KR20180038762A - 표적 정보 획득 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표적 정보 획득 장치에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 거리 측정 센서, 자세 센서 및 영상 센서 등을 이용하여 표적의 위치, 속도와 같은 정보를 획득하는 장치에 관한 발명이다.

Description

표적 정보 획득 장치{Apparatus for target data acquisition}

본 발명은 표적 정보 획득 장치에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 거리 측정 센서, 자세 센서 및 영상 센서 등을 이용하여 표적의 위치, 속도와 같은 정보를 획득하는 장치에 관한 발명이다.

일반적으로 표적의 정보를 획득하는 장치에서의 표적 정보를 획득하는 방법은 레이더(radar) 센서를 이용하는 방법에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 레이더 센서의 경우 방향성 안테나에서 발산된 전파를 이용해 반사되는 전파의 시간을 측정하여 목표물의 거리, 방향, 고도를 알아내는 방법으로, 크기와 비용, 전력 소모 등의 문제로 휴대용 무기의 조준 장치에는 적용하기 어렵다.

따라서 또 다른 방법으로는 거리 측정 센서와 자세 센서를 이용하여 사수와 표적 간의 거리 정보와 사수가 표적을 조준하는 동안의 방향각 변화를 이용하는 방법이 있다.

하지만 휴대용에 적합한 자세 센서는 정밀도가 낮고 자세 센서의 특성상 오차 누적문제가 있어 정밀한 표적 정보 획득이 어려운 문제점이 있었다.

도 1은 거리와 방향각 측정치에 따른 일반적인 표적 정보 획득 방법 개념도를 도시하고 있다.

도 1은 사수의 위치가 원점에 있을 때 관측할 수 있는 데이터가 표적의 속도 벡터와 어떠한 상관관계가 있는지를 보여준다. 자세 센서의 오차가 없는 이상적인 환경에서는 바로 이전에 측정한 데이터와 표적 이동의 벡터 합은 다음 시간의 측정 벡터와 같은 것을 볼 수 있다.

하지만 각속도를 측정하는 자세 센서의 경우에는 필연적으로 바이어스(bias) 오차와 드리프트(drift) 오차가 발생하게 되며, 자세 센서의 정밀도가 요구 조건에 충분하지 않은 경우 표적 정보의 추정 오차가 커지는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2010-0029504호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 영상 센서로부터 얻어진 자세각 변화값과 자세 센서로부터 얻어진 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출함으로써 바이어스(bias) 오차 및 드리프트(drift) 오차를 줄여 보다 정밀하게 표적의 정보를 추정할 수 있는 표적 정보 획득 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표적 정보 획득 장치에 있어서,

거리 측정 센서를 기반으로 하며 표적과 사수 간의 거리를 측정하기 위한 거리 측정부, 자세 센서를 기반으로 하며 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부, 영상 센서를 기반으로 하며 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부를 포함하며,

영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서는 영상 센서로부터 받은 영상 정보에 프레임 간 특징점 대응 탐색 기법을 적용하여 자세각 변화를 측정함으로써 사수의 회전 각속도를 획득하는 것을 특징으로 한다.

표적 정보 획득 장치는, 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값과 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출해내는 센서융합부, 거리 측정부에서 측정된 표적과 사수 간의 거리 정보와 센서융합부에서 합산된 자세각 변화값을 이용하여 표적의 3차원 위치 좌표와 속도를 산출하는 표적정보 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는, 프레임 간 특징점 매칭을 통하여 특징점의 이동 변위량을 구하고 이를 자세각 변화값으로 환산하는 자세각 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특징점은 특징점 추출부에서 추출되는 것을 특징으로 한다.

