KR101864944B1 - 속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상을 기반으로 표적을 추적하는 표적추적시스템의 추적제어기에 의해 변환되어 속도안정화 제어기로 입력되는 속도 명령의 속도 값을 제한하는 것을 특징으로 하는 속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법으로서, 본 발명에 의하면, 전투기 등에 탑재되는 표적추적 시스템에 의해 추적오차의 실시간성을 향상시키고, 표적추적 실패 및 오버슈팅을 최소화하는 것이 가능하다.

Description

속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법{CONTROL METHOD FOR TARGET TRACKING BASED IMAGE OF SEEKER}

본 발명은 전투기 등에 장착되어 표적을 추적하는 표적추적시스템에서 속도 및 가속도에 적응적으로 표적을 추적하기 위한 영상기반 표적추적 제어방법에 관한 것이다.

IR 또는 CCD 카메라, 레이저 센서 등을 탑재한 시선안정화장치(Inertially Stabilized System)는 헬기, 무인기, 전투기 등 다양한 플랫폼에 장착되어 운용자에게 관심 표적의 영상정보를 지속적으로 제공하는 기능을 한다.

이러한 영상기반 표적추적시스템은 크게 영상추적부와 서보구동제어부로 구성된다. 도 1에서 일반적인 표적추적시스템을 개략적으로 나타내고 있다.

영상추적부에서는 영상센서 내에서의 표적위치를 포착하여 FOV(Field of View) 내에서 중심으로부터의 오차를 pixel로 계산한다.

서보구동 제어부는 영상추적부에서 계산한 pixel 오차를 받아서, pixel 오차가 0이 되도록 김벌을 구동 제어한다.

영상을 기반한 시선안정화장치에는 영상을 이용한 위치피드백 제어와 관성항법장치를 이용한 속도피드백 제어를 함께한다.

즉 위치피드백제어라 함은 영상 속에서 현 위치 대비 표적의 위치오차를 pixel 오차로 계산하여 출력한 뒤, 추적제어기를 추가 구성하여 지향하는 속도명령으로 변환하는 과정을 포함한다는 의미이다.

또한, 속도피드백 제어는 추적제어기에서 변환하여 얻어진 속도명령을 입력받아 속도센서로부터 얻어진 현재속도와의 오차를 계산한 뒤, 마찬가지로 속도안정화 제어기를 추가 구성하여 안정성 있는 구동명령으로 변환하는 과정을 말한다.

구동명령은 김벌의 모터에 입력으로 들어가는 실제 토크명령에 관한 값이다.

하지만, 영상추적부에서 계산하는 추적오차 값은 영상의 프레임 속도에 영향을 받는데, 일반적으로 영상장비의 한계로 인해 영상 속도는 시스템의 계산 반복속도인 Sampling Time에 비해 현저히 느리기 때문에 실시간성이 매우 떨어진다.

추적오차의 실시간성이 좋아질수록 서보구동제어부에서 처리하는 제어 안정성이 좋아질 수밖에 없지만, 실제 영상장비는 그 한계로 인하여 추적오차를 계산하는 부분에서 어려움을 겪는다.

특히 영상추적부에서는 신속하게 표적을 포착하기 위해 구역을 정해가며 그 구역 내에서 순차적으로 추적을 진행하는데, 영상내의 표적이 급격히 움직이게 되어 구역을 벗어나버리게 되면 표적추적을 실패해 버린다.

또한 종래의 제어 알고리즘에서는 영상 지연으로 인한 위상지연요소에 의해 설계할 수 있는 대역폭에 한계가 있다. 그에 따라 신속한 표적추적을 위해서는 오차각이 +,-를 넘나드는 오버슈팅이 불가피하게 된다.

이는 운용상에서 매끄럽지 못한 추적상황을 나타내게 되고, 추적방향을 이용하는 운용기능에서 혼동을 야기할 수도 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 전투기 등에 탑재되는 표적추적 시스템에 의해 추적오차의 실시간성을 향상시키고, 표적추적 실패 및 오버슈팅을 최소화하기 위한 속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법은, 영상을 기반으로 표적을 추적하는 표적추적시스템의 속도안정화 제어기와 추적제어기를 포함하는 제어시스템에서 추적제어기에 의해 변환되어 속도안정화 제어기로 입력되는 속도 명령의 속도 값을 제한하는 것을 특징으로 한다.

