KR101564020B1 - A method for attitude reference system of moving unit and an apparatus using the same - Google Patents

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최윤규
이재용
최두진
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삼성중공업(주)
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    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw

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Abstract

본 발명은 이동체의 전자세 예측 장치에 있어서, 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서, 이동체의 X축 방향의 각속도를 측정하는 X축 자이로 센서, 이동체의 Y축 방향의 각속도를 측정하고 X축 자이로 센서와 상이한 Y축 자이로 센서, 이동체의 Z축 방향의 각속도를 측정하고 Y축 자이로 센서와 동일한 종류의 Z축 자이로 센서, 및 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부를 포함하고, 계산부는 이동체의 주행면과 Y축 자이로 센서 및 Z축 자이로 센서의 측정값에 기초하여 피치 각 및 요 각을 보정하여 이동체의 전자세를 예측하는 전자세 예측 장치에 관한 것이다.An acceleration sensor for measuring the acceleration in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of a moving object, an X-axis gyro sensor for measuring an angular velocity in the X-axis direction of the moving object, Axis gyro sensor and a Y-axis gyro sensor which is different from the X-axis gyro sensor and measures the angular velocity in the Z-axis direction of the moving object and measures the Z-axis gyro sensor of the same kind as the Y-axis gyro sensor, The pitch angle and the yaw angle based on the measured values of the traveling surface of the moving object, the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor, and the calculation unit calculates the pitch angle and the yaw angle To predict an electronic tax of a moving object.

Description

이동체의 전자세 예측 방법 및 이를 이용한 전자세 예측 장치{A method for attitude reference system of moving unit and an apparatus using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic three-

본 발명은 이동체의 전자세를 예측 하는 방법 및 이를 이용하는 전자세 예측 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the electronic tax of a moving object and an electronic tax predicting apparatus using the same.

관성 센서를 이용하여 로봇이나 차량, 또는 항공기 등의 이동체의 자세를 측정하는 장치를 AHRS(Attitude Heading Reference System)라고 한다. 대부분의 AHRS는 가속도계(accelerometer)와 자이로(gyro), 지자계(magnetometer)를 이용하여 자세를 계산한다. 자이로는 동체의 각속도를 측정하는 센서이고, 가속도계는 동체의 가속도를 측정하는 센서이며, 지자계는 지구 자기장을 측정하는 센서로 별도의 추가적인 장비를 필요로 하지 않고 AHRS 하나만으로 독립적인 자세계산이 가능하다. 기존의 관성 센서에서 자세를 계산하는 방법은 자이로를 이용하여 각속도를 적분하여 롤 각(roll), 피치 각(pitch), 요 각(yaw)을 계산하는 방식으로 구성된다. 그러나 자세 계산을 수행하게 되면 자이로 출력에 존재하는 오차가 적분을 통하여 누적되어 자세 오차가 발산하는 결과를 가져온다. 이 때 가속도계 센서 출력을 이용하여 롤 각, 피치 각은 칼만 필터 등을 통해 어느 정도 보상이 가능하지만 요 각은 가속도계로 계산할 수 없기 때문에 자이로만을 이용하여 계산하게 되며, 이로 인해 요 각은 시간이 흐르면 항상 발산하게 된다. 그래서 요 각 출력이 중요한 경우에는 지자계 센서가 자북을 탐지하여 자이로의 요 각 계산을 보상해 준다. 그러나 선박의 표면과 같이 철 재질의 표면을 주행하는 이동체의 경우에는 선체 재질로 인해 자력을 탐지하는 지자계 센서는 많은 오차를 포함하게 된다. 따라서, 이동체의 요 각을 정확히 표현할 수 없는 문제점이 발생한다.An attitude heading reference system (AHRS) is an apparatus that measures the attitude of a moving object such as a robot, a vehicle, or an aircraft using an inertial sensor. Most AHRSs use an accelerometer, a gyro, and a magnetometer to calculate the posture. The gyro is a sensor that measures the angular velocity of the fuselage. The accelerometer is a sensor that measures the acceleration of the fuselage. The earth magnetic field is a sensor that measures the magnetic field of the earth. Independent posture calculation is possible with only one AHRS Do. In the conventional inertial sensor, the posture is calculated by integrating the angular velocity using a gyro to calculate the roll angle, pitch angle, and yaw angle. However, if the posture calculations are performed, the errors existing in the gyro output accumulate through the integration, resulting in the divergence of the posture error. In this case, the roll angle and the pitch angle can be compensated to some extent by the Kalman filter using the accelerometer sensor output, but since the yaw angle can not be calculated by the accelerometer, it is calculated using only the gyro, It always diverges. Thus, when the yaw angle is critical, the geomagnetic sensor detects the magnetic north and compensates the gyro cal- culation. However, in case of a mobile body running on the surface of iron like a surface of a ship, the earth sensor which detects the magnetic force due to the hull material contains many errors. Therefore, there arises a problem that the yaw angle of the moving object can not be accurately expressed.

