KR101337541B1 - 관성센서를 이용한 이동체의 기관 진동 연산 방법 및 항법 응용 - Google Patents

관성센서를 이용한 이동체의 기관 진동 연산 방법 및 항법 응용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 독립(independent)인 축들 상에 배치되는 복수 개의 자이로센서들 및 가속도센서들을 포함하는 센서부와, 상기 자이로센서들로부터 얻어진 회전각속도 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적(recursive) 방법에 의하여 자이로 문턱값(threshold value)을 산출하고, 상기 가속도센서들로부터 얻어진 중력 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적 방법에 의하여 가속도 문턱값을 산출하는 신호처리부 및 상기 문턱값들에 근거하여 이동체의 운동상태를 파악하고, 상기 운동상태에 근거하여 항법오차를 보정하는 중앙처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법시스템을 제공한다.

Description

관성센서를 이용한 이동체의 기관 진동 연산 방법 및 항법 응용{VEHICLE'S ENGINE VIBRATION COMPUTATION BY INERTIAL SENSORS AND APPLICATION FOR NAVIGATION}
본 발명은 이동체의 기관 진동 연산 및 항법 응용에 관한 것이다.
관성센서를 사용하는 이동체의 위치 및 자세 계산 시스템은 3축 자이로스코프(이하 자이로)와 3축 가속도계를 이용하여 차량의 자세, 속도 등을 출력한다. 먼저 3축 자이로를 이용하여 자세를 구하고, 3축 가속도를 이용하여 이동체의 속도를 계산한다.
[대한민국 공개특허 10-2003-0038682]에서는 시스템 정지구간의 가속도 정보를 이용하여 가속도계 오차를 보정하는 시스템이 개시되어 있고, [대한민국 공개특허 10-2002-0068501]에서는 차량의 움직임을 주행과 정지로 나누고, 정지판단시에는 센서출력의 바이어스를 직접 추정함으로서 보다 향상된 항법성능을 제공하는 방법이 개시되어 있습니다.
선행기술들은 영속도 보정 기법에 있어서 영속도 판단은 이동체의 사용에 앞서 미리 실험적으로 결정해 놓은 문턱값(threshold value)과 이동체의 물리적 상태를 비교하여 정지상태를 판단한다. 항법 시스템에 있어서 문턱값(threshold value)을 정확히 설정하는 것은 항법 성능에 있어 매우 중요하다. 하지만 선행기술들에 의해 제시된 방식은 이동체의 종류에 따라 발생되는 노이즈를 반영하지 못한다는 문제가 있다. 예를 들면 동일한 차량이라도 엔진의 노후 상태에 따라 발생하는 진동이 차이가 날 수 있다.
본 발명은 항법장치가 사용되는 시점에서 실시간으로 이동체의 기관 진동 상태를 적용하여 문턱값을 결정하는 항법시스템과 그 연산 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따르는 항법시스템은, 서로 독립(independent)인 축들 상에 배치되는 복수 개의 자이로센서들 및 가속도센서들을 포함하는 센서부와, 상기 자이로센서들로부터 얻어진 회전각속도 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적(recursive) 방법에 의하여 자이로 문턱값(threshold value)을 산출하고, 상기 가속도센서들로부터 얻어진 중력 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적 방법에 의하여 가속도 문턱값을 산출하는 신호처리부 및 상기 문턱값들에 근거하여 이동체의 운동상태를 파악하고, 상기 운동상태에 근거하여 항법오차를 보정하는 중앙처리부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 자이로센서들은 서로에 대하여 수직을 이루도록 배치되고, 상기 가속도센서들도 서로에 대하여 수직을 이루도록 배치된다.
또한 본 발명은, 자이로센서들을 이용하여 회전각속도 성분들을 측정하고, 가속도센서들을 이용하여 중력 성분들을 측정하는 단계와, 일정 주기로 회전각속도 절대값들 및 중력 절대값들을 구하고, 상기 절대값들에 근거하여 회전각속도 절대값 평균 및 표준편차, 중력 절대값 평균 및 표준편차를 회귀적(recursive) 방법에 의하여 구하는 단계와, 상기 자이로 신호들의 통계값(평균, 표준편차)에 근거하여 자이로 문턱값을 연산하고, 상기 가속도계 신호들의 통계값(평균, 표준편차)에 근거하여 가속도 문턱값을 구하는 단계를 포함하는 항법시스템의 연산 방법을 개시한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 항법시스템의 연산 방법은, 상기 문턱값들에 근거하여 이동체의 운동상태를 파악하는 단계를 포함한다.
