KR20160058455A - 로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법 - Google Patents

로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법 Download PDF

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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 로버의 영상 센서가 착륙선의 마커를 촬영하여 획득한 영상으로부터 착륙선에 대한 상대 거리 및 방위각을 추정하고 상대 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산하는 로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 로버의 위치 추정 장치는 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 공간 좌표계 설정부와, 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 입력 받아 착륙선에 배치된 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 거리 결정부와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리 및 수평 거리를 계산하는 거리 계산부와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각을 계산하는 방위각 계산부와, 상기 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산하는 상대 위치 추정부를 포함한다.

Description

로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법{Appratus and method for estimating relative positioning of rover to lander}
본 발명은 로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 로버의 영상 센서가 착륙선의 마커를 촬영하여 획득한 영상으로부터 착륙선에 대한 상대 거리, 수평거리 및 방위각을 추정하고 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산하는 로버의 상대 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
달이나 행성 탐사를 위해서는 우주발사체, 궤도선, 착륙선 등에 대한 개발이 필요하다. 우주발사체가 궤도선을 쏘아 올리면 궤도선이 달 표면의 상공을 돌면서 달 표면의 영상을 촬영하여 지형 분석과 착륙 지점 조사 등을 수행한다. 궤도선이 수집한 데이터를 토대로 착륙선의 착륙 지점과 세부 임무가 확정되고, 이에 따라 달 표면에 터치 다운할 착륙선을 보낸다. 이후 착륙선에서 나온 탐사 로버(rover)가 달 표면을 이동하면서 달의 암석이나 토양을 채집하여 달 표면에 대한 탐사를 수행하게 된다.
이와 같이 로버가 움직이면서 달 표면에 대한 탐사를 진행할 때 착륙선의 착륙 지점을 기준으로 하여 로버의 위치를 파악할 필요가 있다.
로버의 위치 추정을 위해 종래에는 주로 관성측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit)나 바퀴의 인코더(encoder) 센서를 이용하였다. 관성측정장치나 인코더 센서를 사용하는 방법은 과거와 현재의 위치 정보를 이용하여 다음 샘플링 타임 뒤의 위치를 예상한 후 센서 정보와 비교하여 위치를 계속 보정해 나가는 것이다.
그러나 관성측정장치를 사용하는 경우 시간이 지남에 따라 오차의 누적으로 인해 일정한 시간 간격으로 리셋(reset)을 해야 하는 문제점이 있다.
또한 한국 공개특허 제2014-0108821호에는 인코더를 이용하여 이동 로봇의 위치를 추정하는 방법이 개시되어 있으나, 로버 바퀴에 인코더를 설치하여 로버의 위치를 추정하는 경우 노면의 마찰력이 작게 되면 바퀴 미끄러짐(wheel skid)이 발생하여 센서 정보를 이용하여 계산된 이동 거리와 실제 이동 거리 간에 오차가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 미래 위치 정보에 대한 예측이나 주기적인 리셋 처리가 필요하지 않은 로버의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 바퀴 미끄러짐 등의 현상에 따라 위치 추정에 오차가 발생하지 않는 로버의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 로버의 위치 추정 장치는 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 공간 좌표계 설정부와, 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 입력 받아 착륙선에 배치된 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 거리 결정부와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리 및 수평 거리를 계산하는 거리 계산부와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각을 계산하는 방위각 계산부와, 상기 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산하는 상대 위치 추정부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 로버의 위치 추정 방법은 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 단계와, 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리(d'), 