본 발명의 목적은 주변 환경에 의해 지자계 센서에 많은 오차를 포함하는 경우 보다 정확한 요 각을 계산하는 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for calculating a more accurate angle than when the geomagnetic sensor includes many errors due to the surrounding environment.

본 발명의 다른 목적은 선박 표면을 주행하는 이동체의 전자세를 보다 정확하게 예측하기 위해 선박 표면의 측면과 밑면을 주행하는 경우 피치 각 및 요 각을 보정하는 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for correcting pitch angle and yaw angle when traveling on the side and bottom of a ship surface to more accurately predict the electronic tax of a moving vehicle traveling on the surface of a ship.

본 발명의 일 측면에 따르면 이동체의 전자세 예측 장치에 있어서, 상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서; 상기 이동체의 X축 방향의 각속도를 측정하는 X축 자이로 센서; 상기 이동체의 Y축 방향의 각속도를 측정하고 상기 X축 자이로 센서와 상이한 Y축 자이로 센서; 상기 이동체의 Z축 방향의 각속도를 측정하고 상기 Y축 자이로 센서와 동일한 종류의 Z축 자이로 센서; 및 상기 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부; 를 포함하고, 상기 계산부는 상기 이동체의 주행면과 상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 측정값에 기초하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하여 상기 이동체의 전자세를 예측하는 전자세 예측 장치일 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for predicting an electronic aging of a moving object, comprising: an acceleration sensor for measuring accelerations in the X axis, Y axis, and Z axis directions of the moving object; An X-axis gyro sensor for measuring an angular velocity in the X-axis direction of the moving body; A Y-axis gyro sensor which measures an angular speed in the Y-axis direction of the moving body and is different from the X-axis gyro sensor; A Z-axis gyro sensor of the same kind as the Y-axis gyro sensor measuring an angular velocity in the Z-axis direction of the moving body; A calculating unit calculating a roll angle, a pitch angle and a yaw angle of the moving object based on the acceleration measurement result and the angular velocity measurement result of the moving object; Wherein the calculation unit corrects the pitch angle and the yaw angle based on the traveling surface of the moving object and the measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor to estimate the electronic tax of the moving object Prediction device.

또한, 상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로인 전자세 예측 장치일 수 있다.The Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor may be an optical fiber gyro.

또한, 상기 계산부는 상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 전자세 예측 장치일 수 있다.Also, the calculation unit may be an electronic three-wheel prediction device that compensates the calculated roll angle, pitch angle, and yaw angle based on the latitude at which the moving object is located, the rotational angular velocity of the earth, and the attitude of the sensor.

또한, 상기 이동체의 주행면이 선체의 측면인 경우, 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치일 수 있다.If the traveling surface of the moving body is the side of the hull, it may be an electronic tax prediction apparatus that corrects the pitch angle and the yaw angle using the measured value of the Z axis gyro sensor.

