KR101217138B1 - Apparatus and method for estimating position of mobile unit - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동체의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 이동체의 위치 추정 장치는 이동체의 좌표를 수집하는 GPS부와, 이동체의 가속도를 측정하는 가속도 측정부와, 이동체의 회전각을 측정하는 자이로 센서부와, 가속도 측정부의 출력 신호를 적어도 하나 이상의 주파수 대역별로 이산 웨이블릿 변환하여 각 주파수 대역별로 변환 신호를 생성하는 이산 웨이블릿 변환부와, 변환 신호에 있어서, 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하고, 가변 임계치를 이용하여 변환 신호에 포함된 잡음을 제거하며, 각 주파수 대역별로 생성된 변환 신호들을 통합하여 잡음이 제거된 가속도 신호를 출력하는 잡음 제거부와, 잡음 제거부로부터 제공받은 가속도 신호로부터 획득한 이동체의 가속도와, 이동체의 회전각 및 GPS부로부터 제공받은 이동체의 좌표를 결합하여, 상기 결합의 결과에 따라 이동체의 위치를 추정하는 언센티드 파티클 필터부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a position of a moving object. The apparatus for estimating position of a moving object includes a GPS unit for collecting coordinates of the moving object, an acceleration measuring unit for measuring an acceleration of the moving object, and a rotation of the moving object. A gyro sensor unit for measuring an angle, a discrete wavelet transform unit for outputting an output signal of the acceleration measurement unit by at least one or more frequency bands to generate a transform signal for each frequency band, and a converted signal according to the discrete wavelet transform Set the variable threshold by comparing the wavelet coefficient with the preset threshold, remove the noise included in the converted signal by using the variable threshold, and output the noise-free acceleration signal by integrating the converted signals generated for each frequency band. Noise canceling unit and the acceleration signal By combining the coordinates of the moving object provided from each of the GPS section and the acceleration of the moving body, the rotation of the mobile member, and includes a Unscented Particle Filter to estimate the position of the moving object according to the result of the combination.

Description

이동체의 위치 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING POSITION OF MOBILE UNIT}Apparatus and method for estimating position of moving object {APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING POSITION OF MOBILE UNIT}

본 발명은 이동체의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS) 및 GPS(Global Positioning System)를 결합하여 이동체의 실외 정밀 위치를 추정하는 이동체의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a position of a moving object, and more particularly, a position of a moving object which estimates an outdoor precise position of a moving object by combining an inertial navigation system (INS) and a global positioning system (GPS). An apparatus and method for estimating are provided.

최근 실외위치추정 항법 중 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS)과 GPS(Global Positioning System)를 결합하여 정밀 위치추정을 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, research has been actively conducted to determine the precise position by combining the Inertial Navigation System (INS) and the Global Positioning System (GPS).

관성 항법 시스템은 가속도 센서(Accelerometer Sensor), 자이로 센(Gyroscope Sensor), 마그네틱 컴파스(Magnetic Compass) 등을 포함하여 짧은 시간 동안 정밀한 위치 정보를 제공할 수 있다. 하지만, 관성 항법 시스템에서 이용되는 센서 자체의 특성 오차와 외부 환경에 의한 외란으로 장시간 사용시 이동체의 절대위치와 상대위치를 추정함에 있어서 누적오차가 발생하게 된다. Inertial navigation systems can provide precise location information for short periods of time, including accelerometer sensors, gyroscope sensors, and magnetic compasses. However, the cumulative error occurs in estimating the absolute position and relative position of the moving object when used for a long time due to the characteristic error of the sensor itself used in the inertial navigation system and the disturbance caused by the external environment.

한편, GPS는 짧은 시간에 대한 오차가 크고, GPS 신호를 수신 받지 못하는 환경에 신호의 단절 있을 수 있지만 위성신호로부터 실시간으로 계속 신호를 수신 받아 위치를 보정하기 때문에 누적오차를 가지지 않아 장시간의 안정적인 절대위치 정보를 제공한다. 따라서, 관성 항법 시스템 및 GPS의 특성을 보완한다면 실외에서 보다 정밀한 위치추정이 가능할 수 있다. On the other hand, GPS has a large error for a short time and there may be a disconnection of the signal in an environment that does not receive GPS signals. Provide location information. Therefore, if the characteristics of the inertial navigation system and GPS are complemented, more accurate location estimation may be possible outdoors.

하지만, 종래의 기술에 따르면 이동체의 속도 변화에 따른 관성 항법 시스템의 신호 변화를 측정함에 있어서, 신호의 필터링을 위해 특정 대역의 고역 통과 필터 또는 저역 통과 필터를 사용한다. However, according to the related art, in measuring a signal change of an inertial navigation system according to a change in speed of a moving body, a high pass filter or a low pass filter of a specific band is used for filtering the signal.

관성 항법 시스템의 센서들의 신호에 포함되는 잡음은 이동체의 속도와 지면의 상태에 따라 다르게 나타나는데, 이동체의 감속, 가속 및 등속 운동을 고려하지 않고, 특정 고역 통과, 저역 통과 필터를 사용하여 잡음을 제거하는 신호의 필터링 방법은 이동체의 속도 변화에 따른 신호를 능동적으로 필터링 하지 못하여 신호의 왜곡을 가져온다. The noise included in the signals of the sensors of the inertial navigation system varies depending on the speed of the moving object and the ground state. The noise is removed using a specific high pass and low pass filter without considering the deceleration, acceleration, and constant velocity motion of the moving object. The filtering method of the signal does not actively filter the signal according to the speed change of the moving object, resulting in distortion of the signal.

또한, 종래 기술에 따른 관성 항법 시스템과 GPS 결합은 이동체의 비선형적인 운동 특성을 제대로 반영하지 않고 이동체의 주행 궤적이 선형적이라는 가정하에 위치 정보를 결합하기 때문에 실제 이동체의 주행 궤적과 오차를 발생시켜 정밀한 위치 추정이 불가능하게 된다는 문제가 있었다.In addition, the inertial navigation system and GPS combination according to the prior art do not properly reflect the nonlinear motion characteristics of the moving object and combine the position information under the assumption that the moving trajectory of the moving object is linear, thereby generating the driving trajectory and error of the actual moving object. There was a problem that precise position estimation became impossible.

전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비선형 또는 비정규적 분포 분석에 적합한 언센티드 파티클 필터(Unscented Particle Filter)를 이용해 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS) 및 GPS(Global Positioning System)를 결합한 이동체의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention to solve the above problem is to use an Inertial Navigation System (INS) and GPS (Global Positioning System) using an Unscented Particle Filter suitable for nonlinear or nonnormal distribution analysis. It is to provide an apparatus and method for estimating the position of the combined moving object.

본 발명의 다른 목적은 관성 항법 시스템의 가속도 센서의 측정 결과에 포함되는 잡음을 제거하여, 이동체의 속도 변화와 외부 환경에 따른 영향에 강인한 이동체의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a device and method for estimating the position of a moving object that is robust to the change in the speed of the moving object and the influence of the external environment by removing noise included in the measurement result of the acceleration sensor of the inertial navigation system.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 이동체의 위치 추정 장치는 이동체의 좌표를 수집하는 GPS부와, 이동체의 가속도를 측정하는 가속도 측정부와, 이동체의 회전각을 측정하는 자이로 센서부와, 가속도 측정부의 출력 신호를 적어도 하나 이상의 주파수 대역별로 이산 웨이블릿 변환하여 각 주파수 대역별로 변환 신호를 생성하는 이산 웨이블릿 변환부와, 변환 신호에 있어서, 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하고, 가변 임계치를 이용하여 변환 신호에 포함된 잡음을 제거하며, 각 주파수 대역별로 생성된 변환 신호들을 통합하여 잡음이 제거된 가속도 신호를 출력하는 잡음 제거부 및 잡음 제거부로부터 제공받은 가속도 신호로부터 획득한 이동체의 가속도와, 이동체의 회전각 및 GPS부로부터 제공받은 이동체의 좌표를 결합하여, 상기 결합의 결과에 따라 이동체의 위치를 추정하는 언센티드 파티클 필터부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, an apparatus for estimating a position of a moving object includes a GPS unit for collecting coordinates of a moving object, an acceleration measuring unit measuring acceleration of the moving object, and a gyro sensor unit measuring a rotation angle of the moving object. And a discrete wavelet transform unit for performing discrete wavelet transform on the output signal of the acceleration measurement unit for at least one frequency band to generate a transform signal for each frequency band, and in the converted signal, a wavelet coefficient according to the discrete wavelet transform. A noise canceller and a noise canceller that set a variable threshold in comparison with the signal, remove the noise included in the converted signal using the variable threshold, and output the noise-free acceleration signal by integrating the converted signals generated for each frequency band. The acceleration of the moving object obtained from the acceleration signal provided from the rejection, By combining the coordinates of the moving object provided from the full-width, and the GPS section and includes a Unscented Particle Filter to estimate the position of the moving object according to the result of the combination.