수평 거리(d) 및 수직 거리(h)를 순차적으로 계산하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산하는 단계와, 상기 수평 거리(d) 및 방위각(ψ)을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 로버의 위치 추정 방법은 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 단계와, 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 상기 로버의 영상 센서에서 공간 좌표계의 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 상기 로버의 영상 센서 간의 거리인 수평 거리를 계산하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 원점과 상기 로버의 영상 센서 간의 직선 및 Z축과 상기 로버의 영상 센서 간의 수직선이 포함된 면과 X축 간의 사이 각인 방위각을 계산하는 단계와, 상기 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 이동체의 위치 추정 시스템은 일정 지점에 위치한 본체를 기준으로 이동하는 이동체의 상대 위치를 추정하는 것으로서, 상기 본체에 배치된 복수의 마커와, 상기 이동체에 탑재되어 상기 복수의 마커를 촬영하는 영상 센서와, 상기 영상 센서에서 촬영한 영상을 분석하여 상기 복수의 마커와 영상 센서 간의 거리를 측정하고, 측정한 거리를 이용하여 본체에 대한 이동체의 상대 거리, 수평 거리 및 방위각을 계산하고, 계산한 수평 거리 및 방위각을 이용하여 본체에 대한 이동체의 상대 위치를 추정하는 위치 추정 장치를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 로버에 탑재된 영상 센서가 착륙선에 배치된 마커를 촬영하여 획득한 영상으로부터 착륙선에 대한 상대 거리 및 방위각을 추정하고 추정한 상대 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산함으로써, 종래와 같이 미래 위치 정보에 대한 예측이나 주기적인 리셋 처리가 필요하지 않기 때문에 빠른 연산으로 로버의 위치를 추정할 수 있다.
또한 종래 바퀴의 인코더를 사용하였을 때 로버 바퀴의 미끄러짐 등의 현상으로 위치 추정에 오차가 발생하는 문제점을 해결하여 로버의 위치를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하기 위한 개념도.
도 2는 착륙선과 로버 간 상대거리를 추정하기 위한 도면.
도 3은 착륙선에 대한 로버의 수평거리(d) 및 수직거리(h)를 추정하기 위한 위치 관계를 나타낸 도면.
도 4는 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 추정하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 로버의 상대 위치 추정 장치의 내부 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 로버의 상대 위치 추정 방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하기 위한 개념도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 착륙선(10)이 달이나 행성의 특정 지점에 안착해 있고 로버(20)가 착륙선(10)의 주변을 이동하고 있는 상황에서 착륙선(10)에 대한 로버(20)의 상대 위치를 추정하는 것이다.
착륙선(10)의 착륙 지점을 XYZ 공간 좌표계의 원점(O)으로 하여 원점과 로버(20)의 영상 센서(C) 간 거리를 상대 거리(d')로 정의하고, 로버(20)의 영상 센서(C)에서 Z축으로 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 로버(20)의 영상 센서(C) 간 거리를 수평 거리(d)로 정의하고, 수선의 발과 원점 간 거리를 수직 거리(h)로 정의한다.
또한 상대 거리(d') 및 수평 거리(d)가 포함된 면과 X축 사이의 각도를 방위각(ψ)으로 정의한다.
이러한 정의에 따라 착륙선(10)에 대한 로버(20)의 상대 위치는 XYZ 공간 좌표계에서 다음과 같이 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서 xr는 공간 좌표계에서 로버가 위치한 지점의 X축 좌표이고, yr는 공간 좌표계에서 로버가 위치한 지점의 Y축 좌표이고 zr는 공간 좌표계에서 로버가 위치한 지점의 Z축 좌표이다.
이와 같이 착륙선(10)에 대한 로버의 수평 거리(d), 수직 거리(h) 및 방위각(ψ)을 알면 공간 좌표계에서 착륙선(10)에 대한 로버(20)의 상대 위치를 결정할 수 있다.
도 2는 착륙선과 로버 간 상대 거리(d')를 추정하기 위한 것이다.
도 2를 참조하면, 착륙선(10)의 마커(M1, M2)를 공간 좌표계의 Z축 상에 일정 간격을 두고 배치하여 두 마커(M1, M2) 간 거리를 l12라고 하고, 제1 마커(M1)와 영상 센서(C) 간 거리를 d1라고 하고, 제2 마커(M2)와 영상 센서(C) 간 거리를 d2라고 하고, 원점(O)과 제2 마커(M2) 간 거리, 즉 원점(O)에서 제2 마커(M2)까지의 높이를 hL이라고 한다.
제1 마커(M1)와 제2 마커(M2)는 착륙선(10)의 깃대에 배치되는 것으로 깃대는 Z축에 대응한다.
상대 거리(d')는 제2 코사인 법칙에 따라 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00002
여기서 d2는 영상 센서(C)가 제2 마커(M2)를 촬영하여 얻은 영상을 이용하여 구할 수 있으며, hL은 원점(O)과 제2 마커(M2) 간 거리를 측정하여 구할 수 있다.