또한, 상기 이동체의 주행면이 선체의 밑면인 경우, 상기 Y축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치일 수 있다.Also, when the traveling surface of the moving body is the undersurface of the hull, it may be an electronic tax prediction apparatus for correcting the pitch angle and the yaw angle using measured values of the Y-axis gyro sensor.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동체의 전자세 예측 방법에 있어서, 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 이용하여 상기 이동체에 가해지는 가속도와 각속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 가속도 정보와 각속도 정보에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각, 요 각을 계산하는 단계; 상기 롤 각에 기초하여 상기 이동체의 위치를 판단하고 상기 이동체의 위치와 상기 3축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계; 를 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for predicting an electronic aging of a moving object, comprising the steps of: measuring acceleration and angular velocity applied to the moving object using a three-axis acceleration sensor and a three-axis gyro sensor; Calculating a roll angle, a pitch angle and a yaw angle of the mobile object based on the measured acceleration information and the angular velocity information; Determining a position of the moving object based on the roll angle and correcting the pitch angle and the yaw angle using the position of the moving object and the measured values of the three-axis gyro sensor; Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >

또한, 상기 자이로 센서의 Y축 자이로 센서 및 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로 센서인 전자세 예측 방법일 수 있다.In addition, the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor of the gyro sensor may be an electronic tax prediction method which is an optical fiber gyro sensor.

또한, 상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 단계; 를 더 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.Compensating for the calculated roll angle, pitch angle and yaw angle based on the latitude at which the moving body is located, the rotational angular velocity of the earth, and the attitude of the sensor; Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >

또한, 상기 보정하는 단계는 상기 롤 각이 90도, 180도 또는 270도인 경우,In addition, the step of correcting may further include, when the roll angle is 90 degrees, 180 degrees, or 270 degrees,

상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계; 를 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.
Correcting the pitch angle and the yaw angle using measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor; Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >

본 발명의 일 측면에 따르면, 주변 환경에 의해 지자계 센서에 많은 오차가 포함되는 경우 보다 정확한 요 각을 계산할 수 있다.According to an aspect of the present invention, more accurate angles can be calculated than when the geomagnetic sensor includes many errors due to the surrounding environment.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박 표면을 주행하는 이동체가 선박의 측면과 밑면을 주행하는 경우 피치 각 및 요 각을 보정하여 보다 정확한 이동체의 전자세를 예측할 수 있다.According to another aspect of the present invention, it is possible to predict the electronic tax of a moving object more accurately by correcting the pitch angle and the yaw angle when the moving body traveling on the ship surface travels on the side and bottom of the ship.

도 1은 동체의 전자세를 표현하기 위한 롤 각, 피치 각, 요 각을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 센서로 측정한 요 각과 실제 자세와의 오차를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 광 섬유 자이로를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 오차 보상 값과 실제 드리프트 값을 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체의 주행 경로를 예시적으로 나타낸 것이다.
1 is a view for explaining a roll angle, a pitch angle and a yaw angle for expressing the electronic tax of a moving body.
2 is a view showing an error between a yaw angle measured by a conventional sensor and an actual posture.
3 shows an optical fiber gyro used in an embodiment of the present invention.
4 illustrates an example of an electronic tax prediction apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph comparing an actual compensation value with an actual compensation value according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a traveling path of a moving object according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. Terms defined by generic dictionaries may be interpreted to have the same meaning as in the related art and / or in the text of this application, and may be conceptualized or overly formalized, even if not expressly defined herein I will not.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms' comprise 'and / or various forms of use of the verb include, for example,' including, '' including, '' including, '' including, Steps, operations, and / or elements do not preclude the presence or addition of one or more other compositions, components, components, steps, operations, and / or components.

본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.The term 'and / or' as used herein refers to each of the listed configurations or various combinations thereof.

한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
It should be noted that the terms such as 'to', 'to', 'to block', and 'to module' used in the entire specification may denote a unit for processing at least one function or operation. For example, a hardware component, such as a software, FPGA, or ASIC. However, '~ part', '~ period', '~ block', '~ module' are not meant to be limited to software or hardware. Modules may be configured to be addressable storage media and may be configured to play one or more processors. ≪ RTI ID = 0.0 > Thus, by way of example, the terms 'to', 'to', 'to block', 'to module' may refer to components such as software components, object oriented software components, class components and task components Microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays, and the like, as well as components, Variables. The functions provided in the components and in the sections ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ' , '~', '~', '~', '~', And '~' modules with additional components.