본 발명의 다른 면에 따른 이동체의 위치 추정 방법은, 이동체의 가속도를 측정하는 단계와, 가속도 센서의 측정 결과로서 잡음이 포함된 가속도 측정 신호를 적어도 하나의 주파수 대역에서 잡음을 제거하여 가속도 신호를 출력하는 단계와, 이동체의 좌표를 수집하는 단계와, 이동체의 회전각을 측정하는 단계 및 잡음이 제거된 가속도 신호로부터 획득한 이동체의 가속도와, 이동체의 회전각 및 이동체의 좌표를 언센티드 파티클 필터를 이용하여 결합하고, 결합의 결과에 따라 이동체의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method for estimating a position of a moving body includes measuring acceleration of a moving body, removing noise from at least one frequency band of an acceleration measurement signal including noise as a measurement result of the acceleration sensor, and performing an acceleration signal. Outputting, collecting coordinates of the moving object, measuring the rotation angle of the moving object, and accelerating the moving object obtained from the noise-free acceleration signal, the rotating angle of the moving object and the moving object coordinates Combining using a filter, and estimating the position of the moving body according to the result of the combining.

본 발명에 따르면, 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS) 및 GPS(Global Positioning System)를 결합하여 이동체의 실외 정밀 위치를 추정할 수 있다. According to the present invention, the inertial navigation system (INS) and the global positioning system (GPS) can be combined to estimate the outdoor precision position of the moving object.

더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들에 따른 이동체 위치 추정 장치 및 방법은 관성 항법 시스템의 가속도 센서의 측정 결과에 포함되는 잡음을 제거하여, 이동체의 속도 변화와 외부 환경에 따른 영향에 강인한 이동체의 위치 추정이 가능하도록 한다. 또한, 비선형, 비정규적 분포 분석에 적합한 언센티드 파티클 필터(Unscented Particle Filter)를 이용하여 관성 항법 시스템과 GPS를 결합함으로써 이동체의 정밀한 위치 추정이 가능하도록 한다.More specifically, the apparatus and method for estimating the moving object according to the embodiments of the present invention removes noise included in the measurement result of the acceleration sensor of the inertial navigation system, thereby being robust to changes in the speed of the moving object and the influence of the external environment. It is possible to estimate the position of. In addition, by using the Unscented Particle Filter, which is suitable for nonlinear and non-normal distribution analysis, the inertial navigation system and GPS are combined to enable accurate position estimation of the moving object.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이동체 위치 추정 장치 및 방법은 가속도 측정 신호의 잡음을 제거하는데 있어, 주파수 대역별로 잡음을 제거할 수 있어, 이동체의 가속, 감속 및 등속 운동에 따른 잡음 제거에 있어서, 가속도 데이터의 왜곡을 최소화할 수 있으므로, 보다 정밀한 이동체의 위치 추정이 가능하다. In addition, the apparatus and method for estimating the moving object position according to the embodiments of the present invention can remove noise for each frequency band in removing noise of the acceleration measurement signal, thereby eliminating noise caused by acceleration, deceleration, and constant velocity movement of the moving object. Therefore, since distortion of the acceleration data can be minimized, more accurate position estimation of the moving object is possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 5는 1차원 이산 웨이블릿 변환에 따라 원신호를 다수 레벨의 변환 신호로 분해하는 것을 나타내는 도면.
도 6은 가속도 측정부에서 이동체의 진행방향에 대한 가속도를 측정한 결과인 잡음이 포함된 가속도 측정 신호를 도시한 도면.
도 7은 이산 웨이블릿 변환부가 가속도 측정 신호를 이산 웨이블릿 변환한 결과 생성된 다수 레벨의 변환 신호들(a5, d5, d4, d3, d2, d1)을 도시한 도면.
1 is a flow chart for explaining a moving position estimation method according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating a moving position according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram for explaining a mobile position estimation apparatus according to another embodiment of the present invention.
4 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating a moving object according to still another embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating decomposition of an original signal into a multi-level converted signal according to one-dimensional discrete wavelet transform;
FIG. 6 is a diagram illustrating an acceleration measurement signal including noise that is a result of measuring an acceleration of a moving direction in an acceleration measurement unit. FIG.
7 is a diagram illustrating a plurality of levels of converted signals a 5 , d 5 , d 4 , d 3 , d 2 , and d 1 generated by the discrete wavelet transform unit performing discrete wavelet transform of an acceleration measurement signal.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. As the invention is provided to fully inform the scope of the invention, the invention is defined only by the description of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 도 1 내지 도 7를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이동체 위치 추정 장치 및 이동체 위치 추정 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.Hereinafter, a moving object estimation apparatus and a moving object estimation method according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7. 1 is a flowchart illustrating a moving position estimation method according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram illustrating a moving position estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(10)는 가속도 측정부(110), 이산 웨이블릿 변환부(120), 잡음 제거부(130), 자이로 센서부(200), GPS부(300) 및 언센티드 파티클 필터부(400)를 포함한다.First, referring to FIG. 2, the moving object position estimating apparatus 10 according to an exemplary embodiment of the present invention may include an acceleration measuring unit 110, a discrete wavelet transform unit 120, a noise removing unit 130, and a gyro sensor unit ( 200, the GPS unit 300, and the ascended particle filter unit 400.

여기서, 가속도 측정부(110) 및 자이로 센서부(200)는 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS)의 일부로서의 가속도 센서 및 자이로 센서일 수 있다. Here, the acceleration measuring unit 110 and the gyro sensor unit 200 may be an acceleration sensor and a gyro sensor as part of an inertial navigation system (INS).

가속도 측정부(110)는 이동체의 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 하나의 진행방향의 가속도를 측정한다(S100). The acceleration measuring unit 110 measures acceleration in at least one traveling direction among the X, Y, and Z axes of the moving object (S100).

한편, 가속도 측정부(110)는 3축 가속도 센서일 수 있다.Meanwhile, the acceleration measuring unit 110 may be a three-axis acceleration sensor.

진행방향 가속도의 측정은 이동체가 임의의 진행방향으로의 주행을 하는 경우 이루어지므로, 이동체의 속도 변화 및 외부 환경에 따른 잡음이 발생 된다. 이동체의 가속도 측정에 있어서 잡음의 영향에 따라 정확한 가속도를 측정할 수 없다면, 관성항법시스템을 이용한 이동체의 변위 계산, 이동체의 위치 추정에 있어서, 이동거리가 가속도의 제곱에 비례함에 따라 오차가 크게 발생할 수 있다. Since the measurement of the acceleration in the traveling direction is made when the moving body travels in an arbitrary traveling direction, a change in speed of the moving body and noise due to the external environment are generated. In the acceleration measurement of the moving object, if the accurate acceleration cannot be measured due to the influence of noise, in the calculation of the displacement of the moving object using the inertial navigation system and the estimation of the position of the moving object, a large error occurs as the moving distance is proportional to the square of the acceleration. Can be.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 위치 추정 장치(10)는 가속도 측정부(110)의 진행방향 가속도 측정에 있어서 포함되는 잡음을 제거하고 잡음이 제거된 가속도 신호를 이동체의 위치 추정에 이용하기 위해 이산 웨이블릿 변환부(120) 및 잡음 제거부(130)를 포함한다.Therefore, the apparatus 10 for estimating the position of the moving object according to the embodiment of the present invention removes the noise included in the acceleration measurement in the direction of acceleration of the acceleration measuring unit 110 and uses the acceleration signal from which the noise is removed to estimate the position of the moving object. The discrete wavelet transform unit 120 and the noise canceller 130 are included.

