This thesis presents an integrated robot system of an Unmanned Ground Vehicle (UGV) and an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) which complement each other. It is essential to estimate the relative positions between two robots to perform a cooperative task using both of them simultaneously. Two different sensors, a fisheye camera on the UGV and an ultrasonic range finder on the UAV are merged. A high-luminance LED array is attached at the bottom of the UAV and observed by the fisheye camera on the UGV. The location of the UAV in a fisheye image is detected based on the HSV color space model. The fisheye camera is calibrated by choosing a proper distortion model, thus the direction vector of the UAV in the UGV coordinate system is computed with high accuracy.
The ultrasonic range finder is calibrated to find the relation between sensor responses and actual altitude of the UAV. A probabilistic filter is designed to compensate the estimation error due to the sensor noise. In case the proposed method fails to track the UAV in fisheye images, high-speed mirror pan-tilt camera system is utilized for robust tracking and homing of the UAV.
To verify the accuracy of the proposed method, the ground truth of the position of the UAV is measured by a fully-calibrated four-camera stereo system and compared to the result estimated by the proposed method. The robustness of the proposed system is verified by moving the UAV from an arbitrary position to a proper landing site.
본 논문은 효과적인 감시를 위한 무인 지상 주행 로봇(UGV)와 무인 비행 로봇(UAV)의 협동 기법을 다룬다. 바퀴가 달린 주행 로봇은 제어가 간단하여 가장 널리 사용되는 서비스 로봇의 형태이지만 활동 영역에 제한이 있다. 비행 로봇은 활동 영역이 자유로운 반면 제어가 어렵고 에너지와 무게의 제약이 있다. 본 연구에서는 두 로봇의 협동을 통하여 두 로봇의 특성을 상호 보완하는 시스템을 제안한다. 두 로봇의 협동을 위해서는 상대적인 위치 파악이 필수적이다. 이를 위하여 본 논문에서는 주행 로봇의 어안 카메라와 비행 로봇의 초음파 센서로부터 획득한 고도 정보를 융합한다. 주행 로봇 좌표계에서의 비행 로봇의 방향을 파악하기 위하여 비행 로봇에 고휘도 LED를 설치하고, 주행 로봇의 어안 카메라에서 색 추출 기법을 이용하여 영상 상에서의 위치를 계산한다. 또한 넓은 화각을 제공하지만 방사 왜곡이 심한 어안 카메라에 적합한 왜곡 모델을 이용하여 보정함으로써 어안 카메라 좌표계에서의 비행체의 방향을 정확하게 계산한다. 초음파 센서의 측정 결과를 실제 거리와 대응시키기 위한 보정을 수행하며, 초음파 센서의 노이즈로 인한 위치 추정 오차에 대응하기 위하여 확률 기반의 필터를 설계하여 적용한다. 또한 가려짐 등의 원인으로 어안 카메라를 이용한 비행체 추적이 실패하는 상황을 고려하여 고속 팬-틸트 거울을 이용하여 비행체를 빠르게 추적하고 이를 이용하여 보다 강인하게 비행 로봇을 주행 로봇으로 복귀시킨다. 위치 추적 기법의 검증을 위하여 4안 스테레오 기록 장치를 통해 측정한 비행체의 궤적과 제안한 시스템으로 추정한 궤적을 비교 평가하였으며, 이동 중인 주행 로봇에 임의의 위치에서 비행하던 비행체를 착륙시키는 실험을 진행하여 시스템의 강인성을 증명하였다.
