KR102018892B1 - 무인기의 착륙 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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유연용
이세훈
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 카메라와 인공표식을 사용하여 거리 변화에 따라 카메라에 찍히는 인공표식의 크기 변화와 영상처리를 통한 특징점 추출을 이용하여 지상으로부터 무인기의 높이 및 방향을 계산함으로써 무인기 착륙을 제어할 수 있다.

Description

무인기의 착륙 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling take-off and landing of unmanned aerial vehicle}
본 발명은 무인기, 특히 군용 회전익 무인 비행체의 자동 착륙을 위해 고도 및 방향 정보를 측정 및 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
향후 10년 이상 상승세가 예상되는 신산업 분야 중 하나인 무인기 시장에서 무인 비행체의 활용과 시장규모는 민간용보다 군사용이 훨씬 크다. BI Intelligence 2016 리포트도 군용 무인 비행체의 수요가 전 세계적으로 높아지면서 앞으로 군용 무인기 시장이 다른 부문의 시장을 주도할 것으로 전망했다. 우리나라는 지리적 특성과 사회적 여건을 고려했을 때 군용 무인비행체의 활용도가 다른 나라에 비하여 매우 크다. 2018년 10월 2일 첨단 미래 군의 핵심 전력이 될 육군 드론봇 전투단이 창설되어 지상작전사령부의 정보지원임무를 맡으며 효율적인 미래전 수행을 위한 정찰드론, 무장드론, 전자전드론, 정찰 및 다목적 로봇 등의 조기 전력화를 목표로 하고 있다. 또한, 군용 무인비행체는 군수품의 수송, 폭발물 처리 등 다양한 용도로 활용될 수 있으며, 사단 정찰용 UAV 양산 계획도 진행 중이다. 군수품 수송용 무인 비행체는 평소 차량이 들어갈 수 없는 산간 오지나 재난 지역, 전시 고립된 지역 등에 긴급 품목을 신속하고 안전하게 수송하는 역할을 수행하게 된다. 이러한 군용 무인비행체는 자동 이착륙, 자율비행, 통신 두절 및 에러발생시 호밍 기능 등 자동 운행을 위한 관련 기술들이 필요하다.
일반적인 경우 회전익 무인기 자동 이착륙을 위하여 지상으로부터 회전익 무인기 기체까지의 높이를 측정할 수 있는 센서가 반드시 필요하다. 이러한 높이 정보를 획득하기 위하여 GPS, 초음파 센서, 레이저 센서, 고도계 센서, 카메라와 같은 센서를 사용한다.
GPS의 경우 4개 이상의 위성으로부터 신호를 이용하여 위도/경도/고도 정보를 계산하는데, 높이 또는 고도 정보의 경우 자동 이착륙에 사용할 수 없을 정도로 수 미터 이상의 큰 오차가 발생한다. 초음파 센서는, 1~5m 정도의 근거리에서는 비교적 정확한 거리 또는 높이 정보를 제공하지만 10m 이상 거리에서는 초음파 특성 및 외란으로 인하여 상당한 오차가 발생하는 단점이 있다. 레이저 센서는 GPS 및 초음파 센서에 비하여 비교할 수 없을 정도로 정확한 거리 또는 높이 정보를 제공하지만, 무인기에 장착하기에는 무게가 무겁고 전력 소모량이 크다는 단점이 있다. 고도계 센서는 해수면부터의 거리정보를 제공하기 때문에 지형정보가 필요하고, 기본적으로 높이 오차가 매우 크다.
