KR101046286B1 - Ｇｐｓ와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법 - Google Patents

Ｇｐｓ와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 GPS 수신기가 핫 스타트(Hot Start)와, 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 위치보정 알고리즘을 통해 가상수치범위내에서 위치보정하기 때문에 시간지연과 함께 정확한 위치보정이 어려운 문제점을 개선하고자, GPS 수신기가 GPS 위성으로부터 유효한 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터를 획득할 수 없는 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 다시 유효한 NMEA 데이터를 획득할 때까지 가속도 센서를 이용하여 NMEA 데이터의 X축(경도)과 Y축(위도)을 보완해 주는 GPS 보정단말기가 포함되어 구성됨으로서, 전력소모가 적고, GPS 수신율을 높일 수 있고, 실시간으로 위치보정을 통해 정확한 좌표값과 고도 데이터를 획득할 수 있어, 기존의 GPS 수신기에 비해 보정 정확성을 90% 향상시킬 수 있는 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

ＧＰＳ와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF LOCATION CORRECTION WITH GPS AND SENSOR}
본 발명은 GPS 수신기 내부에 포함되어 GPS 위성으로부터 유효한 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터를 획득할 수 없는 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 다시 유효한 NMEA 데이터를 획득할 때까지 가속도 센서를 이용하여 NMEA 데이터의 X축(경도)과 Y축(위도)을 보완해 주는 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)란, 미 국방성에서 자국의 군사목적을 위하여 개발한 것으로 지구상 어디에서나 기후에 구애받지 않고 표준좌표계에서의 위치, 속도, 시간 측정을 가능하게 해주는 인공위성을 이용한 첨단 항법 체계이다.
최근 GPS는 GIS(Geographic Information System)와 함께 사용되어 도로상황 등을 운전자에게 제공하고 있으며, 출발시점부터 목표 지점까지의 거리, 소요 시간, 도로 상황 등을 운전자에게 알려주어 편리하고 신속하게 목표지점까지 도달하도록 도와주고 있다. 일례로 차량에서 사용되는 네비게이션 시스템은 차량에 장착된 GPS 수신기로부터 얻은 위치정보를 이용하여 GPS 수신기의 이동경로를 GIS의 수치지도를 통해 시각화하여 보여줌으로써 운전자가 손쉽게 운전할 수 있도록 도와준다.
여기서, GPS 수신기를 통한 위치정보의 획득 방법은 정확한 위치를 알고 있는 인공 위성에서 발사된 전파 즉, GPS 신호가 수신기까지 도달하는 소요시간을 관측함으로써 미지점의 위치를 구하는 방식이다.
이와 같은 GPS의 신호는 누구나 받을 수 있지만, 대기의 상태, 신호를 받는 위치의 환경 등에 따라 오차가 발생한다.
예컨대, GPS 수신기를 통해 얻게 되는 좌표값은 오차를 포함하고 있으며, 이러한 오차는 일반적으로 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multi path) 등이 주요 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
특히, 다중 경로에 의한 오차는 GPS위성으로부터 전송된 신호가 GPS 수신기에 아주 근접하여 국지적인 신호반사에 의한 신호지연이 발생됨으로 인해 나타난다.
특히, GPS 수신을 2~4시간 이내일 때 작동되는 핫 스타트(Hot Start)와, 그리고, GPS 수신단말이 정상 작동되고 있을 때 높은 건물이나 터널 안, 지하차도 안, 고가도로와 같은 수신기의 주변환경 및 태양 흑점 활동에 의한 위성신호 전파 방해 또는 대기환경이나 기상환경에 의해 GPS 수신이 끊어져 다시 GPS 수신을 시작하는 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 위치보정 알고리즘이 제시된 바 있으나, 전력소모가 많고, 가상수치범위내에서 위치보정을 하므로, 정확한 위치보정이 어려운 문제점이 있었다.
국내등록특허공보 제10-0573955호(2006년04월26일 공고)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 전력소모가 적고, GPS 수신율을 높일 수 있고, 실시간으로 위치보정을 통해 정확한 좌표값과 고도 데이터를 획득할 수 있는 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치는
GPS 위치를 보정해주는 장치로 이루어지고,
상기 GPS 위치보정장치는 GPS 위성으로부터 유효한 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터를 획득할 수 없는 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 다시 유효한 NMEA 데이터를 획득할 때까지 가속도 센서를 이용하여 NMEA 데이터의 X축(경도)과 Y축(위도)을 보완해 주는 GPS 보정단말기가 포함되어 구성됨으로서 달성된다.
