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항행 및 항법 : 무인 시스템의 자율 주행을 위한 영상기반 항법기술 동향

Navigation : Survey on Visual Navigation Technology for Unmanned Systems

김현진 ( Hyoun Jin Kim ) , 서호성 ( Ho Seong Seo ) , 김표진 ( Pyo Jin Kim ) , 이충근 ( Chung Keun Lee )
  • : 한국항행학회
  • : 한국항행학회논문지 19권2호
  • : 연속간행물
  • : 2015년 04월
  • : 133-139(7pages)
피인용수 : 37건

(자료제공: 네이버학술정보)

DOI


목차

Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 비주얼 서보잉
Ⅲ. 비주얼 오도메트리
Ⅳ. 영상 기반 SLAM
Ⅴ. 영상 기반 항법 적용 사례
Ⅵ. 결 론
감사의 글
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이 논문에서는 영상정보를 기반으로 한 무인 시스템의 자율 항법기술에 대한 동향을 요약한다. 영상기반 항법기술로는 비주얼서보잉, 비주얼 오도메트리, 영상 기반 SLAM(simultaneous localization and mapping)이 있다. 비주얼 서보잉은 목표 이미지와 현재이미지 사이의 피쳐 차이로부터 원하는 속도 입력을 계산하여 무인 로봇을 목표 자세로 유도하는 데 사용된다. 비주얼 오도메트리는 무인 시스템이 영상정보를 바탕으로 자신의 이동 궤적을 추정하는 기술로, 기존의 dead-reckoning 방식보다 정확성을 향상시킬 수 있다. 영상 기반 SLAM은 무인 시스템이 영상 정보를 활용하여 미지의 환경에 대한 지도를 구축함과 동시에 자신의 위치를 결정해 나가는 기술로, 정확히 알지 못하는 환경에서 무인차량이나 무인기를 운용하는데 필수적이다. 이러한 기술들이 적용된 해외의 연구 사례들을 살펴봄으로써 영상기반 항법기술의 동향을 파악할 수 있었다.
This paper surveys vision based autonomous navigation technologies for unmanned systems. Main branches of visual navigation technologies are visual servoing, visual odometry, and visual simultaneous localization and mapping (SLAM). Visual servoingprovides velocity input which guides mobile system to desired pose. This input velocity is calculated from feature difference between desired image and acquired image. Visual odometry is the technology that estimates the relative pose between frames of consecutive image. This can improve the accuracy when compared with the exisiting dead-reckoning methods. Visual SLAM aims for constructing map of unknown environment and determining mobile system’s location simultaneously, which is essential for operation of unmanned systems in unknown environments. The trend of visual navigation is grasped by examining foreign research cases related to visual navigation technology.

ECN

ECN-0102-2015-500-002030715


UCI

I410-ECN-0102-2015-500-002030715

간행물정보

  • : 공학분야  > 항공공학
  • : KCI 등재
  • : -
  • : 격월
  • : 1226-9026
  • : 2288-842X
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1997-2017
  • : 1403


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1항공 우주 해상 : 안전필수 항공 산업용 소프트웨어 평가 방법 연구

저자 : 이홍석 ( Hong Seok Lee ) , 권구훈 ( Goo Hoon Kwon ) , 고병각 ( Byeong Gak Ko )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 91-97 (7 pages)

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이 논문은 항공 분야에서의 안전필수 소프트웨어를 평가하기 위한 고려사항을 기술한다. 항공 분야에서의 안전필수 소프트웨어의 평가를 수행하기 위해서는 해당 소프트웨어의 평가 수준에 대한 정보가 필요하다. 그 수준은 표준에 명시되어 있으나 소프트웨어 자체적으로 결정되는 요소가 아니며 시스템 안전 평가 결과 및 시스템 설계 결과에 의존적이다. 그러므로 소프트웨어 평가 수준을 결정하기 위해 시스템 개발 및 시스템 안전 평가 표준에서 필요로 하는 정보에 대해 설명한다. 그리고 소프트웨어를 평가하기 위한 기존의 방법론들을 조사하고 항공기 지상 유도 및 통제 시스템 소프트웨어의 평가에 적용할 방법을 제시한다.