본 발명은 관성 센서와 고정밀 광섬유 자이로를 이용한 이동체의 전자세 예측 방법 및 예측 장치에 관한 것이다. 본 명세서에서 이동체는 로봇일 수 있고 특히 선박의 표면을 주행하면서 선박 표면을 청소하는 청소 로봇일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 방법은 선박의 표면을 주행하는 로봇의 전자세를 예측하기 위한 것으로 설명하고 있으나, 주변 환경이 지자계 센서의 오차를 많이 유발시키는 환경이라면 적용될 수 있을 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a method and a device for predicting an electronic tax of a moving object using an inertial sensor and a high-precision optical fiber gyro. In this specification, the moving body may be a robot, and in particular, may be a cleaning robot for cleaning the surface of a ship while traveling on the surface of the vessel. In addition, although the electronic tax prediction method according to an embodiment of the present invention is described for predicting the electronic tax of a robot traveling on the surface of a ship, it can be applied to an environment in which the environment of the robot causes errors There will be. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 이동체의 전자세를 표현하기 위해 사용되는 오일러각을 나타낸 것이다. 고정 좌표계의 X축을 기준으로 회전한 정도를 롤(roll,

Figure 112013068000349-pat00001
), Y축을 기준으로 회전한 정도를 피치(pitch,
Figure 112013068000349-pat00002
), Z축을 기준으로 회전한 정도를 요(yaw,
Figure 112013068000349-pat00003
)로 표현한다. 오일러각을 이용하는 방법은 동체 좌표계에서 표현한 고정 좌표계와 동체 좌표계 사이의 회전 각속도와 오일러각의 미분치 사이의 관계를 이용하여 좌표 변환에 필요한 롤, 피치, 요를 계산하고, 이들 세 각을 이용하여 좌표변환 행렬을 구성한다. 이에 대해서는 후에 상세히 서술할 것이다.
1 shows the Euler angles used to express the electronic tax of a moving object. The degree of rotation based on the X axis of the fixed coordinate system is defined as roll (roll,
Figure 112013068000349-pat00001
), The degree of rotation about the Y axis is referred to as pitch (pitch,
Figure 112013068000349-pat00002
), The degree of rotation about the Z axis is required (yaw,
Figure 112013068000349-pat00003
). Euler angles are calculated by calculating the roll, pitch, and yaw required for coordinate transformation using the relationship between the rotational angular velocity between the fixed coordinate system and the body coordinate system expressed in the body coordinate system and the derivative of the Euler angles, Thereby constructing a coordinate transformation matrix. This will be described in detail later.

도 2는 일반적으로 사용되는 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit, IMU)를 통해 측정한 결과를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 것처럼 각속도를 적분하여 위치를 예측하는 과정을 통해 적분 상수로 인한 오차가 누적되어 자세 오차가 발산하게 된다. 도 2에서 적분으로 인한 오차에 의해 측정값이 발산하는 것을 볼 수 있다. 또한, 요 각을 보상하기 위한 지자계 센서는 주변 환경에 따라 오차를 많이 포함하게 되면 전자세를 정확하게 예측할 수 없게 된다.
Fig. 2 shows the results of measurement using an inertial measurement unit (IMU), which is generally used. As described above, the error due to the integral constant is accumulated through the process of estimating the position by integrating the angular velocity, and the posture error is diverted. In FIG. 2, it can be seen that the measurement value diverges due to the error due to integration. In addition, the geomagnetic sensor for compensating the yaw angle can not accurately predict the electronic tax if it contains a lot of errors depending on the surrounding environment.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 광 섬유 자이로(Fiber Optic Gyro, FOG)를 나타낸 것이다. 사냑(Sagnac)효과로 알려져 있는 광학 현상을 이용하여 광섬유를 구성한 자이로인데 단일모드 광섬유 속을 역으로 도는 2개의 광속을 간섭하게 하는 것이 그 원리이다. 코일의 반지름을 R, 단일모드 광섬유의 길이를 L, 매질 중의 빛의 파장을

