KR100814577B1

KR100814577B1 - 자이로 누적 오차의 신호처리 방법

Info

Publication number: KR100814577B1
Application number: KR1020060085978A
Authority: KR
Inventors: 임후장; 손승현
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-03-17
Also published as: KR20080022620A

Abstract

본 발명은 자이로의 신호처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자이로 누적 오차의 신호처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 자이로와 상기 자이로의 출력신호를 이용하여 회전각을 출력하는 항법 시스템의 신호처리방법에 있어서, 자이로에 인가된 디더 레이트 신호를 측정하는 단계(S10); 측정된 디더 레이트 신호에 기초하여 자이로로부터 출력되는 신호를 적분하는 단계(S20); 적분된 적분값에 인가되는 디더 레이트 신호를 감산하여 회전각을 출력하는 단계(S30); 회전각으로부터 회전각속도를 계산하는 단계(S40);가 제공된다.

자이로, 디더, 스트립핑, 에러, 누적, 적분, 레이트, 신호

Description

자이로 누적 오차의 신호처리 방법{Signal processing Method of a gyrpscope accumulative errors}

도 1은 본 발명에 적용되는 링 레이저 타입의 자이로의 개략적인 평면도,

도 2는 종래의 디더 스트리핑 과정을 설명하는 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 자이로 누적 오차의 신호처리 방법에 의한 디더 스트리핑 과정을 설명하는 블럭도,

도 4는 본 발명에 사용되는 스케일 팩터의 계산 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 5는 본 발명에 따른 신호처리 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 링 레이저 타입 자이로(RLG),

12 : 자이로 출력부,

14 : 디더 구동부,

15 : 센서 블럭,

16 : 레이트 센서,

20 : V/F 또는 A/D 변환부,

22 : 위상 연동부,

24 : 승산부,

26 : 감산부,

28 : 적분부,

30 : V/F 또는 A/D 변환부,

32 : 위상 연동부,

34 : 승산부,

36 : 감산부,

38 : 적분부,

40 : 레이트 연산부.

본 발명은 자이로의 신호처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자이로 누적 오차의 신호처리 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 적용되는 링 레이저 타입의 자이로(Ring Laser Gyro, RLG)의 개략적인 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 블럭(15) 한쪽 구석에 구비되는 자이로 출력부(12)는 포토다이오드가 부착되어 있어서 자이로 출력을 검출한다. 센서 블럭(15)의 가운데에는 자이로 신호에 랜덤한 노이즈를 인가하기 위한 디더 구동부(Dither Driver, 14)가 위치하고 있다. 그리고, 센서 블록(15)의 아래쪽에는 센서 블럭(15)의 각속도를 측정하기 위한 레이트 센서(16)가 부착되어 있 다.

이와 같은 도 1의 자이로(10)의 출력에는 자이로(10)에 입력되는 회전과 자이로 블럭에 랜덤한 노이즈를 인가하는 디더 신호가 포함되어 있다. 이를 식으로 나타내면 다음의 [수학식 1]과 같다.

상기와 같은 [수학식 1]에서 "Input Rate"는 자이로(10)에 입력되는 회전 각속도를 의미하고, "Dither Noise"는 디더 신호를 의미한다. 링 레이저 자이로(10)는 입력 회전에 비례해서 디지털 펄스를 출력하므로 일정시간 펄스를 카운트하면 그 시간 동안의 회전각속도(레이트, Rate)를 측정하게 된다. 하지만 [수학식 1]의 왼쪽 부분 "Dither Noise" 성분이 있기 때문에 링 레이저 자이로(10)를 사용하기 위해서는 자이로 출력에서 디더 노이즈를 제거하여 외부에서 센서에 입력되는 회전각속도(Input Rate)만을 출력해야 한다. 이와 같은 디더 노이즈는 다음과 같은 [수학식 2]로 나타내어진다.