2항공 우주 해상 : 수도권 공용 헬기장 발전 방안에 관한 연구

저자 : 이영종 ( Young Jong Lee )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 98-102 (5 pages)

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본 논문은 수도권 공용 잠실헬기장에 대한 효율적 활용 운영관리방안에 관한 연구이다. 우선 잠실 헬기장에 대한 일반 운영 및 시설을 파악하고 이에 대한 문제점을 제기 하였다. 그리고 , 잠실 헬기장과 같은 도심형 해외 헬기장 사례로 뉴욕과 텍사스(미국), 런던(영국) 에 대하여 예를 제시하여 잠실 헬기장과 비교 분석 하였다. 운영, 시설 설치 및 관리에 대하여 본 연구는 비행장 운영주체에 기준을 두어 그 대안을 제시하여, 그 주체로 하여금 운영시설 , 기반 시설 물론이며, 안전시설까지도 보강하는 기준 방안을 제시한다. 위치특성상 다른 국가와 달리 잠실헬기장은 인근에 군 공항 시설이 공존하고 있어 이에 대한 운영 관계와 비행로 안전 측면에 연구에서 제외했다.

3항공 우주 해상 : 공역확장을 통한 인천국제공항 수용능력 향상에 관한 고찰

저자 : 이영종 ( Young Jong Lee )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 103-107 (5 pages)

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본 논문은 인천국제공항의 공역 수용 능력 향상을 시키기 위한 공역 확보 대안을 제시하고자 한다. 활주로 15/16방향 동시독립접근을 위해서는 ILS 접근절차에 대해 레이더 유도방식으로 관제업무를 제공해야 하므로, 레이더 유도가 가능한 최소 공역을 감안하여 휴전선비행금지구역(P-518) 조정을 제안하며, 동시독립접근이 가능할 경우 교통량 증가로 인한 임시 체공구역 확보를 위하여, 군 훈련공역을 단계적으로 5마일씩 총 10마일을 확보, 오산접근구역 내에 군 훈련공역 일부를 서울접근관제소에 포함시키는 것을 제안 하고자 한다.

4항공 우주 해상 : 항공용 다변측정 감시시스템 적용을 위한 질문기 설계

저자 : 고영목 ( Young Mok Koh ) , 김수홍 ( Su Hong Kim )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 108-115 (8 pages)

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항공용 다변측정 감시시스템은 비행 중 또는 활주로에서 항공기 위치를 제공하는데 사용된다. 항공용 다변측정 감시시스템에서, 질문기는 감시공역에서 항공기에게 적절한 시나리오로 질문을 수행하는데 사용되는 중요한 송신기이다. 질문기의 핵심기능 중 하나인 위스퍼-샤웃 시퀀스는 침입 항공기가 감시공역으로 진입하는 경우 트래픽 밀도를 제어할 수 있다. 따라서 항공용 다변측정 감시스템에서 항공기 간 충돌 가능성을 감소시키고 진입 항공기에 대해 매우 정확한 위치를 구할 수 있게 한다. 본 논문에서는 기존의 2차 감시레이더와 동일한 Mode A/C 질문과 Mode S 질문을 송신하는 질문기를 설계하였다. 질문기에서 적절하게 제어되는 위스퍼-샤웃 질문 시퀀스로, 다변측정 감시시스템은 다수의 항공기로부터 다중 응답 수신에 의해 야기된 동기가블 및 FRUIT 현상을 방지할 수 있다.