또한, 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정방법은
가속도센서로부터 GPS 보정단말기의 X축과 Y축에 관한 2축의 가속도 데이터를 전송받는 단계와,
전송받은 2축의 가속도 데이터로부터 X축과 Y축의 진행속도를 추출하는 단계와,
핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, X축의 위치가 변화되었는지 여부를 체크하는 단계와,
X축의 위치가 변화되면, 경도와 위도의 속도를 보정하는 단계와,
경도와 위도의 속도를 진행방향에 따라 보정하는 단계로 이루어짐으로서 달성된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 전력소모가 적고, GPS 수신율을 높일 수 있고, 실시간으로 위치보정을 통해 정확한 좌표값과 고도 데이터를 획득할 수 있어, 기존의 GPS 수신기에 비해 보정 정확성을 90% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 저잡음증폭부(LAN)(130)의 구성을 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 GPS 모듈(120)의 구성을 도시한 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 가속도센서(140)의 구성을 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정방법을 도시한 순서thrld
먼저, 본 발명에서 설명되는 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터는 해양관련 장비의 인터페이스 프로토콜의 표준으로 사용되는 것으로, GPS장치의 NMEA0183 프로토콜이 국제표준으로 되어있어, 대다수의 GPS 장치들이 NMEA0183 인터페이스를 지원하고 있다.
NMEA 데이터는 ASCII 코드로 구성되어 있으며, 각 문장은 '$'표시로 시작, 캐리지 리턴, 라인피드(<cr><lf>)로 끝을 표기하며, 데이터는 컴마(,)로 구분되고, 모든 컴마는 꼭 포함되도록 구성된다.
그리고, 메시지 ID 중 GPS 수신기의 위치에 관련된 정보를 나타내는 GGA와, GPS 위성의 활동에 관련된 정보를 나타내는 GSA와, GPS 위성의 현재 상태에 대한 정보를 나타내는 GSV와, GGA에 있는 최소한의 정보를 나타내는 RMC와, 속도에 대한 정보를 나타내는 VTG와, 시간과 날짜에 대한 정보를 나타내는 ZDA로 구성된다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 GPS 위성으로부터 유효한 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터를 획득할 수 없는 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 다시 유효한 NMEA 데이터를 획득할 때까지 가속도 센서를 이용하여 NMEA 데이터의 X축(경도)과 Y축(위도)을 보완해 주는 GPS 보정단말기(100)가 포함되어 구성된다.
상기 GPS 보정단말기(100)는 사각 박스 형상으로 이루어지고, 내부에 디스플레이부(110), GPS 모듈(120), 저잡음증폭부(LAN)(130), 가속도센서(140), 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150), 송신부(160)로 구성된다.
상기 디스플레이부(110)는 GPS 위성으로부터 수신받은 현재 위치와 시간, 그리고, 보정연산된 좌표값과 고도 데이터를 표출시키는 역할을 한다.
이는 LCD 모니터로 구성된다.
상기 GPS 모듈(120)은 GPS 위성으로부터 현재 위치와 시간을 수신받아 RS 232 포트를 통해 마이크로컨트롤유닛(MCU)으로 전달시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 GPS 모듈은 도 4에 도시한 바와 같이, 마이크로컨트롤유닛(MCU)으로 NMEA 데이터를 전달하기 위해 RS 232포트를 통해 연결한다.
즉, GPS 모듈의 8번 핀 TX0에서 NMEA 데이터가 출력되므로, 이 신호를 마이크로컨트롤유닛(MCU)의 RS 232 데이터 입력핀과 연결시킨다.
또한, GPS 모듈의 시그널 레벨이 +1.8V 즉, '1'로 인식하는 레벨이 +1.8V 이므로 레벨 쉬프트를 통해 호스트 프로세서가 알 수 있게 인터페이스한다.
즉, GPS 모듈의 NMEA 출력단자(NMEA_TX)에 3 상태 버퍼(74AHC125)가 연결되어 구성된다.
상기 저잡음증폭부(LAN)(130)는 GPS 모듈 일측에 연결되어, 900~4000MHz의 동작주파수 범위를 통해 수신율을 조건에 따라 +14dB까지 증폭시키는 역할을 한다.
이는 도 3에서 도시한 바와 같이, RF2370 IC가 구성되어 900~4000MHz의 동작주파수 범위를 통해 GPS 신호를 수신한다.
상기 가속도센서(140)는 GPS 보정단말기의 X축과 Y축에 관한 2축의 가속도를 감지하는 역할을 한다.
이는 ADXL311센서로 구성된다.
여기서, ADXL311센서는 3.3V에서도 동작이 가능한 저전력 센서이고, X축과 Y축에 관한 2축을 감지할 수 있는 센서이다. 그리고, 출력신호는 가속도에 대한 아날로그 신호를 출력한다.