이산 웨이블릿 변환부(120)는 가속도 측정부(110)의 출력 신호를 적어도 하나 이상의 주파수 대역별로 이산 웨이블릿 변환하여 각 주파수 대역별로 변환 신호를 생성한다(S110). The discrete wavelet transform unit 120 performs discrete wavelet transform on the output signal of the acceleration measuring unit 110 by at least one or more frequency bands to generate a converted signal for each frequency band (S110).

즉, 이산 웨이블릿 변환부(120)는 이동체의 속도 변화에 따라 주파수별로 차등적으로 발생하는 관성 항법 시스템 또는 가속도 측정부(110)의 잡음들을 가속도 데이터의 왜곡을 최소화하며 제거할 수 있도록 주파수 영역별로 가속도 측정 신호를 분해하고 주파수 대역별로 변환 신호를 생성한다(S110).That is, the discrete wavelet transform unit 120 may remove noises of the inertial navigation system or the acceleration measurement unit 110 differentially generated according to the frequency change of the moving object for each frequency region to minimize distortion of the acceleration data. The acceleration measurement signal is decomposed and a converted signal is generated for each frequency band (S110).

이산 웨이블릿 변환부(120)는 가속도 측정 신호를 해석하기 위해, 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)이라는 신호 변환 기법을 이용한다. 구체적으로, 유한한 길이의 기저함수(Basis function)를 사용하여 가속도 측정 신호를 적당한 신호의 모임으로 분해하고, 분해된 각각의 신호(Basis signal) 또는 빌딩블록(Building block)

Figure 112011024084633-pat00001
를 이용하여 가속도 측정 신호를 재구성한다.The discrete wavelet transform unit 120 uses a signal transformation technique called discrete wavelet transform to analyze the acceleration measurement signal. Specifically, a finite length basis function is used to decompose an acceleration measurement signal into a collection of appropriate signals, and each of the decomposed Basis signals or building blocks.
Figure 112011024084633-pat00001
Reconstruct the acceleration measurement signal using.

한편, 이산 웨이블릿 변환부(120)는 수학식 1과 같이 가속도 측정 신호를 이산 웨이블릿 변환할 수 있다.Meanwhile, the discrete wavelet transform unit 120 may perform discrete wavelet transform on the acceleration measurement signal as shown in Equation (1).

(수학식 1)(1)

Figure 112011024084633-pat00002
Figure 112011024084633-pat00002

f(t) : 가속도 측정 신호f (t): acceleration measurement signal

Figure 112011024084633-pat00003
: 변환 신호로서의 빌딩블록
Figure 112011024084633-pat00003
: Building block as a conversion signal

Figure 112011024084633-pat00004
: 스케일 계수
Figure 112011024084633-pat00004
Scale factor

한편, 이산 웨이블릿 변환부(120)는 웨이블릿(

Figure 112011024084633-pat00005
)을 모든 시간에 대하여 이동시켜 가속도 측정 신호의 저주파 성분은 팽창(High scales), 고주파 성분은 수축(Low scales)시켜 이동시킴으로써, 가속도 측정 신호의 고주파, 저주파 성분을 모두 분석할 수 있다. 또한, 특정 해상도를 갖는 낮은 해상도(resolution)에서 출발하여 원하는 해상도에 이르기까지 다중해상도로 가속도 측정 신호를 해석할 수 있다. 즉, 이산 웨이블릿 변환부(120)는 가속도 측정 신호를 다중해상도 해석(Multi Resolution Analysis, MRA)할 수 있다. On the other hand, the discrete wavelet transform unit 120 is a wavelet (
Figure 112011024084633-pat00005
) Can be analyzed for all the time so that the low frequency component of the acceleration measurement signal is expanded (High scales) and the high frequency component is contracted (Low scales) to move both high and low frequency components of the acceleration measurement signal. In addition, acceleration measurement signals can be interpreted in multiple resolutions starting from a lower resolution with a specific resolution up to the desired resolution. That is, the discrete wavelet transform unit 120 may perform a multi resolution analysis (MRA) on the acceleration measurement signal.

이산 웨이블릿 변환부(120)는 수학식 2 및 수학식 3에 따른 웨이블릿 함수(

Figure 112011024084633-pat00006
) 및 스케일 함수(
Figure 112011024084633-pat00007
)를 이용하여 가속도 측정 신호를 다중 해상도 해석할 수 있다.The discrete wavelet transform unit 120 may perform a wavelet function according to Equations 2 and 3
Figure 112011024084633-pat00006
) And scale function (
Figure 112011024084633-pat00007
) Can be used for multi-resolution analysis of acceleration measurement signals.

(수학식 2)(2)

Figure 112011024084633-pat00008
Figure 112011024084633-pat00008

(수학식 3)(3)

Figure 112011024084633-pat00009
Figure 112011024084633-pat00009

t : 시간(Time)t: Time

n : 샘플링 수n: sampling number

한편, 수학식 2 및 수학식 3에 있어서,

Figure 112011024084633-pat00010
Figure 112011024084633-pat00011
은 신호의 저주파 통과 필터 및 고주파 통과 필터의 신호 필터링을 의미한다.In addition, in Formula (2) and Formula (3),
Figure 112011024084633-pat00010
Wow
Figure 112011024084633-pat00011
Means the signal filtering of the low pass filter and the high pass filter of the signal.

이산 웨이블릿 변환부(120)는 출력 신호를 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호로 분해하여, 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호에 대응되는 복수개의 변환 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 변환 신호는 스케일 함수와 웨이블릿 함수의 내적일 수 있으며, 한 레벨(level) 위의 스케일링 함수는 한 레벨 아래의 스케일 함수와 웨이블릿 함수의 합성(Convolution)으로 표현할 수 있다. 이는 가속도 측정 신호를 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역으로 분해할 수 있음을 의미한다.The discrete wavelet converter 120 may decompose the output signal into signals of a plurality of high frequency bands and a low frequency band to generate a plurality of converted signals corresponding to signals of the plurality of high frequency bands and the low frequency band. Here, the transform signal may be a dot product of the scale function and the wavelet function, and the scaling function on one level may be expressed as a convolution of the scale function and the wavelet function on one level. This means that the acceleration measurement signal can be decomposed into a plurality of high frequency bands and low frequency bands.

즉, 이산 웨이블릿 변환부(120)는 이산 웨이블릿 변환을 통해 가속도 측정 신호를 고주파 대역 신호 및 저주파 대역 신호 등으로 재분할할 수 있으며, 다수의 레벨에 대응되는 고주파 대역 신호 및 저주파 대역 신호로 나누어 변환 신호를 생성할 수 있다.That is, the discrete wavelet transform unit 120 may subdivide the acceleration measurement signal into a high frequency band signal and a low frequency band signal through discrete wavelet transformation, and divide the high frequency band signal and the low frequency band signal corresponding to a plurality of levels into a converted signal. Can be generated.

이하, 도 5를 참조하여, 이산 웨이블릿 변환부(120)가 가속도 측정 신호를 복수 레벨의 고주파 대역 신호 및 저주파 대역 신호로 분해하는 것을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 도 5는 1차원 이산 웨이블릿 변환에 따라 원신호를 다수 레벨의 변환 신호로 분해하는 것을 나타내는 도면이다.Hereinafter, referring to FIG. 5, the discrete wavelet transform unit 120 decomposes the acceleration measurement signal into a plurality of high frequency band signals and low frequency band signals. 5 is a diagram illustrating decomposition of an original signal into a multi-level transformed signal according to one-dimensional discrete wavelet transform.

