지상 목표물의 영상추적 및 위치 추정을 위한 PTZ Gimbal System 및 Standoff 유도 제어 기법 설계 :Design of PTZ Gimbal System and Standoff Guidance & Control Law for Vision-Based Tracking and Geolocation of a Ground Target

조형준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조형준 (한국항공대학교, 한국항공대학교 대학원)

지도교수: 정동원

발행연도: 2022

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

지상 목표물의 영상추적 및 위치 추정을 위한 PTZ Gimbal System 및 Standoff 유도 제어 기법 설계

조형준 스마트항공모빌리티학과 2022.01 학위논문

2021

지상 목표물의 영상 추적을 위한 PTZ 김발 트래커 설계 및 시험

조형준 , 김수현 , 유혁준 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

2020

목표물 영상 추적을 위한 PTZ 카메라 제어

조형준 , 김수현 , 정동원 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.07 학술대회자료

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최근 무인기의 수요가 높아지며 무인기 운용 중 임무 수행을 위한 제어 연구가 많이 이루어지고 있다. 대표적으로 목표물을 감시하기 위한 감시 임무에 많이 사용되고 있다. 이에 따라 감시 임무에 사용되는 목표물의 영상 추적을 위한 Gimbal Tracker의 연구가 많이 이루어지고 있다. 이 때, Gimbal Tracker의 gyro만을 사용한 자세 제어기를 사용하게 되면 움직이는 목표물의 추적이 불가능하며 또한 Gimbal의 자세 각도를 활용하는 것이 불가능하다. 따라서 이러한 부분을 보완하기 위해선 자신의 각도를 반환할 수 있는 Gimbal Tracker가 필요하게 되며 이에 따라 목표물의 감시를 위한 각도 제어가 필요하게 된다. 이 때, 고정익 무인기의 운용 환경에서는 GPS를 보편적으로 사용하고 센서를 통해 무인기의 자세를 알 수 있다. 또한 목표물의 초기에 주어진 위치도 운용자에게 대략적으로 주어지기 때문에 무인기의 자세 및 위치 정보와 목표물의 위치 정보를 통한 Gimbal의 각도를 계산할 수 있다. 하지만 이때, 목표물의 위치 정보에 불일치함이 있거나 목표물이 지속적으로 움직이는 경우에는 목표물의 위치 정보가 지속적으로 갱신되지 않는다면 Image의 중앙으로 목표물을 추적할 수 없게 된다. 이러한 문제 때문에 Gimbal의 추적 성능이 떨어지게 되며, 또한 Gimbal의 각도와 무인기의 자세, 위치정보를 통해 목표물의 위치를 추정할 수 있는 알고리즘이 많이 연구되고 있지만 Camera의 distortion으로 인해 성능이 저하가 될 우려가 있다. 따라서 Gimbal Tracker는 영상 내의 pixel 정보를 이용하여 Gimbal 각도를 갱신할 필요가 있다. 이를 통해 목표물의 위치를 추정하는 추정 이론의 성능을 높일 수 있다.
본 논문은 고정익 무인기 환경을 고려하여 각도 반환이 가능한 PTZ Gimbal Tracker System을 설계하고 위치 기반 목표물 시선각 계산 알고리즘과 각도를 제어하기 위한 제어기를 설계하였다. 시뮬레이션과 비행시험을 통하여 알고리즘 검증하였다. 그리고 pixel error를 이용한 각도 보상 알고리즘에 대하여 설계하고 이를 이용하여 Gimbal 각도를 갱신하기 위한 제어기를 설계하고 이를 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 또한 이 알고리즘을 통해 중앙으로 보정된 목표물의 위치 추정 알고리즘을 설계하고 Gimbal의 통합 제어기를 설계하여 이에 대한 가상 시뮬레이션 환경을 구성
하고 알고리즘을 검증하였다. 마지막으로 추정된 목표물의 위치 정보를 무인기의 감시 및 추적 임무의 성능 향상에 사용하기 위하여 무인기의 Standoff 유도 제어 법칙을 설계하고 추정된 목표물의 위치를 직접 대입하여 바뀐 목표물의 지점으로 무인기가 선회비행을 정상적으로 진행하는지 그리고 그 동안에도 정확히 목표물을 추적하는지에 대한 Gimbal과 무인기의 통합 시뮬레이션을 진행하여 알고리즘을 전체적으로 검증하였다.