θ는 두 마커(M1, M2) 간 거리 l12와 제2 마커(M2)와 영상 센서(C) 간 거리 d2사이의 각으로서, cosθ은 역시 제2 코사인 법칙을 이용하여 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00003
여기서 d1는 영상 센서(C)가 제1 마커(M1)를 촬영하여 얻은 영상을 이용하여 구할 수 있으며, l12은 제1 마커(M1)와 제2 마커(M2) 간 거리를 측정하여 구할 수 있다. 이와 같이 d1, d2, l12 값을 수학식 2에 대입하여 cosθ 값을 구할 수 있다.
도 3은 착륙선에 대한 로버의 수평거리(d) 및 수직거리(h)를 추정하기 위한 위치 관계를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, d2, hL, d'의 값을 알 수 있기 때문에 3개 값의 관계에 따라 표 1과 같이 수평거리(d) 및 수직거리(h)를 구할 수 있다.
Figure pat00004
즉 원점(O), 제2 마커(M2) 및 영상 센서(C)의 세 점으로 이루어진 삼각형을 기준으로 할 때, 영상 센서(C)가 X축에 있는 경우 ∠M2OC가 직각(90°)이므로 수평 거리(d)는 수학식 4와 같고, 수직 거리(h)는 0이 된다.
Figure pat00005
영상 센서(C)가 XY 평면 위에 위치한 경우 ∠M2OC가 예각이 되며 수평 거리(d)는 수학식 5와 같고, 수직 거리(h)는 수학식 6과 같다.
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
이다.
Figure pat00008
영상 센서(C)가 XY 평면 아래에 위치한 경우 ∠M2OC가 둔각이 되며 수평 거리(d)는 동일하게 수학식 5와 같고, 수직 거리(h)는 X축 아래로 내려 가므로 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
도 4는 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 추정하기 위한 것이다.
도 4를 참조하면, 도 2에서 설명한 바와 같이 착륙선(10)의 마커(M1, M2)를 공간 좌표계의 Z축 상에 배치하고, 이어서 제3 마커(M3)를 임의의 공간에 배치하되 제1 마커(M1)과 연결하여 제1 마커(M1)와 제3 마커(M3) 간의 거리를 l13라고 한다.
본 발명의 실시예에서 제1 마커(M1), 제2 마커(M2) 및 제3 마커(M3)는 각각 R, G, B 마커로서 직각 삼각형으로 배치되어 있다. 즉, 제1 마커(M1)와 제2 마커(M2)는 착륙선(10)의 깃대에 일정 간격으로 배치되어 있고, 제3 마커(M3)는 제1 마커(M1)와 링크 부재로 연결되되 제1 마커(M1)와 동일한 높이에 배치되어 있다. 이에 따라, Z축과 거리 l13 사이의 각은 직각이 된다.
제1 마커(M1), 제2 마커(M2) 및 제3 마커(M3)는 로버의 영상 센서(C)보다 위쪽에 배치되어 있어서 영상 센서(C)에 투영되는 마커들의 중첩을 방지할 수 있다.
또한 제1 마커(M1)와 제3 마커(M3)는 동일한 높이에 배치되어 있어서 로버의 방위각(ψ) 추정에 사용되는 여각(ψ') 즉, 제1 마커(M1)와 제3 마커(M3) 간 거리 l13와 제1 마커(M1)와 영상 센서(C) 간 거리 d1의 사이각에 대한 계산을 용이하게 할 수 있다.
착륙선(10)에 대한 로버의 방위각(ψ)을 추정하기 위해 제1 마커(M1), 제2 마커(M2) 및 제3 마커(M3)에 의해 형성되는 삼각형이 공간 좌표계의 어느 사분면에 있는지를 알아야 한다.
마커들의 기하학적 형상과 그 위치에 따라 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)은 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
표 2를 참조하면, 마커들에 의해 만들어진 삼각형이 우 삼각형 즉, 공간 좌표계의 제1 사분면 또는 제4 사분면에 위치하는 경우 방위각(ψ)은 수학식 8과 같이 된다.
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
는 여각으로 정의하며, 이는 상기 제1 마커(M1)와 제3 마커(M3) 간을 연결한 직선과 상기 제1 마커(M1)와 상기 로버의 영상 센서(C) 간을 연결한 직선이 만나서 이루는 각으로서 수학식 9와 같다.
Figure pat00013
마커들에 의해 만들어진 삼각형이 좌 삼각형 즉, 공간 좌표계의 제2 사분면 또는 제3 사분면에 위치하는 경우 방위각(ψ)은 수학식 10과 같이 된다.
Figure pat00014
또한 제3 마커(M3)가 Z축에 배치되면 마커들에 의해 만들어 기하학적 형상은 삼각형이 아닌 직선이 되고, 이때 d1 > d3인 경우 방위각(ψ)은
Figure pat00015
가 되고, d1 < d3인 경우 방위각(ψ)은
Figure pat00016
가 된다.
도 5는 본 발명에 따른 로버의 상대 위치 추정 장치의 내부 구성을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 로버의 상대 위치 추정 장치는 공간 좌표계 설정부(101), 거리 결정부(103), 거리 계산부(111), 방위각 계산부(113), 상대 위치 추정부(115) 등을 포함한다. 로버의 상대 위치 추정 장치는 착륙선(10) 또는 로버(20)에 위치할 수 있다.
공간 좌표계 설정부(101)는 착륙선(10)의 착륙 지점을 원점(O)으로 하는 공간 좌표계를 설정한다.
거리 결정부(103)는 로버(20)의 영상 센서로부터 착륙선(10)의 마커 영상을 입력 받아 마커 영상을 분석하여 착륙선(10)에 배치된 각 마커와 로버(20) 간의 거리를 결정한다. 즉 거리 결정부(103)는 마커 영상으로부터 제1 마커와 로버의 영상 센서 간의 제1 거리, 제2 마커와 로버의 영상 센서 간의 제2 거리 및 제3 마커와 로버의 영상 센서 간의 제3 거리를 결정한다.