도 5를 참조하면, 가속도 측정 신호(Signal)은 제1 레벨(1st level)의 저주파 대역 신호(cA1)및 고주파 대역 신호(cD1)로 분해할 수 있으며, 제1 레벨(1st level)의 저주파 대역 신호(cA1)를 제2 레벨(2nd level)의 저주파 대역 신호(cA2) 및 고주파 대역 신호(cD2)로 다시 분해할 수 있다. 마찬가지 방법으로, 이산 웨이블릿 변환에 따라 가속도 측정 신호(Signal)를 제3 레벨 또는 그 이상의 레벨로 분해할 수 있다.5, the acceleration measurement signal (Signal) may be decomposed into a low frequency band signal (cA 1) and high-frequency band signal (cD 1) of the first level (1 st level), the first level (1 st level ) it can be disassembled back into the low-frequency signal (cA 2) and a high frequency band signal (cD 2) of the second level (2 nd level), the low-frequency signal (cA 1). In the same manner, the acceleration measurement signal Signal may be decomposed into a third level or higher level according to the discrete wavelet transform.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 잡음 제거부(130)가 가변 임계치 기법(Variable Threshold Method)을 이용하여, 변환 신호에서 잡음의 제거하는 것을 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 6 and 7, the noise removing unit 130 removes noise from the converted signal by using a variable threshold method.

도 6은 가속도 측정부(110)에서 이동체의 진행방향에 대한 가속도를 측정한 결과인 잡음이 포함된 가속도 측정 신호를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating an acceleration measurement signal including noise that is a result of measuring an acceleration in a moving direction of the moving object by the acceleration measuring unit 110.

도 7은 이산 웨이블릿 변환부(120)가 가속도 측정 신호를 이산 웨이블릿 변환한 결과 생성된 다수 레벨의 변환 신호들(a5, d5, d4, d3, d2, d1)을 도시한 도면이다.FIG. 7 illustrates a plurality of levels of converted signals a 5 , d 5 , d 4 , d 3 , d 2 , and d 1 generated by the discrete wavelet transform unit 120 performing discrete wavelet transform of the acceleration measurement signal. Drawing.

도 6을 참조하면, 가속도 측정부(110)에서 측정된 가속도 신호는 가속 구간 및 등속 구간(속도 1 및 속도 2)에 있어서, 속도 변화 및 외부 환경으로 인해 잡음이 포함되어 있다. 잡음이 없는 가속도 신호를 가정하면, 적어도 등속 구간에 있어서는 측정된 신호의 값이 일정한 수준(도 6의 경우는 0m/s2)을 유지해야 되는 것이 바람직하지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 가속도 측정부(110)에서 측정된 측정값은 잡음으로 인해 일정한 수준을 유지하지 못하게 된다.Referring to FIG. 6, the acceleration signal measured by the acceleration measuring unit 110 includes noise due to a speed change and an external environment in an acceleration section and a constant velocity section (velocity 1 and velocity 2). Assuming the noise-free acceleration signal, it is preferable that the measured signal value is maintained at a constant level (0 m / s 2 in FIG. 6) at least in the constant velocity section, but as shown in FIG. The measured value measured by the measuring unit 110 may not maintain a constant level due to noise.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(10)는 가속도 측정 신호에서 잡음을 가속도 데이터의 왜곡없이 제거하기 위하여, 이산 웨이블릿 변환부(120)가 가속도 측정 신호를 이산 웨이블릿 변환하여 변환 신호를 생성하게 되며, 잡음 제거부(130)가 다수 레벨의 변환 신호들(a5, d5, d4, d3, d2, d1)로부터 변환 신호의 잡음을 제거하게 된다.Accordingly, in order to remove noise from the acceleration measurement signal without distortion of the acceleration data, the moving object position estimation apparatus 10 according to the exemplary embodiment of the present invention performs discrete wavelet transform of the acceleration measurement signal by discrete wavelet transform to convert the converted signal. The noise canceller 130 removes noise of the converted signal from the multiple levels of the converted signals a 5 , d 5 , d 4 , d 3 , d 2 , and d 1 .

구체적으로, 잡음 제거부(130)는 변환 신호에 있어서, 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하고(S120), 가변 임계치를 이용하여 변환 신호에 포함된 잡음을 제거하며, 각 주파수 대역별로 생성된 변환 신호들을 통합하여 잡음이 제거된 가속도 신호를 출력한다(S130). In detail, the noise removing unit 130 sets a variable threshold in the converted signal by comparing the wavelet coefficient according to the discrete wavelet transform with a preset threshold (S120), and includes the noise included in the converted signal using the variable threshold. In operation S130, noise is removed by integrating the converted signals generated for each frequency band.

도 7을 참조하면, 다수 레벨의 변환 신호들(a5, d5, d4, d3, d2, d1) 중에서 가장 낮은 저주파 대역의 변환신호 a5는 가속 및 등속 구간에서의 잡음이 원신호 성분에 대비하여 크지 않으나, 상대적으로 높은 주파수 대역의 변환신호들인 d5, d4, d3, d2, d1 (특히 d4, d3, d2)의 경우에는 등속 구간에서 가속도 값이 0으로 수렴하지 않는 잡음에 해당하는 값들이 상대적으로 많이 나타나게 된다. 따라서, 가속도 데이터의 왜곡을 감소시키면서 잡음을 제거하기 위해서는 주파수 대역별로 변환 신호의 잡음을 제거하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 7, the lowest low frequency converted signal a 5 among the multiple levels of converted signals a 5 , d 5 , d 4 , d 3 , d 2 , and d 1 has noise in acceleration and constant velocity sections. Accelerated at constant velocity for d 5 , d 4 , d 3 , d 2 , and d 1 (especially d 4 , d 3 , d 2 ), which are not large relative to the original signal components, but are converted signals of relatively high frequency bands There are relatively many values corresponding to noise whose value does not converge to zero. Therefore, in order to remove noise while reducing distortion of acceleration data, it is desirable to remove noise of the converted signal for each frequency band.

잡음 제거부(130)는 가변 임계치에 포함되는 부분(또는, 포함되지 않는 부분)을 일정한 값으로 수렴하도록하여 잡음을 제거할 수 있으며, 복수개의 변환 신호 중 적어도 하나의 변환 신호에 포함된 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 변환 신호 및 복수개의 변환 신호를 통합하여 가속도 신호를 출력할 수 있다(S130).The noise removing unit 130 may remove noise by converging a portion (or a portion not included) included in the variable threshold to a predetermined value, and may remove noise included in at least one of the plurality of converted signals. In operation S130, the acceleration signal may be output by integrating the converted signal and the plurality of converted signals from which the noise is removed.

또한, 잡음 제거부(130)는 이동체의 속도에 변화에 따라 출력되는 가속도 측정 신호를 고주파, 저주파 성분으로 분해하여 처리할 수 있으며, 가속도 데이터의 왜곡을 최소화하면서 잡음을 제거할 수 있다(S130). In addition, the noise removing unit 130 may decompose and process the acceleration measurement signal output according to the change in the speed of the moving object into high frequency and low frequency components, and may remove noise while minimizing distortion of the acceleration data (S130). .

한편, 임계값은 변환 신호의 표준 편차 및 변환 신호의 샘플링수 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있으며, 잡음 제거부(130)는 변환 신호의 표준 편차 범위를 초과하는 변환 신호의 잡음이 제거되도록 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정할 수 있다(S120).The threshold may be set based on at least one of the standard deviation of the converted signal and the sampling number of the converted signal, and the noise removing unit 130 may remove noise of the converted signal that exceeds the standard deviation range of the converted signal. The variable threshold may be set in comparison with the threshold (S120).