상기 운동상태 파악은 일정 시간 동안 상기 자이로 신호들과 상기 자이로 문턱값의 크기를 비교하고, 동시에 상기 가속도계 신호들과 상기 가속도계 문턱값의 크기를 비교하여 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 항법시스템은 이동체의 기관 진동 상태를 실시간으로 파악하여 정지 조건을 판단할 수 있으며 이로 인해 항법 장치의 영속도 보정 성능을 높일 수 있다.
또한, 회귀적 방법에 의하여 항법시스템의 정확한 문턱값을 구해냄에 따라 이동체의 항법 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 항법시스템의 블록 구성도.
도 2는 도 1의 항법시스템의 문턱값 산출 방법 흐름도.
도 3은 100[Hz]로 출력되는 가속도계 출력을 이용하여 a를 구한 후 도시한 그래프.
도 4는 100[Hz]로 출력되는 자이로계 출력을 이용하여 g를 구한 후 도시한 그래프.
도 5는 도 4의 100 ~ 1900초 사이의 일부분을 확대한 그래프.
이하, 본 발명과 관련된 항법시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일유사한 구성에 대해서는 동일유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 항법시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 항법시스템은 센서부(110)와, 신호처리부(140) 및 중앙처리부(150)를 포함한다.
센서부(110)는 자이로센서(120)와 가속도센서(130)를 포함한다.
자이로센서(120)는 서로 독립(independent)인 축들 상에 배치되는 복수 개의 자이로스코프들을 포함한다. 상기 축들은 서로 수직을 이룰 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 3개의 자이로스코프들은 서로에 대해 수직을 이루도록 배치된다. 상기 자이로센서(120)는 공간상에서 이동체의 각속도 성분을 측정한다.
가속도센서(130)는 서로 독립(independent)인 축들 상에 배치되는 복수 개의 가속도계들을 포함한다. 상기 축들은 서로 수직을 이룰 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 가속도계들은 서로 직교하는 3개의 축에 각각 하나씩 3개가 장착되어 공간상에서 이동체의 가속도 성분을 측정한다.
상기 가속도센서(130)와 자이로센서(120)는 동일한 축 상에 배치될 수 있다.
신호처리부(140)는 센서부(110)의 신호에 대해 소프트웨어적인 처리 과정을 수행한다.
중앙처리부(150)는 신호처리부(140)의 신호를 받아 항법 알고리즘을 수행하여 위치, 속도 및 자세 등과 같은 항법 정보를 산출한다.
상기 신호처리부(140)와 중앙처리부(150)은 편의상 분리하여 설명하였지만 하나의 제어부에서 신호처리부와 중앙처리부의 처리 과정을 모두 수행할 수도 있다.
도 2는 도 1의 항법시스템의 문턱값 산출 방법 흐름도이다.
도시된 바에 따르면, 도 2의 순서도는 본 발명에서 해결하고자 하는 문턱값 산출 과정을 포함한다. 문턱값 산출 과정은 항법장치 전원 인가 단계(200)와, 정렬 시작 단계(210)와, 정렬 완료 단계(220)와, 자이로 센서 및 가속도 센서 신호 획득 단계(230)와, 문턱값 연산 단계(240)와, 정렬 과정 단계(250) 및 문턱값 산출 단계(260) 등을 포함한다.
항법장치 전원 인가 단계(200)는 항법장치를 사용하기 위해서 이동체의 전원으로부터 항법장치가 전원을 공급받아 켜지는 과정이다.
정렬 시작 단계(210)는 이동체의 초기 위치 정보(위도,경도,고도 등)가 중앙처리부(150)에 입력된 후, 항법장치의 초기 자세를 결정하기 위해서 항법장치에 정렬 수행 명령을 전달하는 과정이다.
정렬 완료 단계(220)는 항법장치의 초기 자세가 결정되었다고 판단되는 시점에 항법장치에 정렬 완료 명령이 전달되는 과정이다.
정렬 완료 명령이 전달되면, 항법장치는 자동적으로 항법에 진입하며, 정렬 시작 단계(210)부터 정렬 완료 단계(220)까지의 자이로센서와 가속도센서 신호로부터 얻어진 데이터에 근거하여 자이로 문턱값 및 가속도 문턱값이 산출된다.
자이로센서 및 가속도센서 신호 획득 단계(230)는 일정 주기로 자이로센서 및 가속도센서로부터 신호가 획득되는 과정이다. 상기 신호 획득은 정렬이 완료되기 전까지 일정 주기로 지속적으로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 신호처리부(140)에는 50~200[Hz]의 범위의 고정 주파수로 신호가 전달된다.
문턱값 연산 단계(240)는 신호처리부(140)에서 산출된 신호를 이용하여 정지상태에서의 이동체 진동 범위를 결정하는 과정이다.
