[논문 리뷰] Visual Servoing of Unmanned Surface Vehicle from Small Tethered Unmanned Aerial Vehicle

Haresh Karnan, Aritra Biswas외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 09.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 소형 터널링된 무인 항공기(UAV)를 사용하여 무인 표면선(USV)의 자율적 시각 서보 조정을 위한 모터 스키마를 제안한다. 이는 UAV 카메라가 USV를 최소한의 편평/기울임 움직임으로 추적할 수 있도록 한다. 시스템은 시각적 국소화에서 유도된 상대 위치 오차를 이용해 직렬 인터페이스를 통해 요와 피치 제어 신호를 생성하며, 실험실 시험에서 100% 추적 성공률를 달성했고, 정규화된 민감도는 0.034이다.

ABSTRACT

This paper presents an algorithm and the implementation of a motor schema to aid the visual localization subsystem of the ongoing EMILY project at Texas A and M University. The EMILY project aims to team an Unmanned Surface Vehicle (USV) with an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to augment the search and rescue of marine casualties during an emergency response phase. The USV is designed to serve as a flotation device once it reaches the victims. A live video feed from the UAV is provided to the casuality responders giving them a visual estimate of the USVs orientation and position to help with its navigation. One of the challenges involved with casualty response using a USV UAV team is to simultaneously control the USV and track it. In this paper, we present an implemented solution to automate the UAV camera movements to keep the USV in view at all times. The motor schema proposed, uses the USVs coordinates from the visual localization subsystem to control the UAVs camera movements and track the USV with minimal camera movements such that the USV is always in the cameras field of view.

연구 동기 및 목표

• 해상 구조물 사고 상황에서의 수색 및 구조 작전 동안 UAV 카메라 제어를 자동화하여 USV를 지속적으로 추적하는 것.
• USV 항로 이동 중 수동 카메라 조작을 제거함으로써 운영자 부담을 감소시키는 것.
• 실시간 편평/기울임 조정을 위한 저전력, 계산 효율적인 제어 시스템을 개발하는 것.
• 측정 가능한 추적 성능을 확보하기 위해 통제된 실험실 환경에서 시스템을 검증하는 것.
• 비상 상황에서의 해상 재난 대응을 위한 자율적 USV-UAV 팀워크를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 모터 스키마는 시각적 국소화 데이터를 이용해 USV와 카메라의 관심 영역(ROI) 중심 사이의 상대 위치 오차 $P$를 계산한다.
• 제어는 $P > 1$일 때에만 활성화되어 불필요한 카메라 움직임을 최소화한다.
• 카메라를 USV 쪽으로 향하게 하기 위해 $P$의 부호와 크기에 기반한 요 및 피치 명령을 생성한다.
• 명령은 9600 bps 속도로 USART 직렬 인터페이스를 통해 Fotokite UAV 지상국에 전송된다.
• 실시간 시험 중에 구현된 고정 이득 제어 법칙을 사용하여 편평/기울임 속도를 각각 0.3 rad/s로 설정한다.
• 알고리즘은 빨간 물체를 USV의 시뮬레이터로 사용하여 두 개의 실험실 환경에서 테스트되었으며, PTZ 카메라를 장착한 터널링된 UAV를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저복잡도의 모터 스키마가 터널링된 UAV의 시각 피드백을 이용해 실시간으로 이동 중인 USV를 자율적으로 추적할 수 있는가?
• RQ2 지속적인 USV 가시성을 유지하면서 카메라 움직임을 얼마나 효과적으로 최소화할 수 있는가?
• RQ3 통제된 환경에서 다양한 운동 프로파일 하에서 시스템의 민감도와 성공률는 어떠한가?
• RQ4 수동 조작 없이 다양한 거리와 궤적에서도 추적을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실제 환경 시험 조건에서 반응 시간과 제어 노력 측면에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 실험실 1에서 13회의 시험, 실험실 2에서 17회의 시험 모두에서 100% 추적 성공률를 달성했고, 목표를 실수로 상실하지 않았다.
• 모든 시험에서의 평균 민감도는 실험실 1에서 0.6045, 실험실 2에서 0.4536였으며, 정규화된 민감도는 0.034였다.
• 피치 및 요 움직임은 상호 배타적이었으며, 이는 여분의 카메라 움직임을 줄이고 에너지 효율성을 향상시켰다.
• USV가 ROI에서 벗어난 후 몇 초 내에 제어 시스템이 효과적으로 반응하여 실시간 반응성을 입증했다.
• 빠른 움직임 동안에도 최소한의 제어 신호를 사용하여 USV를 카메라의 시야에 유지하는 데 성공했다.
• 결과적으로, 해상 수색 및 구조 작전에서 USV 지원을 위한 UAV 카메라 추적 자동화의 가능성을 확인했다.