거리 계산부(111)는 상대 거리 계산부(105), 수평 거리 계산부(107), 수직 거리 계산부(109) 등을 포함한다.
상대 거리 계산부(105)는 제1 거리, 제2 거리, 제1 마커와 제2 마커 간의 거리 및 원점과 제2 마커 간의 높이를 이용하여 원점과 로버의 영상 센서 간의 거리인 상대 거리를 계산한다.
수평 거리 계산부(107)는 상대 거리 계산부(105)에서 계산된 상대 거리, 제2 거리 및 원점과 제2 마커 간의 높이를 이용하여 로버의 영상 센서에서 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 로버의 영상 센서 간의 거리인 수평 거리를 계산한다.
수직 거리 계산부(109)는 상대 거리와 수평 거리를 이용하여 상기 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 원점 간의 거리인 수직 거리를 계산한다.
방위각 계산부(113)는 제1 거리, 제3 거리 및 제1 마커와 제3 마커 간의 거리를 이용하여 상대 거리 및 수평 거리를 포함하는 면과 X축 간의 사이 각인 방위각을 계산한다.
상대 위치 추정부(115)는 거리 계산부(111)에서 출력된 수평 거리 및 수직 거리와 방위각 계산부(113)에서 출력된 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정한다.
도 6은 본 발명에 따른 로버의 상대 위치 추정 과정을 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 각 단계는 착륙선(10)이나 로버(20)에 탑재된 상대 위치 추정 장치의 프로세서에서 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 우선 착륙선의 착륙 지점을 기준으로 원점을 잡아 공간 좌표계를 설정한다. 공간 좌표계가 설정된 이후 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리(d1, d2, d3)를 결정한다(S10).
단계 S10에서 결정된 마커와 로버 간의 거리(d1, d2)를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리(d')를 계산한다(S20).
그리고 단계 S20에서 계산된 상대 거리(d')를 이용하여 수평 거리(d)를 계산한다(S30). 여기서 상대 거리(d')와 수평 거리(d)를 이용하여 수직 거리(h)를 계산할 수 있다.
이어서 단계 S10에서 결정된 마커와 로버 간의 거리(d1, d3)를 이용하여 여각(ψ')을 계산한 후(S40), 여각(ψ')을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산한다(S50).
수평 거리(d) 및 방위각(ψ)이 계산되면 수평 거리(d) 및 방위각(ψ)을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정한다(S60).
한편, 상술한 로버의 상대 위치 추정 방법은 소프트웨어적인 프로그램으로 구현하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 소정 기록 매체에 기록해 둘 수 있다.
예컨대, 기록 매체는 각 재생 장치의 내장형으로 하드 디스크, 플래시 메모리, RAM, ROM 등이거나, 외장형으로 CD-R, CD-RW와 같은 광디스크, 콤팩트 플래시 카드, 스마트 미디어, 메모리 스틱, 멀티미디어 카드일 수 있다.
이 경우, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록한 프로그램은, 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 단계와, 로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리(d') 및 수평 거리(d)를 계산하는 단계와, 상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산하는 단계와, 상기 수평 거리(d) 및 방위각(ψ)을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하는 단계를 포함하는 로버의 상대 위치 추정 방법을 실행할 수 있다.
본 발명의 명세서에서 설명하는 기능적 동작과 구현물은 디지털 전자회로로 구현되거나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 혹은 하드웨어로 구현되거나 이들 중 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 명세서에서 설명하는 구현물은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치의 동작을 제어하기 위하여 또는 이것에 의한 실행을 위하여 유형의 프로그램 저장매체 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다.
본 발명의 도면은 동작과정을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 특정한 순서로 그러한 동작들을 수행해야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해해서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한 본 발명의 명세서에서 특정한 실시형태를 설명하였다. 실시형태들은 이하의 특허청구범위에 속한다. 예컨대, 청구항에 기재된 동작들은 상이한 순서로 수행되면서 여전히 바람직한 결과를 성취할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
10: 착륙선 20: 로버
101: 공간 좌표계 설정부 103: 거리 결정부
105: 상대 거리 계산부 107: 수평 거리 계산부
109: 수직 거리 계산부 111: 거리 계산부
113: 방위각 계산부 115: 상대 위치 추정부

