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소나 기반 수중 로봇의 실시간 위치 추정 및 지도 작성에 대한 실험적 검증
이영준(Yeongjun Lee),최진우(Jinwoo Choi),고낙용(Nak Yong Ko),김태진(Taejin Kim),최현택(Hyun-Taek Choi) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.3
본 논문은 수중 로봇 항법에 사용하기 위한 영상 소나 기반 SLAM (simultaneous localization and mapping) 방법을 제안하고, 성능 평가를 위해 실제 로봇에 탑재하여 실험한 내용을 소개한다. 일반적인 수중 항법은 관성 센서에서 출력되는 정보를 바탕으로 로봇의 위치 및 자세(x, y, z, ø, θ ,ψ)를 추정한다. 하지만, 장시간 주행할 경우 위치 오차의 누적으로 인하여 정확도가 감소하게 된다. 이에 본 논문에서는 영상 소나로부터 얻을 수 있는 외부 정보를 바탕으로 관성 항법의 위치 추정 성능을 높이고 지도 작성을 수행할 수 있는 SLAM 방법을 제안하고자 한다. 영상 소나를 위한 인공 표식물과 확률 기반 물체 인식 구조를 통해 인공 표식물의 인식 성능을 높이고, 이를 통해 얻게 된 인공 표식물의 위치 정보를 활용하여 관성 항법의 누적 오차를 줄이고자 한다. 항법 알고리즘으로는 확장형 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)를 적용하여 로봇의 위치 및 자세를 추정하고 지도를 작성한다. 제안한 방법은 선박해양플랜트연구소에서 보유 중인 수중 로봇 ‘yShark’에 탑재하여 대형 수조에서 실시간 검증을 수행하였다. This paper presents experimental results of realtime sonar-based SLAM (simultaneous localization and mapping) using probability-based landmark-recognition. The sonar-based SLAM is used for navigation of underwater robot. Inertial sensor as IMU (Inertial Measurement Unit) and DVL (Doppler Velocity Log) and external information from sonar image processing are fused by Extended Kalman Filter (EKF) technique to get the navigation information. The vehicle location is estimated by inertial sensor data, and it is corrected by sonar data which provides relative position between the vehicle and the landmark on the bottom of the basin. For the verification of the proposed method, the experiments were performed in a basin environment using an underwater robot, yShark.
이영준(Yeongjun Lee),김태균(Tae Gyun Kim),이지홍(Jihong Lee),최현택(Hyun-Taek Choi) 대한전자공학회 2014 전자공학회논문지 Vol.51 No.3
수중 로봇 분야에서 수중 환경 인식은 매우 중요하나, 탁도 등의 제약으로 인하여 수중 광학 카메라의 사용은 제한적이다. 대안으로 기대하는 수중 영상 소나의 경우, 소나 영상의 품질이 영상 처리에 의해 자연물을 그대로 인식하기에 충분히 안정적이며 정확하지 못하다. 이를 극복하고자 본 논문의 Part 1에서 초음파의 특징을 고려한 인공 표식을 제안하였으며, 형상 행렬 기반의 인식 방법을 함께 제안하고 검증하였다. 그러나 실제 해양 환경은 복잡하고 동적인 잡음 요소가 많다. 이러한 문제를 추가로 해결하기위해 본 논문의 Part 2에서는 연속되는 소나 영상에서 확률적으로 인식 후보를 선별하여 인식하고, 추적하는 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 4단계, 즉 유사도 기반 관심 후보의 선정, 확률 기반 최종 후보의 선정, 선정된 후보의 인식, 그리고 인식된 물체의 추적으로 구성되어 있다. 이러한 4단계의 구조가 병렬로 처리되어 실시간 처리가 가능하며 인식 대상체의 변경이나 알고리즘의 보강을 위한 유연한 구조를 가진다. 제안한 프레임워크를 구성하는 파티클 필터 기반의 후보 선별 알고리즘과 평균-이동 (mean-shift) 기법에 의한 추적 방법을 함께 제안하였다. 수조 실험과 실해역 실험을 수행을 통하여 성능을 검증하였으며 결과에 대한 상세한 분석을 수행하였다. 인공 표식의 추적에서 얻어진 상대거리, 방향 등의 정보는 수중 로봇의 제어와 항법을 위해 사용될 것으로 기대하고 있다. In underwater robotics, vision would be a key element for recognition in underwater environments. However, due to turbidity an underwater optical camera is rarely available. An underwater imaging sonar, as an alternative, delivers low quality sonar images which are not stable and accurate enough to find out natural objects by image processing. For this, artificial landmarks based on the characteristics of ultrasonic waves and their recognition method by a shape matrix transformation were proposed and were proven in Part 1. But, this is not working properly in undulating and dynamically noisy sea-bottom. To solve this, we propose a framework providing a selection phase of likelihood candidates, a selection phase for final candidates, recognition phase and tracking phase in sequence images, where a particle filter based selection mechanism to eliminate fake candidates and a mean shift based tracking algorithm are also proposed. All 4 steps are running in parallel and real-time processing. The proposed framework is flexible to add and to modify internal algorithms. A pool test and sea trial are carried out to prove the performance, and detail analysis of experimental results are done. Information is obtained from tracking phase such as relative distance, bearing will be expected to be used for control and navigation of underwater robots.
