2조-최강 몬스터즈

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 파울 볼 자동 수거 시스템

영문 : Automatic Foul Ball Collection System

과제 팀명

최강 몬스터즈

지도교수

이광훈 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 김*빈(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 권*빈

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 김*형

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 신*훈

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 이*구

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

야구에서는 볼보이가 페어볼을 파울볼로 착각하고 잡는 경우가 있어 경기에 영향을 줄 가능성이 다른 종목에 비해서 높은 편이다. 이 프로젝트에서는 파울로 판정된 볼의 위치를 추적하여 로봇을 통해 수거하는 시스템을 개발하려 한다. 이를 통해 볼보이의 역할을 로봇이 대신함으로써 볼보이가 파울볼을 미처 피하지 못해 몸에 맞는 사고를 미연에 방지하고 페어볼을 잘못 잡을 일이 없기에 경기에 차질이 생기지 않아 더욱 원활한 경기를 진행할 수 있다.

개발 과제의 배경

내용 최근에 과학기술이 점점 발전함에 따라 스포츠에도 그러한 기술들이 많이 활용되고 있다. 축구의 VAR(비디오 판독), 테니스의 호크아이 같은 판정 보조 시스템이 그러한 예이다. 그리고 2022년 이데일리에서 발행한 기사에 따르면 이제 곧 야구에서도 로봇 심판을 사용할 계획이라는 것을 알 수 있다. 과학기술을 통해 스포츠의 한 부분이 로봇에 의해 자동화되어가는 것이다. 이에 야구의 파울볼을 수거하는 과정을 로봇으로 대체해보면 어떨까 생각하게 되었다.

<AI를 활용한 로봇 심판 원리>

야구 경기에서는 페어볼과 파울볼이 존재한다. 페어볼은 내야 페어그라운드 안으로 들어온 공을 의미하고, 파울볼은 파울라인 바깥으로 나간 공을 의미한다. 파울볼을 잡는 사람들을 볼보이라고 하는데 볼보이가 간혹 페어볼을 파울볼로 착각하거나 파울볼이 볼보이 몸에 맞아 경기에 영향을 주는 경우가 있다. 이에 본 프로젝트에서는 볼보이를 대신해 파울볼을 수거하는 시스템을 개발하려 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

1. 개발 목표

1루심 또는 3루심의 파울 사인을 받으면 양쪽의 파울 라인을 비추고 있는 외장 카메라를 통해 공의 대략적인 위치를 파악하고, 이를 전송하여 로봇을 해당 위치로 이동시킨 후 로봇에 부착되어 있는 카메라를 통해 공의 정확한 위치를 인식하여 로봇 팔을 이용해 파울볼을 수거하는 시스템을 개발한다.

2. 개발 내용

1) 로봇 팔 설계

로봇 팔의 형태는 다양하지만 본 개발 과제에서는 아래 그림의 형태와 비슷하지만 야구공보다 조금 더 크게 설계하여, 공을 집는 형태가 아닌 가두는 형태로 제작하고자 한다. CAD 프로그램 중 하나인 CATIA를 이용하여 로봇 팔을 설계하고, 3D 프린터를 이용하여 출력 후 조립한다.

2) 신호 전송 시스템 설계

외부에서 파울라인 구역을 비추고 있는 카메라로부터 야구공의 대략적인 위치를 파악하려면 외부 카메라에서 로봇으로 신호를 전송해주어야 한다. 이에 개발 과제에서는 로봇 개발을 위한 미들웨어 플랫폼인 ROS(Robot Operating System)를 활용하여 신호를 전송한다.

3) 공 detection & tracking 알고리즘 설계

야구공을 감지하기 위해서는 야구공의 이미지를 인식할 필요가 있고 그러기 위해서는 인공지능을 통해 학습시킬 필요가 있다. 이 개발 과제에서는 YOLO v2를 이용해 이미지 학습을 시킨다. 로봇이 파울볼을 수거하기 위해서는 공과 자신의 위치를 인식할 필요가 있다. ROS의 RVIZ를 이용, SLAM의 Cartographer 방식을 이용해 야구장에 대한 맵을 생성하고, RVIZ상에 이 맵을 연동함으로써 로봇이 자신의 위치를 인식할 수 있도록 한다.

4) 심판과 외부 카메라의 통신 설계

파울로 판정된 공을 수거해오는 시스템이기 때문에 외부에서 파울볼이라는 신호를 로봇에게 전달할 필요가 있다. 이에 양쪽 파울라인 옆에 있는 1루심, 3루심에게 간단한 신호를 보낼 수 있는 신호기를 전달할 것이다. 아두이노 나노와 RF모듈을 연결하고, 스위치를 연결하여 외부 카메라와 연결된 노트북의 아두이노에 신호를 전달한다. 신호를 받은 노트북은 외부 카메라에 대한 공의 대략적인 범위를 ROS 통신을 통해 로봇에게 전달한다.

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

조립도

가. 조립도

본 프로젝트의 수거 로봇의 최종 모델링은 아래 사진과 같다.

나. 조립 순서

1) 수거 로봇 지지대에 모터 조립

2) 지지대와 팔 부분 조립

3) 팔 부분과 손 부분 조립

4) 로봇과 지지대 조립

5) 로봇의 3층 부분과 2층 부분 조립

부품도

1) 수거 로봇 지지대

2) 수거 로봇 팔

3) 수거 로봇 손

4) 신호기 박스

5) 신호기 뚜껑

제어부 및 회로설계

1) 리모컨 송신부

2) 리모컨 수신부

3) 구동 및 전원부

4) 센서부

5) 로봇 팔

소프트웨어 설계

가. 사용시나리오

심판이 경기 중에 발생한 파울을 판단하면, 신호기를 이용해서 메인 컴퓨터에 파울 발생했다는 신호를 RF 모듈을 통한 ROS 통신을 통해서 전달해 준다. 메인 컴퓨터는 받은 신호를 토대로 USB 통신으로 연결된 외부 카메라를 통해서 일정한 지역을 실시간으로 촬영해 준다. 메인 컴퓨터에서는 OpenCV와 YOLO를 활용해서 야구공이 존재하는 구역에 대한 정보를 계산해 준다. ROS 통신을 이용해서 구역에 대한 정보 즉, 좌표를 로봇에 전달해 준다. 전달된 좌표로 로봇이 이동을 한다. 공의 근처에 이동한 로봇은 주위를 돌면서 야구공의 위치를 탐색하고, 허프 변환을 기반으로 야구공의 위치를 추적하여 자율주행으로 공을 찾아간다. 서보모터 제어를 통해, 야구공을 확보하고, 초기의 좌표를 수신 받아서 복귀한다.