Figure 112013068000349-pat00004
, 빛의 속도를
Figure 112013068000349-pat00005
라고 하면, 간섭무늬의 이동량
Figure 112013068000349-pat00006
Figure 112013068000349-pat00007
가 된다. 따라서, 간섭무늬 이동량
Figure 112013068000349-pat00008
를 측정하면 물체의 각속도
Figure 112013068000349-pat00009
를 구할 수 있고, 광로가 코일 모양으로 감긴 광섬유로 구성되어 있기 때문에
Figure 112013068000349-pat00010
을 크게 할 수 있어서 고정밀, 고감도의 각속도 측정을 할 수 있다.
FIG. 3 shows a fiber optic gyro (FOG) used in an embodiment of the present invention. The principle is that the gyro is a gyro composed of an optical fiber using an optical phenomenon known as the Sagnac effect, which interferes with two beams traveling in a single mode optical fiber. The radius of the coil is R, the length of the single mode optical fiber is L, the wavelength of light in the medium is
Figure 112013068000349-pat00004
, The speed of light
Figure 112013068000349-pat00005
, The movement amount of the interference fringe
Figure 112013068000349-pat00006
The
Figure 112013068000349-pat00007
. Therefore, the interference fringe movement amount
Figure 112013068000349-pat00008
The angular velocity of the object
Figure 112013068000349-pat00009
And since the optical path is composed of an optical fiber wound in a coil shape
Figure 112013068000349-pat00010
It is possible to measure the angular velocity with high precision and high sensitivity.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치(100)를 나타낸 것이다. X축, Y축, Z축의 3축 가속도를 측정하는 가속도계 센서(120, 140, 160)와 X축, Y축, Z축의 3축 각속도를 측정하는 자이로들(130, 150, 170)을 포함할 수 있다. 여기서, Y축, Z축의 각속도를 측정하는 자이로들(150, 170)은 광 섬유 자이로일 수 있다. 그리고 계산부(180)는 가속도 센서와 자이로가 측정한 결과를 이용하여 전자세 예측에 필요한 계산을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치는 지자계 센서(미도시)를 포함할 수 있다.FIG. 4 shows an apparatus 100 for predicting an electronic watermark according to an embodiment of the present invention. Axis sensors 130, 150 and 170 for measuring three-axis angular velocities of X-axis, Y-axis and Z-axis, and accelerometer sensors 120, 140 and 160 for measuring three axis acceleration of X-, Y- and Z- . Here, the gyroses 150 and 170 for measuring the angular velocity of the Y-axis and the Z-axis may be an optical fiber gyro. Then, the calculation unit 180 can perform the calculation necessary for the electronic tax prediction using the acceleration sensor and the gyro measurement result. In addition, the electronic tax prediction apparatus according to an embodiment of the present invention may include a geomagnetic sensor (not shown).

먼저 계산부(180)는 로봇의 자세각 중에서 롤 각, 피치 각은 3축의 가속도 정보와 3축의 각속도 정보를 칼만 필터를 사용하여 계산한다. 칼만 필터에 의해 계산된 롤 각, 피치 각은 누적된 오차가 발생하지 않으며, 센서의 성능에 따라 동적인 환경에서 -2~2도 정도의 오차범위를 갖는 성능을 발휘한다. 다음으로는 요 각을 구하기 위한 방법을 설명한다. 요 각을 추출하기 위한 방법으로는 동역학에서 각속도를 오일러각으로 변환하는 행렬을 사용하는 방법과 쿼터니언을 이용한 적분 방법, 그리고 회전 행렬을 이용한 적분 방법이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 방법에서는 아래 수학식1 내지 수학식 5를 사용하여 요 각을 추출한다. 수학식 1은 각각 X축으로