소나 영상을 이용한 확률적 물체 인식 및 수중 이동체의 위치 추정
이영준(Yeongjun Lee),최진우(Jinwoo Choi),최현택(Hyun-Teak Choi),김태진(Taejin Kim),윤미현(Mihyun Yun) 대한전기학회 2015 정보 및 제어 심포지엄 논문집 Vol.2015 No.4
This paper proposes a probability-based object recognition and underwater localization algorithm with artificial landmarks. It is organized as follows; 1) recognizing artificial objects 2) A look at EKF (Extended Kalman Filter) SLAM for localization. Acoustic images from imaging sonar are very unstable, for this reason we developed artificial landmarks that can easily be detected in noisy environments. We also designed a probability-based, recognition framework. In this way, the distance and bearing of the recognized artificial landmarks are acquired, allowing us to perform the localization for our underwater vehicle. And then, EKF-based localization algorithm is carried out the localization which produce a path of underwater robot and a location of landmarks. The proposed localization algorithm is verified by experiments in a basin.
소나 영상을 이용한 확률적 물체 인식 및 수중 이동체의 위치 추정
이영준(Yeongjun Lee),최진우(Jinwoo Choi),최현택(Hyun-Teak Choi),김태진(Taejin Kim),윤미현(Mihyun Yun) 대한전기학회 2015 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2015 No.4
This paper proposes a probability-based object recognition and underwater localization algorithm with artificial landmarks. It is organized as follows; 1) recognizing artificial objects 2) A look at EKF (Extended Kalman Filter) SLAM for localization. Acoustic images from imaging sonar are very unstable, for this reason we developed artificial landmarks that can easily be detected in noisy environments. We also designed a probability-based, recognition framework. In this way, the distance and bearing of the recognized artificial landmarks are acquired, allowing us to perform the localization for our underwater vehicle. And then, EKF-based localization algorithm is carried out the localization which produce a path of underwater robot and a location of landmarks. The proposed localization algorithm is verified by experiments in a basin.
영상 소나를 이용한 수중 물체 외형 복원에 관한 기초 실험
이영준(Yeongjun Lee),김태진(Taejin Kim),최진우(Jinwoo Choi),최현택(Hyun-Taek Choi) 대한전자공학회 2016 전자공학회논문지 Vol.53 No.10
본 논문은 수중에서 사용되는 영상 소나를 이용하여 수중 물체의 외형 복원을 수행하여 보고 그 결과를 분석한다. 일반적으로 해양 측량에 많이 사용되는 다중빔 해양 측심기(Multi-beam echo sounder, MES)보다 더 자세한 수중 환경 관찰이 가능한 영상 소나는 상하 방사영역 정보의 불확실성으로 인해 3차원 복원 연구로 활용되기에 어려움이 있다. 이에 본 논문에서는 소나 영상에서 얻는 물체에 대한 3차원 높이 정보의 불확실성을 줄이기 위해 영상 소나의 상하 방사영역을 좁게 조정하여 영상 소나의 3차원 물체 외형 복원의 어려움을 극복하고자 한다. 또한, 음향 채널별 잡음 제거 필터를 적용하고, 음향 채널별 상호보완 거리값 검출 방법의 적용을 통해 3차원 위치 정보의 정확도를 높이고자 한다. 제안한 수중 물체 외형 복원 방법은 3가지 물체(원뿔, 구, 기둥)에 대해 3차원 복원 실험을 수행하여 보고 그 결과를 분석하였다. This paper proposes a practical object shape reconstruction method using an underwater imaging sonar. In order to reconstruct the object shape, three methods are utilized. Firstly, the vertical field of view of imaging sonar is modified to narrow angle to reduce an uncertainty of estimated 3D position. The wide vertical field of view makes the incorrect estimation result about the 3D position of the underwater object. Secondly, simple noise filtering and range detection methods are designed to extract a distance from the sonar image. Lastly, a low pass filter is adopted to estimate a probability of voxel occupancy. To demonstrate the proposed methods, object shape reconstruction for three sample objects was performed in a basin and results are explained.