5항행 및 항법 : 공항 지상이동 경로 탐색을 위한 실용 알고리즘 개발

저자 : 윤석재 ( Seok Jae Yun ) , 구성관 ( Sung Kwan Ku ) , 백호종 ( Ho Jong Baik )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 116-122 (7 pages)

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지속적으로 증가하고 있는 항공수요에 따라, 공항운영 측면에서 이동지역 내 항공기 이동에 대한 효율성을 증대할 수 있는 방안의 중요성이 대두되고 있다. 본 논문은 공항 이동지역을 운항하는 항공기에게 최단경로를 적시에 제공하여 공항운영의 효율성을 증대시키기 위한 경로 탐색 알고리즘을 제시하고자 한다. 기존 문헌들에서 여러 알고리즘이 개발되었는데, 대표적으로 Dijkstra 알고리즘 A* 알고리즘이 있다. Dijkstra 알고리즘은 상대적으로 느린 연산속도로 인해 공항구조가 복합해질 경우 최단경로를 적시에 제공하기 어려울 수 있다는 단점이 있으며, A* 알고리즘은 최적성을 보장하지 못한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 두 알고리즘을 병합하여, 각 알고리즘의 단점을 보완한 새로운 Hybrid A* 알고리즘을 제시하였다. 성능분석 결과, Hybrid A* 알고리즘은 경로 탐색에 있어 빠른 연산속도와 최적성이 개선됨을 확인하였다.

6항행 및 항법 : 항행시스템 성능향상을 위한 강인한 필터링 알고리즘

저자 : 조태환 ( Tae Hwan Cho ) , 김진혁 ( Jin Hyuk Kim ) , 최상방 ( Sang Bang Choi )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 123-132 (10 pages)

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CNS/ATM(communication navigation surveillance / air traffic management)의 감시 분야에서는 ADS-B(automatic dependent surveillance - broadcast) 시스템, MLAT(multilateration) 시스템, WAM(wide area multilateration) 시스템이 구축되고 있다. ADS-B, MLAT, WAM 시스템의 항공기 추적 성능이 기존의 레이더에 비해 매우 우수하지만 여전히 오차를 포함하고 있다. 따라서 본 논문에서는 차세대 항행시스템의 오차를 줄이고 항공기 추적 성능을 높일 수 있는 필터링 알고리즘을 제안하였다. 필터링 알고리즘 중에서 가장 유용하다고 알려진 IMM(interacting multiple model) 필터를 개선한 Robust IMM 필터를 사용하였으며, ADS-B, MLAT, WAM 시스템 등의 차세대 항공기 추적 시스템에 적용하였다. Robust IMM 필터는 항공기 추적성능을 향상시킬 뿐만 아니라 항공기 위치 데이터가 손실되더라도 필터에서 계산한 추정값을 이용하여 지속적인 위치 추적을 가능하게 한다. 필터링 알고리즘을 차세대 항행시스템에 적용했을 때 평균 19.21%의 성능향상이 있었다.

7항행 및 항법 : 무인 시스템의 자율 주행을 위한 영상기반 항법기술 동향

저자 : 김현진 ( Hyoun Jin Kim ) , 서호성 ( Ho Seong Seo ) , 김표진 ( Pyo Jin Kim ) , 이충근 ( Chung

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 133-139 (7 pages)

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이 논문에서는 영상정보를 기반으로 한 무인 시스템의 자율 항법기술에 대한 동향을 요약한다. 영상기반 항법기술로는 비주얼서보잉, 비주얼 오도메트리, 영상 기반 SLAM(simultaneous localization and mapping)이 있다. 비주얼 서보잉은 목표 이미지와 현재이미지 사이의 피쳐 차이로부터 원하는 속도 입력을 계산하여 무인 로봇을 목표 자세로 유도하는 데 사용된다. 비주얼 오도메트리는 무인 시스템이 영상정보를 바탕으로 자신의 이동 궤적을 추정하는 기술로, 기존의 dead-reckoning 방식보다 정확성을 향상시킬 수 있다. 영상 기반 SLAM은 무인 시스템이 영상 정보를 활용하여 미지의 환경에 대한 지도를 구축함과 동시에 자신의 위치를 결정해 나가는 기술로, 정확히 알지 못하는 환경에서 무인차량이나 무인기를 운용하는데 필수적이다. 이러한 기술들이 적용된 해외의 연구 사례들을 살펴봄으로써 영상기반 항법기술의 동향을 파악할 수 있었다.

