KR101195762B1 - 수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치 - Google Patents

수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중 운동체의 위치 추정 기법으로써, 수중 운동체의 위치 추정에 있어서 심도계, 관성센서, DVL, USBL 트랜스폰더, USBL트랜시버, 전방 소나의 정보를 이용하여 위치를 추정하는 기법이다.

Description

수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치 { A position estimation method for moving objects in underwater and position estimation device for moving objects in underwater }
본 발명은 수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 잠수정과 같은 수중에서 운행하는 수중운동체상에 심도계, 관성센서, USBL 트랜스폰더, USBL트랜시버, DVL, 전방 감지 소나를 설치하고 이들의 종합적인 정보를 이용하여 수중운동체의 위치를 정밀하게 추정하는 것이 가능하게 되어 안전하게 수중운동체를 운항시키고 측량과 같은 소정의 목적을 달성하는 것이 가능한 수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 바다와 같은 수중에서 작동되는 잠수정과 같은 수중운동체는 그 위치에 대한 작동을 모니터링하기 위하여 가장 널리 사용되는 방법이 USBL 트랜스폰더와 USBL트랜시버를 사용하여 수중운동체의 작동을 추정하는 방법이 널리 이용되고 있다.
그러나, 이러한 USBL 트랜스폰더와 USBL트랜시버는 GPS를 사용하여 위치를 추정하는 방식이므로, GPS가 고장일 경우에는 사용할 수가 없게 되며, 또한, 군사적으로 GPS의 이용이 제한될 때는 사용할 수 없으므로 그 사용이 빈번하게 일시적으로 사용이 중단되게 되는 불편이 있었으며, GPS를 사용하게 되므로 기상상황이 좋지 않은, 예를 들면, 구름이 많이 끼인 날씨이거나 안개가 많이 끼인 경우나, 파도가 높게 발생될 경우에는 사용할 수가 없게 되는 문제점이 있었다.
더욱이, 이러한 USBL 트랜스폰더와 USBL트랜시버를 사용하여 수중운동체는 수심이 약 500m 이상이 되는 심해에서는 위에 위치하는 USBL트랜시버와 아래에 위치되는 USBL 트랜스폰더와의 사이가 너무 이격되게 되어 상대적인 오차가 커지게 되어 사용할 수 없게 되는 다른 문제점이 있었다.
그리고, 이러한 수중운동체는 전방 감지 소나를 이용하지 않고, 심도계, 관성센서, DVL, USBL트랜스폰더와 USBL 트랜시버 등과 같은 센서로 측정되는 수중 운동체의 위치와 속도, 가속도 정보만을 이용하여 위치를 추정하므로 센서 데이터 정보 융합의 활용도가 낮으며, 수중 물체 등의 장애물이 있을 시에 오차 추정오차가 발생하면 수중 운동체가 수중의 장애물에 출동하는 문제 등이 발생하게 된다.
또한, 전방 감지 소나가 구비된 수중운동체도 제안된 바가 있어, 이러한 수중운동체는 수중의 장애물과 충돌할 우려는 없으나 심해의 깊은 곳에서 작동될 경우에는 감도가 저하되어 그 위치 추정 능력이 낮아지게 되어 정밀한 위치추정을 할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수중 운동체의 위치 추정시에 수중운동체상에 심도계, 관성센서, DVL, USBL트랜스폰더와 USBL 트랜시버, 전방 소나 및 위치추정연산부를 설치하고 이들을 이용한 종합적인 위치추정연산을 수행할 수 있게 되어 위치 추정시 발생하는 오차를 줄여 정확한 위치를 추정하는 것이 가능하여 수중운동체의 정확한 위치 정보를 제공하는 것이 가능하게 되고 전방 감지 소나의 정보를 이용하여 수중물체와의 충돌을 회피하는 것이 가능 하게 되어 장기적으로 안전하게 사용이 가능한 수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은, 수중운동체와, 상기 수중운동체의 상부에 설치되는 USBL(Ultra Short Base Line) 트랜스폰더와 수면에 배치되며 상기 USBL 트랜스폰더와 통신하는 USBL 트랜시버와, 상기 수중운동체의 전방에 배치되며 수중운동체의 전방을 감지하는 전방감지소나와, 상기 수중운동체의 외표에 부착된 DVL(Doppler Velocity Log)과, 상기 수중운동체의 내측에 배치되는 관성센서와 심도계와, 상기 수중운동체내에 설치되고 이들을 작동시키는 위치추정연산부를 포함하고, 상기 위치추정연산부는 이들의 신호를 수신하는 