체 도킹 로봇 시스템을 구성하였다.A space vehicle docking robot system as shown in FIG. 4 was constructed using a device having the following specifications.

부 품part 제 원Specification 컴퓨터computer 펜티엄III 850MHz CPU, 128MB RAM, PCI 확장, IDD(5400RPM)Pentium III 850 MHz CPU, 128 MB RAM, PCI Expansion, IDD (5400 RPM) 데이터 수집 보드Data acquisition board 12bit 레졸루션, 32 디지털 입출력, 2 아날로그 출력12-bit resolution, 32 digital inputs and outputs, 2 analog outputs 프레임 그래버Frame grabber 30MHz 샘플링, 47dB 신호대잡음비, 4채널30 MHz sampling, 47 dB signal to noise ratio, 4 channels CCD 카메라CCD camera 646(수평)485(수직)픽셀, 프로그레시브 스캔형646 (horizontal) 485 (vertical) pixels, progressive scan IMUIMU 3축 속도계 및 가속도계 탑재, 15도/초 사행 안정도,저가형3-axis tachometer and accelerometer, 15 degree / second meander stability, low cost 추력기Thruster 직류 24볼트 솔레노이드 밸브DC 24 Volt Solenoid Valve 공기 패드Air pad 120 psi 작동, 권장중량 50파운드120 psi operation, recommended weight 50 lbs 석정반Stone tablet 2000(H)2000(W)300(T)크기입자크기는 20마이크론 미만2000 (H) 2000 (W) 300 (T) Size Particle size less than 20 microns

10mm 와이드 FOV렌즈를 사용하였고, 비전센서의 오차의 분산은 0.1픽셀이었다. 제어기는 PD제어기를 사용하였으며 게인 값은 K D = 1.5, K P = 1.2를 사용하였다.A 10mm wide field of view lens was used, and the dispersion of the error of the vision sensor was 0.1 pixel. The controller used PD controller and gain values were K D = 1.5 and K P = 1.2.

비전 센서만을 사용한 경우와 비전 센서에 확장 칼만 필터를 부가하여 사용한 경우에 대해 다음과 같은 결과를 얻었다.The following results were obtained for the case of using only the vision sensor and using the expansion Kalman filter.

비전 센서만을 사용한 경우도 결국에는 수렴하지만 수렴하기까지 많은 진동을 수반하게 되어 좋은 품질의 제어를 얻지 못하였다. 그러나, 확장 칼만 필터까지 사용한 경우는 진동이 전혀 없는 것은 아니지만 대단히 빨리 수렴하게 되어 고품질의 제어를 얻을 수 있었다.The use of vision sensors alone converged eventually, but they involved a lot of vibrations until convergence, resulting in poor quality control. However, in the case of using the extended Kalman filter, it was not vibrationless at all, but converged very quickly, and high quality control was obtained.

[실시예 2 및 비교예 2, 3]Example 2 and Comparative Examples 2 and 3

상기 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 조건에서 실험을 수행하였다.The experiment was performed under the same conditions as in Example 1 and Comparative Example 1.

자이로만 사용한 경우, 비전 센서만 사용한 경우, 자이로와 비전 센서 및 확장 칼만 필터를 모두 사용한 경우로 나누어 자세 제어를 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.In the case of using only the gyro, using only the vision sensor, and using both the gyro, the vision sensor, and the extended Kalman filter, the posture control experiments were performed.

비전 센서만을 사용한 경우는 안정한 수렴을 얻기 어려웠고 진동이 심하였다. 그러나 비전센서와 자이로, 확장 칼만 필터까지 사용한 경우는 대단히 빨리 수렴하였으며 진동도 거의 없는 만족스러운 결과를 얻었다. 자이로 만을 사용한 경우는 수렴조차 되지 않았다.When only the vision sensor was used, it was difficult to achieve stable convergence and severe vibration. However, the vision sensor, gyro, and extended Kalman filter converged very quickly and showed satisfactory results with little vibration. The use of gyro alone did not even converge.

[실시예 3 및 비교예 4]Example 3 and Comparative Example 4

상기 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 조건에서 실험을 수행하였다.The experiment was performed under the same conditions as in Example 1 and Comparative Example 1.

비전 센서만 사용한 경우, 비전 센서 및 확장 칼만 필터를 모두 사용한 경우로 나누어 위치 제어를 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.In the case of using only the vision sensor, the position control was experimented by dividing into the case of using both the vision sensor and the extended Kalman filter.