한편, 잡음 제거부(130)는 수학식4에 따라 가변 임계치(

Figure 112011024084633-pat00012
)를 설정할 수 있다(S120).On the other hand, the noise removing unit 130 is a variable threshold (
Figure 112011024084633-pat00012
) Can be set (S120).

(수학식 4)(Equation 4)

Figure 112011024084633-pat00013
Figure 112011024084633-pat00013

Figure 112011024084633-pat00014
: 이산 웨이블릿 변환에 따라 계산된 웨이블릿 계수
Figure 112011024084633-pat00014
: Wavelet coefficient calculated according to the discrete wavelet transform

Figure 112011024084633-pat00015
: 임계값
Figure 112011024084633-pat00015
: Threshold

여기서, 잡음 제거부(130)는 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하게 되므로, 임계값의 설정값 변경은 잡음 제거 성능에도 영향을 줄 수 있다. 따라서, 임계값은 이동체의 속도 변화, 외부 환경에 따른 최적의 값을 선택하도록 설정될 수 있다.Here, since the noise removing unit 130 sets the variable threshold by comparing the wavelet coefficient according to the discrete wavelet transform with a predetermined threshold value, the change of the setting value of the threshold may affect the noise removing performance. Therefore, the threshold value can be set to select an optimal value according to the speed change of the moving object and the external environment.

한편, 임계값(

Figure 112011024084633-pat00016
)은 수학식 5에 따라 설정될 수 있다.On the other hand, the threshold value (
Figure 112011024084633-pat00016
) May be set according to Equation 5.

(수학식 5)(5)

Figure 112011024084633-pat00017
Figure 112011024084633-pat00017

Figure 112011024084633-pat00018
: 신호의 표준 편차
Figure 112011024084633-pat00018
: Standard deviation of the signal

Figure 112011024084633-pat00019
: 신호의 샘플 개수
Figure 112011024084633-pat00019
: Number of samples in the signal

자이로 센서부(200)는 이동체의 회전각을 측정한다(S200). 한편, 자이로 센서부(200)는 3축 자이로 센서일 수 있다.Gyro sensor unit 200 measures the rotation angle of the moving object (S200). On the other hand, the gyro sensor unit 200 may be a three-axis gyro sensor.

GPS부(300)는 이동체의 X 좌표 및 Y 좌표를 포함한 위치, 속도 등을 수집한다(S300).The GPS unit 300 collects a position, a speed, and the like including the X coordinate and the Y coordinate of the moving object (S300).

언센티드 파티클 필터부(400)는 GPS(Global Positioning System)에서 매초 업데이트 되는 위치 정보(이동체의 X 좌표 및 Y 좌표)를 GPS의 업데이트 시간보다 짧은 시간에 이동체의 움직임 정보를 획득하는 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS)의 정보(이동체의 가속도와, 이동체의 회전각)로 보정하고, 각각의 정보를 결합하며, 결합의 결과에 따라 이동체의 위치를 추정한다. The ascending particle filter unit 400 is an inertial navigation system that acquires the motion information of the moving object at a time shorter than the GPS update time from the positional information (the X coordinate and the Y coordinate of the moving object) updated every second in the global positioning system (GPS). (Inertial Navigation System, INS) is corrected by the information (acceleration of the moving body and the rotation angle of the moving body), and the combined information of each, and the position of the moving body is estimated according to the result of the combination.

더욱 상세하게 설명하면, 언센티드 파티클 필터부(400)는 잡음이 제거된 가속도 신호로부터 획득한 이동체의 가속도와, 이동체의 회전각 및 이동체의 좌표를 언센티드 파티클 필터(Unscented Particle Filter)를 이용하여 결합하고(S400), 결합의 결과에 따라 이동체의 위치를 추정한다(S500).In more detail, the unscented particle filter 400 may use an unscented particle filter to determine the acceleration of the moving object, the rotation angle of the moving object, and the coordinates of the moving object obtained from the acceleration signal from which the noise is removed. By using the combination (S400), the position of the moving body is estimated according to the result of the combination (S500).

언센티드 파티클 필터부(400)의 각 파티클은 자이로 센서부(200)로부터 얻은 이동체의 회전각(피치축 각속도 및 요축의 각속도)과 잡음 제거부(130)로부터 얻은 진행방향의 가속도를 입력으로 두고, 이 값(회전각 및 가속도)을 누적하여 다음 상태를 추정한다. 이 때, 언센티드 파티클 필터부(400)는 언센티드 변환(Unscented Transform, UT)을 이용하여 보다 정확하게 비선형시스템의 다음 상태의 평균값과 공분산을 전파시킨다.Each particle of the ascendant particle filter unit 400 receives the rotation angle of the moving object (the pitch axis angular velocity and the yaw axis angular velocity) obtained from the gyro sensor unit 200 and the acceleration in the advancing direction obtained from the noise removing unit 130 as an input. This value (rotation angle and acceleration) is accumulated and the next state is estimated. At this time, the uncentralized particle filter 400 more accurately propagates the average value and covariance of the next state of the nonlinear system by using an unscented transform (UT).

여기서, 언센티드 변환을 이용한 평균값과 공분산의 전파는 수학식 6 및 수학식 7에 따라 이루어질 수 있다.Here, the propagation of the mean value and the covariance using the ascendant transform may be performed according to Equations 6 and 7 below.

(수학식 6)(6)

Figure 112011024084633-pat00020
Figure 112011024084633-pat00020

Figure 112011024084633-pat00021
: 시그마 포인트
Figure 112011024084633-pat00021
Sigma Points

Figure 112011024084633-pat00022
: 평균값
Figure 112011024084633-pat00022
: Mean value

Figure 112011024084633-pat00023
: 공분산(Covariance)
Figure 112011024084633-pat00023
Covariance

Figure 112011024084633-pat00024
: 상태(State) 크기
Figure 112011024084633-pat00024
: State size

Figure 112011024084633-pat00025
: 시그마 포인트 수(1~2L-1))
Figure 112011024084633-pat00025
: Number of sigma points (1 ~ 2L-1))

(수학식 7)(7)

Figure 112011024084633-pat00026
Figure 112011024084633-pat00026

Figure 112011024084633-pat00027
: 시그마 포인트
Figure 112011024084633-pat00027
Sigma Points

Figure 112011024084633-pat00028
: 전파된 시그마 포인트(Transferred Sigma Point)
Figure 112011024084633-pat00028
: Transferred Sigma Point

언센티드 변환에 따른 평균값 및 공분산에서, GPS부(300)의 측정값을 기초로한 가중치를 반영하면, 이동체의 실제 분포의 평균, 공분산과 매우 근접한 추정 평균값과, 공분산을 구할 수 있다. 이러한 추정 평균값과 공분산을 이용하여 이동체의 위치 추정이 가능하다.By reflecting the weights based on the measured values of the GPS unit 300 in the mean value and the covariance according to the unsented transformation, the mean of the actual distribution of the moving object, the estimated mean value very close to the covariance, and the covariance can be obtained. It is possible to estimate the position of the moving object using the estimated average value and covariance.

여기서, 가중치는 수학식 8에 따라 계산될 수 있다.Here, the weight may be calculated according to Equation 8.

(수학식 8)(8)

Figure 112011024084633-pat00029
Figure 112011024084633-pat00029

Figure 112011024084633-pat00030
: 상태 변수(이동체의 가속도, 피치각, 요각, 속도 및 위치에 대응)
Figure 112011024084633-pat00030
: State variable (corresponding to acceleration, pitch angle, yaw angle, speed and position of moving body)

Figure 112011024084633-pat00031
: 가중치
Figure 112011024084633-pat00031
: weight

Figure 112011024084633-pat00032
: 측정값(GPS가 제공하는 이동체의 X 좌표 및 Y 좌표에 대응)
Figure 112011024084633-pat00032
: Measured value (corresponding to X coordinate and Y coordinate of moving object provided by GPS)

Figure 112011024084633-pat00033
: 시간
Figure 112011024084633-pat00033
: time

Figure 112011024084633-pat00034
: 파티클의 개수(1~N)
Figure 112011024084633-pat00034
: Number of particles (1 ~ N)

한편, 언센티드 파티클 필터부(400)는 이동체의 위치 추정을 위해 순차적 중요도 샘플링(Sequential Importance Sampling, SIS)을 하며, 이동체의 가속도, 이동체의 좌표 중 적어도 하나의 측정값을 반영하여 파티클들의 가중치를 재계산한다. Meanwhile, the uncentralized particle filter 400 performs sequential importance sampling (SIS) for estimating the position of the moving object and weights the particles by reflecting at least one measurement value of the acceleration of the moving object and the coordinates of the moving object. Recalculate.

