The emphasis of the thesis is placed on proposing an architectural study for vision-based landing on a moving target, especially for unmanned helicopters. It covers from guidance law, image processing, state estimation and up to simulations and implementation for flight tests.
The guidance law for landing on a moving target can be divided into two phases. The first phase was approaching phase, where two vision-based target tracking algorithms were proposed for. One algorithm was color-based morphology which came up with adaptive ROI and bitwise operators to boost-up for real-time on-board image processing. While, the other algorithm was inspired from optical flow, including the novel procedure of background segmentation and target extraction. Vision-based tracking algorithms give target state information on pixel plane of the camera or in form of vector in camera frame, which can be converted into relative position information in inertia frame using proper transformation with DCMs and flat Earth assumption. This enabled the real implementations of the proposed tracking algorithms with the given estimation procedure. Actual flight test was performed for validation.
The second phase was landing phase, where the algorithms for the first phase do not work due to the short distance between UAV and the target. Instead, we suggested adopting marker based pose estimation algorithm with known orientation of planar points.
Longitudinal and lateral control have been presented with the idea of while keeping the relative position constant, generate an additional command making the UAV approach to the target using modified line-of-sight guidance law. Height commands was introduced individually, where it switched between ap-proaching and landing phase and differ its command depending on the state. All works has been integrated to be verified through simulations.
본 논문은 무인 헬리콥터를 위한 영상기반 이동표적 자동착륙 시스템에 대한 연구이다. 이동표적에의 착륙은 항공기의 회수 이외에도 무인 급유나 충전의 자동화에 응용할 수 있으며, 온보드 영상처리는 기존의 무인항공기 시스템이 가지는 여러 가지 제약으로부터 자유롭게 해 임무의 수행 범위를 넓히는 중요한 기술이다. 특히 무인헬리콥터의 비행 특성과 접목하면 효율적인 이동표적 자동착륙 시스템을 구성할 수 있다. 이를 위해 영상처리 알고리즘과 표적의 상태 추정, 그리고 유도법칙을 제안하였고, 일련의 과정을 시뮬레이션과 비행실험으로 검증하고자 하였다.
자동 착륙을 위한 유도법칙은 총 두 단계로 이루어져 있으며, 그 첫 번째인 접근 단계를 위한 두 가지 영상기반 표적 추적 알고리즘을 제안하였다. 하나는 적응 ROI와 비트연산자를 사용한 색상 기반 모폴로지 영상처리 기법으로, 실시간 온보드 영상처리에 적합하다. 다른 하나는 옵티컬플로우를 응용한 독창적인 알고리즘으로 이동하는 표적과 배경을 분리, 표적의 속도를 추정할 수 있다. 이러한 영상기반 추적 알고리즘은 카메라 이미지 프레임 상의 정보를 제공하는데, 이는 일련의 DCM과 Flat Earth Assumption을 통해 변환하면 관성좌표계에서의 무인헬리콥터에 대한 표적의 상대좌표가 도출되며, 이는 비행실험을 통해 성능이 검증되었다.
유도법칙의 두 번째 단계는 착륙 단계로, 무인 헬리콥터와 표적 사이의 짧은 거리 때문에 전 단계에서 제안된 영상처리 알고리즘이 적합하지 않다. 대신 표적의 표지물을 사용하는 자세 추정 알고리즘을 선보여 정밀한 위치와 자세를 얻고자 하였다.
무인헬리콥터와 표적 사이의 상대위치를 일정하게 유지하면서 Line-of-Sight유도법칙에 기반을 둔 추가적인 제어명령을 내리도록 종횡방향의 속도제어 유도법칙을 구성하였다. 이와는 독립적인 단계별 고도 제어법칙을 제안하였으며, 이는 논문의 모든 요소를 포함하는 시뮬레이션을 통해 제안한 시스템의 타당성을 확인하였다.
