KR100491168B1 - 기하학적으로 구속된 다중 ｇｐｓ를 이용한 위치 및 자세측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오차정도가 큰 저급 GPS와 관성항법용 센서를 사용하여, 위치 측정 정밀도를 향상시킨 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치에 관한 것이다.

본 발명의 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치는 항체의 각도변화를 측정하는 자이로 및 항체의 속도를 측정하는 속도 센서를 포함하는 관성 항법 센서부, 대칭 구조로 배치된 적어도 2개 이상의 GPS를 포함하는 다중 GPS 수신부 및 다중 GPS 수신부로부터의 신호들의 기하학적 위치 신호들을 기초로 상기 GPS들의 위치 신호들을 보정하고, 보정된 GPS들의 위치 신호와 상기 관성 항법 센서부로부터의 신호들을 사용하여 최종 위치 신호들을 생성하는 연산부를 포함한다.

Description

기하학적으로 구속된 다중 ＧＰＳ를 이용한 위치 및 자세 측정 장치{Measuring system for position and posture using multi-GPS constrained geometricaly}

본 발명은 항체의 위치 및 자세를 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 2개 이상의 GPS(Global Positioning System)의 위치 신호와, 관성 항법 센서부의 위치 신호를 융합하여 정밀한 항체 위치 및 자세를 측정하는 장치에 관한 것이다.

GPS는 지구 위성 궤도 상에 위치된 적어도 2개 이상의 GPS 위성들로부터 수신된 위성 신호들을 사용하여 항체의 위치를 구하는 시스템이다. 이러한 GPS 신호는 군사용 신호와 민간용 신호로 분류된다. 군사용 신호는 수~수십 cm의 정밀도로 항체의 위치를 알 수 있게 하지만, 민간용 신호는 수~수십 m의 정밀도로 항체의 위치를 측정할 수 있다.

이러한 민간용 신호의 정밀도를 보정하기 위하여 DGPS(Differential GPS) 보정 신호를 이용한 GPS가 사용되었다. 그러나 이러한 DGPS용 장치는 고가이기 때문에, 농업용이나 off road를 즐기는 사용자가 구입하기에 상대적으로 부담이 되는 문제점이 있다.

일반적으로, 농업환경은 개방형 지리가 아닌 곳에서 작업해야 하는 산, 또는 과수가 있는 곳에서도 존재한다. 이러한 환경에서는 GPS의 수신환경이 열악하여 DGPS 보정신호가 도달하기 어려우며, 산간 구릉지와 같은 다중-경로(multi-path) 환경에서는 GPS 신호에만 의존한 위치 측정이 곤란한 문제점이 상존한다.

본 발명의 목적은 전술된 문제점들을 해결하기 위해, 상대적으로 저렴한 GPS들과 관성 항법 센서부를 사용하고, 이들 위치 신호들을 기하보정 알고리즘과 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 융합하여 위치 측정 정밀도를 향상시키고 정지 중에도 항체의 자세를 정확하게 알 수 있는 위치 및 자세 측정 장치를 제공하는 것이다.

전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치는, 항체의 각도변화를 측정하는 자이로 및 항체의 속도를 측정하는 속도 센서를 포함하는 관성 항법 센서부, 대칭 구조로 배치된 적어도 2개 이상의 GPS를 포함하는 다중 GPS 수신부 및 다중 GPS 수신부로부터의 신호들의 기하학적 위치 신호들을 기초로 GPS들의 위치 신호들을 보정하고, 보정된 GPS들의 위치 신호와 관성 항법 센서부로부터의 신호들을 사용하여 최종 위치 신호들을 생성하는 연산부를 포함한다.

또한 본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치의 다중 GPS 수신부는 서로 직각으로 배치된 4개의 GPS를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치는, x_m(k)를 상기 다중 GPS 수신부의 x축 중점 좌표, y_m(k)를 상기 GPS 수신부의 y축 중점 좌표, zx_a(k), zx_b(k), zx_c(k) 및 zx_d(k)를 상기 GPS 각각의 x축 중점 좌표, 그리고 zy_a(k), zy_b(k), zy_c(k) 및 zy_d(k)를 상기 GPS 각각의 y축 중점 좌표라 할 때, 다중 GPS 수신부의 x축 및 y축의 중점 좌표를, 수학식

에 의해 산출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치는, ℓ을 서로 마주보는 GPS 사이의 거리, Ex를 x축에서의 GPS의 오차, Ey를 y축에서의 GPS의 오차라고 할 때, 오차들은, 수학식

에 의해 산출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치는, x_a(k+1), x_b(k+1), x_c(k+1) 및 x_d(k+1)를 GPS의 x축 중점 좌표, y_a(k+1), y_b(k+1), y_c(k+1) 및 y_d(k+1)를 GPS의 y축 중점 좌표라 할 때, 각 GPS의 중점 좌표는, 수학식

에 의해 산출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치의 관성 항법 센서부는 상기 다중 GPS 수신부의 중앙에 배치되는 것이 바람직하다.