[수학식 2]에서 A(t)는 노이즈 크기(진폭)를 나타내고, 일정한 크기범위 내에서 불규칙하게 변한다. 또한 디더 자체의 기계적 공진 주파수(ω_d)로 동작하기 때문에 디더 노이즈의 출력은 노이즈 크기가 불규칙한 정형파의 형태를 가진다. 이 러한 디더 신호를 제거하는 종래의 방법으로는 디더 트랩핑(Trapping) 방식과 디더 스트립핑(Stripping) 방식이 있다.

디터 트랩핑 방식은 디더 신호의 크기가 불규칙한 정형파이므로 디더 신호의 크기가 0이 되는 시점(Ts=2π)에서 자이로(10)의 출력을 받으면 자이로 출력에서 디더 신호가 제거된 출력을 얻을 수 있다. Ts=2π가 되는 지점은 레이트 센서(16)의 신호를 처리하여 각도출력을 만든 뒤 각도 출력이 0이 되는 지점을 사용한다. 이를 수학식으로 표현하면 [수학식 3]과 [수학식 4]로 표현된다.

하지만 디더 트래핑 방식은 IMU(Inertial Measurement Unit, 관성 측정장치)를 구성하는데 단점이 있다. 하나의 IMU를 구성할 때는 3축의 회전과 가속도를 감지하기 위해서 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계를 사용한다. 하지만 기계적 공진 문제때문에 3개의 서로 다른 주파수를 가진 링 레이저 자이로(10)를 사용하게 되는데 3축의 회전과 가속도를 가지고 항법을 수행하게 될 때 3개의 자이로 출력이 모두 다른 시점에 나오게 되는 문제가 생긴다. 따라서 항법컴퓨터에서 항법을 수행 하기 위해서는 모든 자이로에서 같은 시점에 데이터가 출력되어야 한다. 이를 위해서 항법 컴퓨터에서는 자이로에 자이로 디더 주파수 보다 빠른 출력 동기 신호를 보내고 자이로에서는 이 동기신호를 기준으로 측정된 회전각속도를 항법컴퓨터에 전달하게 된다. 하지만 이때 자이로 출력에는 디더 신호가 포함되어 있으므로 실제 회전각속도을 측정하기가 힘들다. 이 디더 신호를 제거하기 위해서 자이로(10)에 레이트(각속도) 센서(16)를 부착하여 측정된 자이로 출력에서 레이트 센서(16)의 값을 빼서 실제 자이로에 입력된 회전값을 출력하게 된다. 이를 식으로 나타내면 [수학식 5]와 같다.

[수학식 5]에서 "Rate Sensor"는 레이트 센서(16)의 신호값을 의미한다. 그러나, 이와 같은 방법에는 자이로 성능 이외에 레이트 센서(16)의 오차가 누적될 수 있는 단점이 있다. 링 레이저 자이로(10)의 성능은 0.005 deg/h정도로 매우 정밀하게 회전을 측정할 수 있다. 하지만 레이트 센서(16)의 출력을 측정하는데 사용하는 센서는 V/F 변환기(Voltage to Frequency Converter) 또는 A/D 변환기(20)를 사용하는데 레이트 센서(16)나 이 값을 변환하는 V/F 또는 A/D 변환부(20)에서 생기는 오차 때문에 아래의 [수학식 6]과 같이 디더 센서 출력에서 레이트 센서 출력을 빼면서 자이로 출력에 오차가 포함되게 된다. 따라서 다음과 같이 링 레이저 자이로(10)에서 출력되는 디더 노이즈 출력과 레이트 센서(16)의 출력은 정확하게 일 치하지 않고 스트리핑 에러를 발생시킨다.

