Development of high-performance, low-cost Unmanned Aerial Vehicles paired with rapid progress in vision-based perception systems herald a new era of autonomous flight systems with mission-ready capabilities. However, modern autonomous systems are not yet fully capable of coping with dynamically changing environments, and one of the key features of a robust autonomous flight systems is a mid-air collision avoidance strategy. This work focuses on the design and examination of vision-based moving object detection and tracking system with decision-making capabilities for performing evasive maneuvers. The geometrical transformation of a 2-D image structure due to the movement of the camera is approximated as a 2-D Homography transform, and background subtraction is utilized to filter out independent motion vectors of moving objects. To cope with inevitable noise generated from the approximation process and ambiguity of image data, 2-D image filtering and spatial-temporal filtering methods are employed. Clustering and distance-based tracking algorithms paired with a linear Kalman filter provides a statistically optimal estimate of the location of the object. Risk assessment and decision-making for performing evasive maneuvers is performed with data from stereo camera-based depth estimation. Examination is performed with a quadrotor UAV equipped with this system, and appropriate algorithm parameters for various requirements are deducted.
높은 성능과 신뢰성을 갖춘 무인 항공기의 등장과 맞물린 시각 기반 인지 시스템의 발전은 조종사 없이 목표에 따라 임무를 수행하는 자율비행 시스템의 등장을 예고하고 있다. 현재의 자율비행 시스템은 아직 상황 대처 능력이 완벽하지 않으며, 소형 무인 항공기의 자율 운용에서의 시급한 과제들 중 하나는 공중 충돌 상황의 예측 및 예방이다. 본 연구에서는 스테레오 카메라를 이용한 독립 이동 물체 검출 및 추적과 회피기동 결정 시스템의 설계 및 시험을 진행하며, 운동하는 카메라에서 촬영한 영상으로부터 공중 충돌 가능성을 가진 물체를 검출 및 판단하는 것을 핵심 목표로 한다. 카메라의 이동에 따른 이미지의 기하학적 구조 변화를 2차원 변환으로 근사하고, 배경 제거 기법을 이용해 독립 이동 물체의 모션 벡터를 검출한다. 시각 기반 시스템의 특성과 2차원 근사 과정에서 발생하는 잡음을 처리하기 위해 이미지 필터와 시계열 필터링을 사용한다. 여기에 군집화 알고리즘과 거리 기반 추적 알고리즘을 사용해 해당 물체의 위치를 연속적으로 추정하고 칼만 필터를 사용해 물체의 위치에 대한 최적의 통계적 예측을 수행한다. 이후 스테레오 카메라를 이용한 거리 추정을 통해 위협을 판단하고 회피 기동 여부를 결정한다. 해당 시스템을 쿼드콥터 기체에 설치해 작동을 시험하고 상황에 따른 작동 변수를 도출한다.
