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2021 Mini-drone Narsha

  • CNN, 다항식 곡선 피팅을 활용한 팀 나르샤 2021 mini-drone 기술 워크샵

  • 드론이 원형장애물을 인지하고, 통과하기 위하여 크게 2가지 알고리즘을 사용한다.[back, forward, left, right, up, down]로 구성된 6 classes CNN는 드론을 장애물의 중점에 위치시키며, 이후 드론이 장애물을 통과하기 위해 이동해야 하는 거리는 다항식 곡선 피팅을 기반으로 하여 계산한다.

testing

  • 실제 드론의 해당대회 맵 이동영상(4배속)

⭐ Team Narsha

목차

  1. 사용 패키지
  2. 파일 구조
  3. 대회진행 전략
  4. CNN 모델
  5. 다항식 곡선 피팅
  6. 각 단계별 알고리즘 정리
  7. 소스코드 설명

1. 사용 패키지

2. 파일 구조


├── cnn                 
│       └── model: drone_cnn.onnx      
├── regression                                         
│       ├── step1_p2.xls   - 1단계 장애물 다항식 곡선 피팅        
│       ├── step2_p3.xls   - 2단계 장애물 다항식 곡선 피팅          
│       └── step3_p3.xls   - 3단계 장애물 다항식 곡선 피팅          
└── main.m

3. 대회진행 전략

  1. 장애물 중점 탐색 : CNN 모델을 활용한 tello 드론의 이동방향 결정
  • 상세: 본 대회에서 제공하는 맵은 장애물이 x,y,z축 상에서 고정되지 않고 변동이 가능하여, 장애물의 위치에 대한 수많은 다양성이 존재한다.
    장애물의 중점과 같은 좌표값을 찾는 방식의 경우, 특정 상황에서만 적용 가능하기에 발생할 수 있는 모든 경우를 대처하기에는 제한적인 방식이라고 판단하였다. 따라서 장애물의 중점을 구체적인 좌표값으로 찾지 않고, 여러 상황에 대해서 처리가 가능한 CNN을 활용하였다.
    최대한 많은 예외상황을 처리할 수 있는 CNN모델을 활용해 드론이 장애물을 바라보는 시점의 frame에서 장애물의 중점으로 이동하기 위한 방향을 얻은 후, 해당 방향으로 tello의 최소 거리 단위만큼 움직이도록 하는 방식을 채택하였다.
  1. 장애물 통과를 위한 전진 거리 결정 : 다항식 곡선 피팅을 활용한 각 단계별 구멍 크기에 따른 전진 거리 결정
  • 상세: 중점을 찾은 후에 드론이 바라보는 구멍의 크기는 각 단계별로 고정되어 있는 크기이므로, 이에 기반하여, 드론이 장애물을 통과하기 위해 움직여야 하는 거리를 다항식 곡선 피팅을 활용하여 얻었다.
    물론 드론이 앞으로 움직일 때 일정 거리부터 구멍의 윗부분이 잘리는 상황이 발생하였지만, 모든 1~3m 상황에서 증가되는 구멍 크기의 정도에는 차이가 있었더라도, 증가되는 경향은 계속 보였기 때문에, 각 거리와 구멍의 크기를 일대일 대응시킬 수 있었다.

is_center

여기서 장애물의 중점에 드론이 위치한다는 것은 장애물의 중점과 드론이 동일 축상에 위치한다는 것을 의미한다.

4. CNN 모델

연산량을 최대한으로 줄이기 위하여 input image는 tello가 얻는 frame을 마스킹 한 후에 추가적으로 0.3배 만큼 줄여서 [216, 288, 1]형태를 사용한다.

cnn_model_architecture

결과적으로 드론은 장애물의 중점에 위치되도록 ryze tello drone이 제공하는 6가지 이동방향 [back, forward, left, right, up, down] 에 해당하는 결론을 내리게 된다.

cnn_label_result

5. 다항식 곡선 피팅

CNN을 활용하여 장애물의 중점을 찾은 후에는 장애물을 통과하기 위한 moveforward의 distance에 해당하는 값을 알아내야 한다.

step3_6

1,2,3단계 각각의 구멍크기는 고정되어 있는 상황이기 때문에, 이를 이용하여 다항식 곡선 피팅을 실시하였다. 먼저 장애물에서 구멍만을 추출하면 위와 같은 데이터를 얻을 수 있다.

step3_p2

추출된 구멍의 크기를 이용하여 드론과 장애물 사이의 거리를 예측할 수 있도록 다항식 곡선 피팅을 한다.

드론이 앞으로 움직이면 일정 거리부터 구멍의 윗부분이 잘리는 상황이 발생했지만, 모든 1~3m 상황에서 증가되는 구멍 크기의 양에는 차이가 있더라도, 증가되는 경향은 계속 보였기 때문에, 데이터의 형태가 지수함수나 이차함수 꼴이라고 생각하였다. 각각의 오차율을 토대로 분석한 결과, 이차함수꼴이 더 타당하다는 결과를 얻을 수 있었다.