수신포트와, 수신포트에서 입력된 신호를 연산하는 연산부와, 상기 센서들의 기본적인 정보가 저장된 데이터베이스와, 이들 연산된 결과를 저장하는 메모리부가 구비된 본 발명에 따른 수중운동체의 위치 추정 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 본 발명에 따른 수중운동체의 위치 추정 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 심도계, 관성센서, DVL, USBL트랜스폰더와 USBL 트랜시버, 전방 소나를 이용한 수중 운동체의 위치 추정 기법은 수중에서 심도계, DVL 관성 항법장치, USBL, 전방감지 소나와 위치 추정 연산 장치를 이용하여 위치 추정 계산을 함으로써, 수중 운동체의 정확한 위치 정보를 제공하고 위치 추정 장비, 연동되는 수중 센서 장비의 개발 시간 및 경제적인 절감효과 및 효율적인 장비 개발을 가능하게 하는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중운동체의 작동을 도시한 개략적인 작동도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수중운동체의 장치 구성도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 위치 위치추정연산부의 블록도
도 4는 위치추정연산부의 데이터 흐름도
본 발명의 제1실시예에 따른 수중운동체의 위치 추정 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수중운동체(1)와, 상기 수중운동체(1)의 상부에 설치되는 USBL(Ultra Short Base Line) 트랜스폰더(2)와 수면에 배치되며 상기 USBL 트랜스폰더(2)와 통신하는 USBL 트랜시버(2')와, 상기 수중운동체(1)의 전방에 배치되며 수중운동체(1)의 전방을 감지하는 전방감지소나(3)와, 상기 수중운동체(1)의 외표에 부착된 DVL(Doppler Velocity Log)(4)과, 상기 수중운동체(1)의 내측에 배치되는 관성센서(5)와 심도계(6)와, 상기 수중운동체(1)내에 설치되고 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2'), 전방감지소나(3), DVL(4), 관성센서(5) 및 심도계(6)를 작동시키는 위치추정연산부(7)를 포함한다. 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2')와, 전방감지소나(3)와, DVL(4)과, 관성센서(5)와 심도계(6)는 이하에 센서로 통칭된다.
상기 수중운동체(1)는 일반적인 잠수정과 같은 물체로서 프로펠러와 같은 추진체를 구비하고 있는 공지의 물체로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')는 GPS를 사용하여 서로 통신하는 구성으로서 공지의 물체로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 전방감지소나(3)는 전방의 수중물체를 감지하는 구성으로서 공지된 물체로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 즉, 전방감지소나(3)는 수중물체(8)의 특징점인, 예들 들면, 수중물체(8)의 모서리부분이나 돌출된 부분을 특징점(81)으로 하여 수중물체(8)를 감지한다.
상기 DVL(4)은 수중운동체(1)의 속도를 측정하는 것으로서 공지의 물체로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 관성센서(5)와 심도계(6)도 역시 공지된 물체로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 위치추정연산부(7)는, 센서들(2, 2', 3, 4, 5, 6)의 신호를 수신하는 수신포트(71)와, 상기 수신포트(71)에서 입력된 신호를 연산하는 연산부(72)와, 상기 센서들(2, 2', 3, 4, 5, 6)의 기본적인 정보가 저장된 데이터베이스(73)와, 연산부(72)에서 연산된 결과를 저장하는 메모리부(74)가 구비되어 있다.
상기 연산부(72)는 특징점연산부(72a)와 통합연산부(72b)로 이루어져 있다.
상기 수신포트(71)중에서 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2')와, DVL(4)과, 관성센서(5)와 심도계(6)의 연결포트(71a,71b,71c,71d,71e,71f)는 데이터베이스(73)에 연결되어 통합연산부(72b)에 연결되고, 상기 전방감지소나(3)의 연결포트(71g)는 특징점연산부(72a)에 연결되어 있다.
