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표제지
목차
Ⅰ. 서론 29
1. 비젼로봇에 대한 연구동향과 시스템의 설계 배경 29
2. 장애물 회피에 관한 알고리즘 29
3. 자율이동로봇의 이동경로 및 경로계획 34
Ⅱ. 하드웨어 시스템 35
1. 로봇시스템의 구성 35
1.1 시스템의 구성 및 환경설정 35
1.1.1 시스템 구성 개요 및 환경 35
1.1.2 로봇의 구성 36
1.1.3 구동 모터 38
1) 스텝핑 모터의 특성 38
2) 스텝핑 모터의 구동 방법 40
3) 모터 구동 드라이버 44
1.2 제어명령 전송을 위한 무선통신 48
1.2.1 RF모듈의 특징 및 기능 48
1.2.2 데이터의 송, 수신 50
1.3 영상신호를 이용한 장애물 회피 및 경로추정 53
1.3.1 영상신호 획득과 장애물 회피 53
1.3.2 경로 추정 53
1.3.3 자율이동 로봇의 이동경로 56
2. Frame Grabber설계 57
2.1 영상보드의 구성 57
2.2 SAA7111A의 특징 및 설계 59
2.2.1 SAA7111A의 구조 및 특성 59
2.2.2 SAA7111A의 부분별 기능 63
2.2.3 I2C-bus 통신 66
2.2.4 SAA7111A를 이용한 영상 보드 설계 69
2.3 TMS320VC33의 특징 및 설계 71
2.3.1 TMS320VC33의 구조 및 특성 72
2.3.2 TMS320VC33을 이용한 영상 보드 설계 75
1) 외부 메모리 인터페이스 76
2) 디코더 & 웨이트 발생 로직 80
3) 부트로드를 위한 Flash Memory구성 82
2.3.3 부트 로드의 구현 84
1) 외부 메모리에 의한 부팅 84
2) 직렬 포트에 의한 부팅 86
3) 외부 플래시 메모리에 의한 부팅 86
2.4 EPM7256ATC144-12의 특징 및 설계 89
2.4.1 EPM7256ATC의 구조 및 특성 89
2.4.2 EPM7256ATC144를 이용한 영상 보드 설계 93
2.5 ADV7176A의 특징 및 설계 97
2.5.1 ADV7176A의 구조 및 특성 97
2.5.2 ADV7176A를 이용한 영상 보드 설계 102
2.6 ADV611의 특징 및 설계 104
2.6.1 ADV611의 구조 및 특성 104
2.6.2 ADV611의 데이터 압축 110
1) 데이터 압축기법 분류 110
2) 데이터 압축기법의 종류 111
2.6.3 ADV611을 이용한 영상 보드 설계 114
2.7 영상보드의 제원과 특성 118
Ⅲ. 장애물 회피를 위한 영상 전처리와 알고리즘 120
1. 영상전처리 120
1.1 영상처리의 개요 120
1.1.1 영상처리 기법의 분류 120
1) 영상처리의 분류 121
2) 영상처리 시스템의 분류 122
3) 영상처리의 기술적 측면의 분류 123
1.1.2 영상획득 125
1) 영상 파일의 구조 125
2) 영상의 표현 127
3) 영상을 파일에 쓰기 127
1.1.3 색상의 표현 129
1) 색상 (Hue) 129
2) 채도 (Saturation) 129
3) 명도 (Brightness) 129
4) 대비 (Contrast) 130
1.1.4 Color Model 130
1) RGB 모델 131
2) CMY 모델 132
3) HSI 모델 134
4) YCbCr 모델 135
5) Color 모델의 비교 136
1.2 입력영상 전처리 과정의 개요 137
1.3 Sobel 연산자에 의한 Edge detection 138
1.3.1 Edge detection 138
1) 유사연산자 141
2) 차연산자 기법을 이용한 에지 추출 141
3) 경계값을 이용한 에지 강조/약화 142
4) 1차 미분 142
5) 2차 미분 144
1.3.2 Sobel 연산자에 의한 경계 검출 145
1.3.3 Sobel 연산자를 적용한 결과 영상 146
1.4 NOR-converter에 의한 영상의 명암 반전 148
1.5 히스토그램과 Thresholding 149
1.5.1 히스토그램 149
1.5.2 이진화 (Binarization) 150
1) 고정 기준값 방법 151
2) 불규칙 잡음 방법 151
3) 불규칙 패턴 방법 151
4) 최소 오차 방법 152
5) 오차 분산 방법 152
1.5.3 Thresholding 153
1.5.4 Thresholding 적용 154
2. Labeling과 Segmentation을 이용한 장애물 인식 155
2.1 Labeling에 의한 면적 계산 155
2.1.1 Labeling 155