[선행기술문헌번호]
선행기술 1: 한국등록특허 10-1914179호
선행기술 2: 한국등록특허 10-1811130호
실시 예들은 상기 언급된 종래기술에서 사용하는 다양한 종류의 센서들이 가지는 단점을 극복하기 위하여, 카메라와 인공표식을 사용하여 거리 변화에 따라 카메라에 찍히는 인공표식의 크기 변화와 영상처리를 통한 추출된 특징점을 이용하여 본 발명에서 제안하는 알고리즘을 이용하여 지상으로부터 무인기의 높이 및 방향을 계산함으로써 무인기 착륙을 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
실시 예에 따른 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하는 단계; 상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계; 상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계; 상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계; 상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 인공표식은, 상기 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 형상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 형상은, 외부 형상과 상기 외부 형상을 축소한 내부 형상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계는, 상기 복수의 고도 중, 제1 고도에서는 상기 외부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하고, 상기 제1 고도보다 낮은 제2 고도에서는 상기 내부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 추가 좌표계는, 상기 2개 이상의 꼭짓점 중 상기 영상 좌표계의 원점과 가장 가까운 꼭짓점과 이웃한 꼭짓점을 포함하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 고도는, 0.3m, 5m 및 50m를 포함하고,
상기 고도별 픽셀 테이블은, 상기 각각의 고도에서 촬영된 3개의 인공표식의 영상들의 픽셀 수를 기초로, 선형방정식을 이용하여 상기 0.3m 내지 50m의 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 고도는, 0.3m 내지 50m에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어 방법은 무인기가 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계; 상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 미리 저장된 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계; 상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어 장치는 카메라; 메모리; 및 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는,
무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하고, 상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하여 상기 메모리에 저장하고, 상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하고, 상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하고, 상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하고, 상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어한다.
또 다른 실시 예에 따른 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.
본 발명은 무인기의 고도 및 방향정보 획득을 위하여 기존 방식과 비교하여 무인기에 기본적으로 탑재된 카메라와 인공표식을 이용함으로써 매우 간단하게 고정밀의 고도 정보를 안정적으로 획득할 수 있는 장점이 있다.
회전익 무인기 관련 자율비행 기술개발은 GPS 및 경로계획/장애물 회피 기술 등이 개발되었지만, 완전한 자율비행을 위하여 반드시 필요한 무인기 이륙 및 착륙 관련기술은 관련 센서 성능의 한계로 자율비행 관련 기술에 비하여 상대적으로 낙후되어 있는 것이 사실이다. 따라서, 본 발명에서 제안한 방법을 사용한다면 매우 저렴하고 쉬운 방법으로 매우 정확한 고도 정보를 획득할 수 있기 때문에 자동이륙 및 착륙에 적용한다면 회전익 무인기의 완전한 의미의 자율비행기술을 완성할 수 있다.
드론 기반 무인기를 이용한 군사목적 무인기는 정찰용, 수송용, 자폭용, 폭탄 투하용, 사격용 무인기 등으로 구분된다. 본 발명은 모든 군사목적 무인기의 목적지 확인 및 착륙용 센서로 활용 가능하다.
정찰용 무인기는 정찰 목적 이륙 및 착륙 시 또는 인공표식을 이용하여 안전한 이착륙이 가능하며, 수송용 무인기의 경우는 본 발명에서 제안한 인공 표식을 지상에 설치하여 수송용 무인기가 목적지 확인용으로 사용하고, 동시에 수송용 무인기가 착륙할 필요 없이 일정고도까지 하강하여 원하는 수하물을 투척하는 방식으로 활용가능 하며, 자폭용/폭탄투하/사격용 무인기는 본 발명에서 제안한 인공표식 방식이 아닌 개체 및 자연물 인식하는 영상처리 방식을 도입하여 추가 적용함으로써 활용가치를 높일 수 있고, 또한 자폭용/폭탄투하/사격용 무인기가 착륙할 경우에 본 발명에서 제안한 인공표식을 활용하여 안전하게 착륙 가능하다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인기 착륙 제어 장치(100)의 개략적인 블록 도이다.
도 3 및 4는 다른 실시 예에 따른 인공표식의 예시 도들이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 따른 무인기의 착륙 오차를 설명하기 위한 개념 도이다.
도 6 내지 10은 또 다른 실시 예에 따른 무인기의 위치 및 방향을 계산하기 위한 예시 도들이다.
도 11은 또 다른 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 실시 예들에서 사용되는 용어는 본 실시 예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시 예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시 예들에 대한 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시 예들에 기재된 “부”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시 예들에서 사용되는 “구성된다”또는“포함한다”등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계는 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시 예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시 예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.