이와 같이 위치추정연산부(7)에 의하여 연산된 추정위치들은 메모리부(74)에 저장되고, 실시간으로 원격지의 관리장소에 통신부(75)를 통하여 송신되는 것도 가능하다고 할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 수중운동체의 위치 추정 장치는 수중운동체(1)의 위치 계산시에 위성관성항법장치인 GPS와, 다른 센서들의 수중 음향 신호와 수중 지표의 거리 계산을 이용하여 위치 계산시 발생하는 오차를 줄일 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 수중운동체의 위치 추정 장치를 사용하여 위치 추정을 수행하는 방법을 이하에 상세하게 설명한다.
USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 얻게 되는 수중운동체(1)의 추정 위치 벡터
Figure 112011012915767-pat00001
, 심도계(6)의 심도 추정 값
Figure 112011012915767-pat00002
, 관성센서(5)의 가속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터
Figure 112011012915767-pat00003
, DVL(4)의 속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터
Figure 112011012915767-pat00004
, 전방감시소나(3) 영상에서 추출된 수중 물체(8)의 특징점(81)과 수중운동체(1)의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 수중운동체(1)의 위치 벡터 정보
Figure 112011012915767-pat00005
를 이용하여 수중 운동체의 위치를 추정 계산한다.
각 센서들(2, 2', 3, 4, 5, 6)로부터 추정 계산한 값은 아래와 같이 각각의 바이어스 항을 포함하여 다음과 같이 추정값과 실제값의 오차식으로 표현된다. (바이어스 항은 B가 포함된 항으로 표시된다.)
USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차는 (식 1)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00006
(식 1)
(
Figure 112012050651723-pat00007
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00008
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 X좌표
Figure 112011012915767-pat00009
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제X좌표
Figure 112011012915767-pat00010
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 X위치값의 바이어스 오차 )
USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차는 (식 2)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00011
(식 2)
(
Figure 112011012915767-pat00012
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00013
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00014
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00015
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차 )
USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차는 (식 3)으로 표시되고,
Figure 112011012915767-pat00016
(식 3)
(
Figure 112011012915767-pat00017
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00018
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00019
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제Z좌표
Figure 112011012915767-pat00020
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차 )
관성센서 (5)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차는 (식 4)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00021
(식 4)
(
Figure 112011012915767-pat00022
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00023
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 X좌표
Figure 112011012915767-pat00024
: 관성센서 (5)로 계산한 실제X좌표
Figure 112011012915767-pat00025
: 관성센서 (5)로 계산한 X위치값의 바이어스 오차 )
관성센서 (5)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차는 (식 5)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00026
(식 5)
(
Figure 112011012915767-pat00027
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00028
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00029
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00030
: 관성센서 (5)로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차 )
관성센서 (5)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차는 (식 6)으로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00031
(식 6)
(
Figure 112011012915767-pat00032
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00033
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00034
: 관성센서 (5)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112011012915767-pat00035
: 관성센서 (5)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차 )
DVL (4)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차는 (식 7)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00036
(식 7)
(
Figure 112011012915767-pat00037
: DVL (4)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00038
: DVL (4)로 추정 계산한 X좌표
Figure 112011012915767-pat00039
: DVL (4)로 계산한 실제X좌표
Figure 112011012915767-pat00040
: DVL (4)로 계산한 X위치값의 바이어스 오차 )
DVL (4)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차는 (식 8)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00041
(식 8)
(
Figure 112011012915767-pat00042
: DVL (4)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00043
: DVL (4)로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00044
: DVL (4)로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00045
: DVL (4)로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차 )
DVL (4)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차는 (식 9)로 표시되고,
Figure 112011012915767-pat00046
(식 9)
(
Figure 112011012915767-pat00047
: DVL (4)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00048
: DVL (4)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00049
: DVL (4)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112011012915767-pat00050
: DVL (4)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차 )
심도계(6)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차는 (식 10)으로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00051
(식 10)
(
Figure 112011012915767-pat00052
: 심도계(6)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00053
: 심도계 (6)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00054
: 심도계 (6)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112011012915767-pat00055
: 심도계 (6)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차 )
전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표값의 오차는 (식 11)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00056
(식 11)
(
Figure 112011012915767-pat00057
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00058
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표
Figure 112011012915767-pat00059
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 X좌표
Figure 112011012915767-pat00060
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 X위치값의 바이어스 오차 )
전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Y좌표값의 오차는 (식 12)로 표기되고,
Figure 112011012915767-pat00061
(식 12)
(
Figure 112011012915767-pat00062
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00063
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00064
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 Y좌표
Figure 112011012915767-pat00065
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 Y위치값의 바이어스 오차 )
전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Z좌표값의 오차는 (식 13)으로 표기된다.