2.1.2 Labeling의 순차 알고리즘 157
2.1.3 크기 필터링(Size Filtering) 161
3. Line Histogram Intensity를 이용한 장애물 인식 162
3.1 Wavelet Transform 162
3.1.1 Wavelet Transform의 개념 162
3.1.2 Discrete Wavelet Transform 164
1) Orthogonal Wavelets 165
2) Multi-Resolution Analysis 166
3) MRA의 근사계수 167
4) MRA의 상세계수 168
5) 영상에서의 다해상도 분석방법 169
3.1.3 장애물 인식을 위한 WT 적용 알고리즘 171
Ⅳ. 실험결과 및 분석 174
1. Labeling 기법에 의한 장애물 회피 알고리즘 실험결과 174
2. Line histogram intensity 기법에 의한 장애물회피 알고리즘 실험결과 184
3. 분석 및 비교 208
3.1 이동로봇에 대한 기존의 연구동향 208
3.2 기존의 방법과 비교분석 209
Ⅴ. 결 론 211
참고문헌 214
Abstract 221
Appendix (영상처리 용어) 224
감사의 글 243
그림 1.1 CCD 카메라를 장착한 로봇의 구성 34
그림 2.1 전체 시스템 블록도 34
그림 2.2 로봇에 적용된 캐터필터와 전원 모듈 37
그림 2.3 부품의 설계 도면과 완성품 37
그림 2.4 로봇에 적용된 기어드 스테핑 모터 38
그림 2.5 12-step/rev 하이브리드형 스테핑 모터와 로터의 구조 40
그림 2.6 1상 풀 스텝구동 41
그림 2.7 1상 풀 스텝구동 전류 42
그림 2.8 2상 풀 스텝구동 42
그림 2.9 2상 풀 스텝구동 전류 43
그림 2.10 하프 스텝구동 43
그림 2.11 하프 스텝구동 전류 44
그림 2.12 유니폴라 구성 및 구동회로 45
그림 2.13 L297의 블록 다이어그램과 핀들 46
그림 2.14 SLA7024의 내부 구조와 핀들 47
그림 2.15 L297과 SLA7024를 이용한 스테핑 모터 구동드라이버 47
그림 2.16 BIM 모듈의 블록 다이어그램 48
그림 2.17 순서도 55
그림 2.18 목표지점까지의 이동경로 56
그림 2.19 영상보드의 구성도 57
그림 2.20 영상보드의 실제 모습 57
그림 2.21 SAA7111A의 구조 59
그림 2.22 SAA7111A의 핀 구성 60
그림 2.23 아날로그 입력 처리부의 구성 63
그림 2.24 색신호 제어부의 구성 64
그림 2.25 휘도신호 제어부의 구성 65
그림 2.26 시작 조건과 종료 조건 68
그림 2.27 IC-bus에서의 Acknowledge 신호 69
그림 2.28 SAA7111A와 TMS320VC33의 회로도 70
그림 2.29 SAA7111A의 회로도 71
그림 2.30 TMS320VC33의 구조 72
그림 2.31 TMS320VC33의 회로도 76
그림 2.32 외부 메모리 인터페이스 회로 77
그림 2.33 Flash ROM 인터페이스 회로 78
그림 2.34 K6R4016V1C의 회로도 79
그림 2.35 zero wait수행시 외부데이터 메모리의 80
그림 2.36 one wait 발생 타이밍도 81
그림 2.37 Am29F200B의 로직 심벌과 핀 구성 83
그림 2.38 Am29F200B의 칩 구성과 회로도 84
그림 2.39 Am29F200B의 Program 순서도 87
그림 2.40 Am29F200B의 지우기 프로그램 순서도 88
그림 2.41 EPM7256ATC144의 내부구조 90
그림 2.42 PIA의 루틴 91
그림 2.43 I/O 컨트롤 블록 91
그림 2.44 매크로 셀의 구조 92
그림 2.45 다중 전압 I/O 인터페이스 93
그림 2.46 데이터 래치 94
그림 2.47 어드레스를 이용한 디코드 95
그림 2.48 디멀티플렉서 96
그림 2.49 EPM7256ATC144의 회로도 97
그림 2.50 ADV7176A의 구조 98
그림 2.51 ADV7176A의 핀 구성 98
그림 2.52 ADV7176A의 인터페이스 103
그림 2.53 ADV7176A의 회로도 104
그림 2.54 ADV611의 기능에 따른 블럭도 105
그림 2.55 ADV611의 핀 구성 107
그림 2.56 Run-length 압축형식 112
그림 2.57 Huffman 압축기법 113
그림 2.58 ADV611을 이용한 영상보드 블록도 114
그림 2.59 DRAM과 SAA7111A 인터페이스 115