실시 예에서, 무인기, 회전익 무인기, 또는 드론이라는 용어에 한정되지 않고, 특정 위치에 수직으로 착륙 제어가 필요한 군용 무인기 또는 군용 드론을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예들은 카메라시스템, 인공표식, 높이와 방향을 계산하는 알고리즘으로 구성된다. 실시 예에서, 카메라 또는 카메라 시스템은 기본적으로 HD급, 화각 60도 카메라 렌즈를 장착한 카메라를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에서, 인공표식은 직사각형, 정사각형 등 정형적인 도형부터 특정한 패턴을 이용한 방식까지 다양하게 사용할 수 있다. 여기서, 인공표식은 적어도 2개의 꼭짓점을 갖는 형상일 수 있다. 또한, 인공표식은 외부 형상과 외부 형상을 축소한 내부 형상으로 이루어질 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무인기(100)에 탑재된 카메라 시스템(110)과 인공표식(120)이 도시되어 있다. 대부분의 회전익 무인기는 2축 또는 3축 짐벌에 카메라시스템을 탑재하여 사용한다. 실시 예에서, 짐벌을 장착한 회전익 무인기에서는 짐벌에 장착된 카메라를 사용하고, 짐벌없이 고정식 카메라를 사용하는 회전익 무인기의 경우는 별도로 지상을 직각으로 바라볼 수 있도록 장착된 별도 카메라를 사용할 수 있다.
본 발명에서 측정하려는 회전익 무인기 고도의 최고/최저 높이, 카메라시스템 성능, 인공표식의 크기 및 모양은 다음과 같이 제한할 수 있다. 여기서, 카메라 성능 및 인공표식의 크기에 따라 최고 높이는 변경 될 수 있음은 물론이다.
측정하려는 회전익 무인기(100)의 최고 높이는 지상으로부터 50m, 최저 높이는 지상으로부터 0.3m일 수 있다.
카메라 시스템(110)의 성능 중 해상도 HD급(130만 화소, 1280x960)일 수 있으며, 장착렌즈는 60도 화각 렌즈일 수 있다.
인공표식(120)은 꼭짓점이 2개 이상인 형상으로 정사각형, 직사각형, 특정패턴일 수 있다. 도 1에 도시된 인공표식(120)처럼, 외부 및 내부 형상을 포함한 정사각형인 경우, 전체 크기는 100cm x 100cm (가로 x 세로)이고, 내부 크기는 정사각형 기준 30cm x 30cm (가로 x 세로)일 수 있다. 하지만, 이러한 형상 및 크기는 예시적으로 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1에 도시된 무인기 착륙 제어 장치(100)의 개략적인 블록 도이다.
도 2를 참조하면, 무인기 착륙 제어 장치(100)는 제어부(130), 영상 처리부(140), 고도 계산부(150), 위치 및 방향 계산부(160) 및 저장부(170)를 포함한다.
무인기 착륙 제어 장치(100)는 카메라와 인공표식을 사용하여 거리 변화에 따라 카메라에 찍히는 인공표식의 크기 변화와 영상처리를 통한 특징점 추출을 이용하여 지상으로부터 무인기의 고도, 위치 및 방향을 계산함으로써 인공표식의 중심좌표로 무인기 착륙을 제어한다.
제어부(130)는 무인기 착륙 제어 장치(100)를 전반적으로 제어하고, 계산된 고도, 위치 및 방향을 통해 인공표식의 중심점 좌표 무인기를 이동시킬 수 있다.
제어부(130)는 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하고, 복수의 고도 각각에 해당하는 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하여 저장부에 저장하고, 무인기가 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 카메라로부터 획득한 영상에서 인공표식을 인식하고, 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 계산된 픽셀 수와 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 무인기의 고도 정보를 획득한다.
제어부(130)는 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하고, 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어한다.
영상 처리부(140)는 카메라 시스템(110)을 통해 획득된 영상을 처리한다. 영상 처리부(140)는 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 복수의 고도에서 촬영한 영상들을 처리한다. 또한, 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 촬영된 영상에서 인공표식을 인식처리할 수 있다.
고도 계산부(150)는 복수의 고도 각각에 해당하는 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한다. 여기서, 픽셀 수는 인공표식의 가로 및 세로 픽셀 수를 포함할 수 있다.
