KR100825226B1 - 정밀 고도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고도 측정 방법으로서, 로컬 대기압을 측정하는 압력 센서(14)와 로컬 온도를 측정하는 온도 센서(16)를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(120)와; 지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서(18)를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(130)와; 상기 초음파 센서(18)로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 데이터를 퍼지화하고 보정하는 단계(140, 150, 160)를 포함하여 고도를 산출하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 특히 반도체형 압력 센서와 온도 센서, 초음파 센서를 이용한 RC 모형 항공기용 고도 측정 장치를 구성함으로써 지상에서 근접한 높이, 10m 이하 저고도에서도 ± 0.5m의 정확도를 갖는 정밀 고도 측정 방법이 제공될 수 있다.
고도측정, 모형항공기, 센서융합, 기압형, 초음파, 온도

Description

정밀 고도 측정 방법 및 장치{Hight Sensing Method and Apparatus}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치의 회로부 구성을 보여주는 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치의 외형을 보여주는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치에서 사용하는 센서 융합 알고리즘의 단계를 개략적으로 보여주는 흐름도.
<도면의 주요부호의 간단한 설명>
10 : 고도측정장치 11 : 전원입력부
12 : 프로세싱 기판 14 : 압력센서
16 : 온도센서 18 : 초음파센서
122 : DC-DC 정전압 회로부 124, 126 : 증폭부
128 : 논리 프로세싱부 1282 : A/D 컨버터
1284 : 마이크로프로세서
본 발명은 일반적으로 고도 측정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 원격제어(RC) 모형 항공기 등에 적용할 수 있는 정밀 고도 측정 방법에 관한 것이다.
종래 고도를 측정하는 방법으로는 GPS(Global Positioning System)의 수신데이터를 이용하는 방법 또는 기압형 고도 센서를 이용하여 고도를 측정하는 방식이 있다. 그 중 GPS를 이용한 방법은 동적환경 하에서 오차가 크고, 가시 위성수에 제한을 받는다. 이러한 단점을 보완하고 정밀도를 높이기 위한 기술로서 DGPS(Differential Global Positioning System)방식이 있으나 GPS 기준국을 따로 설치해야하는 비용적인 측면과 기준국과의 일정 범위가 제한되어지기 때문에 공간적 제한을 갖는 단점이 있다. 다른 한가지의 방법인 기압형 고도 센서를 이용한 방법은 센서 자체가 외부환경 및 노이즈에 매우 민감하고 그에 따라 데이터의 변화폭이 매우 크다. 또한, 대기압은 지역, 온도, 바람 등 주위 환경에 따라 수시로 변하고 불특정하므로 기압형 고도 센서를 단독으로 쓸 경우 ± 10m 이상의 일반적인 오차의 범위를 갖게 되므로 정확한 고도를 측정하기에는 많은 어려움이 있다. 그런데 차량 위치 추적이나 RC 모형 항공기 등과 같은 분야에서는 이 보다 더 정밀한 고도 측정이 요구되고 있다. 따라서 고도 측정에 있어서 정밀도를 향상시키려는 노력이 있어 왔다.
예컨대 대한민국 특허 출원번호 10-2001-0025807 (특허권자: 루센트 테크놀 러지스 인크) “무선 지원의 고도 측정 방법”의 등록공보에는 로컬 대기압을 측정하기 위한 압력센서와 통신 장치를 이용하여 보다 정밀한 고도 측정을 위한 기술이 개시되어 있다. 그런데 이러한 방법은 오차범위가 1m 보다 훨씬 크기 때문에, 더욱 정밀한 고도 측정이 요구되는 RC 모형 항공기 분야에는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.
따라서 무인 항공기용 항법 시스템에서 경로 비행과 자동 이착륙 등에 이용가능할 정도로 정확한 고도 측정이 이루어질 수 있는 예컨대 ± 0,5m 정도의 오차범위를 가지는 정밀 고도 측정 방법이 제공된다면 유리할 것이다.
본 발명은 상술한 종래의 고도 측정 방법의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 특히 반도체형 압력 센서와 온도 센서, 초음파 센서를 이용한 RC 모형 항공기용 고도 측정 장치를 구성함으로써 지상에서 근접한 높이, 10m 이하 저고도에서도 ± 0.5m의 정확도를 갖는 정밀 고도 측정 방법 및 장치를 개발하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로 대기압은 고도와 온도에 따라 수시로 변하는 불안정성을 보이므로 기압형 고도 센서만을 이용하여 정확한 고도를 측정하기에는 많은 어려움이 있으며, 사용할 경우 일반적으로 ± 10m 정도의 오차를 벗어나기 힘들다. 따라서 본 발명은 반도체형 압력 센서와 온도 센서, 초음파 센서를 조합하여 하나의 센서 모듈형태로 구성하고, 세 종류의 센서로부터 측정되어진 데이터를 필터링 기법과 센서 융합 알고리즘을 통해 저고도에서도 ± 0.5m의 분해능을 갖는 정밀 고도 측정 방법 및 장치를 개발하려는 목적을 가진다.