영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 노이즈 제거, 스케일 변환 및 영상품질개선을 수행하는 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는, 자세 센서의 오차를 줄이기 위해 일정 기간 센서 데이터를 누적하는 데이터 누적부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 노이즈를 감소시키기 위한 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

전처리부와 특징점 추출부는 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부의 측정 주기를 향상시키기 위해 별도의 하드웨어 블록으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

센서융합부는 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부의 신뢰도를 각각 산출하고, 신뢰도에 따라 가중치를 실시간으로 조절하여 자세각 변화값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

표적정보 산출부는 표적과 사수 간의 거리 정보를 이용하여 초기 표적 좌표를 설정하고, 사수가 표적을 조준하는 동안 센서융합부에서 산출된 자세각 변화값과 거리측정부에서 측정된 거리정보를 이용하여 표적의 극좌표를 산출하고, 극좌표를 3차원 직교 좌표계로 변환하여 표적의 3차원 좌표와 속도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서의 자세각 변화는 동시에 측정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 영상 센서로부터 얻어진 자세각 변화값과 자세 센서로부터 얻어진 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출함으로써 바이어스(bias) 오차 및 드리프트(drift) 오차를 효과적으로 제거하여 표적 정보의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 비교적 낮은 비용으로 정밀한 표적 정보의 획득이 가능하여 기존의 휴대성 및 전력 소모 등의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 거리와 방향각 측정치에 따른 일반적인 표적 정보 획득 방법 개념도.
도 2는 본 발명의 표적 정보 획득 장치 개념도.
도 3은 본 발명의 표적 정보 획득 장치의 영상 정보를 이용한 픽셀 변위 산출 개념도.
도 4는 본 발명의 핀홀 카메라 모델과 카메라 시야각을 이용한 픽셀-방향각 변환 개념도.
도 5는 본 발명의 정지 표적의 요(yaw)축 방향각 추정 결과 그래프.
도 6은 본 발명의 이동 표적의 요(yaw)축 방향각 추정 결과 그래프.
도 7은 본 발명을 이동한 표적의 예측 지점 분포도.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 거리 측정 센서, 자세 센서 및 영상 센서 등을 이용하여 표적의 위치, 속도와 같은 정보를 획득하는 장치에 관한 발명이다.

도 2는 본 발명의 표적 정보 획득 장치 개념도를 도시하고 있다.

본 발명의 표적 정보 획득 장치는,

거리 측정 센서를 기반으로 하며, 표적과 사수(조준장치) 간의 거리를 측정하기 위한 거리 측정부와, 자세 센서를 기반으로 하며, 상기 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부와, 영상 센서를 기반으로 하며, 상기 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부와, 상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값과 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출해내는 센서융합부와, 상기 거리 측정부에서 측정된 상기 표적과 상기 사수 간의 거리 정보와 상기 센서융합부에서 합산된 자세각 변화값을 이용하여 상기 표적의 3차원 위치 좌표와 속도를 산출하는 표적정보 산출부를 포함하여 구성된다.

상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서의 자세각 변화는 동시에 측정된다.

상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 자세 센서의 오차를 줄이기 위해 일정 기간 센서 데이터를 누적하는 데이터 누적부와 노이즈를 감소시키기 위한 필터부를 포함하는 것으로, 자이로 센서나 가속도 센서 혹은 여러 센서들이 결합된 형태인 IMU(Inertial Measurement Unit), ARS(Attitude Reference System), AHRS(Attitude and Heading Reference System) 등을 활용하여 사수가 표적을 조준하는 동안의 자세각 변화값을 측정하여 사수의 회전 각속도를 획득하게 된다.

상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 적외선, 가시영상 등을 추출하는 영상 센서 등을 활용하여 사수가 표적을 조준하는 동안의 자세각 변화값을 측정하여 사수의 회전 각속도를 획득하게 된다.

도 3 및 도 4에서는 상기 영상 센서로 얻어진 영상 정보를 이용하여 사수의 자세각 변화값을 측정하는 개념을 도시하고 있다.

상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 특징점 산출부, 자세각 산출부, 전처리부를 포함하여 구성된다.

사수가 이동중인 표적을 조준하는 동안 영상에서의 표적은 움직이지 않고 배경만 움직이는 것처럼 보이게 된다.

