Automatic Landing Algorithm of a Quadrotor Using Stereo Vision on Unknown Terrain

Abstract

In this thesis, study on the automatic landing using the information of stereo vision is performed for a quadrotor. Recently, vision sensor has been widely applied to aircraft systems for the estimation of relative attitude and position, obstacle detection and avoidance, 3-dimentional map reconstruction, and path planning. Though a lot of works have been done in these fields, study on the automatic landing on unknown territory has not performed much. It is an important issue, however, when UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is in an urgent situation such as lack of fuel or a desired mission includes a landing on unknown region. Also, these situations may occur in enemy region or inaccessible environment, which means that there is no prior knowledge of topography at all. Therefore, a landing guidance algorithm without using predesigned landing target is required. A quadrotor UAV can perform vertical take-off and landing (VTOL), and therefore it can access dangerous regions easily and perform various missions. The dynamics of the quadrotor is highly nonlinear because of its inherent structure. In this study, the quadrotor dynamics is strictly modeled, and actuator dynamics is also considered. The under-actuated quadrotor problem is solved by introducing virtual inputs. Waypoint guidance and controller are designed using feedback linearization and linear quadratic tracker. Stereo vision is used to acquire depth map, and the edge of the depth map is extracted by Canny method. Then, the most appropriate area for a landing is searched by using a distance transform. The flatness and largeness of the area are used for the measure of the proper landing. Numerical simulation is performed to verify the proposed automatic landing algorithm.

카메라와 같은 영상 센서는 최근 항공분야에서 활발히 사용되고 있으나, 영상 정보를 이용하여 미지 지형에 대해 자동착륙을 위한 연구는 많이 수행되지 않았다. 무인항공기가 연료부족과 같은 위급한 상황이나 착륙을 필요로 하는 임무를 수행할 경우에 미지 지형에 대한 자동착륙은 중요하다. 특히, 정보를 사전에 갖지 못하는 적군의 지역이나 인간이 접근하지 못하는 위험한 지형에 대한 경우는 더욱 그러하다. 본 논문에서는 미지 지형에 쿼드로터가 자동착륙을 하기 위한 알고리즘을 제안하고 있다. 본 연구에서는 쿼드로터를 정밀하게 모델링 하였으며, 비선형 입력을 고려하여 구동기 동역학을 모델링 하였다. 궤환선형화 (feedback linearization) 기법과 선형최적 추종제어 (linear quadratic tracker) 기법을 적용하여 경로점 유도를 위한 제어기를 설계하였다. 스테레오 영상 정보를 통하여 뎁스 맵을 얻은 후, 윤곽선을 케니 (Canny) 방법으로 검출하였다. 그리고 distance transform을 이용하여 지형의 평평함과 넓음을 측정하고, 착륙에 적절한 지역을 탐색하였다. 그리고 경로점 유도기법을 통해 선정된 착륙지점으로 쿼드로터를 유도하도록 하였다. 본 논문에서 제안한 자동착륙 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.