(A) study on a non-contact sensing system using laser and vision sensors for measuring relative 6-DOF motion

Abstract

장거리용 정밀 6-자유도 모션 측정 기술은 조립 분야 및 해양 운송 산업, 특히 크레인의 안전하고 신속한 화물 운송에 필요한 기술 요소이다. 본 학위 논문은 야외환경에서 6자유도 운동을 장거리에서 높은 정밀도로 측정하는 센서 시스템을 개발함에 있다. 실제 산업에 적용하기 위하여 센서 성능 목표치는 다음과 같다. 50 미터 거리에서 목표물의 6자유도 운동을 실시간으로 측정해야 하며, 정확도는 10mm 및 0.5도 이내이어야 한다. 또한 해양환경에서 강인하게 측정이 가능해야 하며, 선박 표면과 같이 소수의 특이점만 존재하는 동면질감에도 측정이 가능해야 한다. 해양환경에서도 강인하고 정확한 위치 측정을 하기 위해서 본 연구에서는 레이저 센서를 기반으로 한 센서 시스템들을 제안하였다. 장거리에서 10mm 이내 정확도로 3-D 위치 측정하는 완제품 센서로는 레이저 트랙커 및 레이저 3D 센서가 있지만, 고가의 장비들이기에 현장에서 사용하기에는 부담이 크다. 카메라 기반의 Structure from Motion 와 같은 기술들이 존재하지만, 장거리의 위치를 정확하게 측정하기에는 한계가 있다. 또한 2-D 레이저 센서들과 카메라를 융합한 여러 방법들도 연구가 되었지만, 특징점들 위에 레이저 스캔점들이 항상 위치해야 함으로 소수의 특징점만 가지는 동적인 물체를 측정하는 데 있어서는 한계가 있다. 따라서 본 연구는 저비용의 레이저 거리 (1-D) 센서와 비전 센서를 활용하여 장거리 6-자유도 운동을 측정할 수 있는 새로운 방식의 측정시스템을 제안한다. 본 연구의 목표는 원거리 (<50m) 범위에서 물체의 6자유도 운동을 5mm 및 0.5도 이내의 정확도로 측정하기 위하여 센서 퓨전 알고리즘을 제안하고, 강인한 이미지 처리, 시스템 구조 최적화 해석을 통하여 측정 오차를 최소하는 구조로 센서 시스템을 설계 하였다. 연구에서 제안한 측정 시스템을 Three-Beam Detector라 명칭 하였고 3대의 레이저 거리 센서와 1개의 비전 카메라로 구성이 되어있다. 측정 기준위치(Reference ground)에서부터 목표물 표면 위에 투영하는 레이저 빔들의 이미지 2D 좌표 값들을 카메라로 확보하고 레이저 센서들의 거리 정보들을 이용하여 상대적 6-자유도를 계산하는 연구이다. 본 연구에서는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)의 방법을 통해 센서 배치 최적설계를 수행하고, 이를 통해 센서 본연의 노이즈 등 각종 외란에 대해서도 강인하며, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 디자인으로 설계하였다. 센서시스템의 6-자유도 측정 정확도는 1.5mm 와 0.18도로 실험적 검증을 하였다. 초기에 제안한 Three-beam detector는 카메라를 목표물 표면에 부착하는 시스템으로 설계가 되었었기에 휴대성에서 한계 점이 있었다. 따라서 원거리 목표물위에 카메라를 부착할 필요 없고, 물체 특징점들의 기하학적 사전 정보가 없이도 실시간으로 6자유도 운동을 측정 가능한 휴대용 센서 시스템을 새롭게 개발 하였다. 카메라를 목표물 표면에서 제거 하여서 기준 위치 점 (Reference ground)로 이동 하였고 레이저 센서들과 카메라를 하나의 유닛으로 설계하였다. 이에 맞게 본 연구에서는 원거리에서 표면의 특징 점들을 검출 및 추적하고 레이저 거리 측정값들과의 융합으로 6-자유도 운동을 계산하는 알고리즘을 새롭게 제안하였다. 여기서 레이저 센서의 빔들이 특징점 위에 위치하지 않아도 되는 장점이 있다. 30미터 거리에서 실행한 6-자유도 측정 실험 결과는 4 mm 와 0.5도의 정확도로 성능이 검증 되었다. 제안한 알고리즘은 물체의 표면이 평면 또는 곡선 관계없이 또한 이에 대한 사전 정보 없이도 6-자유도 모션을 측정 할 수 있다는 장점도 가지고 있다.