따라서 상기 특징점 산출부에서는 표적이 위치하는 중앙 부분을 제외한 배경 영역에서 특징점을 산출하게 되고, 상기 자세각 산출부에서는 광류(optical flow) 기술 등과 같은 프레임간 특징점 대응 탐색 기법을 사용하여 연속하는 프레임에서 특징점의 화소 단위의 이동 변위를 측정할 수 있으며, 여기에 핀홀 카메라 모델과 카메라 스펙(시야각, 크기)을 응용하여 사수의 자세각 변화를 측정함으로써 사수의 회전 각속도를 얻을 수 있다.

상기 전처리부에서는 노이즈 제거, 스케일 변환 및 영상품질개선 등을 수행하게 된다.

상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 상기 자세 센서에 비하여 자세각 변화값을 얻기 위한 연산량이 많으므로 연산 속도를 빠르게 하기 위하여 영상 처리 기술의 일부분을 가속화하기 위한 하드웨어 모듈이 추가될 수 있으며, 예를 들어 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부의 측정 주기를 향상시키기 위하여 상기 전처리부와 상기 특징점 추출부가 각각 별도의 하드웨어 블록으로 구성될 수 있다.

상기 센서융합부는 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값의 신뢰도를 각각 산출하고, 신뢰도에 따라 가중치를 실시간으로 조절하여 합산함으로써 보다 정밀한 자세값을 산출하게 된다.

자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정은 계측주기가 빠르고 연산량이 적은 장점이 있지만 바이어스 오차와 드리프트 오차, 노이즈 등의 단점이 있고, 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정은 계측주기는 자세 센서에 비해 상대적으로 느리지만 오차가 적은 장점이 있다. 하지만 영상의 품질(해상도, 초점 등)과 환경적인 요인에 의해 정밀도가 가변적일 수 있다. 상기 센서융합부는 각 자세 측정부의 이러한 특징들을 이용하여 최적의 자세각 변화값을 산출하게 된다.

상기 표적정보 산출부는 상기 거리 측정부에서 측정된 표적과 사수 간의 거리 정보와 상기 센서융합부에서 산출된 자세각 변화값을 이용하여 표적의 3차원 위치 좌표와 속도를 산출한다.

사수가 표적을 조준한 상태에서 처음 계측한 표적과의 거리가 d라고 했을 때, 초기 표적의 좌표는 Target={0, 0, d}로 설정한다. 이후 이동하는 표적을 지속적으로 조준한 상태에서 상기 센서융합부에서 산출되는 자세각 변화값과 거리 측정부에서 측정된 거리 정보를 이용하면 극좌표계에서의 표적 위치좌표를 알 수 있다. 극좌표계는 수학식 1을 활용하여 3차원 공간상의 3차원 직교좌표계로 변환할 수 있다.

변환된 3차원 직교좌표계 상의 표적 위치좌표를 미분하면 표적의 이동속도를 알 수 있다. 상기 표적정보 산출부에서는 EKF(Extended Kalman Filter)나 PCA(Principal Component Analysis) 등의 기법을 적용하여 산출된 표적의 좌표와 속도 정보의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 정지 표적의 요(yaw)축 방향각 추정 결과 그래프를 도시하고 있으며, 도 6은 본 발명의 이동 표적의 요(yaw)축 방향각 추정 결과 그래프를 도시하고 있다.

정지 표적에서 시험한 결과 자세 센서만 이용하는 경우 바이어스 오차로 인하여 시간이 지날수록 오차가 누적되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 본 발명의 장치를 이용하는 경우에는 바이어스 오차가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 일정한 속도로 이동하는 표적의 경우에도 본 발명의 장치의 정밀도가 더 우수함을 확인하였다.

표적의 위치, 속도를 추정하는 기법의 성능을 검증하기 위해서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며, 각 센서의 성능에 따른 잡음을 정규 분포로 더해주어 생성하였다. 설정된 잡음은 데이터 시트와 조준 시험 결과를 참고하여 설정하였다.