위치 및 방향 계산부(160)는 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득한다. 위치 및 방향 계산은 도 6 내지 9를 참조하여 후술한다.
저장부(170)는 무인기 착륙 제어 장치(100)를 운용하기 위해 필요한 데이터를 저장한다. 저장부(170)는 고도별 픽셀 테이블을 저장한다. 여기서, 고도별 픽셀 테이블은 예를 들면 0.3m 내지 50m까지 인공표식의 픽셀 수가 고도별로 매칭되어 저장된 테이블을 의미한다.
도 3 및 4는 다른 실시 예에 따른 인공표식의 예시 도들이다.
인공 표식은 좌표계를 설정을 위해 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 모든 모양이 가능하다. 어떤 모양이든 회전익 무익기의 착륙지점은 인공표식의 중심점이 된다. 인공표식의 좌표계 설정은 카메라 영상 좌표계를 기준으로 원점에 가까운 꼭짓점과 그에 이웃한 꼭짓점을 기준으로 한다. 예를 들면, 도 3에 도시된 모양의 인공표식에서는 L1, L2가 좌표계 설정의 기준점이다.
가능한 인공표식의 여러 모양 중 HD급/60도 렌즈를 사용하는 카메라를 기준으로 50m 높이에서 쉽게 인공표식을 인식하고, 인공표식 설치 시 사용자 편의성을 고려하여 인공표식의 전체 크기 및 대표 모양은 도 4에 도시된 것처럼, 정사각형일 수 있다. 상황에 따라 무인기의 높이 정도를 획득할 최고 높이가 낮아질수록 인공표식의 최대 크기도 작게 제작할 수 있다.
인공표식의 또 다른 특징은 무인기가 지상으로 내려올수록 카메라 영상에 잡히는 표식의 크기는 커지는데, 지상으로부터 5m 높이에 도달하면 카메라 60도 렌즈를 화각의 한계로 인하여 인공표식의 바깥쪽 영역(100cm x 100cm)은 영상에서 벗어나게 된다. 이때부터는 동일한 고도 정보 획득 알고리즘을 이용하여 작은 사각형(30cm x 30cm)를 인식하여 5m에서 30cm까지 높이 정보를 획득하는데 사용할 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시 예에 따른 무인기의 착륙 오차를 설명하기 위한 개념 도이다.
도 5를 참조하면, 회전익 무인기는 목적지 또는 인공표식이 위치한 곳의 상공에 도착하더라도 GPS의 오차로 인하여, 정확하게 인공표식이 위치한 상공으로 도착하지 못한다. 도 5에 도시된 것처럼, △d 같이 도착한 위치와 인공표식이 있는 상공 사이에 오차가 발생한다. 따라서, 이러한 오차를 없애기 위하여 좌표계 이동 및 회전 알고리즘 적용방법을 제시한다.
고도측정 알고리즘 1단계는 레퍼런스 영상 획득 및 높이에 따른 영상 픽셀 테이블 제작 단계이다.
회전익 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 50m, 5m, 0.3m 높이에서 지상에 설치된 인공표식을 촬영한 영상 3개 획득한다. 기존 영상처리 알고리즘을 이용하여 3개의 영상으로부터 각각 인공표식의 가로/세로 픽셀 수를 계산하고, 선형방정식을 이용하여 높이에 따라 달라지는 50m~0.3m 사이의 모든 인공표식의 픽셀 수를 테이블로 정리한다. 여기서, 50m~5m까지는 인공표식의 바깥쪽 정사각형의 꼭짓점 4개를 기준으로 픽셀 수를 계산하고, 5m~0.3m까지는 같은 영상처리 알고리즘을 이용하여 인공표식 내부의 작은 정사각형의 가로/세로 픽셀 수를 계산할 수 있다. 이때 형상 또는 모양이 같이 때문에, 동일한 영상처리 알고리즘을 사용할 수 있다.
고도측정 알고리즘 2단계는 실제 높이 정보 획득하는 단계이다.
