[논문 리뷰] Accurate Control of a Pan-tilt System Based on Parameterization of Rotational Motion

Jung-Hyun Byun, Seung Ho Chae외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Advanced Vision and Imaging인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 크고 원을 따라 움직이는 궤적과 3차원 회전축 파rameter를 校정하여 사용자가 조립한 패닉틸트 시스템의 정확한 제어를 위한 매개변수화된 운동 모델을 제안한다. 이 방법은 역기구학을 통해 정밀한 자세 추정을 가능하게 하여 이상적인 모델에 비해 세계 좌표계에서의 목표물 국정 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

A pan-tilt camera system has been adopted by a variety of fields since it can cover a wide range of region compared to a single fixated camera setup. Yet many studies rely on factory-assembled and calibrated platforms and assume an ideal rotation where rotation axes are perfectly aligned with the optical axis of the local camera. However, in a user-created setup where a pan-tilting mechanism is arbitrarily assembled, the kinematic configurations may be inaccurate or unknown, violating ideal rotation. These discrepancies in the model with the real physics result in erroneous servo manipulation of the pan-tilting system. In this paper, we propose an accurate control mechanism for arbitrarily-assembled pan-tilt camera systems. The proposed method formulates pan-tilt rotations as motion along great circle trajectories and calibrates its model parameters, such as positions and vectors of rotation axes, in 3D space. Then, one can accurately servo pan-tilt rotations with pose estimation from inverse kinematics of their transformation. The comparative experiment demonstrates out-performance of the proposed method, in terms of accurately localizing target points in world coordinates, after being rotated from their captured camera frames.

연구 동기 및 목표

• 회전축이 정렬되지 않은 것 때문에 발생하는 서보 제어의 부정확성 문제를 해결한다.
• 공장에서 캘리브레이션된 시스템이 회전축과 카메라 광학축 간의 이상적인 정렬을 가정하는 데서 비롯되는 한계를 극복한다.
• 사용자가 임의로 조립한 패닉틸트 기구의 실제 운동학적 이질성을 정확히 모델링할 수 있는 캘리브레이션 방법을 개발한다.
• 캘리브레이션된 모델을 기반으로 역기구학을 적용하여 세계 좌표계에서 정밀한 자세 추정과 목표물 국정을 가능하게 한다.
• 회전 후 다양한 카메라 프레임에서 점을 국정하는 데서 이상적인 모델에 비해 뛰어난 성능을 보여준다.

제안 방법

• 회전 운동을 단위 구면 위의 큰 원 궤적을 따라 움직이는 것으로 모델링하여 회전 운동학을 정확히 기술한다.
• 관측된 운동 데이터를 사용하여 편향된 패닉 및 타일트 축의 3차원 위치 및 방향 벡터를 캘리브레이션한다.
• 구면 운동 모델에서 유도된 기하학적 제약 조건을 사용하여 매개변수화하여 실제 회전에서 이상적인 상태와의 편차를 표현한다.
• 필요한 서보 각도를 세계 좌표계에서의 목표 자세를 달성하기 위해 역기구학을 적용한다.
• 변환 행렬을 사용하여 캘리브레이션된 모델 기반으로 카메라 프레임 좌표를 세계 좌표계로 매핑한다.
• 캘리브레이션된 모델을 서보 제어 루프에 통합하여 패닉틸트 시스템의 정확하고 반복 가능한 위치 설정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비이상적이고 사용자가 조립한 기구에서 축이 정렬되지 않은 패닉틸트 시스템을 어떻게 정확히 제어할 수 있는가?
• RQ2 큰 원 궤적을 따라 회전을 모델링하는 것이 이상적인 회전 모델에 비해 자세 추정 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 3차원 축의 매개변수화된 모델이 임의의 패닉틸트 설정에서 운동학적 이질성을 효과적으로 포착하고 보정할 수 있는가?
• RQ4 카메라 프레임의 회전 후 세계 좌표계에서의 목표물 국정 정확도는 제안된 캘리브레이션 방법으로 얼마나 향상되는가?
• RQ5 캘리브레이션된 모델을 사용할 경우 표준 공장 캘리브레이션 또는 이상적인 모델 대비 자세 정확도에서 어떤 성능 향상이 이루어지는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 카메라 프레임에서의 회전 후 세계 좌표계에서의 목표물 국정 정확도를 크게 향상시킨다.
• 3차원 회전축 매개변수의 캘리브레이션은 이상적이지 않은 사용자 조립 패닉틸트 시스템에서도 정밀한 역기구학 기반 서보 제어를 가능하게 한다.
• 큰 원 궤적을 따라 회전을 모델링하는 것은 축이 정렬되지 않은 패닉틸트 기구의 진짜 운동학적 행동을 효과적으로 포착한다.
• 비교 실험 결과, 제안된 방법이 이상적인 모델에 비해 국정 정확도 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인하였다.
• 캘리브레이션된 시스템은 여러 회전 시퀀스에 걸쳐 더 일관되고 반복 가능한 위치 설정을 달성한다.
• 이 방법은 공장 캘리브레이션 또는 기계적 구성 요소의 완벽한 정렬이 필요 없이도 정확한 자세 추정을 가능하게 한다.