6. 각 단계별 알고리즘 정리

1) 1단계

1단계의 경우에는 장애물의 중점의 높이가 고정되어 있는 상황이므로, 이에 해당하는 높이로 드론을 위치시키고 미리 준비한 다항식 곡선 피팅 값을 활용하여 한번에 장애물을 통과하도록 한다.
step_1

통과한 후에는 시간을 최대한 줄이기 위하여 표식의 존재여부만을 마스킹을 통하여 확인하고 드론을 좌회전한다.

2) 2,3단계

2, 3단계의 경우에는 장애물의 중점과 드론 사이에 존재하는 변수의 양이 늘어났기 때문에, 이를 CNN을 활용하여 처리한다. 즉, CNN을 통해 드론을 장애물의 중점에 위치시키고, 마찬가지로 각 단계에 해당하여 미리 준비한 다항식 곡선 피팅 값을 활용하여 한번에 장애물을 통과하도록 한다.
step_2_3

통과한 후에는 시간을 최대한 줄이기 위하여 표식의 존재여부만을 마스킹을 통하여 확인하고 드론을 좌회전하거나 착지시킨다.

7. 소스코드 설명

1) HSV Transformation and Masking Processing

연산량을 줄이기 위해 tello가 얻는 frame을 HSV 색공간으로 변환한 후, 특정 색상만 검출되도록 마스킹 처리한다.

장애물의 색상과 표식의 색상에 대해서만 마스킹 처리하였으며, 각 색상에 대한 마스킹 처리는 함수화한다.


function masked_blue = masking_blue(frame)
    hsv = rgb2hsv(frame);
    h = hsv(:,:,1);
    s = hsv(:,:,2);
    v = hsv(:,:,3);

    img = (0.570.3)&(v<0.97);
    masked_blue = imresize(img, 0.3);
end

장애물 색상에 해당하는 파란색만 검출되도록 마스킹 처리한다. 마스킹 처리가 완료되면 3차원 배열인 RGB에서 흑백에 해당하는 2차원 배열로 변환되며, 파란색은 백색(1), 파란색을 제외한 나머지 색상은 흑색(0)으로 인식된다.


function masked_red = masking_red(frame)
    hsv = rgb2hsv(frame);
    h = hsv(:,:,1);
    s = hsv(:,:,2);
    v = hsv(:,:,3);
    masked_red = (0.950.1)&(v<0.97);
end

1, 2단계 표식에 해당하는 빨간색만 검출되도록 마스킹 처리한다. 마스킹 처리가 완료되면 빨간색은 백색(1), 빨간색을 제외한 나머지 색상은 흑색(0)으로 인식된다.


function masked_purple = masking_purple(frame)
    hsv = rgb2hsv(frame);
    h = hsv(:,:,1);
    s = hsv(:,:,2);
    v = hsv(:,:,3);
    masked_purple = (0.70.1)&(v<0.97);
end

3단계 표식에 해당하는 보라색만 검출되도록 마스킹 처리한다. 마스킹 처리가 완료되면 보라색은 백색(1), 보라색을 제외한 나머지 색상은 흑색(0)으로 인식된다.

2) Distance prediction using multiburve fitting

장애물의 구멍 크기는 각 단계별로 고정된 값이므로, 이를 기반으로 하여 드론이 장애물을 통과하기 위해 전진해야하는 거리를 예측한다. 거리 예측은 다항식 곡선 피팅을 활용한다.


function hole = finding_hole(detect_blue)
    for i=1:288
        detect_blue(1,i)=1;
    end
    for i=1:288
        detect_blue(216,i)=1;
     end

    hole = imfill(detect_blue,'holes');
    
    for x=1:216
        for y=1:288
            if detect_blue(x,y)==hole(x,y)
                hole(x,y)=0;
            end
        end
    end
end

imfill 함수를 통해 장애물의 구멍을 채운 후, 구멍을 채우기 전과 후를 비교한다. 값의 변화가 없으면 0, 있으면 1로 변환하여 구멍에 해당하는 데이터만 얻는다.


function final_dist = passing_obstacle(hole, p)
    dist = polyval(p, sum(sum(hole)));
    final_dist = round(dist,3)+0.4
end

사전에 학습시켜둔 다항식 곡선 피팅값을 불러오고, 이를 통해 모든 거리에 대해서 드론이 전진해야 할 이동거리를 예측한다. 예측값은 final_dist라는 변수에 대입한다.

3) Mark Recognition

3-1) Red Mark Recognition


function detecting_red(myDrone, cam)
    while 1
        frame = snapshot(cam);
        masked_red = masking_red(frame);
        detect_red_sum = sum(sum(masked_red))
        if detect_red_sum >= 400
            turn(myDrone,deg2rad(-90));
            moveforward(myDrone, "Distance", 1)
            pause(1);
            break
        else
            moveforward(myDrone, "Distance", 0.2)
        end
    end
end

1, 2단계의 빨간색 표식을 인식한다. 빨간색 표식의 픽셀 수가 400이상이면 표식을 인식한 것으로 간주하고, 반시계 방향으로 90도 회전 한 후, 90cm 전진한다.