회전익 무인기가 인공표식이 설치된 위치에 도착하여, 카메라로부터 획득한 영상에서 인공표식 인식한다. 영상처리 알고리즘을 이용하여 인공표식의 바깥쪽 직사각형의 꼭짓점 4개를 획득하여 가로/세로의 픽셀 수를 계산한다. 그리고 1단계에서 제작한 무인기 고도정보-인공표식의 가로/세로 픽셀 테이블을 이용하여 2단계에서 계산한 인공표식의 가로/세로 픽셀 수를 비교하여 최종 고도 정보 획득한다.
도 6 내지 10은 또 다른 실시 예에 따른 무인기의 위치 및 방향을 계산하기 위한 예시 도들이다.
도 6 내지 10을 참조하여, 무인기의 현재 방향 및 위치정보 획득하고, 정확한 목적지 이동을 위한 알고리즘을 설명한다.
무인기의 위치 및 방향 정보를 획득하기 위해서 총 3개의 좌표계를 사용한다. 절대좌표계인 World coordinate, 카메라로 촬영된 영상 좌표계인 Image coordinate, 영상 좌표계를 기초로 생성된 추가 좌표계인 Extra coordinate를 포함한다.
World coordinate는 무인기 절대 위치를 계산하기 위하여 각각의 무인기가 사용하는 절대 좌표계를 의미하며, Image coordinate는 도 10에 도시된 것처럼, 카메라 영상 내부의 좌표계를, Extra coordinate은 영상처리를 통하여 획득한 인공표식 사각형의 4개의 꼭짓점 중 Image coordinate의 원점(Oi)과 가장 가까운 꼭짓점(L1)과 L1에 이웃한 다른 꼭짓점(L2), 총 2개의 꼭짓점을 선정하여 결정한 좌표계를 의미한다.
도 6은 이동변환을 나타내고, 도 7은 크기변환을 나타내고, 도 8은 회전변환을 나타내고, 도 9는 World coordinate, Image coordinate, Extra coordinate의 관계를 나타내고, P는 회전익 무인기 카메라 영상 내 위치, Ln은 인공표식 꼭짓점을 나타낸다. 도 6의 이동변환, 도 7의 크기변환, 도 8의 회전변환 각각은 다음 수학식 1 내지 3과 같다.
[수학식 1]
이동(Translation): P` = P + T, (T(Translation vector) = (tx, ty))
[수학식 2]
크기변화(Scale): P` = sP
[수학식 3]
회전(Rotation): P` = R P, (R(Roation Matrix) =
Figure 112019016272833-pat00001
)
Extra coordinate에서 무인기의 위치 Pe는 다음 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112019016272833-pat00002
여기서, Translation vector T ie 와 Rotation matrix R ie 는 다음과 같이 정의한다.
Rotation matrix에서 좌표계 회전을 반시계방향으로 돌려야 하기 때문에
Figure 112019016272833-pat00003
를 사용하고 다음 수학식 5와 같이 같이 Rotation matrix가 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112019016272833-pat00004
Figure 112019016272833-pat00005
World coordinate에서 무인기의 위치 P w 는 다음 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112019016272833-pat00006
Figure 112019016272833-pat00007
Figure 112019016272833-pat00008
Figure 112019016272833-pat00009
: World coordinate와 Extra coordinate 사이의
Figure 112019016272833-pat00010
무인기의 방향정보는
Figure 112019016272833-pat00011
로 계산 가능하다.
또한, 다음 수학식 7을 통하여, 무인기 착륙 좌표인 인공표식의 중심점(Pc) 좌표를 획득할 수 있다.
[수학식 7]
Pc =
Figure 112019016272833-pat00012
전술한 무인기의 고도, 위치, 방향 정보를 이용하여 무인기를 Pc지점으로 이동시킬 수 있다. 무인기가 Pc 지점으로 착륙 시 외부 환경의 영향으로 인공표식이 카메라 영상 범위에서 벗어나거나, 무인기가 하강하여 카메라 렌즈의 화각의 한계로 더 작은 인공표식의 정보를 획득해야 할 때는 위와 동일한 알고리즘을 적용하여 고도, 위치, 방향 정보를 재획득하여 착륙한다.
도 11은 또 다른 실시 예에 따른 무인기 착륙 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 단계 1100에서, 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영한다. 단계 1102에서, 복수의 고도 각각에 해당하는 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성한다. 여기서, 단계 1100 및 1102는 미리 촬영하여 저장하여 둘 수 있다.