신호처리부(140)는 3개의 축에 배치된 자이로스코프로부터 각속도 성분 신호 (gx,gy,gz)와 3개의 축에 배치된 가속도계로부터 가속도 성분 신호(ax,ay,az)를 전달받는다. 이동체가 정지하고 있는 상태에서, 상기 신호들은 지구의 회전각속도 성분 및 중력 성분을 나타낸다.
각각의 성분은 정렬시작 전 초기 이동체의 자세에 따라 변하게 되므로 정렬을 수행할 때마다 값이 달라진다. 따라서 다음과 같이 g와 a에 대하여 절대값을 취하여 문턱값을 결정하는 과정이 필요하다.
Figure 112012087303491-pat00001
,
Figure 112012087303491-pat00002
주기적으로 얻어지는 g,a 값을 신뢰성 있게 처리하기 위해서 통계처리를 행한다. 지구회전각속도는
Figure 112012087303491-pat00003
로 0에 가까운 값이며, 중력은
Figure 112012087303491-pat00004
이 대략의 평균값이나 각 지점에 따라 조금씩 달라지는 값이다.
문턱값 연산(240)은 매 순간 얻어지는 신호들을 회귀적(recursive)인 방법을 통해 아래와 같이 지속적으로 갱신하게 된다.
Figure 112012087303491-pat00005
Figure 112012087303491-pat00006
Figure 112012087303491-pat00007
Figure 112012087303491-pat00008
Figure 112012087303491-pat00009
Figure 112012087303491-pat00010
여기서, N은 정렬 시작(210)부터 해당 연산이 수행되는 순간까지 반복되어진 흐름도 상의 반복횟수이다.
Figure 112012087303491-pat00011
는 연산이 수행되기 전 신호처리부에서 산출된 결과로 구한 값이며
Figure 112012087303491-pat00012
는 g값들의 평균,
Figure 112012087303491-pat00013
는 a값들의 평균,
Figure 112012087303491-pat00014
는
Figure 112012087303491-pat00015
값들의 평균,
Figure 112012087303491-pat00016
는
Figure 112012087303491-pat00017
값들의 평균,
Figure 112012087303491-pat00018
는 g값들의 표준편차,
Figure 112012087303491-pat00019
는 a값들의 표준편차를 의미한다.
정렬 과정 단계(250)는 중앙처리부(150)에서 센서신호 입력 주기에 맞게 항법알고리즘을 이용하여 이동체의 초기과정을 알아내 가는 과정이다.
문턱값 산출 단계(260)는 정렬 완료(220) 시점에서 아래와 같이 결정된다.
Figure 112012087303491-pat00020
는 자이로 출력에 대한 문턱값이며,
Figure 112012087303491-pat00021
는 가속도계 출력에 대한 문턱값이다.
Figure 112012087303491-pat00022
정렬 중에 산출되는 g값들이 통계적으로 대부분이 문턱값 내에 들어갈 수 있도록
Figure 112012087303491-pat00023
를 설정하였고, a값들 또한 통계적으로 대부분이 문턱값 내에 들어갈 수 있도록
Figure 112012087303491-pat00024
를 설정하였다. 이때 a값의 평균값이
Figure 112012087303491-pat00025
정도로 무시할 수 없으므로 표준편차 만으로 정의하였다.
이동체는 정지하거나 움직이는 경우 모두에 대해 진동상태에 놓여 있으며, 진동 조건을
Figure 112012087303491-pat00026
와
Figure 112012087303491-pat00027
를 통해서 수치적으로 나타내었다. 그러나 평균값을 무시할 수 있는지 없는지에 따라 두 문턱값의 정의를 달리하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 다음과 같은 조건에 따라 이동체의 운동 또는 정지 상태를 파악한다.
정지상태 : 1초 동안 모든 g와 a에 대해,
Figure 112012087303491-pat00028
이고,
Figure 112012087303491-pat00029
이동상태 : 정지 상태 조건 위배되는 경우
정지상태 조건에서 1초 동안의 시간 간격을 주는 이유는, 이동체가 이동 중이더라도 1초에 해당하는 50 ~ 200[Hz] 동안에
Figure 112012087303491-pat00030
이고,
Figure 112012087303491-pat00031
인 경우가 간헐적으로 발생할 수도 있기 때문이다.
도 3은 100[Hz]로 출력되는 가속도계 출력을 이용하여 a를 구한 후 도시한 그래프이고, 도 4는 100[Hz]로 출력되는 자이로계 출력을 이용하여 g를 구한 후 도시한 그래프이다.
도 5는 도 4의 100 ~ 1900초 사이의 일부분을 확대한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 정렬 부분에서 구해진
Figure 112012087303491-pat00032
를 이용하여 이동체의 정지 판단이 제대로 작동하고 있음을 알 수 있다. 도시된 바에 따르면 항법단계에서 정지상태의 경우 그래프 값이 모두
Figure 112012087303491-pat00033
선 아래에 있음을 알 수 있다.