IMU(미도시)의 입장에서 위의 [수학식 6]을 다시 정리하면 IMU에서는 자이로에서 받은 회전각속도를 항법을 시작한 시간(t₀)으로부터 누적하여 IMU의 회전을 측정하게 된다. 하지만 각속도를 누적하면서 [수학식 7, 8]에서 생긴 스트립핑 에러가 누적되어 원래 자이로의 성능을 많이 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 디더 스트립핑 방식을 적용하는 경우 스트립핑 에러가 누적되는 것을 방지하여 더욱 정밀하게 회전각을 측정할 수 있도록 하는 자이로 누적 오차의 신호처리 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 자이로와 상기 자이로의 출력신호를 이용하 여 회전각을 출력하는 항법 시스템의 신호처리방법에 있어서,

자이로에 인가된 디더 레이트 신호를 측정하는 단계(S10);

측정된 디더 레이트 신호에 기초하여 상기 자이로로부터 출력되는 신호를 적분하는 단계(S20);

적분된 적분값에 상기 인가되는 디더 레이트 신호를 감산하여 회전각을 출력하는 단계(S30);

회전각으로부터 회전각속도를 계산하는 단계(S40);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로 누적 오차의 신호처리방법에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 측정단계는,

디더 레이트 신호를 A/D 변환하는 단계;

변환된 디더 레이트 신호를 적분된 신호와 연동하도록 위상을 조절하는 단계; 및

위상 조절된 신호의 진폭을 적분된 신호와 대응되도록 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 계산단계는 이전 샘플링 주기때의 자이로 회전각과 현재 자이로 회전각과의 차이를 비교하여 회전각속도를 계산하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.

이하에서는 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 우선, 도 3은 본 발명에 따른 자이로 누적 오차의 신호처리 방법에 의한 디더 스트리핑 과정을 설명하는 블럭도이고, 도 5는 본 발명에 따른 신호처리 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 디더 레이트 신호를 변환하는 V/F 또는 A/D 변환부(30)가 구비된다. 위상연동부(32)는 감산부(36)에서 감산하기 위하여 디더 레이트 신호와 자이로 출력 신호의 위상을 일치시키도록 한다.

승산부(34)에서는 소정의 스케일 팩터를 곱하게 되며, 스케일 팩터의 결정방법은 도 4에서 설명하기로 한다. 스케일 팩터를 곱함으로서 디더 레이트 신호와 자이로 출력 신호의 크기(진폭)이 같아지고, 이로 인해 감산부(36)에서 정확한 의미의 감산이 이루어지게 된다.

적분부(38)는 자이로 출력과 감산부(36) 사이에 위치하여 자이로 출력이 감산되기 전에 적분이 수행되도록 한다. 즉, 종래에 감산후 적분함에 따라 피할 수 없었던 스트리핑 에러의 누적을 도 3에서는 적분후 감산함에 따라 적어도 스트리핑 에러의 누적은 피할 수 있는 장점이 있다.

레이트 연산부(40)에서는 이전 샘플링 주기때의 자이로 회전각(a(t-1))과 현재 자이로 회전각(a(t))의 차를 계산함으로서 자이로 레이트(변화량 또는 변화율)를 출력하게 된다.

이하에서는 도 3과 같은 구성의 동작을 수학적으로 설명하기로 한다.

우선, [수학식 9]와 [수학식 10]에서 자이로 출력은 샘플링 시간(ts)동안의 회전각속도이고, 본 특허에서 자이로 출력은 항법이 시작된 시간(t₀)부터의 회전각이 된다. 항법컴퓨터에서는 회전각을 받아서 미분하여 사용하면 그 시점의 회전각속도를 구할 수 있다. 이 회전각의 입장에서 기존의 [수학식 7]과 [수학식 10]을 비교해 보면 본 발명의 경우 스트리핑 에러가 누적되지 않고 항법컴퓨터의 시간에서의 현재의 스트리핑 에러만이 존재하게 된다.

이와 같은 본 발명의 특징을 표를 이용하여 정리하면 다음의 [표 1]과 같다.

