3축 짐벌 카메라를 이용한 드론 자율 착륙 시스템

Abstract

본 논문에서는 짐벌 카메라를 이용하여 시각 정보를 통해 드론을 자율 착륙시킬 수 있는 시스템을 제안한다. 기존의 시스템들은 드론의 하방이나 특정 방향으로 카메라를 고정해 설계하나, 넓은 영역에서부터 드론을 착륙시켜야 할 때는 단일 카메라의 시야 영역으로는 객체 추적에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결할 방법으로 짐벌을 드론에 장착하여 카메라가 목표를 더 자유롭게 추적하는 것이다. 기존에 존재하는 짐벌 시스템에서는 카메라에 투영되는 객체의 좌표 정보를 기반으로 짐벌을 회전하여 추적하는데, 드론의 운동 상태를 고려하지 않아 원하는 상태로 안정적으로 도달하지 않고 객체 추적에도 실패할 수 있는 문제가 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 짐벌의 3축을 모두 활용하고, 짐벌이 융합된 드론의 운동학을 고려하여, 카메라가 목표 지점을 안정적으로 추적하면서 자율적으로 착륙할 수 있는 시스템을 만들었다. 본 시스템에서는 두 가지의 제어 시스템을 설계하여 사용하였다. 첫 번째 제어 시스템에서는 드론의 선속도와 짐벌의 각속도를 제어 입력 변수로 설계하여 일정한 고도를 유지하며 목표 지점으로 가까워지도록 한다. 두 번째 제어 시스템에서는 가상 카메라 개념을 이용하여 짐벌을 고정하고 드론의 선속도를 제어하여 수직 착륙이 가능한 지점으로 수렴하도록 한다. 자율 시스템을 동작할 시 처음에는 짐벌과 드론을 회전시켜 목표 지점 탐색을 시도하고, 탐색에 성공하면 첫 번째 제어 시스템을 이용하여 이동할 수 있도록 하였다. 목표 지점에 충분히 가까워 지면 두 번째 제어 시스템으로 전환하여 수직 착륙이 가능한 지점으로 도달할 수 있도록 하고 최종적으로 착륙하도록 하였다. 시뮬레이션을 통해 구현한 시스템의 유효성을 확인하였고, 실제 실험을 통해서도 자율 착륙을 할 수 있음을 보였다.