In this dissertation, we explore the curved trajectory problem in image-based visual servoing and propose a new image-based visual servoing method that can control the path linearly using the defined position and angle errors on image plane of stereo cameras.
We analyzed that the cause of curved trajectory is the inadequate error definition on image plane and the control method to decrease the errors at the same rate. The defined errors on image plane cannot exactly correspond to the position and orientation errors in three-dimensional space. In case of general visual servoing, the image errors are normally defined by the difference of coordinates between the image point of features on the end-effector and the image set points. When the target pose is much different from the current pose of the end-effector, an attempt to decrease errors on image plane of stereo cameras causes one or more of the point features on the end-effector to move back and forth along z-axis (optical axis) of camera during visual servoing. This unnecessary movement along the z-axis direction could lead the robot to collide with other objects or to the limit of robot workspace.
In this dissertation, we propose a new image-based visual servoing method that improves the linearity of path using the position and angle errors under large pose error. To implement the proposed method, first, we select one point on the end-effector to be moved linearly toward the set point, then we define the distance error between the selected point and set point. This selected point is a pivot point to rotate the end-effector. Next, we define the angle errors between the feature lines including the selected point on the end-effector and the corresponding target lines. When we make such defined errors to be reduced, the selected one point can be linearly moved toward the target point and the end-effector can be rotated around the selected point and finally can be located on the set points of the target position.
When the used lines are on the epipolar plane, it is impossible to calculate the velocity control input. To solve this problem, we propose the least square method that use the more features, that is, one distance error and more than two angle errors.
Through experiments, we verify that the proposed visual servoing method can have a linear path. And we compare the proposed method with the conventional method in case of large initial pose errors. Experiment results show that the proposed method in this thesis can control the path linearly and be effectively adjustable to the work changing large pose.
본 논문은 영상기반 비쥬얼 서보잉에서 이동경로의 휘어지는 문제점의 원인을 규명하여, 스테레오 카메라를 이용한 영상기반 비쥬얼 서보잉에서 이동경로의 제어를 가능하게 한 방법을 다룬다.
휘어지는 문제는 카메라의 이미지 영상면에 투사된 특징치들의 오차를 정의할 때 정확하게 3차원 공간상의 거리 및 자세오차와 대응시키지 못한데 그 원인이 있다고 보았다. 일반적인 영상기반 비쥬얼 서보잉의 경우에 있어서 카메라의 영상면에 투사된 말단효과장치상의 특징점들의 좌표값과 목표지점에 도착하였을 때의 좌표값의 차이를 오차로 정의하고 이 오차를 동일한 비율로 줄여나가도록 제어하는 방식을 사용하고 있다. 그러나 이렇게 오차를 정의할 때 목표지점에서의 자세가 현재의 자세와 차이가 큰 경우에는, 단순히 영상상의 각 특징점의 좌표값의 오차를 줄이는 방식으로 제어하면 이미지 평면상에는 오차가 줄어드나 실제 3차원 공간상에는 카메라의 광축 방향으로 멀리 이동하였다가 되돌아오는 형태의 경로가 휘어지는 현상이 발생한다. 경로의 휘어짐은 타 물체와의 예상하지 못한 충돌 등을 가져와 문제가 된다.
유지하기 위한 제어를 수행하기 위하여 특징점 중의 1개를 선정하여 이 특징점을 직선으로 이동시키고, 이 특징점을 중심으로 다른 특징점들을 회전시켜서 제어하는 방식을 제안하였다. 제안한 방식은 직선으로 이동시킬 특징점과 대응하는 설정점 사이의 거리를 오차로 정의하고, 또한 선택된 특징점과 다른 특징점들이 이루는 직선과 이와 대응하는 설정점들이 이루는 직선들의 각도차이를 오차로 정의하여 이 오차를 줄여나가는 방식으로 구성하였다. 직선들이 이루는 각도오차를 정의하여 사용할 때 에피폴라 평면위에 존재하는 직선을 사용하게 되면 해를 구할 수 없게 되는 문제가 발생하여, 이를 해결하는 방안으로 더 많은 특징치를 사용하여 최소자승법으로 해를 구하는 방식을 제안하였다.
특징치를 이용한 영상기반 비쥬얼 서보잉방식으로, 영상기반 비쥬얼 서보잉방식에서 문제가 되고 있는 경로의 제어를 가능케 할 수 있는 가능성을 제시하였다. 제안한 방법의 성능을 기존의 영상기반 비쥬얼 서보잉 방식과 비교 평가하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