	기존방식	본원의 방식
자이로 출력	회전각속도	회전각
항법컴퓨터 계산	회전각	회전각속도
회전각 오차	스트리핑 에러의 적분값	현재의 스트리핑 에러

따라서, 본 발명에 따른 처리방법을 사용할 경우. 스트리핑 에러가 입력 각속도보다 크다면 회전각속도를 계산하는데 퀀타이제이션 에러가 커지게 된다. 따라서 스트리핑 에러에 영향을 제일 많이 주는 스케일 팩터 에러와 위상 에러를 보상해야 한다. 이 두 오차는 본원 발명의 방법을 사용한다면 자이로의 누적오차에는 영향을 주지 않고 퀀타이제이션 에러에만 영향을 주게 된다.

도 4는 본 발명에 사용되는 스케일 팩터의 계산 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 링 레이저 자이로(10)에 초기 전원 입력 후 T가 Tsf보다 작으면(S10단계) SF값은 초기치값(SF_init)을 사용하고(S14단계), Tsf보다 크면 SF는 전원 입력 후 Tsf 시간까지 받은 자이로 데이터의 1σ값과 레이트 센서(16)의 1σ값을 이용하여 새로운 SF_cal을 사용한다(S20단계). 이때 SF_init값과 SF_cal값이 차이가 많이 나면 BIT(Built In Test)중 SF_Error_Bit를 '1'로 출력하고 SF는 초기치 SF_Init값을 사용한다(S24단계). SF_init값은 상온에서 Tsf보다 장시간동안 측정된 SF값이다. SF를 매번 계산하는 이유는 온도에 따라 A/D나 V/F 변환부(30)의 값이 조금씩 틀릴 수도 있기 때문에 전원을 입력했을 시점의 SF를 계산해서 사용하기 위해서이다.

위상 에러는 디더 주파수에 따라 오차가 가장 많이 발생함으로 링 레이저 자이로(10)를 관성 센서 조립체 블록에 고정시킨 후 관성 센서 조립체 블록(미도시)을 최종 튜닝 할 때 위상값을 바꿔 가면서 위상 에러가 최소가 되는 지점을 측정하여 사용한다. 디더 주파수는 장착강도나 위치에 따라 차이가 많이 나고 온도나 다른 변수에는 강인한 특성을 보이므로 최종튜닝 때 한번만 하고 자이로를 고정한 나사를 풀었을 경우에는 다시 측정하여 최종값을 사용한다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 디더 스트립핑 방식을 적용하는 경우 샘플링이 거듭됨에 따라 스트립핑 에러가 누적되는 것을 방지하여 더욱 정밀하게 회전각을 측정할 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims

삭제
자이로와 상기 자이로의 출력신호를 이용하여 회전각을 출력하는 항법 시스템의 신호처리방법에 있어서,

상기 자이로에 인가된 디더 레이트 신호를 측정하는 단계(S10);

측정된 디더 레이트 신호에 기초하여 상기 자이로로부터 출력되는 신호를 적분하는 단계(S20);

적분된 적분값에 상기 인가되는 디더 레이트 신호를 감산하여 회전각을 출력하는 단계(S30);

상기 회전각으로부터 회전각속도를 계산하는 단계(S40);로 이루어지며,

상기 측정단계는,

상기 디더 레이트 신호를 A/D 변환하는 단계;

변환된 디더 레이트 신호를 적분된 신호와 연동하도록 위상을 조절하는 단계; 및

위상 조절된 신호의 진폭을 상기 적분된 신호와 대응되도록 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로 누적 오차의 신호처리방법.
자이로와 상기 자이로의 출력신호를 이용하여 회전각을 출력하는 항법 시스템의 신호처리방법에 있어서,

상기 자이로에 인가된 디더 레이트 신호를 측정하는 단계(S10);

측정된 디더 레이트 신호에 기초하여 상기 자이로로부터 출력되는 신호를 적분하는 단계(S20);

적분된 적분값에 상기 인가되는 디더 레이트 신호를 감산하여 회전각을 출력하는 단계(S30);

상기 회전각으로부터 회전각속도를 계산하는 단계(S40);로 이루어지며,

상기 계산단계는 이전 샘플링 주기때의 자이로 회전각과 현재 자이로 회전각의 차이를 비교하여 회전각속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 자이로 누적 오차의 신호처리방법.