상기 제한된 속도 값은 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

속도제한 값 = 추적Gate크기 × iFOV × 영상 FrameRate

(iFOV는 1pixel 당 각도의 크기임.)

또한, 상기 속도안정화 제어기로 입력되는 속도 명령의 가속도 값을 제한하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 가속도제한 값의 제한은 상기 속도 값의 제한보다 먼저 진행되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제한된 가속도 값은 다음과 같은 것을 특징으로 한다.

가속도제한 값 = 추적오차 Pixel × iFOV × Acc_Gain

(Acc_Gain은 상수임.)

이러한 상기 속도제한 값 및 상기 가속도제한 값은 상기 표적추적시스템의 영상추적부에서 계산되어지는 표적 정보(표적의 전환상태, 표적의 추적오차각, 시계정보, 추적 게이트 크기 및 표적 크기)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 속도제한 값 및 상기 가속도제한 값은 표적의 전환상태 정보를 이용하여 전환된 시점에서 일정시간 동안만 적용시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 화면 내의 임의의 위치에 있는 표적에 대하여 자동추적이 시작되더라도 안정적으로 표적을 포착, 추적함으로써 표적 상실을 방지할 수 있다.

특히 원거리의 표적을 포착 한 후 화면 중앙으로 이동시키는 시간동안 오차각이 오버슈트 없이 매끄럽게 감소하여 표적에 안정적으로 수렴할 수 있다. 오버슈트를 저지함으로써 표적추적시간을 감소시킬 수 있는 효과도 기대 할 수 있다.

도 1은 일반적인 표적추적시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 표적추적방법을 구현하기 위한 표적추적시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 표적추적시스템의 일 구성을 보다 상세히 도시한 것이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 표적추적방법에 의한 성능을 종래의 방법과 비교한 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 표적추적방법을 구현하기 위한 표적추적시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 의한 표적추적시스템의 일 구성을 보다 상세히 도시한 것이며, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 표적추적방법에 의한 성능을 종래의 방법과 비교한 결과이다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 의한 속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법을 설명하기로 한다.

영상기반 표적추적시스템에 사용되는 시스템 제어알고리즘의 구성을 상세히 기술한다.

본 발명에서는 앞에서 언급된 영상추적부의 한계를 극복하기 위한 방법으로 서보구동 제어부에서의 두 가지 제어알고리즘을 제안한다.

우선, 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바와 같이 영상추적부에서는 표적의 급격한 이동을 감지하기 어려우므로 영상 내의 표적의 급격한 운동을 자제시키는 방안이 필요하다.

먼저 영상 내 표적의 급격한 이동이라 하면, 표적자체 운동이 너무 빨라 포착이 불가능한 경우와 구동부에서 신속히 표적으로 이동하기 위해 제어기 특성상 급가속을 하게 되어 발생하는 경우로 나뉜다.

전자의 경우는 설계 포인트에서부터 어긋나기 때문에, 후자의 경우에 대해 해결방안을 기술한다.

제어기의 특성상 영상추적이 불가능한 속도는 추적을 시작하면서 표적에 수렴하기 위해 급가속 명령을 생성하게 되면서 발생한다.

이를 방지하기 위해 본 발명에서는 표적의 조건을 고려하여 속도 제한기를 첫 번째로 제안한다. 속도 제한기는 속도 명령에 들어가는 지향하는 속도 값을 제한하는 방법으로, 도 2의 개념도와 같이 속도명령이 입력되는 속도제어루프 앞단에서 처리하게 된다.

속도 제한기에 사용되는 속도 제한 값은 표적의 크기로 표현되는 추적 Gate의 크기를 각도 값으로 환산하여 정하게 된다. 즉, Pixel 로 나타나는 추적 Gate크기에 iFOV(1pixel 당 각도 크기)를 곱하여 나타낸다.

그 이유는 영상추적부에서 Gate의 크기에 비례하여 표적을 중심으로 추적구역을 설정하기 때문에, 다음 영상 frame에서 추적을 상실하지 않도록 속도 값을 제한하는 것이다.

여기서 한 가지 더 중요한 부분은 속도 제한 값을 적용하는 타이밍이다.

먼저 영상추적부로부터 추적을 시작하는 시점, 그리고 표적을 전환하는 시점을 추적 Flag로 받는다. 추적 Flag가 TRUE가 되면 속도 제한 값에 포화되지 않고 수렴해 가는 시점까지 속도 제한 값을 적용시킨다.