Figure 112013068000349-pat00011
, Y축으로
Figure 112013068000349-pat00012
, Z축으로
Figure 112013068000349-pat00013
만큼 회전했을 때의 회전 행렬을 나타낸 것이고, 수학식 2는 X축->Y축->Z축 순으로 회전 했을 때 고정 좌표계에서 동체 좌표계로의 변환 행렬을 나타낸 것이다. 수학식 2의 현재 회전 행렬과 수학식 3의 각속도의 변화율의 회전행렬을 구하여 곱하여(수학식4) 적분하는 방법으로 요각을 추출할 수 있다. 이 때 사용되는 Y축 및 Z축의 각속도는 광 섬유 자이로들(150, 170)에서 보다 정확하게 측정된 각속도를 사용하며, X축의 각속도는 롤 각의 변화로 계산한다. 이렇게 되면 보다 정밀한 각속도 측정값을 사용하기 때문에 요 각에 대한 출력이 보다 정밀해 진다.
First, the calculation unit 180 calculates the roll angle, the pitch angle, and the three-axis acceleration information and the three-axis angular velocity information, using the Kalman filter. The roll angle and the pitch angle calculated by the Kalman filter do not cause cumulative error and exhibit an error range of -2 to 2 degrees in a dynamic environment depending on the performance of the sensor. Next, we explain how to calculate the angle. Methods for extracting the yaw angle include a method using a matrix that converts angular velocity to Euler angle in dynamics, an integration method using quaternion, and an integration method using rotation matrix. In the electronic tax prediction method according to an embodiment of the present invention, the yaw angles are extracted using the following Equations 1 to 5 below. Equation (1) can be expressed as
Figure 112013068000349-pat00011
, On the Y axis
Figure 112013068000349-pat00012
, In the Z-axis
Figure 112013068000349-pat00013
And equation (2) shows a transformation matrix from the fixed coordinate system to the body coordinate system when rotated in the order of X, Y, and Z axes. The yaw angle can be extracted by obtaining the rotation matrix of the rate of change of the angular velocity of Equation (3) and multiplying the current rotation matrix of Equation (2) by Equation (4). The Y-axis and Z-axis angular velocities used at this time use angular velocities more accurately measured by the optical fiber gyroses 150 and 170, and the angular velocity of the X-axis is calculated by the change of the roll angle. This results in a more precise angular velocity measurement, resulting in a more accurate output for the yaw angle.

Figure 112013068000349-pat00014
Figure 112013068000349-pat00014

Figure 112013068000349-pat00015
Figure 112013068000349-pat00015

Figure 112013068000349-pat00016

Figure 112013068000349-pat00016

Figure 112013068000349-pat00017
Figure 112013068000349-pat00017

Figure 112013068000349-pat00018
Figure 112013068000349-pat00018

Figure 112013068000349-pat00019
Figure 112013068000349-pat00019

Figure 112013068000349-pat00020
Figure 112013068000349-pat00020

본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치에서도 bias에 따른 오차와 센서 자세 및 적분 오차는 포함될 수밖에 없다. 따라서, 위의 오차를 보상할 필요가 있다. 센서는 현재의 위도에서 발생하는 지구자전각속도를 포함하며, 그 값은 센서의 자세에 따라 변하게 된다. 아래 수학식 6과 수학식 7은 위도에 따라 측정한 센서의 자세에 따른 드리프트(drift)량을 계산하는 것이다.
The error of the bias, the sensor attitude, and the integration error are included in the electronic three-leg prediction apparatus according to the embodiment of the present invention. Therefore, it is necessary to compensate for the above error. The sensor includes the earth rotation angular velocity which occurs at the current latitude, and its value changes according to the attitude of the sensor. Equations (6) and (7) below calculate the drift amount according to the sensor attitude measured according to the latitude.

Figure 112013068000349-pat00021
Figure 112013068000349-pat00021

Figure 112013068000349-pat00022
Figure 112013068000349-pat00022

도 5는 실제 센서의 드리프트량을 측정한 것과 위의 수식을 이용하여 계산한 양을 나타낸 것이다. 도 6에서 보는 바와 같이 실제 센서의 드리프트량과 이론적으로 계산한 값은 매우 비슷하므로 이를 이용하여 오차를 보상할 수 있다.
FIG. 5 shows the amount of actual sensor drift measured and the amount calculated using the above equation. As shown in FIG. 6, since the drift amount of the actual sensor is very similar to the theoretical calculated value, the error can be compensated by using the same.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치를 포함하는 선박 청소 로봇의 주행을 예시적으로 나타낸 것이다. 선박 청소 로봇의 경우 선박 표면 전체를 주행하지만 주로 선박의 측면부와 밑면부에 부착되어 주행을 하게 된다. 선박의 선수부와 선미부는 곡률이 다소 존재하지만 대부분의 측면부와 밑면부는 수직 및 수평으로 된 평면이 존재하고 이 곳에서는 도 6의 (a), (b)와 같이 주행한다. (a)는 측면부, (b)는 밑면부를 주행하는 것을 나타낸 것이다. 측면부와 밑면부에서는 로봇의 롤 각이 90도, 180도, 270도 등의 값을 갖게 되어 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치의 측정값과 동역학식의 오일러각-각속도와의 관계를 사용하여 발산하는 오차를 보정할 수 있다.FIG. 6 illustrates an example of a ship cleaning robot including an electronic tax prediction apparatus according to an embodiment of the present invention. In the case of a ship cleaning robot, the entire surface of the ship travels, but it is attached to the side and bottom of the ship and travels. The bow and stern parts of the ship have somewhat curvature, but most of the side and bottom parts have vertical and horizontal planes, and run as shown in Fig. 6 (a) and (b). (a) is a side view, and (b) shows a bottom view. The roll angle of the robot is 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees or the like at the side portion and the bottom portion, so that the relationship between the measured value of the electronic aged prediction apparatus according to an embodiment of the present invention and the Euler angular- The error to be diverged can be corrected.