Claims (20)

  1. 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 공간 좌표계 설정부와,
    로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 입력 받아 착륙선에 배치된 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 거리 결정부와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리 및 수평거리를 계산하는 거리 계산부와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각을 계산하는 방위각 계산부와,
    상기 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 계산하는 상대 위치 추정부를 포함하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 착륙선에 배치된 마커는 공간 좌표계의 Z축에 일정 간격으로 놓여 있는 제1 마커와 제2 마커 및 제1 마커와 수직 관계로 연결되어 있는 제3 마커를 포함하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 거리 결정부는 상기 마커 영상으로부터 상기 제1 마커와 로버의 영상 센서 간의 제1 거리, 상기 제2 마커와 로버의 영상 센서 간의 제2 거리 및 상기 제3 마커와 로버의 영상 센서 간의 제3 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 제1 거리, 상기 제2 거리, 상기 제1 마커와 상기 제2 마커 간의 거리 및 상기 원점과 제2 마커 간의 높이를 이용하여 상기 원점과 로버의 영상 센서 간의 거리인 상대 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 상대 거리, 상기 제2 거리 및 상기 원점과 제2 마커 간의 높이를 이용하여 상기 로버의 영상 센서에서 상기 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 상기 로버의 영상 센서 간의 거리인 수평 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 방위각 계산부는 상기 제1 거리, 상기 제3 거리 및 상기 제1 마커와 상기 제3 마커 간의 거리를 이용하여 상기 원점과 상기 로버의 영상 센서 간의 직선 및 상기 Z축과 상기 로버의 영상 센서 간의 수직선이 포함된 면과 X축 간의 사이 각인 방위각을 계산하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 장치.
  7. 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 단계와,
    로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 거리(d'), 수평 거리(d) 및 수직 거리(h)를 순차적으로 계산하는 단계와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산하는 단계와,
    상기 수평 거리(d), 수직 거리(h) 및 방위각(ψ)을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하는 단계를 포함하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계는 상기 공간 좌표계의 Z축에 놓여 있는 제1 마커(M1)와 로버의 영상 센서(C) 간의 제1 거리(d1)를 결정하고, 제1 마커(M1)와 일정 간격 떨어져 Z축에 놓여 있는 제2 마커(M2)와 로버의 영상 센서(C) 간의 제2 거리(d2)를 결정하고, 제1 마커와 수직 관계로 연결되어 있는 제3 마커(M3)와 상기 로버의 영상 센서(C) 간의 제3 거리(d3)를 결정하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 로버의 상대 거리(d')를 계산하는 단계는 원점과 상기 로버의 영상 센서(C) 간의 거리를 계산하는 것으로서 다음의 수학식을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
    Figure pat00017

    여기서,
    Figure pat00018
    이고, hL은 원점과 제2 마커 간의 높이이며, l12는 제1 마커와 제2 마커 간의 거리이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 착륙선에 대한 로버의 수평 거리(d)를 계산하는 단계는 상기 로버의 영상 센서(C)에서 상기 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 상기 로버의 영상 센서 간(C)의 거리를 계산하는 것으로서 다음의 수학식을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
    Figure pat00019