도 7은 본 발명을 이동한 표적의 예측 지점 분포도를 도시한 것으로, 탄이 발사대에서 발사된 후 2초간의 비행을 한다고 가정하였을 때, 표적의 예측지점에 대한 분포를 보인 것이다.

EKF의 표적 분포는 가로축으로 퍼져있는 데 반해 PCA의 표적 분포는 중앙에 모여 있어 표적이 등속 기동하고 획득 주기가 낮은 경우 PCA 기법이 EKF 보다 추정 성능이 좋음을 확인하였다. 단, 탄의 운동 특성(추진, 공력 등)과 환경조건(습도, 바람, 고도 등)은 고려하지 않았다.

상기와 같은 본 발명의 표적 정보 획득 장치는 영상 센서로부터 얻어진 자세각 변화값과 자세 센서로부터 얻어진 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출함으로써 바이어스(bias) 오차 및 드리프트(drift) 오차를 효과적으로 제거하여 표적 정보의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 비교적 낮은 비용으로 정밀한 표적 정보의 획득이 가능하여 기존의 휴대성 및 전력 소모 등의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 표적 정보 획득 장치의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (11)

1. 표적의 위치 및 속도를 추정하기 위한 표적 정보 획득 장치에 있어서,
   거리 측정 센서를 기반으로 하며, 표적과 사수 간의 거리를 측정하기 위한 거리 측정부;
   자세 센서를 기반으로 하며, 상기 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부;
   영상 센서를 기반으로 하며, 상기 사수가 표적을 지향하는 동안의 사수의 자세각 변화를 측정하는 자세 측정부를 포함하며,
   상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서는 상기 영상 센서로부터 받은 영상 정보에 프레임 간 특징점 대응 탐색 기법을 적용하여 자세각 변화를 측정함으로써 사수의 회전 각속도를 획득하는 것
   을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 표적 정보 획득 장치는,
   상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값과 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서 측정된 자세각 변화값을 합산하여 하나의 자세각 변화값을 산출해내는 센서융합부;
   상기 거리 측정부에서 측정된 상기 표적과 상기 사수 간의 거리 정보와 상기 센서융합부에서 합산된 자세각 변화값을 이용하여 상기 표적의 3차원 위치 좌표와 속도를 산출하는 표적정보 산출부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는,
   프레임 간 특징점 매칭을 통하여 특징점의 이동 변위량을 구하고 이를 자세각 변화값으로 환산하는 자세각 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 특징점은 특징점 추출부에서 추출되는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 노이즈 제거, 스케일 변환 및 영상품질개선을 수행하는 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는,
   자세 센서의 오차를 줄이기 위해 일정 기간 센서 데이터를 누적하는 데이터 누적부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부는 노이즈를 감소시키기 위한 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
8. 제5항에 있어서,
   상기 전처리부와 상기 특징점 추출부는 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부의 측정 주기를 향상시키기 위해 별도의 하드웨어 블록으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
9. 제2항에 있어서,
   상기 센서융합부는 상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부의 신뢰도를 각각 산출하고, 신뢰도에 따라 가중치를 실시간으로 조절하여 자세각 변화값을 산출하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
10. 제2항에 있어서,
    상기 표적정보 산출부는 표적과 사수 간의 거리 정보를 이용하여 초기 표적 좌표를 설정하고, 사수가 표적을 조준하는 동안 센서융합부에서 산출된 자세각 변화값과 거리측정부에서 측정된 거리정보를 이용하여 표적의 극좌표를 산출하고, 극좌표를 3차원 직교 좌표계로 변환하여 표적의 3차원 좌표와 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 자세 센서를 기반으로 하는 자세 측정부와 상기 영상 센서를 기반으로 하는 자세 측정부에서의 자세각 변화는 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 표적 정보 획득 장치.
    

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