KR100433272B1 - 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법 - Google Patents

과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법에 관한 것으로, 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 X, Y축 거리를 검출하는 독립된 제 1, 2 카메라들(2,4)과; 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착되어 Z축인 수확 대상물과의 직선거리를 검출하는 레이저센서(3)와; 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)과 레이저센서(3)를 부착한 6축 머니퓰레이터(20)와; 상기 제 1,2 카메라들(2,4)에 각각 연결되어 상기 수확 대상물의 영상을 처리하는 제 1,2 영상보드들(31,32)과; 상기 6축 머니퓰레이터(20)에 연결되어 제어하는 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)와; 상기 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)와 상기 제 1,2 영상보드들(31,32)에 연결되어 일련의 제어를 하는 컴퓨터(50)로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명은 두 대의 카메라와 레이저 센서를 이용하여 스테레오 영상처리와 팬틸팅 기법으로 수확 대상물의 3차원 위치를 검출할 수 있는 효과가 있다.

Description

과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법{An apparatus of detecting 3-D position of fruits and method of detecting 3-D position of it}
본 발명은 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중첩되거나 잎, 가지 등의 장애물에 일부 가려져 있는 과채류와 과실을 검출할 수 있는 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치 및 그의 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 과채류 및 과실은 수확하기에는 상당한 노동력이 소요된다. 이에 따라, 최근 로봇을 이용하여, 과채류 및 과실을 수확하거나, 이식작업 등을 용이하게 하려는 연구가 계속적으로 진행되고 있다.
이러한 과실 수확용 로봇의 시각장치에 관한 연구로, 카메라의 2차원 평면에 투영된 영상의 위상차를 이용하여 미니토마토의 3차원 거리를 검출하는 시각장치와, 다관절 머니퓰레이터, 주행장치 및 진공으로 대상물을 흡인하고, 꼭지를 절단하여 수확하는 연구가 있었고, 또 다른 방법으로, 카메라에서 입력된 영상으로 색성분을 추출하여 적숙 토마토, 미숙 토마토 및 경엽 등을 식별할 수 있는 시각장치와 공압패드에 의한 흡착과 칼날회전으로 꼭지를 절단하는 연구가 이미 완성되었다.
그런데, 이러한 과실 수확의 장치 및 방법은 수확대상이 중첩되거나 잎 등에 가려져 있는 경우에는 검출이 되지 않는 문제점이 발생하였다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 X, Y축 거리를 검출하는 독립된 카메라들과, Z축 거리를 검출하는 레이저센서를 구비하고, 6축 머니퓰레이터를 스테레오 영상처리와 팬틸팅 기법으로 수확 대상물의 3차원 위치를 검출함으로써, 중첩되거나 잎 등에 가려져 있는 수확 대상물을 정확히 검출할 수 있는 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 X, Y축 거리를 스테레오 영상처리기법에 의해 검출하고, Z축 거리는 직선거리를 검출하는 스테레오 영상처리와 팬틸팅 기법으로 중첩되거나 잎 등에 가려져 있는 수확 대상물을 정확히 검출하는 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치는 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 X, Y축 거리를 검출하는 독립된 제 1, 2 카메라들(2,4)과; 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착되어 Z축인 수확 대상물과의 직선거리를 검출하는 레이저센서(3)와; 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)과 레이저센서(3)를 부착한 6축 머니퓰레이터(20)와; 상기 제 1,2 카메라들(2,4)에 각각연결되어 상기 수확 대상물의 영상을 처리하는 제 1,2 영상보드들(31,32)과; 상기 6축 머니퓰레이터(20)에 연결되어 제어하는 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)와; 상기 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)와 상기 제 1,2 영상보드들(31,32)에 연결되어 일련의 제어를 하는 컴퓨터(50)로 