광학위치인식센서(Optical flow sensor)

 

옵티컬 플로우의 개념은 1940 년대 미국의 심리학자 제임스 깁슨 (James J. Gibson)이 세계를 움직이는 동물에게 제공되는 시각적 자극을 설명하기 위해 도입되었습니다. 옵티컬 플로우라는 용어는 모션 디텍션, 오브젝트 세그먼테이션, 타임 - 투 - 콘택트 정보, 확장 계산의 초점, 휘도, 모션 보상 인코딩, 스테레오 불일치 측정을 포함한 이미지 프로세싱 및 네비게이션 제어와 관련된 기술을 포함하는 로봇 공학자들에 의해서도 사용됩니다.

 

 

옵티컬 플로우 또는 옵틱 플로우는 관찰자와 장면 사이의 상대적인 움직임에 의해 유발되는

시각적 장면에서의 물체, 표면 및 가장자리의 명백한 움직임의 패턴입니다.

 

 

옵티컬 플로우를 계산하는 알고리즘은 방법에 따라 크게 미분법(differential method), 위상 상관(phase correlation), 블록 기반 방법(block-based method) 등으로 나뉜다.  가장 많이 사용되는 미분법에서는 옵티컬 플로우는 물체 내의 한 점의밝기가 다음 프레임에서도 같은 밝기 값을 갖는다는 밝기 항상성을 기본 가정으로 한다.  

 

이미지 위의 한 점 (x,y) 의 t 시간의 I((x,y,y) 라 할 때,밝기 항상성을 가정하면 시간에 따른 밝기의 변화는 0이므로 다음 수식이성립한다.

 

위 식에  체인 룰을 적용하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

 

옵티컬 플로우 조건식

 

출처 : 쿼드로터 호버링 제어를 위한옵티컬 플로우 기반 위치인식시스템 연구 (건국대학교 대학원항공우주정보시스템공학과 손예슬)

 

 

옵티컬센서의 원리는?

 

 

그림과 같이 드론이 왼쪽으로 이동할 때, 바닥의 물체(패턴)이 움직이는 방향에 따라 얼마만큼 이동했는지 파악 (PAD(반사판에 빛을 쏘아 반사되는 빛을 감지하여 처리하는 원리)

 

 

필자가 드론 만들 때 쓴 센서는 PMW3901(옵티컬플로우센서)

 

• PMW3901는 광학 플로우 센서입니다.
• 표면의 움직임을 검출할 수 있는 센서로 드론 제작시 많이 사용함
• 센서는 낮은 해상도의 카메라와 표면의 움직임을 검출하는 알고리즘을 이용하여 동작하게 되어 있으며,
• 땅의 x/y 좌표상 움직임을 찾아서 드론의 드리프트를 검출하고 교정하는데 자주 사용됩니다.
• SPI 인터페이스를 가지고 있으며, 3.3V/5V 시스템과 사용이 가능합니다.

 

VL53L0X

 

• VL53L0X는 거리측정 센서입니다.
• ST사의 VL53L0X 센서는 타켓 물체를 최대 2m 거리에서 탐지가 가능합니다.
• 적외선 펄스의 반향파를 측정하여 타켓의 표면이나 컬러와 상관 없이 정확한 결과값을 전달합니다.
• 센서의 출력은 I2C 인터페이스를 이용하여 읽을 수 있습니다.
• 보드에는 2.8V의 리니어 레귤레이터, 레벨 쉬프터가 장착되어 있어 2.8V-5.5V 시스템과 동작이 가능합니다.