즉, 도 5에서 도시한 바와 같이, ADXL311의 X축 출력단자(XOUT)가 센싱저항 R26을 통해 마이크로컨트롤유닛(MCU)의 X축 가속도 입력단자와 연결되고, ADXL311의 Y축 출력단자(YOUT)가 센싱저항 R27을 통해 마이크로컨트롤유닛(MCU)의 Y축 가속도 입력단자와 연결되어 구성된다.
상기 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150)은 GPS 모듈로부터 좌표값과 고도 데이터를 전송받고, 가속도센서로부터 GPS 보정단말기의 X축과 Y축에 관한 2축의 가속도 데이터를 전송받아, 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, NMEA 데이터의 X축과 Y축을 보정연산해주고, 보정연산된 좌표값과 고도 데이터를 디스플레이부에 표출시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 ATmel AVR128칩으로 구성된다.
즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, RS 232 데이터 입력핀에 GPS 모듈의 8번 핀 TX0가 연결되어, NMEA 데이터가 입력되고, X축 가속도 입력단자에 가속도센서의 X축 출력단자(XOUT)가 센싱저항 R26을 통해 연결되어 X축 가속도 변환 데이터가 입력되고, Y축 가속도 입력단자에 가속도센서의 Y축 출력단자(YOUT)가 센싱저항 R27을 통해 연결되어 Y축 가속도 변환 데이터가 입력된다.
상기 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150)은 시스템 구조 중 애플리케이션 레이어층(APP layer)에 메인 태스크부(151), GPS 태스크부(152), 센서 태스크부(153)가 포함되어 구성된다.
상기 메인 태스크부(151)는 애플리케이션(Application) 초기화를 담당하고, 디바이스들을 초기화시켜서, GPS 모듈로부터 입력받은 NMEA 데이터의 유효성을 판단하고 UART를 통해 NMEA 데이터를 전달하는 역할을 한다.
상기 GPS 태스크부(152)는 GPS 모듈로부터 NMEA 데이터를 수신받아 각 정보들을 파싱하여 변수에 저장하는 역할을 한다.
상기 센서 태스크부(153)는 평상시에 대기 태스크 상태로 있다가 GPS로부터 유효한 NMEA 데이터를 획득하지 못했을 경우 메인 태스크부의 동작신호로 인해 가속도센서부의 동작시키는 역할을 한다.
여기서, 센서 태그부는 가속도센서부로부터 입력되는 값을 ADC 포트를 이용해 디지털 값을 받는다.
상기 송신부(160)는 보정연산된 좌표값과 고도 데이터를 RS 232포트를 통해 PC로 전송시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정방법의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 마이크로컨트롤유닛(MCU)에서 가속도센서로부터 GPS 보정단말기의 X축과 Y축에 관한 2축의 가속도 데이터를 전송받는다(S100).
이어서, 마이크로컨트롤유닛(MCU)에서 전송받은 2축의 가속도 데이터로부터 X축과 Y축의 진행속도를 추출한다(S200).
이어서, 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, X축의 위치가 변화되었는지 여부를 체크한다(S300).
이어서, X축의 위치가 변화되면, 경도와 위도의 속도를 보정한다(S400).
끝으로, 경도와 위도의 속도를 진행방향에 따라 보정한다(S500).
100 : GPS 보정단말기 110 : 디스플레이부
120 : GPS 모듈 130 : 저잡음증폭부(LAN)
140 : 가속도센서 150 : 마이크로컨트롤유닛(MCU)
160 : 송신부

Claims (4)

  1. GPS 위치를 보정해주는 장치로 이루어지고,
    상기 GPS 위치보정장치(1)는 GPS 위성으로부터 유효한 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터를 획득할 수 없는 핫 스타트(Hot Start)와 리액큐이서션(Reacquisition Time)시, 다시 유효한 NMEA 데이터를 획득할 때까지 가속도 센서를 이용하여 NMEA 데이터의 X축(경도)과 Y축(위도)을 보완해 주도록 디스플레이부(110), GPS 모듈(120), 저잡음증폭부(LAN)(130), 가속도센서(140), 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150), 송신부(160)로 이루어진 GPS 보정단말기(100)가 포함되어 구성되는 것에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤유닛(MCU)(150)은
    애플리케이션(Application) 초기화를 담당하고, 디바이스들을 초기화시켜서, GPS 모듈로부터 입력받은 NMEA 데이터의 유효성을 판단하고 UART를 통해 NMEA 데이터를 전달하는 메인 태스크부(151)와,
    GPS 모듈로부터 NMEA 데이터를 수신받아 각 정보들을 파싱하여 변수에 저장하는 GPS 태스크부(152)와,
    평상시에 대기 태스크 상태로 있다가 GPS로부터 유효한 NMEA 데이터를 획득하지 못했을 경우 메인 태스크부의 동작신호로 인해 가속도센서부의 동작시키는 센서 태스크부(153)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS와 가속도센서를 통합한 위치보정장치.
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