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적에 의한 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법은 6축 머니퓰레이터(20)의 3축의 상부에 부착된 제 1 카메라(2)와 제 2 카메라(4)로 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 영상을 획득하는 제 1 단계와; 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 레이저센서(3)의 빔발사점에서 수확 대상물과의 Z축거리(Rz),상기 빔발사점에서 수확 대상물이 존재하는 수평방향점과의 X축거리(Rx)와 상기 수확 대상물이 존재하는 수평방향점에서 수확 대상물의 중심점까지의 Y축거리(Ry)인 3차원 거리를 구하는 제 2 단계와; 상기 Z축거리(Rz)와 X축거리(Rx)에 의해 빔발사점에서 상기 수확 대상물의 수평방향점까지의 제 1 각도(θx )를 구하고, 상기 Z축거리(Rz), X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)에 의해서, 상기 빔발사점을 기준으로 상기 수평방향점에서 상기 수확 대상물의 중심점까지의 제 2 각도(θy )를 구하는 제 3 단계와; 상기 제 1 각도(θx )와 제 2 각도(θy )만큼 상기 6축 머니퓰레이터(20)의 1축과 3축을 움직여, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 상기 레이저센서(3)의 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점을 일치시키는 제 4 단계와; 상기 레이저센서(3)로 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점의 Z축거리(Rz)를 검출하고, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)를 구하는 제 5 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 3차원 위치를 검출하기 위한 카메라의 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 스테레오 영상법의 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 수확 대상물의 영상과 팬틸팅으로 두 카메라의 중심에 과실이 위치시킨 상태의 사진이다.
도 6는 본 발명에 의한 레이저센서의 빔 발사 중심이 과실의 중심에 발사된 상태의 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 대상물 2,4 : 제 1, 2 카메라
3 : 레이저센서 20 : 6축 머니퓰레이터
31,32 : 제 1, 2 영상보드 40 : 6축 머니퓰레이터 조절장치
50 : 컴퓨터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 장치의 개략적인 구성도로써, 과채류와 과실 같은 수확 대상물(1)의 X, Y축 거리를 독립된 제 1, 2 카메라들(2,4)에 의해 검출하고, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 레이저센서(3)로 Z축인 수확 대상물과의 직선거리를 검출한다.
상기 두 카메라(2,4)의 사이에 부착된 레이저센서(3)는 카메라의 광축과 수평을 유지하도록 하고, 이와 동시에 수직방향으로 동일 높이에서 빔 발사가 이루어지게 한다.
상기 제 1, 2 카메라들(2,4)과 레이저센서(3)를 6축 머니퓰레이터(20)의 3축의 상부에 부착하고, 상기 제 1,2 카메라들(2,4)에는 제 1,2 영상보드들(31,32)이 각각 연결되어 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)로부터 전송된 상기 수확 대상물의 영상을 처리한다. 그리고, 상기 6축 머니퓰레이터(20)는 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)에 연결되어 제어신호를 전달받는다. 이런 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)와 상기 제 1,2 영상보드들(31,32)도 또한, 컴퓨터(50)에 연결되어 일련의 제어를 받는다.
상기 제 1, 2 카메라들(2,4)에서 입력된 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 영상은 상기의 제 1,2 영상보드들(31,32)로 각각 입력되고, 상기 컴퓨터(50)에 의해 3차원 거리를 검출하고, 이 영상처리 결과에 따라 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)의 제어를 받아 상기 6축 머니퓰레이터(20)는 수확 대상물까지 이동한다.
이러한 6축 머니퓰레이터 조절장치(40)는 상기 컴퓨터(50)과 시리얼통신을 이용하여 순차 제어된다. 그러므로, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)에서 입력된 과채류와 과실 같은 수확 대상물(1)의 영상은 상기의 제 1,2 영상보드들(31,32)로 각각 입력되므로, 영상의 획득시간이 더욱 빨라진다.