(바람직한 실시형태)

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시형태가 기술된다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이 용어들은 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 다중 GPS 장치의 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시형태에 따른 GPS의 배치를 보인 개략도이다.

관성 항법 센서부(100)는 자이로 센서(110)와 속도 센서(120)를 포함한다. 자이로 센서(110)는 항체의 각도 변화를 측정하는 센서로 GPS의 신호가 단절될 경우, 항체의 자세와 진행 방향을 측정하여 위치를 측정하는데 사용된다. 또한 자이로 센서(110)는 GPS로부터 계산된 자세각의 변화와의 차이로 GPS 보정 계수를 산출한다. 속도 센서(120)는 항체의 속도를 측정하며, 예를 들면, 농기계인 트랙터의 차축 또는 엔진에 연결되어 속도를 측정한다.

다중 GPS 수신부(200)는 예를 들면, 서로 직각으로 배치된 4개의 GPS(210, 220, 230, 240)를 포함한다. 다중 GPS 수신부에 배치된 4개의 GPS들(210,220,230,240)은 도 3에 도시된 바와 같이, 설치 브라켓을 중심으로 서로 같은 간격으로 직각으로 배치된다. 또한 설치 브라켓의 중심에는 일 실시예로 자이로 센서(110)가 위치되는 것이 바람직하다.

연산부(300)는 GPS 안테나 상호간의 기하학적 위치를 기초로 현재 수신되는 GPS 신호의 오차를 추정하고, 추정된 오차를 이용하여 수신된 GPS의 위치 측정 신호를 보정한다. 보정된 GPS 신호와 관성 항법 센서부(100)에서 검출된 위치 신호를 융합하는 알고리즘을 수행하여 항체의 최종적인 위치 측정 신호를 출력한다. 일 실시예로 출력되는 항체의 최종적인 위치 측정 신호는 직렬 통신 수단이 RS232C를 통해 출력될 수도 있다.

이후, 도 2, 4 및 5를 참조하여 본원발명에 따른 위치 및 자세 측정 장치의 한 실시형태에 의한 항체의 위치 및 자세를 측정하는 방법이 기술된다.

도 2는 본 발명의 한 실시형태에 의한 위치 및 자세 측정의 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시형태에 따른 다중 GPS를 이용한 항체의 좌표값을 구하기 위한 신호의 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시형태에 따른 항법 신호 융합 알고리즘을 도시한 것이다.

일 실시예로, 트랙터(500)에 본 발명에 따른 위치 및 자세 측정 장치가 배치된다. 관성 항법 센서부(100)의 자이로 센서(110)는 GPS 안테나들이 배치된 브라켓의 중심에 배치되고, 속도 센서(120)는 트랙터의 바퀴 또는 차속 센서와 연결된다.

다중 GPS 수신부(200)를 구성하는 GPS들(210,220,230,240)이 배치되는 브라켓은 GPS 신호를 양호한 상태로 수신하기 위하여 트랙터(500)의 지붕에 위치하는 것이 바람직하다.

트랙터에 배치된 GPS들을 통해 먼저 새로운 좌표를 입력받는다.(S100)

입력된 네 개의 x축 좌표들과 y축 좌표들은 각각의 x축과 y축 값의 평균을 통해 중점 좌표를 산출하게 된다.

즉, 네 개의 GPS들을 통해 입력된 x축 좌표들을 각각 zx_a(k), zx_b(k), zx_c(k) 및 zx_d(k)라 하고, y축 좌표들을 각각 zy_a(k), zy_b(k), zy_c(k) 및 zy_d(k)라 할 때 GPS들을 통해 측정된 트랙터의 x축 중점 좌표 x_m(k)와 y축 중점 좌표 y_m(k)는 다음의 수학식 1을 통해 산출된다.(S120)

전술된 수학식 1을 통해 산출된 좌표들은 관성 항법 센서부(100)의 자이로 센서(110)와 속도 센서(120)를 통해 측정된 위치와 기하보정(S130)되며, 이에 의해 얻어지는 x축 방향과 y축 방향의 오차는 수학식 2를 통해 산출된다.(S140)

여기서, ℓ은 서로 마주보는 GPS 사이의 거리, Ex는 x축에서의 GPS의 오차, Ey는 y축에서의 GPS의 오차이다.