로봇이 선체 측면부에 위치하는 경우에는 롤 각이 90도 또는 270도의 값을 가지므로 Z축 자이로는 고정 좌표계를 기준으로 할 때 Y축의 각속도 값을 측정하게 된다. 따라서, Z축 자이로의 측정값을 이용하여 피치 각을 보정할 수 있다.When the robot is located at the side of the ship, the roll angle is 90 degrees or 270 degrees, so that the Z axis gyroscope measures the angular velocity of the Y axis when it is based on the fixed coordinate system. Therefore, the pitch angle can be corrected using the measured value of the Z-axis gyro.

또한, 선체 밑면부에서는 롤 각이 0도 또는 180도가 되므로 Y축 자이로는 고정 좌표계를 기준으로 할 때 Y축의 각속도 값을 측정하게 된다. 따라서, Y축 자이로의 측정값을 이용하여 피치 각을 보정할 수 있다.Also, since the roll angle is 0 degrees or 180 degrees at the bottom of the hull, the Y-axis gyro measures the Y-axis angular velocity with reference to the fixed coordinate system. Therefore, the pitch angle can be corrected by using the measured value of the Y-axis gyro.

이러한 방법을 사용하여 보정을 하게 되면 보다 나은 요 각을 추출할 수 있다. 아래 수학식은 상술한 방법을 이용하여 자세각을 보정하는 것을 나타낸다.
Calibrations using this method can extract better angles. The following equation indicates that the attitude angle is corrected using the above-described method.

Figure 112013068000349-pat00023
Figure 112013068000349-pat00023

Figure 112013068000349-pat00024
Figure 112013068000349-pat00024

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and it is to be understood that various modifications may be made within the scope of the present invention. For example, each component shown in the embodiment of the present invention may be distributed and implemented, and conversely, a plurality of distributed components may be combined. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims, and the technical protection scope of the present invention is not limited to the literary description of the claims, The invention of a category.

100: 전자세 예측 장치
120, 140, 160: 가속도 센서
130, 150, 170: 자이로
180: 계산부
100: Electronic tax prediction device
120, 140, 160: acceleration sensor
130, 150, 170: Gyro
180:

Claims (9)