여기서, 순차적 중요도 샘플링은 수학식 9에 따라 이루어질 수 있다.Here, sequential importance sampling may be performed according to Equation 9.

(수학식 9)(9)

Figure 112011024084633-pat00035
Figure 112011024084633-pat00035

Figure 112011024084633-pat00036
: 상태 변수(이동체의 가속도, 피치각, 요각, 속도 및 위치에 대응)
Figure 112011024084633-pat00036
: State variable (corresponding to acceleration, pitch angle, yaw angle, speed and position of moving body)

Figure 112011024084633-pat00037
: 측정값(GPS가 제공하는 이동체의 X 좌표 및 Y 좌표에 대응)
Figure 112011024084633-pat00037
: Measured value (corresponding to X coordinate and Y coordinate of moving object provided by GPS)

Figure 112011024084633-pat00038
: 시간(Time)
Figure 112011024084633-pat00038
: Time

Figure 112011024084633-pat00039
: 파티클의 개수(1~N)
Figure 112011024084633-pat00039
: Number of particles (1 ~ N)

순차적 중요도 샘플링이 시간에 따라 반복 수행되면 가중치가 매우 작아진 파티클을 무시할 수 있고, 이 때 전체 파티클의 개수가 줄어들게 된다. 이로 인해 이동체의 위치 추정이 효율적으로 수행될 수 있도록 언센티드 파티클 필터부(400)는 파티클에 대한 리-샘플링(Re-sampling)을 수행할 수 있다. 리-샘플링이 이루어지면, 각 파티클의 가중치를 고루 분산시키고 이동체의 효율적인 위치 추정을 위한 적정 개수의 파티클을 유지할 수 있다. If sequential importance sampling is repeated over time, particles with a very small weight can be ignored, which reduces the total number of particles. As a result, the ascentd particle filter unit 400 may perform re-sampling on the particles so that the position estimation of the moving object can be efficiently performed. When re-sampling is performed, the weight of each particle can be evenly distributed and an appropriate number of particles can be maintained for efficient position estimation of the moving object.

한편, 언센티드 파티클 필터부(400)는 재계산된 가중치 및 리-샘플링의 결과에 따라 이동체의 위치 추정을 업데이트할 수 있다. Meanwhile, the uncentralized particle filter 400 may update the position estimate of the moving body according to the recalculated weight and the result of the re-sampling.

전술한 바에 따라, 언센티드 파티클 필터부(400)는, 이동체의 가속도 및 이동체의 회전각을 이용하여 이동체의 위치에 관한 상태변수로 이루어진 확률공간 및 확률공간에서 이동체의 위치에 대응되는 확률 분포인 복수개의 파티클을 구성하고, 이동체의 좌표를 기초하여 파티클들의 가중치를 계산하며, 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 이동체의 x 축 변위(x axis distance), y 축 변위(y axis distance), 피치축 회전각(Pitch axis angle of rotation) 및 요축 회전각(Yaw axis angle of rotation) 중 적어도 하나를 계산하여 결과값으로 출력한다.As described above, the uncentralized particle filter unit 400 is a probability distribution corresponding to the position of the moving object in the probability space and the probability space consisting of state variables related to the position of the moving object using the acceleration of the moving object and the rotation angle of the moving object. Constituting a plurality of particles, calculating the weights of the particles based on the coordinates of the moving object, and calculating the x-axis displacement, y-axis distance, y-axis distance, At least one of a pitch axis angle of rotation and a yaw axis angle of rotation is calculated and output as a result value.

즉, 언센티드 파티클 필터부(400)에서의 이동체의 가속도와, 이동체의 회전각 및 이동체의 좌표의 결합은 확률 분포인 복수개의 파티클로서 표현되며, 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 이동체의 x 축 변위(x axis distance), y 축 변위(y axis distance), 피치축 회전각(Pitch axis angle of rotation) 및 요축 회전각(Yaw axis angle of rotation)의 형태로 출력되게 된다. 한편, 언센티드 파티클 필터부(400)에서는 이동체의 x 축 변위(x axis distance), y 축 변위(y axis distance), 피치축 회전각(Pitch axis angle of rotation) 및 요축 회전각(Yaw axis angle of rotation) 중 어느 하나의 결과값 및 과거 시각에서의 이동체의 좌표를 이용하여 이동체의 위치 추정을 할 수 있다.
That is, the combination of the acceleration of the moving object, the rotation angle of the moving object, and the coordinates of the moving object in the ascendant particle filter unit 400 is expressed as a plurality of particles having a probability distribution, and according to the weighted sum of the particles whose weight is reflected, It is output in the form of x axis distance, y axis distance, pitch axis angle of rotation and yaw axis angle of rotation. Meanwhile, in the ascended particle filter unit 400, the x axis displacement, the y axis distance, the pitch axis angle of rotation, and the yaw axis rotation angle of the moving object are used. The position of the movable body can be estimated using the result value of any one of angle of rotation and the coordinates of the movable body at a past time.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.Hereinafter, a moving object estimation apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. 3 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating a moving object according to another embodiment of the present invention.

여기서, 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 해당구성요소에 대한 상세한 설명을 생략한다.Here, the same reference numerals are used for components that perform the same functions as the components illustrated in FIG. 2, and a detailed description of the corresponding components will be omitted.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(20)는 가속도 측정부(110), 이산 웨이블릿 변환부(120), 잡음 제거부(130), 자이로 센서부(200), GPS부(300) 및 언센티드 파티클 필터부(400)를 포함하며, 절대각도를 측정할 수 있는 마그네틱 콤파스부(500)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the moving object position estimating apparatus 20 according to an exemplary embodiment of the present invention may include an acceleration measuring unit 110, a discrete wavelet transform unit 120, a noise removing unit 130, and a gyro sensor unit 200. In addition, the GPS unit 300 and the ascended particle filter unit 400 may further include a magnetic compass unit 500 capable of measuring an absolute angle.

마그네틱 콤파스부(500)는 이동체의 피치축 또는 요축에 관한 자기각을 측정한다.The magnetic compass unit 500 measures the magnetic angle with respect to the pitch axis or yaw axis of the movable body.

마그네틱 콤파스부(500)는 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS)의 일부로서의 마그네틱 콤파스(Magnetic compass)일 수 있다.The magnetic compass unit 500 may be a magnetic compass as part of an Inertial Navigation System (INS).

한편, 마그네틱 콤파스부(500)에서 측정된 이동체의 자기각은 언센티드 파티클 필터부(400)에서 파티클들의 가중치를 계산 또는 재계산하는데 이용될 수 있다.On the other hand, the magnetic angle of the moving object measured in the magnetic compass unit 500 may be used to calculate or recalculate the weight of the particles in the ascendant particle filter 400.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(20)는 마그네틱 콤파수부(500)에서 측정된 이동체의 자기각을 이용하여 이동체의 절대각도를 반영한 이동체의 위치 추정이 가능하다.
Therefore, the moving object position estimating apparatus 20 according to an embodiment of the present invention can estimate the position of the moving object reflecting the absolute angle of the moving object using the magnetic angle of the moving object measured by the magnetic comparator 500.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명한다. 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.Hereinafter, an apparatus for estimating a moving object according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. 4 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating a moving object according to still another exemplary embodiment of the present invention.

여기서, 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 해당구성요소에 대한 상세한 설명을 생략한다.Here, the same reference numerals are used for components that perform the same functions as the components illustrated in FIG. 2, and a detailed description of the corresponding components will be omitted.