상기와 같은 항법시스템의 연산 방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.
센서부는 정지상태에서 자이로센서들을 이용하여 회전각속도 성분들을 측정하고, 가속도센서들을 이용하여 중력 성분들을 측정한다.
상기 센서부에서 측정된 성분값들은 신호처리부로 전달되고, 제어부는 일정 시간 주기로 회전각속도 절대값들 및 중력 성분 절대값들을 구한다.
또한 제어부는 상기 절대값들에 근거하여 회귀적인 방법으로 회전각속도 절대값 평균 및 표준편차, 중력 절대값 평균 및 표준편차를 구한다.
제어부는 상기 자이로 신호들의 통계값(평균, 표준편차)에 근거하여 회귀적(recursive) 방법에 의해 자이로 문턱값을 연산하고, 상기 가속도계 신호들의 통계값(평균, 표준편차)에 근거하여 회귀적(recursive) 방법에 의해 가속도 문턱값을 구한다. 회귀적 방법은 상기 문턱값 연산 단계(240)에서 구체적으로 설명하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 차량과 같이 지상에서 운용되는 이동체에 장착된 항법장치에 적용하여 영속도 보정을 통해 항법장치의 오차를 줄일 수 있다. 일반적으로 영속도(정지) 판단은 실제 이동체의 사용에 앞서 미리 실험적으로 결정해 놓은 문턱값(threshold)과 비교하여 정지상태를 판단하는데, 이러한 방식은 이동체의 종류가 바뀜에 따라서 아니면 같은 이동체라도 엔진과 같은 진동원의 노후상태에 따라서 변하는 문턱값을 실시간으로 반영하기 어려운 단점이 있다. 미리 설정되어진 문턱값의 비정확성은 항법장치의 성능저하의 원인이 된다.
항법장치 사용에 있어 반드시 필요한 단계인 정렬과정이 정지상태에서 이루어지는 것에 착안하여, 실제 정렬시간 동안 관성센서 신호들(자이로, 가속도계)에 대해 회귀적(recursive)인 방법으로 통계치(평균, 분산)를 구하고, 이로부터 이동체의 진동 범위에 대한 조건을 수식적으로 결정하였다.
본 발명은 이동체의 종류나 노후 상태에 관계없이 이동체가 사용되어지는 순간의 진동 조건을 항법장치에 제공함으로, 정확한 정지조건에 의해 영속도 보정 성능을 높일 수 있으며, 항법장치 운용자가 문턱값을 결정하기 위하여 별도의 실험과정을 수행해야하는 불편함을 해소할 수 있다.
상기와 같이 설명된 관성센서를 이용한 이동체의 기관 진동 연산 방법 및 항법에의 응용은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 서로 독립(independent)인 축들 상에 배치되는 복수 개의 자이로센서들 및 가속도센서들을 포함하는 센서부;
    상기 자이로센서들로부터 얻어진 회전각속도 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적(recursive) 방법에 의하여 자이로 문턱값(threshold value)을 산출하고, 상기 가속도센서들로부터 얻어진 중력 성분 신호들의 절대값을 취하여 회귀적 방법에 의하여 가속도 문턱값을 산출하는 신호처리부; 및
    상기 문턱값들에 근거하여 이동체의 운동상태를 파악하고, 상기 운동상태에 근거하여 항법오차를 보정하는 중앙처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자이로센서들은 서로에 대하여 수직을 이루도록 배치되고 상기 가속도센서들도 서로에 대하여 수직을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 항법시스템.
  3. 자이로센서들을 이용하여 회전각속도 성분들을 측정하고, 가속도센서들을 이용하여 중력 성분들을 측정하는 단계;
    일정 주기로 회전각속도 절대값들 및 중력 절대값들을 구하고, 상기 절대값들에 근거하여 회전각속도 절대값의 통계치(평균 및 표준편차) 및 중력 절대값의 통계치(평균 및 표준편차)를 회귀적(recursive) 방법에 의하여 구하는 단계; 및
    상기 자이로 신호들에 근거하여 자이로 문턱값을 연산하고, 상기 가속도계 신호들에 근거하여 가속도 문턱값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법시스템의 연산 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 문턱값들에 근거하여 이동체의 운동상태를 파악하고, 상기 운동상태에 근거하여 항법오차를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법시스템의 연산 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 운동상태 파악은,
    일정 시간 동안 상기 자이로 신호들과 상기 자이로 문턱값의 크기를 비교하고, 동시에 가속도계 신호들과 상기 가속도계 문턱값의 크기를 비교하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 항법시스템의 연산 방법.


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