픽셀 수가 400미만이면 표식을 인식하기에는 거리가 멀거나, 표식을 인식하지 못한 것으로 간주한다. 따라서 표식을 인식할 수 있도록(픽셀 수가 400이상이 되도록) 20cm씩 전진한다.

3-2) Purple Mark Recognition


function detecting_purple(myDrone, cam)
    while 1
        frame = snapshot(cam);
        masked_purple = masking_purple(frame);
        detect_purple_sum = sum(sum(masked_purple))
        if detect_purple_sum >= 400
            land(myDrone)
            pause(1);
            break
        else
            moveforward(myDrone, "Distance", 0.2)
        end
    end
end

3단계의 보라색 표식을 인식한다. 보라색 표식의 픽셀 수가 400이상이면 표식을 인식한 것으로 간주하고, 픽셀 수가 400이상이면 착지한다.

픽셀 수가 400미만이면 표식을 인식하기에는 거리가 멀거나, 표식을 인식하지 못한 것으로 간주한다. 따라서 표식을 인식할 수 있도록(픽셀 수가 400이상이 되도록) 20cm씩 전진한다.

4) Step 1_passing_obstacle

1단계 장애물은 장애물의 높이가 고정되어 있고, 좌우 이동이 없기 때문에 CNN을 별도로 사용하지 않는다.

4-1) Step1_find_center


function step1_find_center(myDrone)
    [height, time] = readHeight(myDrone);
    dist_1 = 0.9-height
    if abs(dist_1) > 0.2 
        if dist_1<0
            movedown(myDrone, "Distance", dist_1)
        else
            moveup(myDrone, "Distance", dist_1)
        end
    end
end

1단계 장애물의 중점과 드론이 동일 축상에 존재하도록 드론의 비행 높이를 조절한다. 드론이 이륙하고 호버링한 이후에 초기 비행 높이를 height라는 변수에 대입한다.

장애물의 중점과 드론이 동일 축상에 존재하기 위해 드론이 상승해야 하는 높이를 찾는다. 1단계 장애물의 중점 높이는 99.5cm이지만 드론이 이동시 흔들리면서 발생하는 오차를 고려하여 90cm를 중점의 높이로 설정한다.

중점의 높이와 height 간의 차가 양수일 경우에는 드론이 상승하도록 하고, 음수일 경우에는 하강하도록 한다.

5) Step 2,3_passing_obstacle

2, 3단계 장애물은 많은 경우의 수가 존재하기에 CNN을 활용하여 드론의 이동방향을 결정한다.


function find_center(myDrone, label)
    if label == "right"
        fprintf("Moving the drone right\n")
        moveright(myDrone, "Distance", 0.2)
    elseif label == "left"
        fprintf("Moving the drone left\n")
        moveleft(myDrone, "Distance", 0.3)
    elseif label == "up"
        fprintf("Moving the drone up\n")
        moveup(myDrone, "Distance", 0.2)
    elseif label == "down"
        fprintf("Moving the drone down\n")
        movedown(myDrone, "Distance", 0.3)
    elseif label == "back"
        fprintf("Moving the drone back\n")
        moveback(myDrone, "Distance", 0.2)
    end
end

drone이 움직일 수 있는 최소의 거리는 20cm이므로 중점에서 10cm가 벗어난 상황에도 대응하기 위하여, 좌우, 위아래로 묶음지어 하나는 20cm, 반대 방향은 30cm가 이동하도록 한다.

6) Passing_obstacle_using_CNN

CNN을 이용한 장애물 통과 과정을 정리한 것이다. 해당 방식은 2,3단계 장애물을 통과할 때에만 적용된다.


while 1
    frame = snapshot(cam);
    masked_blue = masking_blue(frame);

    label = classify(net, masked_blue);
    
    if label == "forward"
         fprintf("Moving the drone forward\n")
        break
    else
        find_center(myDrone, label)
    end
end

CNN을 통해 예측한 이동 방향을 label 변수에 대입한다.

CNN이 예측한 이동방향이 forward일 경우에는 드론이 장애물의 중점과 동일한 축상에 위치한 것으로 간주하여 전진만 하면 된다고 인식한다. 따라서 forward일 경우에는 while문을 벗어나고, 더 이상 CNN을 사용하지 않는다.


frame = snapshot(cam);
masked_blue = masking_blue(frame);
hole = finding_hole(masked_blue);
final_dist = passing_obstacle(hole, p2)
while final_dist == inf
    moveforward(myDrone, "Distance", 0.2)
    final_dist = passing_obstacle(hole, p2)
end

moveforward(myDrone, "Distance", final_dist)
detecting_red(myDrone, cam)
moveforward(myDrone, "Distance", 0.2)

드론이 장애물의 중점과 동일한 축상에 존재할 경우(label == forward일 경우)에는 다항식 곡선피팅을 이용하여 예측한 거리만큼 드론을 전진한다.