또한 본 발명은 예컨대 RS-232(Serial Format) 출력 신호를 제공하여 고도측정을 필요로 하는 시스템에 적용할 수 있고, 특히 무인 항공기용 항법 시스템을 구현하는데 보조 센서모듈로써 사용이 가능하고, 더 나아가 무인 항공기용 항법 시스템의 경우 경로비행과 자동 이·착륙과 같은 정확한 고도 측정이 요구되어지는 부분에 기여할 수 있는 정밀 고도 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 명세서의 특허청구범위에서 기재된 정밀 고도 측정 방법 및 장치에 의해 성취된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 정밀 고도 측정 방법은, 로컬 대기압을 측정하는 압력 센서와 로컬 온도를 측정하는 온도 센서를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하는 단계와; 지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하는 단계와; 상기 초음파 센서로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서와 온도 센서로부터의 데이터를 퍼지화하는 보정 단계를 포함하여 고도를 산출한다.
바람직한 실시예에 있어서, 10 m를 초과하는 고도에서는 압력 센서와 온도 센서로부터의 제 1 고도 감지 데이터만을 이용하여 고도 산출을 하며, 10 m 이하의 고도에서만 상기 초음파 센서로부터의 제 2 고도 감지 데이터를 이용하여 퍼지화하는 보정 단계를 거쳐 고도 산출을 한다.
본 발명의 다른 양상에 따라 제공되는 정밀 고도 측정 장치는, 로컬 대기압을 측정하는 압력 센서와; 로컬 온도를 측정하는 온도 센서와; 지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서와; 상기 센서들로부터의 감지 데이터를 가공하여 고도 데이터를 출력하는 마이크로프로세서를 포함하며, 여기서 상기 마이크로프로세서는, 상기 압력 센서와 온도 센서를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하고, 상기 초음파 센서를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하며, 상기 초음파 센서로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서와 온도 센서로부터의 데이터를 퍼지화하는 보정 단계를 거쳐 고도를 산출하도록 동작한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 10 m를 초과하는 고도에서는 압력 센서와 온도 센서로부터의 제 1 고도 감지 데이터만을 이용하여 고도 산출을 하며, 10 m 이하의 고도에서만 상기 초음파 센서로부터의 제 2 고도 감지 데이터를 이용하여 퍼지화하는 보정 단계를 거쳐 고도 산출을 하도록 동작한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치의 회로부 구성을 보여주는 개략적인 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치의 외형을 보여주는 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치에서 사용하는 센서 융합 알고리즘의 단계를 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고도 측정 장치(10)는, 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 반도체형 압력 센서(14), 온도 센서(16)와 초음파 센서(18)를 포함하는 센서 부분과, 세 가지 센서(14, 16, 18)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 12bit 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Converter) 칩(1282) 및 이 변환된 데이터로부터 고도를 계산하고 그 결과를 RS-232 신호(Serial Format)로 출력을 내보내는 마이크로프로세서(1284)를 포함하는 프로세싱 논리 메인보드(128)로 구성된다.
덧붙여서, 각 센서(14, 16, 18)로부터 잡음 없는 정확한 데이터 획득을 위해 마이크로프로세서(1284)는 아날로그 Low-pass 필터회로를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 반도체형 압력 센서(14)는 일반적으로 입력 전원부의 노이즈에 민감하기 때문에 그 노이즈가 출력 데이터의 흔들림에 많은 영향을 끼치므로, 정확한 전원 공급을 위해 외부 전원공급부(11)와의 사이에 DC-DC 정전압 회로부(122)를 포함시키는 것이 바람직하다.
또한 특히 반도체형 압력 센서(14)는 외부 기압이 0.1mbar 단위로 변화할 때 출력을 mVolt 단위로 내보내기 때문에 정밀한 데이터 측정을 위해서, 압력 센서(14)로 입력되는 전원과 압력 센서(14)로부터 출력되는 신호를 증폭하기 위한 증폭회로(124, 126)를 이용하여 출력 범위를 늘려주는 것이 바람직하다.
대기압의 일반적인 특성은 고도의 변화에 따라 기압과 온도가 변화한다는 것이다. 즉, 고도가 높을수록 기압과 온도는 낮아진다. 본 발명에서는 이러한 원리를 적용하여 높이에 따른 온도 보상을 해주기 위해 온도 센서(16)를 사용한다.