도 2는 본 발명에 의한 3차원 위치를 검출하기 위한 카메라의 관계를 도시한 도면으로써, 6축 머니퓰레이터(20)의 3축 상부에 부착된 제 1 카메라(2)와 제 2 카메라(4)로 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 영상은 획득되며, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 레이저센서(3)의 빔발사점(8)에서 수확 대상물과의 Z축거리(Rz),상기 빔발사점(8)에서 수확 대상물이 존재하는 수평방향점(7)과의 X축거리(Rx)와 상기 수확 대상물이 존재하는 수평방향점(7)에서 수확 대상물의 중심점(9)까지의 Y축거리(Ry)인 3차원 거리를 구한다.
도 2에서, 상기 레이저센서(3)의 빔발사점(8)에서 상기 수확 대상물의 수평방향점(7)까지의 각도를 제 1 각도(θx )라 하고, 상기 빔발사점(8)을 기준으로 상기 수평방향점(7)에서 상기 수확 대상물의 중심점(9)까지의 각도를 제 2 각도(θy)라 하며, 이를 팬틸팅(Pan·Tilting)각도라 한다.
상기 레이저센서(3)의 상기 Z축거리(Rz)와 X축거리(Rx)에 의해, 상기 제 1 각도(θx )를 구할 수 있고, 상기 Z축거리(Rz), X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)에 의해서, 제 2 각도(θy )를 구한다.
도 3은 본 발명에 의한 스테레오 영상법의 원리를 도시한 도면으로써, 수확대상물(1)이 제 1,2 카메라에 촬상이 되어, 제 1,2 영상을 나타내고 있다.
수확 대상물까지의 3차원 거리인 Z축거리(Rz), X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)중, X축거리(Rx)는를 이용하여 구하고,
여기서 Imgx 는 기준 카메라의 X축 변화량이다.
LF는 초점거리이다.
Y축거리(Ry)는를 이용하여 구하고,
여기서 Imgy 는 상기 기준 카메라의 Y축 변화량이다.
또한, Z축거리(Rz)는를 이용하여 구한다.
여기서 Imgz는 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 X축 위치변화량이고,
Lb는 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 거리이다.
도 4는 본 발명에 의한 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법의 순서도로써, 최초 머니퓰레이터의 X축을 -15°만큼 수평으로 이동하여(스텝 61), 제 1, 2카메라에서 과채류와 과실과 같은 수확 대상물의 영상이 존재하면 획득한다.(스텝 62) 획득된 수확 대상물의 영상을 가지고, 스테레오영상처리법을 이용하여 X,Y,Z축 방향의 3차원 거리를 구하고, 그 거리에 의해 팬틸팅 각도인 제 1 각도(θx )와 제 2 각도(θy )를 계산하고(스텝 63), 이 팬팅팅 각도 만큼, 머티퓰레이터(20)의 1축과 3축을 움직여, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 상기 레이저센서(3)의 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점을 일치시킨다(스텝 64).
상기 레이저센서(3)로 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점의 거리인 Z축거리(Rz)를 검출하고, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)를 구한다.(스텝 65)
이와같이, 수확 대상물의 정확한 X축거리(Rx), Y축거리(Ry)와 Z축거리(Rz)을 알아낸 후, 머니퓰레이터(20)를 이동하여 대상물을 수확할 수 있다.(스텝 66)
상기 스텝 66에서 머니퓰레이터(20)를 이동하여 대상물의 수확을 완료했거나, 상기 스텝 62에서 제 1,2 카메라에 대상물이 존재하지 않으면, +15°가 될 때까지 5°씩 상기 머니퓰레이터(20)를 이동하면서 수확할 대상물의 영상을 찾는다.
상기 5°씩 상기 머니퓰레이터(20)을 이동하여, 수확 대상물의 영상이 존재하면, 스텝 63,64,65와 66을 계속 반복 수행한다.
