특징점 가시 조건 하에 깊이 정보 없이 이동 표적을 추적하기 위한 비주얼 서보잉 기법 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2015. 8. 하인중.본 논문에서는 표적의 깊이 정보 없이도 이동 표적에 대해 가시 조건을 만족함과 동시에 원하는 포즈로 표적을 추적할 수 있는 새로운 아이-인-핸드 위치 기반 비주얼 서보잉 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하고 있는 비주얼 서보잉 기법은 표적 운동에 대한 혁신적인 선형 시변이 추정기와 가시 조건 하에 이동 표적을 추적할 수 있는 비선형 비주얼 서보잉 제어기로 구성된다. 먼저, 이동 표적에 대한 에센셜 행렬의 구성 인자들을 이용하여, 표적과 카메라의 병진 운동 속도가 느리게 변한다는 가정 하에 표적 운동의 동역학 방정식을 선형 시불변 시스템 형태로 유도하였다. 또한, 유도된 표적 운동 동역학 방정식에 기반하여, 비주얼 서보잉 과정에서 요구되는 표적의 속도 정보를 제공할 수 있는 혁신적인 선형 시불변 추정기를 설계하였다. 기존의 연구 결과와는 달리, 본 논문에서 제안하는 추정기는 추정기의 수렴을 위하여 스네이킹이나 가속도 운동과 같은 특정한 형태의 카메라 운동이 요구되지 않는다. 또한, 표적의 깊이를 모르는 경우에 대해서도 수렴성을 보장할 수 있다는 장점을 가진다. 다음으로, 이동 표적에 대하여 가시 조건의 만족과 목표 포즈로의 표적 추적이 가능한 비선형 비주얼 서보잉 제어기를 제시하였다. 본 논문에서는 가시 조건의 만족을 위하여 기존의 3차원 가시 집합 개념을 도입하였다. 이 3차원 가시 집합은 볼록 집합이라는 특성을 가지며, 표적의 가시 조건을 만족하는 상태 변수의 영역을 기술하고 있다. 이는 카메라의 포즈를 나타내는 상태 변수가 3차원 가시 집합에 속하는 한, 표적의 운동과 관계 없이 항상 카메라의 시야에 표적이 속해 있음을 의미한다. 그러므로 3차원 가시 집합 내부의, 카메라의 초기 포즈와 목표 포즈에 의해 결정되는 두 점을 잇는 직선 경로를 적절히 추종할 수 있도록 카메라의 운동을 제어함으로써 가시 조건의 만족을 보장할 수 있게 된다. 또한, 본 논문에서 제안한 선형 시불변 추정기는 비선형 비주얼 서보잉 제어기가 표적이 움직이는 경우에 대해서도 3차원 가시 집합 내부에서의 직선 경로를 근접하게 추종하는 과정에 기여를 하게 된다. 마지막으로, 표적의 깊이를 모르는 상태에서도 제안한 비주얼 서보잉 기법이 이동 표적을 목표 포즈로 신속히 추적할 수 있으며, 그 이후로 지속적으로 목표 포즈를 유지한 채 표적을 추적할 수 있음을 증명하기 위해 수학적으로 엄밀한 안정성 분석을 제공한다. 덧붙여 제안하는 비주얼 서보잉 기법의 실용성을 입증하기 위하여, 엔드-이펙터에 카메라를 부착한 6축 로봇을 이용한 다양한 실험 및 모의 실험 결과 역시 제공한다. 우리가 아는 한도 내에서는, 표적의 깊이 정보와 카메라의 특정한 운동이 요구되지 않는 상태에서 가시 조건의 만족과 동시에 이동 표적의 추적에 대한 전역적 안정성을 보장하는 결과는 기존에 제시되어 있지 않다. 따라서, 제안하는 기법은 민간 및 방위 산업계에 걸쳐 비주얼 서보잉이 필요한 분야에 널리 활용될 수 있는 결과로 판단된다.목 차 초록 i 목차 iii 그림목차 v 표목차 x 제 1 장 서론 1.1 ?연구 배경 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 ?연구 목표 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 제 2 장 비주얼 서보잉 시스템 소개 9 2.1 카메라 모델링 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 영상을 이용한 표적의 3차원 정보 복원 . . . . . . . . . . 13 2.3 비주얼 서보잉 문제 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 제 3 장 기존 관련 연구 결과 소개 21 3.1 영상을 이용한 표적 운동 정보 추정 기법 . . . . . . . . . . 21 3.2 비주얼 서보잉 기법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 제 4 장 비평면 이동 표적의 병진 운동 정보 추정 기법 38 4.1 표적의 운동을 고려한 에센셜 행렬 . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2 표적 병진 운동의 동역학 모델. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 병진 운동 정보 추정기 설계 및 안정성 분석. . . . . . . . . 53 제 5 장 비평면 이동 표적에 대한 비주얼 서보잉 기법 64 5.1 좌표계 및 상태 변수 설정 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.2 이동 표적을 고려한 동역학 유도 . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3 제어기 설계 및 안정성 분석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 제 6 장 실험 및 모의 실험 결과 101 6.1 실험 결과. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 ?모의 실험 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 제 7 장 결론 및 향후 연구 과제 158 참고문헌 160 ?부록 A 168 Abstract 170Docto