반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)는 그 출력 신호가 아날로그 형태이므로 출력단에 논리 메인보드(128)의 아날로그-디지털 변환 칩(1282)과 연결하여, 디지털 신호로 변환시키고, 변환되어진 데이터를 마이크로프로세서(1284)에서는 다음과 같은 Low-pass filter type을 적용하여 압력 값을 산출하게 된다.
·
Figure 112006065419454-pat00001
- x : 센서로부터 측정된 압력 값
- y : 필터링 되어진 압력 값
- k : 0 과 1사이의 증폭계수.
이렇게 산출된 압력 값을 고도 값으로 나타내기 위해 마이크로프로세서(1284)는 아래와 같은 식을 사용한다.
·
Figure 112006065419454-pat00002
- Sealevelpressure : 해수면의 기준 압력, 101325 파스칼(Pa)
- Locallevelpressure : 센서로부터 측정되어진 압력 값
-
Figure 112006065419454-pat00003
: 해수면에서의 기준 온도, 절대온도(K) 288.15K
-
Figure 112006065419454-pat00004
: 대류권에서 높이에 따른 온도 하강율, 6.5/1000[K/m]
- R : Gas constant, 287.052[J/(K×kg)]
- g : 중력상수, 9.81[㎨]
본 발명에서 사용되는 초음파 센서(18)는 10m이내의 범위에서 사용 가능하고, 1cm 이내의 분해능을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 초음파 센서(18)는 초음파 센서 분야에서 잘 알려져 있다. 초음파 센서(18)는 초음파 발생부분에서 초음파를 발생시키고, 반사되어 돌아오는 초음파를 수신부분에서 수신하는 방식으로서, 송신부와 수신부를 가지며, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 센서(10)의 케이스 밑면에 장착되어 지면과의 거리를 감지하도록 구성할 수 있다.
마이크로프로세서(1284)는 초음파 센서(18)를 제어하여 초음파를 발생시키는 신호를 만들어내고, 반사되어 돌아오는 초음파의 시간을 측정하여 아래와 같은 식을 사용하여 거리를 산출한다.
· Distance(cm) = (Time(sec) × 초음파 속도(cm/sec)) ÷ 2
본 발명에 있어서, 10m 이내의 높이에서는 초음파 센서(18)에 의해 측정된 값에 가중치 부여 및 보상 계수를 선정하는 센서 융합 알고리즘(도 3 참조)을 사용, 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터 계산되어진 고도 값을 보상하여 정확한 고도를 산출하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고도 측정 방법에 있어서, 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16), 초음파 센서(18)를 융합하여 고도를 산출하는 방법은 퍼지논리(Fuzzy logic)를 이용한다. 이때, 초음파 센서(18)는 10m이내에서만 사용이 가능하므로, 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)와의 융합 알고리즘은 초음파 센서(18)가 높이를 감지하는 순간부터 사용되어진다. 즉 10m를 초과하는 높이에서는 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터 감지된 데이터만을 사용하여 고도를 산출하고, 10m 이하의 높이에서는 초음파 센서(18)로부터의 데이터를 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터 감지된 데이터와 결합하여 고도를 산출한다.
도시된 바와 같이, 센서 융합 알고리즘이 시작되면(110), 로컬 대기압을 측정하는 압력 센서(14)와 로컬 온도를 측정하는 온도 센서(16)를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(120)와, 지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서(18)를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(130)가 동시에 진행되고, 상기 초음파 센서(18)로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 데이터를 퍼지화하고 보정하는 단계(140, 150, 160)가 진행된다.
퍼지화하고 보정하는 단계(140, 150, 160)에 있어서, 초음파 센서(18)는 10m 이하에서 1㎝의 분해능을 가지므로, 마이크로프로세서(1284)는 우선적으로 초음파 센서(18)의 데이터로부터 기준 값을 구한다. 이를 위하여 초음파 센서(18)로부터 검출된 감지 데이터 중에서 예컨대 50개 데이터를 단위로 기준 값의 샘플링 주기를 만든다. 여기서 이 기준 값은 초음파 센서의 50개 데이터 평균값에 해당되며, 반도체형 압력 센서(14)와 온도 센서(16)의 고도 데이터를 퍼지화(fuzzification) 하는 과정에 사용된다(140). 초음파 센서의 기준 값으로부터 멤버 함수의 소속정도(0～1)를 정의하고, 매 샘플링 주기(초음파 센서의 50개 데이터)마다 반도체형 압력 센서와 온도 센서의 고도 데이터와 초음파 센서의 기준 값 사이의 표준편차를 계산하여 반도체형 압력 센서와 온도 센서의 고도 데이터를 퍼지화시킨다. 즉, 멤버 함수의 소속정도 값으로 매핑시킨다. 퍼지-룰은(fuzzy-rule base) 이프-댄(If-then) 방식을 적용하되 10m이내에서 1m 마다 해당되는 보상계수를 정의하고, 보상계수를 적용하여(160), 반도체형 압력 센서와 온도 센서의 고도 데이터와 초음파 센서의 데이터를 융합하게 된다.