그림 2.60 ADV7176 인터페이스 116
그림 2.61 ADV611의 제어신호 인터페이스 116
그림 2.62 ADV611의 회로도 117
그림 2.63. 완성된 영상보드 118
그림 3.1 회색 영상데이터 저장형식 126
그림 3.2 칼라 영상데이터 저장형식 127
그림 3.3 RGB color map 131
그림 3.4 CMY color map 133
그림 3.5 HSI color map 135
그림 3.6 이동로봇에서 얻어진 원 영상 138
그림 3.7 에지의 종류 139
그림 3.8 유사연산자 141
그림 3.9 차 연산자 142
그림 3.10 밝기의 변화량으로 물체의 윤곽선을 추출 143
그림 3.11 1차 미분에 의한 연산자 143
그림 3.12 밝기의 변화량으로 물체의 윤곽선을 추출 145
그림 3.13 수평 및 수직 방향 Sobel 연산자 마스크 146
그림 3.14 Sobel 연산자에 의한 경계검출 147
그림 3.15 NOR convert 된 영상 149
그림 3.16 영상의 밝기 값들의 히스토그램 150
그림 3.17 Bayer의 불규칙 패턴 152
그림 3.18 경계치 설정 154
그림 3.19 경계치229로 설정된 NOR필터 변환 영상 155
그림 3.20 이웃화소 156
그림 3.21 라벨링의 예 157
그림 3.22 4-연결도 순차 연결성분 알고리즘 160
그림 3.23 라벨링의 순서도 160
그림 3.24 크기 필터링 (T=10) 161
그림 3.25 다해상도 분석공간 Vm 166
그림 3.26 직교여공간 W의 정의 (V⊥W) 168
그림 3.27 다해상도 분석방법을 이용한 이미지 투영 170
그림 4.1 영역이 분할 된 영상 3.19(a) 175
그림 4.2 영상 3.19(a)의 분할영역 면적계산 175
그림 4.3 영역이 분할 된 영상 3.19(b) 176
그림 4.4 영상 3.19(b)의 분할영역 면적계산 176
그림 4.5 영역이 분할 된 영상 3.19(c) 177
그림 4.6 영상 3.19(c)의 분할영역 면적계산 178
그림 4.7 영역이 분할 된 영상 3.19(d) 179
그림 4.8 영상 3.19(d)의 분할영역 면적계산 179
그림 4.9 영역이 분할 된 영상 3.19(e) 180
그림 4.10 영상 3.19(e)의 분할영역 면적계산 180
그림 4.11 영역이 분할 된 영상 3.19(f) 181
그림 4.12 영상 3.19(f)의 분할영역 면적계산 182
그림 4.13 영역이 분할 된 영상 3.19(g) 183
그림 4.14 영상 3.19(g)의 분할영역 면적계산 183
그림 4.15 영상 3.19(a)의 line histogram intensity scan 184
그림 4.16 히스토그램 측정 결과 187
그림 4.17 영상 3.19(b)의 line histogram intensity scan 188
그림 4.18 히스토그램 측정 결과 190
그림 4.19 영상 3.19(c)의 line histogram intensity scan 191
그림 4.20 히스토그램 측정 결과 193
그림 4.21 영상 3.19(d)의 line histogram intensity scan 194
그림 4.22 히스토그램 측정 결과 196
그림 4.23 영상 3.19(e)의 line histogram intensity scan 197
그림 4.24 히스토그램 측정 결과 199
그림 4.25 영상 3.19(f)의 line histogram intensity scan 200
그림 4.26 히스토그램 측정 결과 202
그림 4.27 영상 3.19(g)의 line histogram intensity scan 203
그림 4.28 히스토그램 측정 결과 205
그림 4.29 영상 3.19(h)의 line histogram intensity scan 206
그림 4.30 히스토그램 측정 결과 208
표 2.1 무선 통신을 위한 제어신호 51
표 2.2 SAA7111A의 핀의 구성과 기능 61
표 2.3 출력데이터의 형태 66
표 2.4 C-bus 용어 정의 67
표 2.5 INT핀의 상태에 의한 동작 85
표 2.6 외부 부팅 메모리의 헤더 구성 형식 85
표 2.7 AVD7176A의 각 핀의 기능 99
표 2.8 Luminance 내부 필터 응답 101
표 2.9 Chrominance 내부 필터 응답 102
표 3.1 Color model의 비교 136
표 3.2 NOR 함수의 진리표 148
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