이처럼 산출된 오차값을 각 GPS들의 현재 GPS 값과 더하여 보정된 중점 좌표를 구할 수 있다.

즉, 전술된 수학식 2를 통해 산출된 오차는 추정된 중점 좌표에 적용되어 좌표가 보정된다.(S110) 보정되는 중점 좌표들은 다음의 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.

여기서, x_a(k+1), x_b(k+1), x_c(k+1) 및 x_d(k+1)는 GPS의 x축 중점 좌표, y_a(k+1), y_b(k+1), y_c(k+1) 및 y_d(k+1)는 GPS의 y축 중점 좌표이다.

S110의 단계에서 좌표가 보정된 이후부터는 S100~S140의 단계를 반복하게 되며, S140의 단계에서 얻어진 오차는 보정 계수가 되어 GPS들을 통해 산출된 중점 좌표에 적용된다.(S150)

이와 같이 관성 항법 센서부는 단기간의 속도나 방위의 변화를 비교적 민감하고 정확하게 반영하여 GPS의 위치 측정 정보로부터 계산되는 속도나 트랙터의 진행각에 포함된 오차의 정도를 추정하게 하며, 추정된 오차의 크기와 벡터값으로 각 GPS들의 측위 신호를 보정하게 된다. 도 5에서 INS의 드리프트(drift)에 의한 경시적 오차의 누적은 GPS에 의해 보정되며, 마스터 필터는 GPS들과 INS 신호를 통합하고, 이중 유용한 신호를 취사 선택하며, GPS 신호가 단절되는 경우에 INS만을 이용하여 항체의 위치 측정이 가능하도록 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부된 도면을 참조하여 기술되었다. 그러나 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명과 도면에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 사상내의 모든 변형물, 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 의하면 DGPS를 사용하는 정밀 위치 측정 시스템에 비해 상대적으로 저렴한 GPS를 사용하여 정밀한 위치 및 자세 측정이 가능하게 된다.

또한 GPS 수신 상태가 열악한 환경에서도 항체의 위치를 정확하게 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 다중 GPS 장치의 블럭도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시형태에 의한 위치 및 자세 측정의 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 한 실시형태에 따른 GPS의 배치를 보인 개략도이다.

도 4는 본 발명의 한 실시형태에 따른 다중 GPS를 이용한 항체의 좌표값을 구하기 위한 신호의 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 한 실시형태에 따른 항법 신호 융합 알고리즘을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

100: 관성 항법 센서부 110: 자이로 센서

120: 속도 센서 200: 다중 GPS 수신부

210, 220, 230, 240: GPS 300: 연산부

Claims (6)

1. 항체의 각도변화를 측정하는 자이로 및 항체의 속도를 측정하는 속도 센서를 포함하는 관성 항법 센서부;

   대칭 구조로 배치된 적어도 2개 이상의 GPS를 포함하는 다중 GPS 수신부; 및

   상기 다중 GPS 수신부로부터의 신호들의 기하학적 위치 신호들을 기초로 상기 GPS들의 위치 신호들을 보정하고, 보정된 GPS들의 위치 신호와 상기 관성 항법 센서부로부터의 신호들을 사용하여 최종 위치 신호들을 생성하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 다중 GPS 수신부는 서로 직각으로 배치된 4개의 GPS를 포함하는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, x_m(k)를 상기 다중 GPS 수신부의 x축 중점 좌표, y_m(k)를 상기 GPS 수신부의 y축 중점 좌표, zx_a(k), zx_b(k), zx_c(k) 및 zx_d(k)를 상기 GPS 각각의 x축 중점 좌표, 그리고 zy_a(k), zy_b(k), zy_c(k) 및 zy_d(k)를 상기 GPS 각각의 y축 중점 좌표라 할 때, 상기 다중 GPS 수신부의 x축 및 y축의 중점 좌표는, 수학식

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.
4. 제3항에 있어서, ℓ을 서로 마주보는 GPS 사이의 거리, Ex를 x축에서의 GPS의 오차, Ey를 y축에서의 GPS의 오차라고 할 때, 상기 오차들은, 수학식

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, x_a(k+1), x_b(k+1), x_c(k+1) 및 x_d(k+1)를 GPS의 x축 중점 좌표, y_a(k+1), y_b(k+1), y_c(k+1) 및 y_d(k+1)를 GPS의 y축 중점 좌표라 할 때, 각 GPS의 중점 좌표는, 수학식

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 관성 항법 센서부는 상기 다중 GPS 수신부의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치.