단계 1104에서, 무인기가 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 카메라로부터 획득한 영상에서 인공표식을 인식한다. 단계 1106에서, 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 계산된 픽셀 수를 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 무인기의 고도 정보를 획득한다. 단계 1108에서, 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득한다. 단계 1110에서, 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어한다.
실시 예에서, 무인기의 고도 및 방향정보 획득을 위하여 기존 방식과 비교하여 무인기에 기본적으로 탑재된 카메라와 인공표식을 이용함으로써 매우 간단하게 시스템을 이용하여 고정밀의 고도 정보를 안정적으로 획득할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 일 실시 예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하는 단계;
    상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계;
    상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계;
    상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계;
    상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 인공표식은, 상기 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 형상을 포함하고,
    상기 형상은, 외부 형상과 상기 외부 형상을 축소한 내부 형상을 포함하고,
    상기 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계는,
    상기 복수의 고도 중, 제1 고도에서는 상기 외부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하고, 상기 제1 고도보다 낮은 제2 고도에서는 상기 내부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하는 단계;
    상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계;
    상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계;
    상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계;
    상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 추가 좌표계는,
    상기 2개 이상의 꼭짓점 중 상기 영상 좌표계의 원점과 가장 가까운 꼭짓점과 이웃한 꼭짓점을 포함하여 결정되는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 방법.
  6. 무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 무인기에 탑재된 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하는 단계;
    상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 단계;
    상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계;
    상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계;
    상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 고도는,
    0.3m, 5m 및 50m를 포함하고,
    상기 고도별 픽셀 테이블은,
    상기 각각의 고도에서 촬영된 3개의 인공표식의 영상들의 픽셀 수를 기초로, 선형방정식을 이용하여 상기 0.3m 내지 50m의 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 고도는,
    0.3m 내지 50m에서 선택되는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 방법.
  8. 무인기가 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하는 단계;
    상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 미리 저장된 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하는 단계;
    상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 추가 좌표계는,
    상기 2개 이상의 꼭짓점 중 상기 영상 좌표계의 원점과 가장 가까운 꼭짓점과 이웃한 꼭짓점을 포함하여 결정되는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 방법.
  9. 제 1 항, 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
  10. 카메라;
    메모리; 및
    프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    무인기의 착륙 지점에 배치된, 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 인공표식을 상기 카메라를 이용하여 복수의 고도에서 촬영하고,
    상기 복수의 고도 각각에 해당하는 상기 촬영된 인공표식의 영상의 픽셀 수를 계산한 고도별 픽셀 테이블을 생성하여 상기 메모리에 저장하고,
    상기 무인기가 상기 인공표식이 설치된 위치에 근접하여 상기 카메라로부터 획득한 영상에서 상기 인공표식을 인식하고,
    상기 인식된 인공표식의 픽셀 수를 계산하고, 상기 계산된 픽셀 수와 상기 고도별 픽셀 테이블을 참조하여 상기 무인기의 고도 정보를 획득하고,
    상기 카메라로 촬영된 영상의 영상 좌표계 및 상기 카메라로 촬영된 인공표식의 2개의 꼭짓점을 연결한 추가 좌표계 각각의 방향 및 위치 관계를 통해, 상기 무인기의 절대 위치를 계산하기 위한 절대 좌표계에서의 방향 정보 및 위치 정보를 획득하고,
    상기 획득된 고도 정보, 방향 정보 및 위치 정보를 기초로 상기 인공표식의 중심점 좌표로 착륙을 제어하고,
    상기 인공표식은, 상기 2개 이상의 꼭짓점을 포함한 형상을 포함하고,
    상기 형상은, 외부 형상과 상기 외부 형상을 축소한 내부 형상을 포함하고,
    상기 고도별 픽셀 테이블을 생성하는 것은,
    상기 복수의 고도 중, 제1 고도에서는 상기 외부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하고, 상기 제1 고도보다 낮은 제2 고도에서는 상기 내부 형상을 이용하여 픽셀 수를 계산하는 것을 특징으로 하는 무인기 착륙 제어 장치.



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