This thesis presents a target tracking approach for a miniature rotary unmanned aerial vehicle(UAV) using only and onboard gimbaled(pan-tilt) camera(vision) system. In this thesis, vision-based target tracking problem is divided into four phases: the target pointing algorithm, the estimation of the target's position and velocity, the tracking guidance law, and the guidance filter.
Target pointing is performed as centering the target's feature on the image plane. For rotating a camera, gimbal system which has pan-tilt rotation was adopted, and the algorithm was verified through the actual flight tests.
Out of a range of the gimbal's angle, to maintain the target within the camera field of view, a flight guidance law is necessary. In this thesis, as a tracking guidance law, the chasing guidance law was proposed. The guidance law is performed that UAV's heading tracks the angle that points the target.
For performing the chasing guidance law, the estimation of the target's position and velocity is indeed required. For solving this problem, Extended Kalman filter(EKF) and Unscented Kalman filter(UKF) were adopted. The process model of the filter is derived through the UAV velocity, the target velocity, the pin-hole camera model(pixel coordinates), and the image depth (relative altitude) obtained by transformation coordinates.
The multiple guidance filters combined with a guidance law and the filters enable to perform the chasing guidance under the target's various motions such as constant velocity, acceleration, deceleration, stop, and curving. Finally the performance of the guidance filter was verified by using simulations.
임의의 지형, 적의 위협, 악천후 등 각종 위험 상황 하에서 공중에서의 정찰, 탐색, 추적, 정보 제공 등은 유인항공기를 대신하여 무인항공기가 수행해야 하는 대표적인 핵심 임무다. 이러한 임무를 수행하기 위해서는 무인항공기에 레이더, 레이저, 영상 등과 같은 각종 센서장치가 반드시 장착되어야 한다. 특히 영상장치는 다른 종류의 센서에 비해 가격이 저렴하고, 부피 및 중량이 매우 적기 때문에 무인항공기의 소형화를 가능하게 할 뿐만 아니라 운용자에게 실시간 시각정보를 제공함으로써 이를 통한 다양한 활용을 가능하게 해준다.
본 논문에서는 이러한 특성을 가진 영상장치를 소집단 및 소부대에서 운용 가능한 소형 무인항공기에 장착하여 임의의 지형에서 이동하고 있는 임의의 표적에 대한 지속적인 자동추적 관련 연구를 수행하였다.
지상의 표적을 효과적으로 추적하기 위해서는 표적을 항상 지향하고 있어야 하고 이를 위해 무인항공기는 최적의 궤적으로 비행해야 한다. 이전 연구에서는 표적을 중심으로 원형궤적을 그리며 비행하는 유도법칙이 주로 적용되었다. 이러한 원궤적 유도법칙은 표적에 대한 시야가 지속적으로 확보되고 표적움직임의 큰 변화가 없는 경우 안정적인 추적이 가능하지만 계곡이나 건물 사이 등과 같은 시야가 제한된 복잡한 환경이나 표적의 움직임이 매우 불규칙한 경우에는 지속적인 표적지향에 제한이 따르게 된다. 이러한 제한사항을 극복하기 위해 속도변화에 강인하고 제자리 비행이 가능한 회전익 무인항공기를 사용해야 하고 이에 맞는 별도의 추적유도법칙이 적용되어야 한다. 본 논문에서 제안한 유도법칙은 표적의 뒤를 일정한 반경을 유지하며 추적하는 종추적 유도법칙이고, 이를 수행하기 위해서는 실시간으로 표적정보가 제공되어야 한다. 지형 및 표적에 대한 정확한 정보가 제공되지 않는다고 가정하였기 때문에 비선형 필터(EKF, UKF)에 의해 추정된 값을 표적정보로 이용하였다.
본 논문은 최적의 지상표적 추적시스템 구현의 목표 하에, 본 연구팀의 소형 회전익 무인항공기 시스템 소개, 김발장치를 이용한 실시간 표적지향 알고리즘 구현, 종추적 유도법칙 제안 및 유도, 비선형 표적추정 필터(EKF, UKF) 설계, 그리고 표적이동 상황별 유도필터 적용에 관한 내용으로 구성되어 있으며 각각의 내용은 실제 비행시험 및 시뮬레이션을 통해 검증절차를 수행하였다.