비전 센서만을 사용한 경우는 비교예 2의 경우와 같이 안정한 수렴을 얻기 어려웠다. 그러나 확장 칼만 필터까지 사용한 경우는 비교적 안정한 수렴을 얻을 수 있었다.When only the vision sensor was used, it was difficult to obtain stable convergence as in the case of Comparative Example 2. However, when the extended Kalman filter was also used, relatively stable convergence was obtained.

본 발명에 의해 우주 비행체 랑데뷰 및 도킹 기술을 지상에서 실시할 수 있는 기반 시스템을 구축하였다. 또한, 비전 시스템을 이용할 수 있는 자유비행 로봇 시스템을 개발하였다. 새로운 방식의 제어 소프트웨어를 탑재한 후 완전히 자동으로 실행되며 랑데뷰 및 도킹 알고리듬의 성능을 손쉽게 비교, 분석할 수 있다.According to the present invention, a ground-based system capable of conducting a space vehicle rendezvous and docking technology on the ground was established. We also developed a free flying robot system that can use the vision system. After the new control software is installed, it runs completely automatically and can easily compare and analyze the performance of rendezvous and docking algorithms.

도 1은 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 있어 비콘들과 CCD 카메라 사이의 3차원 관계를 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a three-dimensional relationship between beacons and a CCD camera in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 있어 비콘들과 CCD 카메라를 적절한 2차원 평면에 투영하여 3차원 관계를 2차원 평면으로 전환한 관계를 나타내는 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a relationship between a beacon and a CCD camera converted into a two-dimensional plane by projecting a beacon and a CCD camera in an appropriate two-dimensional plane in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 있어 목표 물체와 추적 물체를 표현하는 좌표를 나타내는 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating coordinates representing a target object and a tracking object in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 있어 자유비행 로봇의 전체적인 모습을 나타내는 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing the overall appearance of the free flying robot in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예를 나타낸 개념도이다.5 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 있어 추력기의 가능한 일실시예를 나타낸 개념도이다.6 is a conceptual diagram showing a possible embodiment of the thruster in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 포함되는 위치 및 자세 상태 추정 알고리듬의 순서도이다.7 is a flowchart of a position and attitude state estimation algorithm included in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 우주 비행체 도킹 로봇 시스템에 포함되는 자동 도킹 알고리듬의 순서도이다.8 is a flowchart of an automatic docking algorithm included in the spacecraft docking robot system according to the present invention.

<도면의 주요 부호의 설명><Description of Major Codes in Drawings>

A, B, C : 비콘 A, B, C의 실제 위치 : A, B, C: Actual location of beacons A, B, C :

: 시선과 비콘면의 수직선 이루는 사이각 : The angle between the line of sight and the vertical line of the beacon

: 시선과 이미지평면의 수직선이 이루는 사이각 : The angle between the line of sight and the vertical line of the image plane

: 초점거리 : 추적물체와 목표물체 사이의 거리 Focal length : Distance between tracking object and target object

: 이미지평면 상에서의 비콘 A, B, C의 좌표 : Coordinates of beacons A, B, and C on the image plane

: 평면에 투영된 비콘 사이의 거리 : Distance between beacons projected on the plane

: 비전 센서가 가용할 때의 측정행렬(측정민감도 행렬) : Measurement matrix when the vision sensor is available (measurement sensitivity matrix)

: 비전 센서가 가용하지 않을 때의 측정행렬(측정민감도 행렬) : Measurement matrix when the vision sensor is not available (measurement sensitivity matrix)

Claims (15)