이동체의 전자세 예측 장치에 있어서,
상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서;
상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 각속도를 측정하는 자이로 센서; 및
상기 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부;
를 포함하고,
상기 계산부는 상기 이동체의 주행면과 상기 Y축 자이로 센서 또는 상기 Z축 자이로 센서의 측정값 중 어느 하나 이상에 기초하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하여 상기 이동체의 전자세를 예측하며,
상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로이고,
상기 이동체의 롤 각이 0도 또는 180도일 때의 상기 이동체의 피치 각을 이용하여 상기 Y축 자이로 센서의 측정값을 보정하며,
상기 이동체의 롤 각이 90도 또는 270도일 때의 상기 이동체의 피치 각을 이용하여 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 보정하고,
상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 보정된 측정값을 이용하여 상기 요 각을 산출하는 전자세 예측 장치.
An electronic tax prediction apparatus for a moving object,
An acceleration sensor for measuring acceleration in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the moving object;
A gyro sensor for measuring an angular velocity in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the moving body; And
A calculating unit calculating a roll angle, a pitch angle and a yaw angle of the moving object based on the acceleration measurement result and the angular velocity measurement result of the moving object;
Lt; / RTI >
The calculation unit predicts the electronic tax of the moving object by correcting the pitch angle and the yaw angle based on at least one of the running surface of the moving object and the measured values of the Y-axis gyro sensor or the Z-axis gyro sensor,
Wherein the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor are optical fiber gyros,
Axis gyro sensor is corrected using the pitch angle of the moving object when the roll angle of the moving object is 0 degrees or 180 degrees,
Axis gyro sensor is corrected using the pitch angle of the moving object when the roll angle of the moving object is 90 degrees or 270 degrees,
Axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor, and calculates the yaw angle using the corrected measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 계산부는
상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 전자세 예측 장치.
The method according to claim 1,
The calculation unit
A pitch angle, and a yaw angle based on a latitude at which the moving body is located, a rotation rate of the rotation of the earth, and a posture of the sensor.
삭제delete 삭제delete 이동체의 전자세 예측 방법에 있어서,
3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 이용하여 상기 이동체에 가해지는 가속도와 각속도를 측정하는 단계;
상기 측정된 가속도 정보와 각속도 정보에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각, 요 각을 계산하는 단계; 및
상기 롤 각에 기초하여 상기 이동체의 위치를 판단하고 상기 이동체의 위치와 상기 3축 자이로 센서의 Y축 자이로 센서와 Z축 자이로 센서의 측정값을 보정하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계;
를 포함하고,
상기 보정하는 단계는
상기 3축 자이로 센서의 광 섬유 자이로 센서로 구성된 Y축 자이로 센서와 Z축 자이로 센서의 측정값을 보정하여 상기 요 각을 보정하는 단계;를 포함하며,
상기 요 각을 보정하는 단계는
상기 이동체의 롤 각이 0도 또는 180도일 때의 상기 이동체의 피치 각을 이용하여 상기 Y축 자이로 센서의 측정값을 보정하고, 상기 이동체의 롤 각이 90도 또는 270도일 때의 상기 이동체의 피치 각을 이용하여 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 보정하는 단계; 및
상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 보정된 측정값을 이용하여 상기 요 각을 산출하는 단계;를 포함하는 전자세 예측 방법.
A method for predicting an electronic tax of a moving object,
Measuring acceleration and angular velocity applied to the moving body using a three-axis acceleration sensor and a three-axis gyro sensor;
Calculating a roll angle, a pitch angle and a yaw angle of the mobile object based on the measured acceleration information and the angular velocity information; And
Correcting the pitch angle and the yaw angle by determining the position of the moving body based on the roll angle and correcting the position of the moving body and the measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor of the tri- ;
Lt; / RTI >
The step of correcting
And correcting the yaw angle by correcting the measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor constituted by the optical fiber gyro sensor of the 3-axis gyro sensor,
The step of calibrating the angle
Axis gyro sensor is corrected using the pitch angle of the moving object when the roll angle of the moving object is 0 or 180 degrees and the pitch of the moving object when the roll angle of the moving object is 90 degrees or 270 degrees, Correcting the measured value of the Z-axis gyro sensor using the angle; And
And calculating the yaw angle using the corrected measured values of the Y-axis gyro sensor and the Z-axis gyro sensor.
제6항에 있어서,
상기 요 각을 계산하는 단계는
상기 이동체가 각각 X축으로
Figure 112014128351324-pat00031
, Y축으로
Figure 112014128351324-pat00032
, Z축으로
Figure 112014128351324-pat00033
만큼 x축, y축, z축 순으로 회전했을 때의 회전행렬과 각속도의 변화율의 회전행렬을 곱하여 적분함으로써 요 각을 계산하는 단계;를 포함하는 전자세 예측 방법.
The method according to claim 6,
The step of calculating the angle
The moving body is moved along the X axis
Figure 112014128351324-pat00031
, On the Y axis
Figure 112014128351324-pat00032
, In the Z-axis
Figure 112014128351324-pat00033
And calculating a yaw angle by multiplying the rotation matrix by the rotation matrix of the rate of change of the angular velocity and integrating the rotation matrix when the rotation matrix is rotated in the x-axis, y-axis and z-axis.
제6항에 있어서,
상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 단계;
를 더 포함하는 전자세 예측 방법.
The method according to claim 6,
Compensating the calculated roll angle, pitch angle and yaw angle based on the latitude at which the moving body is located, the rotational angular velocity of the earth, and the attitude of the sensor;
Further comprising the steps of:
삭제delete
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