도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(30)는 가속도 측정부(110), 이산 웨이블릿 변환부(120), 잡음 제거부(130), 자이로 센서부(200), GPS부(300) 및 언센티드 파티클 필터부(400)를 포함하며, X축 변위 산출부(610), Y축 변위 산출부(620), 요축 회전각 산출부(630) 및 피치축 회전각 산출부(640)를 더 포함한다.Referring to FIG. 4, the moving object position estimating apparatus 30 according to another exemplary embodiment of the present invention may include an acceleration measuring unit 110, a discrete wavelet transform unit 120, a noise removing unit 130, and a gyro sensor unit 200. ), GPS unit 300 and the ascended particle filter unit 400, the X-axis displacement calculation unit 610, Y-axis displacement calculation unit 620, yaw axis rotation angle calculation unit 630 and pitch axis The rotation angle calculation unit 640 further includes.

본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추정 장치(30)에 있어서, 언센티드 파티클 필터부(400)는 관성 항법 시스템 및 GPS의 결합이 이루어지도록 하며, 이동체의 x 축 변위, y 축 변위, 피치축 회전각 및 요축 회전각을 X축 변위 산출부(610), Y축 변위 산출부(620), 요축 회전각 산출부(630) 및 피치축 회전각 산출부(640)에서 각각 계산 및 출력하도록 한다.In the mobile body position estimation apparatus 30 according to the embodiment of the present invention, the ascended particle filter unit 400 allows the inertial navigation system and the GPS to be combined, and the x-axis displacement, the y-axis displacement, and the pitch of the movable body. The axis rotation angle and yaw axis rotation angle are calculated and output by the X axis displacement calculation unit 610, the Y axis displacement calculation unit 620, the yaw axis rotation angle calculation unit 630, and the pitch axis rotation angle calculation unit 640, respectively. do.

더욱 상세하게는, 언센티드 파티클 필터부(400)는, 이동체의 가속도 및 이동체의 회전각을 이용하여 이동체의 위치에 관한 상태변수로 이루어진 확률공간 및 확률공간에서 이동체의 위치에 대응되는 확률 분포인 복수개의 파티클을 구성하고, 이동체의 좌표를 기초하여 파티클들의 가중치를 계산하게 되며, 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따른 결과값인 이동체의 x 축 변위, y 축 변위, 피치축 회전각 및 요축 회전각은, X축 변위 산출부(610), Y축 변위 산출부(620), 요축 회전각 산출부(630) 및 피치축 회전각 산출부(640)에서 각각 계산되게 된다.More specifically, the ascented particle filter unit 400 is a probability distribution corresponding to the position of the moving object in the probability space and the probability space consisting of state variables related to the position of the moving object using the acceleration of the moving object and the rotation angle of the moving object. It constructs a plurality of particles, calculates the weight of the particles based on the coordinates of the moving object, the x-axis displacement, y-axis displacement, pitch axis rotation angle and yaw axis of the moving object which is a result of the weighted sum of the particles reflected weight The rotation angle is calculated by the X-axis displacement calculator 610, the Y-axis displacement calculator 620, the yaw axis rotation angle calculator 630, and the pitch axis rotation angle calculator 640, respectively.

따라서, X축 변위 산출부(610)는 언센티드 파티클 필터부(400)에서의 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 이동체의 x 축 변위(x axis distance)를 산출한다. Accordingly, the X-axis displacement calculator 610 calculates the x-axis displacement of the moving body according to the weighted sum of the particles reflected by the weight of the uncentralized particle filter 400.

또한, Y축 변위 산출부(620)는 언센티드 파티클 필터부(400)에서의 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 y 축 변위(y axis distance)를 산출한다.In addition, the Y axis displacement calculator 620 calculates a y axis distance according to the weighted sum of the particles in which the weight of the uncentralized particle filter 400 is reflected.

또한, 요축 회전각 산출부(630)는 언센티드 파티클 필터부(400)에서의 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 피치축 회전각(Pitch axis angle of rotation)을 산출한다.In addition, the yaw axis rotation angle calculator 630 calculates a pitch axis angle of rotation according to the weighted sum of the particles reflected by the weight of the uncentral particle filter unit 400.

또한, 피치축 회전각 산출부(640)는 언센티드 파티클 필터부(400)에서의 가중치가 반영된 파티클들의 가중합에 따라 요축 회전각(Yaw axis angle of rotation)을 산출한다.
In addition, the pitch axis rotation angle calculator 640 calculates a yaw axis angle of rotation according to the weighted sum of the particles in which the weight of the uncentralized particle filter 400 is reflected.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