    여기서,
    Figure pat00020
    이다.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산하는 단계는 상기 제1 마커, 상기 제2 마커 및 상기 제3 마커에 의해 형성되는 삼각형이 공간 좌표계의 1 사분면 또는 4 사분면에 위치하는 경우 다음의 수학식을 이용하여 방위각을 구하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
    Figure pat00021

    여기서,
    Figure pat00022
    는 상기 제1 마커와 제3 마커 간을 연결한 직선과 상기 제1 마커와 상기 로버의 영상 센서(C) 간을 연결한 직선이 만나서 이루는 각으로서,
    Figure pat00023
    이다.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 착륙선에 대한 로버의 방위각(ψ)을 계산하는 단계는 상기 제1 마커, 상기 제2 마커 및 상기 제3 마커에 의해 형성되는 삼각형이 공간 좌표계의 2 사분면 또는 3 사분면에 위치하는 경우 다음의 수학식을 이용하여 방위각을 구하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
    Figure pat00024

    여기서,
    Figure pat00025
    는 상기 제1 마커와 제3 마커 간을 연결한 직선과 상기 제1 마커와 상기 로버의 영상 센서(C) 간을 연결한 직선이 만나서 이루는 각으로서,
    Figure pat00026
    이다.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 로버의 상대 위치를 추정하는 단계는 다음의 수학식을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
    (xr, yr, zr)= (d·cosψ, d·sinψ, h)
    여기서, xr은 상기 공간 좌표계에서 로버가 위치한 지점의 X축 좌표, yr은 Y축 좌표, zr은 Z축 좌표이고, d는 수평 거리로서 상기 로버의 영상 센서에서 공간 좌표계의 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 상기 로버의 영상 센서 간의 거리, h는 수직 거리로서 상기 수선의 발과 원점 간 거리, ψ는 방위각으로서 원점과 상기 로버의 영상 센서 간의 직선 및 Z축과 상기 로버의 영상 센서 간의 수직선이 포함된 면과 X축 간의 사이 각이다.
  14. 착륙선의 착륙 지점을 원점으로 하는 공간 좌표계를 설정하는 단계와,
    로버의 영상 센서에 의해 촬영된 착륙선의 마커 영상을 분석하여 착륙선의 각 마커와 로버 간의 거리를 결정하는 단계와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 상기 로버의 영상 센서에서 공간 좌표계의 Z축에 수선의 발을 내렸을 때 만나는 점과 상기 로버의 영상 센서 간의 거리인 수평 거리를 계산하는 단계와,
    상기 각 마커와 로버 간의 거리를 이용하여 원점과 상기 로버의 영상 센서 간의 직선 및 Z축과 상기 로버의 영상 센서 간의 수직선이 포함된 면과 X축 간의 사이 각인 방위각을 계산하는 단계와,
    상기 수평 거리 및 방위각을 이용하여 착륙선에 대한 로버의 상대 위치를 추정하는 단계를 포함하는 로버의 상대 위치 추정 방법.
  15. 일정 지점에 위치한 본체를 기준으로 이동하는 이동체의 상대 위치를 추정하는 이동체의 위치 추정 시스템에 있어서,
    상기 본체에 배치된 복수의 마커와,
    상기 이동체에 탑재되어 상기 복수의 마커를 촬영하는 영상 센서와,
    상기 영상 센서에서 촬영한 영상을 분석하여 상기 복수의 마커와 영상 센서 간의 거리를 측정하고, 측정한 거리를 이용하여 본체에 대한 이동체의 상대 거리, 수평 거리 및 방위각을 계산하고, 계산한 수평 거리 및 방위각을 이용하여 본체에 대한 이동체의 상대 위치를 추정하는 위치 추정 장치를 포함하는 이동체의 위치 추정 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 마커는 RGB 3개의 마커로 구성되며 직각 삼각형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 3개의 마커에서 2개의 마커는 동일한 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 마커는 제1 마커, 제2 마커 및 제3 마커를 포함하여 제1 마커 및 제2 마커는 상기 본체의 깃대에 일정한 간격으로 배치되고, 제3 마커는 제1 마커와 링크 부재로 연결되되 제1 마커와 동일한 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 마커는 상기 영상 센서보다 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
  20. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 의한 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190054432A (ko) * 2017-11-13 2019-05-22 울산대학교 산학협력단 드론의 착륙 유도 장치 및 방법

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