그 외의 시간에 대해서는 Motor가 수용할 수 있는 최대 속도 값을 적용함으로 표적을 포착한 후에 모든 표적의 가속운동에도 대응할 수 있도록 한다.

두 번째로 제안하는 알고리즘은 가속도 제한기이다.

가속도제한기는 FOV 상 원거리에 있는 표적을 추적하는 경우, FOV 중심으로 이동하는 중에 생기는 오버슈트를 방지하기 위한 방법으로서 제안된다.

추적시 오차각 명령이 제어기 특성상 오차각을 0으로 수렴하도록 하기 위하여 처음에는 급가속을 하게 되고, 이러한 급가속으로 인해 수렴하는 과정에서 오버슈트가 발생하게 된다.

가속도제한기는 이러한 급가속을 적절히 제한하는 방법으로 오버슈트의 발생을 저지하도록 만들어준다.

본 발명에서는 도 3의 상세도와 같이 속도제한기 앞단에서 속도를 생성하기 앞서 미분한 값을 가속도 제한 값으로 이용한다.

여기서 생성된 가속도 값을 다시 적분하여 속도 명령으로 변환시키는 과정까지가 가속도 제한기에 포함된다.

가속도 제한 값은 FOV 내에서 중심으로부터의 표적거리(오차각)에 따라 크기가 적응적으로 바뀌는 파라메터이다.

가속도 제한값을 고정값으로 지정하게 되면, 추적시 원하는 범위 내의 모든 표적 위치에서 오버슈트를 방지하기 어렵기 때문이다.

따라서 수학식 2와 같이 오차각에 해당하는 추적오차 Pixel × iFOV 값을 주요한 적응 파라메터로서 이용한다. 여기서 Acc_Gain 파라메터는 상수로서 장비의 기본성능에 따라 실험적으로 결정해주어야 한다.

또한, 가속도제한기 역시 속도제한기와 같이 적용하는 타이밍이 중요하다. 도 3과 같이 추적을 시작하는 시점 혹은 표적을 전환하는 시점을 추적 Flag 정보로 받아 추적 Flag가 TRUE가 되었을 때 적용한다.

앞서 언급한 바와 같이 급가속이 시작되는 지점을 실험적으로 측정하여 그 시간 범위 내에서 가속도 제한 값을 적용시키는 방식으로 운용된다. 정해진 일정 시간이 지나게 되면 제한을 풀어 표적의 운동에 대응할 수 있도록 한다.

이상에서와 같이 본 발명은 표적추적을 위해 속도 제한 및 가속도 제한을 적응적으로 함으로써 그에 따른 속도명령으로 표적을 추적하게 하여 표적을 안정적으로 추적할 수 있게 한다.

이러한 본 발명에 의한 결과를 종래의 방법과 비교한 것이 도 4 내지 도 6이다.

도 4 내지 도 6에서 참조되는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 PI제어기(동일 게인 이용시)와 비교하였을 때 오버슈트가 확연히 줄어들고 수렴하는 시간 역시 줄어드는 양상을 볼 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 영상을 기반으로 표적을 추적하는 표적추적시스템의 속도안정화 제어기와 추적제어기를 포함하는 제어시스템에서 추적제어기에 의해 변환되어 속도안정화 제어기로 입력되는 속도 명령의 속도 값을 제한하되,
   상기 제한된 속도 값은 다음과 같은 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.
   속도제한 값 = 추적Gate크기 × iFOV × 영상 FrameRate
   (iFOV는 1pixel 당 각도의 크기임.)
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 속도안정화 제어기로 입력되는 속도 명령의 가속도 값을 제한하는 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 가속도제한 값의 제한은 상기 속도 값의 제한보다 먼저 진행되는 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제한된 가속도 값은 다음과 같은 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.
   가속도제한 값 = 추적오차 Pixel × iFOV × Acc_Gain
   (Acc_Gain은 상수임.)
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 속도제한 값 및 상기 가속도제한 값은 상기 표적추적시스템의 영상추적부에서 계산되어지는 표적 정보(표적의 전환상태, 표적의 추적오차각, 시계정보, 추적 게이트 크기 및 표적 크기)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 속도제한 값 및 상기 가속도제한 값은 표적의 전환상태 정보를 이용하여 전환된 시점에서 일정시간 동안만 적용시키는 것을 특징으로 하는,
   속도 및 가속도 적응 파라메터를 이용한 영상기반 표적추적 제어방법.

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