Figure 112011012915767-pat00066
(식 13)
(
Figure 112011012915767-pat00067
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112011012915767-pat00068
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00069
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 Z좌표
Figure 112011012915767-pat00070
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 Z위치값의 바이어스 오차 )
이러한 오차식은 아래와 같이 상태변수로 표현되며, X(위에 기술된 모든 오차식이 벡터로 표현된 상태오차값)(식14), X'(t)(위에 기술된 X를 미분한 값)(식 15)는 아래와 같이 상태 방정식으로 정리된다.
Figure 112011012915767-pat00071
(식 14)
Figure 112012050651723-pat00072
(식 15)
여기서, 계측오차
Figure 112012050651723-pat00138
는 USBL트랜스폰더(2), USBL트랜시버(2'), 관성센서(5), DVL(4)의 백색 노이즈를 나타내며,
Figure 112012050651723-pat00139
는
Figure 112012050651723-pat00140
특성을 가지며,
Figure 112012050651723-pat00141
은 평균이 0이며 오차 공분산의 크기가
Figure 112012050651723-pat00142
임을 나타낸다.
삭제
(식 15)로 정리된 수중 운동체(1)의 위치는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter) 또는 무취 칼만 필터(Unscented Kalman Filter)를 통한 정보 융합( Data association, 1000)을 통해 위치값을 최종적으로 추정 계산한다.
이를 종합적으로 정리하면, 상기 수중운동체의 위치 추정 방법은,
USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 얻게 되는 수중운동체(1)의 추정 위치 벡터, 심도계(6)의 심도 추정 값, 관성센서(5)의 가속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터, DVL(4)의 속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터, 전방감시소나(3) 영상에서 추출된 수중 물체(8)의 특징점(81)과 수중운동체(1)의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 수중운동체(1)의 위치 벡터 정보를 구하는 단계;
상기 USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
상기 관성센서(5)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
상기 DVL(4)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
상기 심도계(6)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
상기 전방감시소나(3) 영상에서 추출된 수중 물체(8)의 특징점(81)과 수중운동체(1)의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표값의 오차, 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계; 그리고
상기 구한 모든 오차값을 벡터로 표현된 상태오차값을 구하고, 상태오차값을 미분한 값을 구하여 확장 칼만 필터 또는 무취 칼만 필터를 통한 정보 융합을 통해 수중 운동체(1)의 위치값으로 추정 계산하는 단계를 포함하는 방법으로 수행되는 것이다.
본 발명에 따른 수중운동체의 위치 추정 방법 및 수중운동체의 위치 추정 장치는 일반 수중운동체를 제조하는 제조공장에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하며 동일한 방법을 반복적으로 수행하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.
Figure 112012050651723-pat00075
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 X좌표
Figure 112012050651723-pat00076
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제X좌표
Figure 112012050651723-pat00077
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 X위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00078
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00079
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00080
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00081
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00082
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00083
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00084
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제Z좌표
Figure 112012050651723-pat00085
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00086
: USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00087
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 X좌표
Figure 112012050651723-pat00088
: 관성센서 (5)로 계산한 실제X좌표
Figure 112012050651723-pat00089
: 관성센서 (5)로 계산한 X위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00090
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00091
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00092
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00093
: 관성센서 (5)로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00094
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00095
: 관성센서 (5)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00096
: 관성센서 (5)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112012050651723-pat00097
: 관성센서 (5)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00098
: 관성센서 (5)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00099
: DVL (4)로 추정 계산한 X좌표
Figure 112012050651723-pat00100
: DVL (4)로 계산한 실제X좌표
Figure 112012050651723-pat00101
: DVL (4)로 계산한 X위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00102
: DVL (4)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00103