이동체의 가속도를 측정하는 가속도 측정부;
상기 이동체의 회전각을 측정하는 자이로 센서부;
상기 이동체의 좌표를 수집하는 GPS부;
상기 가속도 측정부의 출력 신호를 적어도 하나 이상의 주파수 대역별로 이산 웨이블릿 변환하여 각 주파수 대역별로 변환 신호를 생성하는 이산 웨이블릿 변환부;
상기 변환 신호에 있어서, 상기 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하고, 상기 가변 임계치를 이용하여 상기 변환 신호에 포함된 잡음을 제거하며, 각 주파수 대역별로 생성된 상기 변환 신호들을 통합하여 상기 잡음이 제거된 가속도 신호를 출력하는 잡음 제거부; 및
상기 잡음 제거부로부터 제공받은 상기 가속도 신호로부터 획득한 상기 이동체의 가속도와, 상기 자이로 센서부로부터 제공 받은 상기 이동체의 회전각 및 상기 GPS부로부터 제공받은 상기 이동체의 좌표를 결합하고, 상기 결합의 결과에 따라 상기 이동체의 위치를 추정하는 언센티드 파티클 필터부;를 포함하되,
상기 언센티드 파티클 필터부는,
상기 이동체의 x 좌표, y 좌표, 피치각 및 요각 중 적어도 하나를 상태변수로 포함하도록 하여 확률공간을 구성하는 것
인 이동체 위치 추정 장치.
An acceleration measuring unit measuring an acceleration of the moving body;
A gyro sensor unit measuring a rotation angle of the moving body;
A GPS unit for collecting coordinates of the moving object;
A discrete wavelet transform unit for performing discrete wavelet transform on the output signal of the acceleration measuring unit for at least one frequency band to generate a converted signal for each frequency band;
In the converted signal, a variable threshold is set by comparing the wavelet coefficients according to the discrete wavelet transform with a preset threshold, and the noise included in the converted signal is removed using the variable threshold, and generated for each frequency band. A noise canceller configured to output the acceleration signal from which the noise is removed by integrating the converted signals; And
Combining the acceleration of the movable body obtained from the acceleration signal provided from the noise canceling unit with the rotation angle of the movable body provided from the gyro sensor unit and the coordinates of the movable body provided from the GPS unit, and as a result of the combining Including; an ascendant particle filter for estimating the position of the moving body;
The ascended particle filter unit,
Comprising a probability space by including at least one of the x coordinate, y coordinate, pitch angle and yaw angle of the moving object as a state variable
Moving object position estimation device.
제 1 항에 있어서, 상기 이산 웨이블릿 변환부는,
상기 가속도 측정부의 출력 신호를 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호로 분해하여, 상기 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호에 대응되는 복수개의 변환 신호를 생성하는 것이며,
상기 잡음 제거부는, 상기 복수개의 변환 신호 중 적어도 하나의 변환 신호에 포함된 상기 잡음을 제거하고, 상기 잡음이 제거된 변환 신호 및 상기 복수개의 변환 신호를 통합하여 상기 가속도 신호를 출력하는 것
인 이동체 위치 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the discrete wavelet transform unit,
Decomposing an output signal of the acceleration measurement unit into a signal of a plurality of high frequency bands and a low frequency band to generate a plurality of converted signals corresponding to the signals of the plurality of high frequency bands and the low frequency band,
The noise removing unit may remove the noise included in at least one converted signal among the plurality of converted signals, and output the acceleration signal by integrating the converted noise signal and the plurality of converted signals.
Moving object position estimation device.
제 1 항에 있어서,
상기 임계값은 상기 변환 신호의 표준 편차 및 상기 변환 신호의 샘플링수 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는 것이며,
상기 잡음 제거부는 상기 변환 신호의 표준 편차 및 상기 변환 신호의 샘플링수 중 적어도 하나에 기초하여 상기 변환 신호의 잡음이 제거되도록 상기 임계값과 비교하여 상기 가변 임계치를 설정하는 것
인 이동체 위치 추정 장치.
The method of claim 1,
The threshold is set based on at least one of the standard deviation of the converted signal and the sampling number of the converted signal,
The noise removing unit sets the variable threshold in comparison with the threshold value so that the noise of the converted signal is removed based on at least one of the standard deviation of the converted signal and the sampling number of the converted signal.
Moving object position estimation device.
제 1 항에 있어서, 상기 언센티드 파티클 필터부는,
상기 이동체의 가속도 및 상기 이동체의 회전각을 이용하여 상기 이동체의 위치에 관한 상태변수로 이루어진 확률공간 및 상기 확률공간에서 상기 이동체의 위치에 대응되는 확률 분포인 복수개의 파티클을 구성하고, 상기 이동체의 좌표에 기초하여 상기 파티클들의 가중치를 계산하며, 상기 가중치가 반영된 상기 파티클들의 가중합에 따라 상기 이동체의 위치를 추정하는 것
인 이동체 위치 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the ascend particle filter,
By using the acceleration of the moving object and the rotation angle of the moving object to form a plurality of particles of a probability space consisting of a state variable relating to the position of the moving object and a probability distribution corresponding to the position of the moving object in the probability space, Calculating weights of the particles based on coordinates, and estimating the position of the moving body according to the weighted sum of the particles reflecting the weights
Moving object position estimation device.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 언센티드 파티클 필터부는,
상기 이동체의 위치를 추정한 결과로 x축 변위, y축 변위, 요축 회전각 및 피치축 회전각 중 적어도 하나를 출력하는 것
인 이동체 위치 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the ascend particle filter,
Outputting at least one of x-axis displacement, y-axis displacement, yaw axis rotation angle, and pitch axis rotation angle as a result of estimating the position of the movable body;
Moving object position estimation device.
이동체의 가속도를 가속도 센서를 이용하여 측정하는 단계;
상기 가속도 센서의 측정 결과로서 잡음이 포함된 가속도 측정 신호를 적어도 하나의 주파수 대역에서 잡음을 제거하여 가속도 신호를 출력하는 단계;
상기 이동체의 좌표를 GPS를 이용하여 수집하는 단계;
상기 이동체의 회전각을 자이로 센서를 이용하여 측정하는 단계; 및
상기 잡음이 제거된 가속도 신호로부터 획득한 상기 이동체의 가속도와, 상기 이동체의 회전각 및 상기 이동체의 좌표를 언센티드 파티클 필터를 이용하여 결합하고, 상기 결합의 결과에 따라 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계;를 포함하되,
상기 이동체의 위치를 추정하는 단계는,
상기 이동체의 가속도 및 상기 이동체의 회전각의 평균 및 공분산을 정의하는 단계;
상기 평균 및 공분산 중 적어도 하나를 이용하여 상기 이동체의 위치에 관한 상태변수와, 상기 상태변수로 이루어진 확률공간 및 상기 확률공간에서 상기 이동체의 위치에 대응되는 확률 분포인 복수개의 파티클을 구성하는 단계; 및
상기 이동체의 좌표에 기초하여 상기 파티클들의 가중치를 계산하고, 상기 가중치가 반영된 상기 파티클들의 가중합에 따라 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것
인 이동체 위치 추정 방법.
Measuring the acceleration of the moving object using an acceleration sensor;
Outputting an acceleration signal by removing noise from at least one frequency band of an acceleration measurement signal including noise as a measurement result of the acceleration sensor;
Collecting coordinates of the moving object using GPS;
Measuring a rotation angle of the moving body using a gyro sensor; And
Combining the acceleration of the moving object obtained from the acceleration signal from which the noise is removed, the rotation angle of the moving object and the coordinates of the moving object using an unscented particle filter, and estimate the position of the moving object according to the result of the combining. Including;
Estimating the position of the moving body,
Defining an average and a covariance of the acceleration of the mobile body and the rotation angle of the mobile body;
Constructing a plurality of particles having a state variable relating to the position of the moving object, a probability space consisting of the state variable, and a probability distribution corresponding to the position of the moving object in the probability space using at least one of the mean and the covariance; And
Calculating weights of the particles based on the coordinates of the moving object and estimating the position of the moving object according to the weighted sum of the particles reflecting the weights;
Moving object position estimation method.
제 7 항에 있어서, 상기 가속도 신호를 출력하는 단계는,
상기 가속도 센서의 측정 결과로서 잡음이 포함된 이동체의 가속도 측정 신호를 적어도 하나 이상의 주파수 대역별로 이산 웨이블릿 변환하여 각 주파수 대역별로 변환 신호를 생성하는 단계;
상기 변환 신호에 있어서, 상기 이산 웨이블릿 변환에 따른 웨이블릿 계수를 기설정된 임계값과 비교하여 가변 임계치를 설정하는 단계;
상기 가변 임계치를 이용하여 상기 변환 신호에 포함된 상기 잡음을 제거하는 단계; 및
각 주파수 대역별로 생성된 상기 변환 신호들을 통합하여 상기 잡음이 제거된 가속도 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것
인 이동체 위치 추정 방법.
The method of claim 7, wherein the outputting the acceleration signal,
Generating a converted signal for each frequency band by discrete wavelet transforming an acceleration measurement signal of a moving object including noise as a measurement result of the acceleration sensor by at least one or more frequency bands;
In the converted signal, setting a variable threshold by comparing a wavelet coefficient according to the discrete wavelet transform with a preset threshold;
Removing the noise included in the converted signal using the variable threshold; And
Integrating the converted signals generated for each frequency band and outputting the noise-free acceleration signal.
Moving object position estimation method.
제 8 항에 있어서, 상기 변환 신호를 생성하는 단계는,
상기 출력 신호를 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호로 분해하여, 상기 복수 레벨의 고주파 대역 및 저주파 대역의 신호에 대응되는 복수개의 변환 신호를 생성하는 것이고,
상기 잡음을 제거하는 단계는,
상기 복수 레벨 중 적어도 하나의 레벨의 변환 신호 중에서 상기 잡음을 제거하는 것
인 이동체 위치 추정 방법.
The method of claim 8, wherein generating the converted signal comprises:
Decomposing the output signal into signals of a plurality of high frequency bands and a low frequency band to generate a plurality of converted signals corresponding to the signals of the plurality of high frequency bands and the low frequency band,
The step of removing the noise includes:
Removing the noise from at least one level of the converted signal of the plurality of levels
Moving object position estimation method.
삭제delete 제 7 항에 있어서, 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계는,
상기 이동체의 가속도, 상기 이동체의 좌표, 상기 이동체의 자기각 중 적어도 하나의 측정값을 반영하여 상기 파티클들의 가중치를 재계산하는 단계; 및
상기 재계산된 가중치에 따라 상기 이동체의 위치를 업데이트하는 단계를 더 포함하는 것
인 이동체 위치 추정 방법.
The method of claim 7, wherein estimating the position of the moving body,
Recalculating the weights of the particles by reflecting at least one measurement value of the acceleration of the mobile body, the coordinates of the mobile body, and the magnetic angle of the mobile body; And
Updating the position of the moving body in accordance with the recalculated weights.
Moving object position estimation method.
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이소희, 윤희병, ‘퍼지추론/UPF를 이용한 UGV의 GPS/INS 데이터 융합 및 위치추정’, 한국지능시스템학회 논문지, 제19권, 제3호, pp.408-414

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