추적물체에 CCD 카메라가 설치되고, 목표 물체에 다수개의 비콘이 설치되는 것을 포함하는 비전 센서가 장착된 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.A spacecraft docking robot system, characterized in that the CCD camera is installed on the tracking object, and a vision sensor is installed that includes a plurality of beacons installed on the target object. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 우주 비행체 도킹 로봇은 추력시스템, 파워시스템, CCD카메라, 자이로, IMU, 제어 및 명령시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.The spacecraft docking robot is a spacecraft docking robot system, characterized in that consisting of a thrust system, power system, CCD camera, gyro, IMU, control and command system. 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.At least one CCD camera is installed in the tracking object and at least two beacons are installed in the target object to express the relationship in two dimensions by projecting the relation on an appropriate plane. Distance of object And angle , Angle Spacecraft docking robot system comprising a vision sensor for calculating the. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 하기식 (A)와 (B)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.Distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference The spacecraft docking robot system, characterized in that the calculation by the following formula (A) and (B), respectively. (A) (A) (B) (B) 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 자이로 및 관성항법장치와 비전센서의 정보를 갱신하기 위해 확장 칼만 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.A spacecraft docking robot system that uses an extended Kalman filter to update information of gyro and inertial navigation systems and vision sensors. 추적물체를 제어하는 데 있어 위치제어와 자세제어를 별개로 하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.Spacecraft docking robot system, characterized in that the position control and attitude control to control the tracking object separately. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제어는 PID제어기를 이용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.The control is a space vehicle docking robot system, characterized in that using a PID controller. 비전센서의 정보가 가용할 때에는 비전센서의 정보를 이용하고, 비전센서의 정보가 가용하지 않을 때에는 관성항법장치 및 자이로 정보를 이용하여 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.The spacecraft docking robot system, characterized by using the information of the vision sensor when the information of the vision sensor is available, and using the inertial navigation system and gyro information when the information of the vision sensor is not available. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 비전센서의 정보가 가용할 때에는 하기 (C)식과 같은 측정 방정식을 사용하고, 상기 비전센서의 정보가 가용하지 않을 때에는 하기 (D)식과 같은 측정 방정식을 사용하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 로봇 시스템.When the information of the vision sensor is available, a measurement equation such as the following (C) is used, and when the information of the vision sensor is not available, the spacecraft docking robot is characterized by using the measurement equation of the following (D). system. (C) (C) (D) (D) 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고,At least one CCD camera is installed in the tracking object and at least two beacons are installed in the target object to express the relationship in two dimensions by projecting the relation on an appropriate plane. Distance of object And angle , Angle Including a vision sensor to calculate, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 지상 시험장치.A gas support pad is added to spray the gas to the tracking object and the lower part of the target object so that the space vehicle robot can support it, and the supported space vehicle robot can move and test on the stone platform. Aircraft docking ground tester. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (A)와 (B)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 도킹 지상 시험장치.Distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference The spacecraft docking ground test apparatus, characterized in that it is calculated by the formulas (A) and (B), respectively. 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고,At least one CCD camera is installed in the tracking object and at least two beacons are installed in the target object to express the relationship in two dimensions by projecting the relation on an appropriate plane. Distance of object And angle , Angle Including a vision sensor to calculate, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주비행체 정렬비행 지상 시험장치.A gas support pad is added to spray the gas to the tracking object and the lower part of the target object so that the space vehicle robot can support it, and the supported space vehicle robot can move and test on the stone platform. Air vehicle alignment flight tester. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (A)와 (B)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 정렬비행 지상 시험장치.Distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference The spacecraft alignment flight ground test apparatus, characterized in that the calculation by the formulas (A) and (B), respectively. 추적 물체에는 적어도 하나 이상의 CCD 카메라를 설치하고 목표 물체에는 적어도 둘 이상의 비콘을 설치하여, 이들의 관계를 적절한 평면에 투영하여 2차원으로 표현하고, 상기와 같이 표현된 2차원 관계로부터 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 를 계산하는 비전센서를 포함하고,At least one CCD camera is installed in the tracking object and at least two beacons are installed in the target object to express the relationship in two dimensions by projecting the relation on an appropriate plane. Distance of object And angle , Angle Including a vision sensor to calculate, 상기 추적 물체 및 목표 물체의 하부에 기체를 분사하여 우주 비행체 로봇이 부양할 수 있도록 하는 기체 부양패드를 부가하고, 부양된 우주 비행체 로봇이 석정반 상에서 움직이며 시험할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 우주비행체 전개 지상 시험장치.A gas support pad is added to spray the gas to the tracking object and the lower part of the target object so that the space vehicle robot can support it, and the supported space vehicle robot can move and test on the stone platform. Air vehicle deployment ground tester. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 추적 물체와 목표 물체의 거리 및 각(角) , 각(角) 의 차인 각(角) 를 상기식 (A)와 (B)에 의해 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 우주 비행체 전개 지상 시험장치.Distance between the tracking object and the target object And angle , Angle Angle of difference The spacecraft deployment ground test apparatus, characterized in that it is calculated by the formulas (A) and (B), respectively.
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