8항공 통신 기술 : L-대역 디지털 항공 통신 시스템의 수신 성능 분석

저자 : 천정현 ( Jeong Hyeon Cheon ) , 윤경한 ( Kyung Han Yoon ) , 장수현 ( Soo Hyun Jang ) , 정윤호

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 140-146 (7 pages)

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최근 항공 통신의 데이터 트래픽 증가로 인하여, 대륙 간 항공통신을 위한 L-band 대역 디지털 통신시스템인 LDACS가 제안되었다. LDACS 모델은 LDACS type-1과 LDACS type-2의 두 가지 규격으로 정의 되었으며, 향후 면밀한 검토를 바탕으로 한 가지 시스템을 선정하여 운용하기로 하였다. 이에 본 논문에서는 두 LDACS 시스템의 규격 분석과 함께 채널 환경에 따른 수신 성능을 비교 및 평가함으로써 항공 통신 시스템에의 적용 가능성을 분석하였다. 분석결과, 두 시스템 모두 airport 채널 환경에서 큰 성능 열화를 보였으나 LOS 환경의 en-route 채널의 경우에 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, en-route 환경에서 LDACS type-1과 LDACS type-2의 비교 분석 결과, LDACS type-2 대비 LDACS type-1의 수신 성능이   BER 기준 1 dB 우수함을 확인 할 수 있었으며, 이는 보다 강력한 채널 부호가 적용되었기 때문으로 판단된다.

9기반 기술 : 랜덤 분포 구조의 분산 제어 광전송 링크에서 RDPS의 편차가 왜곡된 WDM 채널의 보상에 미치는 영향

저자 : 이성렬 ( Seong Real Lee )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 147-152 (6 pages)

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분산 제어 (DM; dispersion management)와 광 위상 공액 기술이 결합된 전송 링크의 융통적 구성을 위해 중계 구간 당 잉여 분산(RDPS; residual dispersion per span)이 랜덤하게 분포하는 링크에서 RDPS 편차에 따른 WDM 채널의 보상 특성을 살펴보았다. 또한 허용 가능 NRD (net residual dispersion) 관점에서 RDPS 편차에 따른 링크 설계 기준도 제시하였다. RDPS 편차가 적을수록 WDM 채널 보상 효과가 우수하다는 것을 확인하였다. 또한 특정 눈 열림 패널티 (EOP; eye opening penalty)를 얻을 수 있는 허용 가능 NRD가 RDPS 편차에 비례하여 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과는 융통적인 장거리 광전송 링크 설계에 참고 자료가 될 것으로 기대한다.

10응용 및 융합 기술 : Unicode 한글낱자의 UTF-8 부호화에 따른 HDB-3 스크램블링 발생빈도

저자 : 홍완표 ( Wan Pyo Hong )

발행기관 : 한국항행학회 간행물 : 한국항행학회논문지 19권 2호 발행 연도 : 2015 페이지 : pp. 153-160 (8 pages)

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본 논문은 국제적 문자부호체계인 유니코드 내에 있는 한글낱자와 호환용 한글낱자 부호를 통신망에 전송하기 위해 UTF-8부호로 변환할 때 회선부호기에서 발생하는 스크램블링의 발생빈도를 연구하였다. 본 논문에서 적용한 회선부호기의 스크램블링 방식은 ITU 및 한국의 표준전송방식인 HDB-3방식으로 하였다. 각 한글낱자부호에서 발생하는 스크램블링을 분석하기 위해 원천 부호화규칙을 적용하였다. 스크램블링 발생량은 각 한글낱자에서 발생하는 스크램블링의 발생횟수와 각 한글낱자의 사용빈도에 의한 발생 빈도율을 추출하였다. 연구결과 한글낱자의 부호에 대한 스크램블링 발생은 유니코드 체계내에서 24번, 52%, UTF-8체 계 내에서 148번, 228%발생하였다. 호환용 한글낱자 부호에서는 유니코드 체계내에서 10번, 14%, UTF-8 체계 내에서 83번, 131% 발생하였다. 즉, 유니코드체계의 한글낱자와 호환용 한글낱자는 UTF-8체계로 변환하면서 스크램블링 발생 빈도율이 각각 340%, 851%증가하는 것으로 나타났다.

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