Recently, as the demand for UAV is increasing, a lot of research is being conducted to perform missions during operation of the UAV. Typically, it is widely used in surveillance missions to monitor targets. Accordingly, many studies of the Gimbal Tracker for vision tracking of targets are being conducted. At this time, if the Gimbal Tracker with only gyro is used, it is impossible to track the moving target and it is also impossible to utilize the attitude of the Gimbal. Therefore, in order to supplement this part, a Gimbal tracker that can return its own attitude is required. So angle control is required to track the target. At this time, in the operating environment of the fixed-wing UAV, GPS is commonly used, and the attitude of the UAV can be known through the sensor. In addition, since the initial position of the target is also roughly given to the operator, the angle of the Gimbal can be calculated using the attitude and position data of the UAV and the position data of the target. However, in this case, if there is a discrepancy in the position data of the target or if the target is continuously moving, the Gimbal Tracker cannot track to the center of the Image Frame unless the position data of the target is continuously updated. Because of this problem, the tracking performance of the Gimbal is lowered. And algorithms that can estimate the position of the target through the angle of the Gimbal, the attitude and position data of the UAV are being studied a lot, but there is a risk of performance degradation due to camera distortion. Therefore, the Gimbal tracker needs to update the Gimbal angle using pixel data in the Image Frame. Through this, the performance of the estimation theory for estimating the position of the target can be improved.
In this paper, we designed a PTZ Gimbal Tracker System that can return angles considering the fixed-wing UAV environment, and designed a position-based target look angle calculation algorithm and a controller to control the Gimbal angle. The algorithm was verified through simulation and flight test. And the pan/tilt angle compensation algorithm using pixel error was designed, and a controller for updating the Gimbal angle was designed using this and verified through simulation. In addition, geolocation algorithm of the centrally calibrated target position in the Image Frame was designed and the integrated controller of Gimbal Tracker was designed to construct a virtual simulation environment and to verify the algorithm. Finally, in order to use the estimated target position data to improve the performance of the surveillance and tracking mission of the UAV, a standoff guidance control law of the UAV is designed and the estimated target location is directly substituted to allow the UAV to turn to the changed target point. The algorithm was verified as a whole by performing an integrated simulation of the Gimbal Tracker and the UAV to determine whether it proceeds normally and whether it tracks the target accurately at the same time.

#Gimbal #Target Tracking #UAV #Geolocation #Standoff

제 1 장 서 론 1
제 2 장 Gimbal System 설계 3
2.1 설계 요구조건 3
2.2 Gimbal Tracker 설계 및 제작 3
제 3 장 위치 기반 초기 시선각 계산 10
3.1 Coordinate Frame 10
3.2 Look Angle Calculation 10
3.3 Gimbal Controller 15
3.4 Simulation 17
3.5 Flight Test 19
제 4 장 영상 기반 시선각 보상기 설계 23
4.1 개요 23
4.2 Pixel Data Acquisition 24
4.2.1 이미지 투영 모델 24
4.2.2 Detection & Tracking 영상처리 26
4.3 Pan/Tilt Compensation Calculation 29
4.4 Gimbal Controller with Pixel Data 31
4.5 Simulation 33
제 5 장 목표물 위치 정보 추정 알고리즘 설계 37
5.1 개요 37
5.2 Geolocation Algorithm of the Uncertain Ground Target 37
5.3 Integrated Gimbal Controller 39
5.4 Simulation 40
제 6 장 목표물 추적을 위한 Standoff 유도 제어 법칙 설계 50
6.1 System Modeling 50
6.2 유도 제어 법칙 설계 51
6.3 Simulation 56
6.3.1 유도 법칙 검증 57
6.3.2 목표물 추적 임무에 적용한 통합 시뮬레이션 60
제 7 장 결론 67
참 고 문 헌 69
SUMMARY 72

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