·
Figure 112006065419454-pat00005
·
Figure 112006065419454-pat00006
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 범위가 설명된 예에만 국한되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진자 즉 당업자라면 개시된 내용을 기초로 해당 기술분야의 통상의 지식을 응용하여 다양한 변형과 수정이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 예에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해서 해석되어야 할 것임을 지적해둔다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특히 반도체형 압력 센서와 온도 센 서, 초음파 센서를 이용한 RC 모형 항공기용 고도 측정 장치를 구성함으로써 지상에서 근접한 높이, 10m 이하 저고도에서도 ± 0.5m의 정확도를 갖는 고도 측정 장치를 제공할 수 있다. 본 발명은 반도체형 압력 센서와 온도 센서, 초음파 센서를 조합하여 하나의 센서 모듈형태로 구성하고, 세 종류의 센서로부터 측정되어진 데이터를 필터링 기법과 센서 융합 알고리즘을 통해 저고도에서도 ± 0.5m의 분해능을 갖는 고도 측정 장치를 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 예컨대 RS-232(Serial Format) 출력 신호를 제공하여 고도측정을 필요로 하는 시스템에 적용할 수 있고, 특히 무인 항공기용 항법 시스템을 구현하는데 보조 센서모듈로써 사용이 가능하고, 더 나아가 무인 항공기용 항법 시스템의 경우 경로비행과 자동 이·착륙과 같은 정확한 고도 측정이 요구되어지는 부분에 기여할 수 있는 정밀 고도 측정 장치를 제공하는 등의 효과를 가진다.

Claims (4)

  1. 고도 측정 방법으로서,
    로컬 대기압을 측정하는 압력 센서(14)와 로컬 온도를 측정하는 온도 센서(16)를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(120)와;
    지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서(18)를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하는 단계(130)와;
    상기 초음파 센서(18)로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 데이터를 퍼지화하고 보정하는 단계(140, 150, 160)를
    포함하여 고도를 산출하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 10 m를 초과하는 고도에서는 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 제 1 고도 감지 데이터만을 이용하여 고도 산출을 하며, 10 m 이하의 고도에서만 상기 초음파 센서(18)로부터의 제 2 고도 감지 데이터를 이용하여 퍼지화하는 보정 단계를 거쳐 고도 산출을 하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 측정 방법.
  3. 고도 측정 장치로서,
    로컬 대기압을 측정하는 압력 센서(14)와;
    로컬 온도를 측정하는 온도 센서(16)와;
    지면과의 거리를 측정하는 초음파 센서(18)와;
    상기 센서들(14, 16, 18)로부터의 감지 데이터를 가공하여 고도 데이터를 출력하는 마이크로프로세서(1284)를
    포함하며, 여기서 상기 마이크로프로세서(1284)는, 상기 압력 센서(14)와 온도 센서(16)를 통해 감지한 대기압 및 온도 정보를 이용하여 제 1 고도 감지 데이터를 생성하고, 상기 초음파 센서(18)를 통해 감지한 거리 정보를 이용하여 제 2 고도 감지 데이터를 생성하며, 상기 초음파 센서(18)로부터의 데이터를 기준으로 상기 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 데이터를 퍼지화하고 보정하는 단계(140, 150, 160)를 거쳐 고도를 산출하도록 동작하는
    것을 특징으로 하는 정밀 고도 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서(1284)는 10 m를 초과하는 고도에서는 압력 센서(14)와 온도 센서(16)로부터의 제 1 고도 감지 데이터만을 이용하여 고도 산출을 하며, 10 m 이하의 고도에서만 상기 초음파 센서(18)로부터의 제 2 고도 감지 데이터를 이용하여 퍼지화하는 보정 단계를 거쳐 고도 산출을 하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 측정 장치.
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JPH03289520A (ja) * 1989-12-20 1991-12-19 Westinghouse Electric Corp <We> 流体レベル測定方法及び装置
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US5764541A (en) 1995-12-22 1998-06-09 Hermann Finance Corporation Ltd. Microprocessor controlled sensor signal conditioning circuit

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