: DVL (4)로 추정 계산한 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00104
: DVL (4)로 계산한 실제 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00105
: DVL (4)로 계산한 Y위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00106
: DVL (4)로 계산한 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00107
: DVL (4)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00108
: DVL (4)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112012050651723-pat00109
: DVL (4)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00110
: DVL (4)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00111
: 심도계 (6)로 추정 계산한 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00112
: 심도계 (6)로 계산한 실제Z좌표
Figure 112012050651723-pat00113
: 심도계 (6)로 계산한 Z위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00114
: 심도계(6)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00115
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표
Figure 112012050651723-pat00116
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 X좌표
Figure 112012050651723-pat00117
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 X위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00118
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00119
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00120
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 Y좌표
Figure 112012050651723-pat00121
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 Y위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00122
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Y좌표값의 오차
Figure 112012050651723-pat00123
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00124
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 실제 Z좌표
Figure 112012050651723-pat00125
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 계산한 Z위치값의 바이어스 오차
Figure 112012050651723-pat00126
: 전방감시 소나 영상에서 추출된 수중 물체의 특징점과 수중 운동체의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 Z좌표값의 오차

Claims (3)

  1. 수중운동체의 위치 추정 장치에 있어서,
    상기 수중운동체의 위치 추정 장치는, 수중운동체(1)와,
    상기 수중운동체(1)의 상부에 설치된 USBL(Ultra Short Base Line) 트랜스폰더(2)와 수면에 배치되며, 상기 USBL 트랜스폰더(2)와 통신하는 USBL 트랜시버(2')와,
    상기 수중운동체(1)의 전방에 배치되며 수중운동체(1)의 전방을 감지하는 전방감지소나(3)와,
    상기 수중운동체(1)의 외표면에 부착된 DVL(Doppler Velocity Log)(4)과,
    상기 수중운동체(1)의 내측에 배치되는 관성센서(5)와 심도계(6)와,
    상기 수중운동체(1)내에 설치되고 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2'), 전방감지소나(3), DVL(4), 관성센서(5) 및 심도계(6)를 작동시키는 위치추정연산부(7)를 포함하고,
    상기 위치추정연산부(7)는, 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2'), 전방감지소나(3), DVL(4), 관성센서(5) 및 심도계(6)의 센서 신호를 수신하는 수신포트(71)와, 상기 수신포트(71)에서 입력된 신호를 연산하는 연산부(72)와, 상기 USBL 트랜스폰더(2), USBL 트랜시버(2'), 전방감지소나(3), DVL(4), 관성센서(5) 및 심도계(6)의 기본적인 정보가 저장된 데이터베이스(73)와, 상기 연산부(72)에서 연산된 결과를 저장하는 메모리부(74)가 구비되고,
    상기 연산부(72)는 특징점연산부(72a)와 통합연산부(72b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 위치 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치추정연산부(7)는 상기 전방감지소나(3)에서 수중물체(8)의 특징점(81)을 통하여 수중물체(8)를 탐지하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 위치 추정 장치.
  3. 수중운동체의 위치 추정 방법에 있어서,
    상기 수중운동체의 위치 추정 방법은,
    USBL 트랜스폰더(2)와 USBL 트랜시버(2')로 얻게 되는 수중운동체(1)의 추정 위치 벡터, 심도계(6)의 심도 추정 값, 관성센서(5)의 가속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터, DVL(4)의 속도 벡터값을 이용하여 추정 계산한 위치벡터, 전방감시소나(3) 영상에서 추출된 수중 물체(8)의 특징점(81)과 수중운동체(1)의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 수중운동체(1)의 위치 벡터 정보를 구하는 단계;
    상기 USBL 트랜스폰더(2)와 USBL트랜시버(2')로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
    상기 관성센서(5)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
    상기 DVL(4)로 계산한 실제 X좌표값과 추정 계산한 X좌표값의 오차, 실제 Y좌표값과 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
    상기 심도계(6)로 계산한 실제 Z좌표값과 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계;
    상기 전방감시소나(3) 영상에서 추출된 수중 물체(8)의 특징점(81)과 수중운동체(1)의 상대 위치 벡터 정보를 이용하여 추정 계산한 X좌표값의 오차, 추정 계산한 Y좌표값의 오차, 그리고 추정 계산한 Z좌표값의 오차를 구하는 단계; 그리고
    상기 구한 모든 오차값을 벡터로 표현된 상태오차값을 구하고, 상태오차값을 미분한 값을 구하여 확장 칼만 필터 또는 무취 칼만 필터를 통한 정보 융합을 통해 수중 운동체(1)의 위치값으로 추정 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 위치 추정 방법.
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