한편, 상기 스텝 66을 완성한 다음, 스테레오 영상처리를 재차 수행하여, 팬틸팅 각도를 계산한 후, 머니퓰레이터(20)를 다시 움직인다. 그런 다음, 레이저 센서에서 빔이 발사되고, Z축 거리가 보정된 3차원 거리를 계산함으로써, 정밀한 수확 대상물의 3차원 위치를 검출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 수확 대상물의 영상과 팬틸팅으로 두 카메라의 중심에 과실이 위치시킨 상태의 사진으로써, 영상입력의 명칭이 있는 사진들은 제 1,2 카메라에 의해 대상물의 영상을 획득한 상태(71,72)를 나타내고 있고, X축과 Y축 조절의 명칭이 있는 하부의 사진들은 팬틸팅에 의해 두 카메라의 중심에 과실이 위치하도록 한 상태(73,74)를 나타내고 있다.
도 6은 본 발명에 의한 레이저센서의 빔 발사 중심이 과실의 중심에 발사된 상태의 사진으로써, 과실이 양 측면이 잎 등에 가려져 있어도, 팬팅팅을 함으로써, 두 카메라의 중심에 부착된 레이저 센서의 빔 발사 중심이 과실에 정확히 발사된 상태를 나타내고 있고, 이 레이저 센서의 빔 발사로 Z축의 거리를 구할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 두 대의 카메라와 레이저 센서를 이용하여 스테레오 영상처리와 팬틸팅 기법으로 수확 대상물의 3차원 위치를 검출할 수 있고, 대상물이 잎 등의 장애물에 일부 가려져 있어도 검출이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 6축 머니퓰레이터(20)의 3축 상부에 부착된 제 1 카메라(2)와 제 2 카메라(4)로 과채류와 과실 같은 수확 대상물의 영상을 획득하는 제 1 단계와;
    상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 레이저센서(3)의 빔발사점에서 수확 대상물과의 Z축거리(Rz),상기 빔발사점에서 수확 대상물이 존재하는 수평방향점과의 X축거리(Rx)와 상기 수확 대상물이 존재하는 수평방향점에서 수확 대상물의 중심점까지의 Y축거리(Ry)인 3차원 거리를 구하는 제 2 단계와;
    상기 Z축거리(Rz)와 X축거리(Rx)에 의해 빔발사점에서 상기 수확 대상물의 수평방향점까지의 제 1 각도(θx )를 구하고, 상기 Z축거리(Rz), X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)에 의해서, 상기 빔발사점을 기준으로 상기 수평방향점에서 상기 수확 대상물의 중심점까지의 제 2 각도(θy )를 구하는 제 3 단계와;
    상기 제 1 각도(θx )와 제 2 각도(θy )만큼 상기 6축 머니퓰레이터(20)의 1축과 3축을 움직여, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 사이에 부착된 상기 레이저센서(3)의 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점을 일치시키는 제 4 단계와;
    상기 레이저센서(3)로 빔 발사점과 수확 대상물의 중심점의 Z축거리(Rz)를 검출하고, 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 촬상면에 맺힌 영상의 위치변화량을 이용한 스테레오 영상처리법으로 X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)를 구하는 제 5 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 단계와 제 5 단계에서 스테레오 영상처리법으로 X축거리(Rx)와 Y축거리(Ry)를 구하는 것은,
    X축거리(Rx)는를 이용하여 구하고,
    여기서 Imgx 는 기준 카메라의 X축 변화량이다.
    LF는 초점거리이다.
    Y축거리(Ry)는를 이용하여 구하고,
    여기서 Imgy 는 상기 기준 카메라의 Y축 변화량이다.
    상기 제 2 단계의 스테레오 영상처리법으로 Z축거리(Rz)를 구하는 것은,
    Z축거리(Rz)는를 이용하여
    여기서 Imgz는 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 X축 위치변화량이고,
    Lb는 상기 제 1, 2 카메라들(2,4)의 거리이다.
    구하는 것을 특징으로 하는 과채류와 과실의 3차원 위치 검출 방법.
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