In this thesis, we propose an autonomous system that can land a drone through visual information using a gimbal camera. Conventional systems are designed with a fixed camera below the drone or in a specific direction, but when the drone has to land from a large area, field of view makes it difficult to track objects. The way to solve this problem is to attach a gimbal to the drone and let the camera track the target more freely. In the existing gimbal system, the gimbal is rotated and it track based on the coordinate information of the object projected on the camera, but when the drone moves dynamically, it does not stably approach to the desired state, and can be also failed to track the object. In this study, we exploit all three axes of the gimbal to overcome these limitations, and consider the kinematics of the drone-gimbal fusion system that can land autonomously while the camera tracks the target point. For this system, we designed and used two control systems. In the first control system, the linear velocity of the drone and the angular velocity of the gimbal are designed as control input variables to maintain a constant altitude and approach the target point. The second control system uses a virtual camera concept to fix the gimbal and control the linear velocity of the drone to converge to a point where vertical landing is possible. When operating the autonomous system, the gimbal and drone were first rotated to try to find the target point, and if the search was successful, the first control system could be used to move. Once close enough to the target point, the second control system would switch to allow a vertical landing point to be reached and finally landed. We verify the effectiveness of the system implemented through simulations, and demonstrate that autonomous landing is possible through real experiments.
본 논문에서는 짐벌 카메라를 이용하여 시각 정보를 통해 드론을 자율 착륙시킬 수 있는 시스템을 제안한다. 기존의 시스템들은 드론의 하방이나 특정 방향으로 카메라를 고정해 설계하나, 넓은 영역에서부터 드론을 착륙시켜야 할 때는 단일 카메라의 시야 영역으로는 객체 추적에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결할 방법으로 짐벌을 드론에 장착하여 카메라가 목표를 더 자유롭게 추적하는 것이다. 기존에 존재하는 짐벌 시스템에서는 카메라에 투영되는 객체의 좌표 정보를 기반으로 짐벌을 회전하여 추적하는데, 드론의 운동 상태를 고려하지 않아 원하는 상태로 안정적으로 도달하지 않고 객체 추적에도 실패할 수 있는 문제가 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 짐벌의 3축을 모두 활용하고, 짐벌이 융합된 드론의 운동학을 고려하여, 카메라가 목표 지점을 안정적으로 추적하면서 자율적으로 착륙할 수 있는 시스템을 만들었다. 본 시스템에서는 두 가지의 제어 시스템을 설계하여 사용하였다. 첫 번째 제어 시스템에서는 드론의 선속도와 짐벌의 각속도를 제어 입력 변수로 설계하여 일정한 고도를 유지하며 목표 지점으로 가까워지도록 한다. 두 번째 제어 시스템에서는 가상 카메라 개념을 이용하여 짐벌을 고정하고 드론의 선속도를 제어하여 수직 착륙이 가능한 지점으로 수렴하도록 한다. 자율 시스템을 동작할 시 처음에는 짐벌과 드론을 회전시켜 목표 지점 탐색을 시도하고, 탐색에 성공하면 첫 번째 제어 시스템을 이용하여 이동할 수 있도록 하였다. 목표 지점에 충분히 가까워 지면 두 번째 제어 시스템으로 전환하여 수직 착륙이 가능한 지점으로 도달할 수 있도록 하고 최종적으로 착륙하도록 하였다. 시뮬레이션을 통해 구현한 시스템의 유효성을 확인하였고, 실제 실험을 통해서도 자율 착륙을 할 수 있음을 보였다.
