This thesis is focused on a vision-based landing system for fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs) using an inflated airbag. As the statistics show, the landing stage is identified as most accident-prone among the entire flight regimes due to the complicated dynamics, difficult control characteristics and its dependency on many external factors such as wind conditions. Therefore there have been many attempts to automate the landing process on conventional runways or external arresting mechanisms such as ropes or nets. In this thesis, a relatively simple yet highly effective vision-based landing method using an inflated airbag is proposed. A Blended Wing-body(BWB) UAV hardware is set up for experiments and the identified system model is used for designing an autopilot controller. The airbag has a dome shape so that the airplane can approach from any direction, unlike the net-based approach that may suffer from crosswind. The dome`s distinctive color and shape provide unmistakably strong yet passive visual cue for the onboard vision system, which runs a fast and robust vision algorithm for geolocation and visual servoing. In terminal landing phase, the vehicle is controlled only by visual servoing commands without resorting to INS. The proposed idea has been validated in a series of experiments and the experiment results show that the proposed method is a viable approach for field applications without the need of expensive aiding systems.
본 논문은 고정익 무인항공기를 위한 영상기반의 자동착륙에 관한 연구이다. 통계적으로 볼 때, 항공기의 착륙단계는 제어하기 어려운 착륙특성과 많은 외부적 요소들로 인해 전체 운용단계 중 사고위험이 가장 높다. 따라서 활주로 착륙 외에 로프나 그물을 이용한 방법으로 무인항공기의 자동화가 시도되고 있고, 정밀한 착륙을 위해 고가의 장비를 사용하기도 한다. 본 논문에서는 이에 비해 비교적 단순하고 비용은 저렴하지만 효율이 높은 영상기반의 무인항공기 착륙방법을 제안하였다. 먼저 연구를 위해 사용된 BWB형상의 고정익 무인항공기와 장착된 하드웨어 시스템을 소개하였으며, 항공기 시스템을 식별하여 선형모델을 구하고 자동비행제어기를 설계하였다. 지상에 설치된 착륙장치인 반구형 에어백은 전 방향에서 착륙을 가능하게 하며 착륙시의 충격도 충분히 흡수하여 기체를 보호한다. 또한 에어백의 붉은색과 돔형상은 항공기에 장착된 카메라로 색상 및 형상을 구별할 수 있게 한다. 비행중인 무인항공기는 획득한 영상에서 색상 및 형상 기반의 탐지기법을 사용해 착륙장치를 인식하고, 인식된 착륙장치의 위치를 추정하며, 최종 착륙단계에서는 INS의 도움 없이 영상정보로만 항공기를 제어하는 비주얼서보잉을 사용하여 정밀하게 착륙한다. 제시된 영상기반의 자동착륙 알고리듬은 비행실험을 통해 그 성능이 검증되었으며, 이는 고가의 외부장비의 도움 없이도 정밀한 자동착륙이 가능함을 보여준다.
