KR101391764B1 - 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법에 관한 것으로, 상기 관성항법장치와 상기 토털스테이션이 체결된 본체를 일 지점에 설치하는 단계, 상기 관성항법장치를 이용하여 롤, 피치 및 요로 이루어진 자세 값을 측정하는 단계, 상기 토털스테이션을 이용하여 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 측량 값을 측정하며, 상기 제1 및 제2 측량 값은 거리, 방위각 및 고각으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단계, 상기 자세 값을 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축을 추정하는 단계, 상기 제1 및 제2 측량 값을 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 좌표 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축을 추정하는 단계 및 상기 추정된 관성항법장치의 기준 축과 상기 추정된 토털스테이션의 기준 축을 이용하여 비정렬각을 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법{THE METHOD OF HARMONIZATION BETWEEN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM AND TOTAL STATION}
본 발명은 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법에 관한 것으로, 구체적으로 관성항법장치와 토털스테이션을 연동시키기 위하여 선행적으로 수행하여야 하는 두 장비 간의 축 일치 방법 및 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키기 위한 비정렬각을 연산하는 연산장치에 관한 것이다.
관성항법장치(INS, inertial navigation system)는 복수의 자이로와 가속도계를 조합시켜 그 신호를 컴퓨터로 처리하여 항체(航體)의 위치나 자세 등의 항법정보를 얻는 장치이다. 관성항법장치는 외부 기기의 도움 없이 항체(航體)의 속도, 자세, 위치, 진행 방향 등을 계산한다. 예를 들어, 관성항법장치는 수평면 내의 직교 2방향(동서 및 남북)과 연직(鉛直) 방향의 합계 3방향의 가속도를 검출하고, 그것을 2회 적분하여 이동거리를 산출할 수 있다. 또한, 이것을 출발점의 위도나 경도정보와 함께 계산처리하여 현재위치를 산출할 수 있다.
한편, 토털스테이션(total station)은 각도와 거리를 함께 측정할 수 있는 측량기로 전자식 세오돌라이트(electronic theodolite)와 광파측거기(EDM, electro-optical instruments)가 하나의 기기로 통합되어 있어 측정한 자료를 빠른 시간 안에 처리하고, 결과를 출력하는 전자식 측거·측각기이다. 종류에는 광파측거기에 측각 기능을 부가한 광파측거기 주체형과 광학식 세오돌라이트에 광파측거기를 부착한 광학식 세오돌라이트 주체형, 전자식 세오돌라이트에 광파측거기를 부착한 전자식 세오돌라이트 주체형이 있다.
상술한 바와 같이, 관성항법장치는 사용자의 위치, 속도, 자세(각도)를 알려주는 장비이며, 토털스테이션은 임의의 지점에 대한 방위각, 고각, 사거리를 측정하여 사용자에게 그 지점의 위치 및 자세를 제공하는 장비이다.
다만, 관성항법장치는 현재 상태에 대한 자세각은 알 수 있으나, 임의 방향의 자세각을 결정하는데 어려움이 있다. 이와 달리, 토털스테이션은 현재 상태에 대한 자세각을 스스로 결정할 수는 없지만 임의 방향에 대한 상대적인 각도 변화는 알 수 있다. 따라서, 두 장비를 연동하여 사용하게 되면 임의의 위치에서 임의의 방향에 대한 자세각을 결정할 수 있는 장점이 발생한다.
이러한 기술이 발현되기 위해서는 두 장비들의 기준 축들 간의 불일치한 각도 값(비정렬 값)을 알아내야만 한다.
본 발명의 일 목적은 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 좌표를 모르는 임의 지점에 위치한 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키기 위한 비정렬각을 연산하는 연산장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 관성항법장치와 토털스테이션을 연동시키기 위하여 선행적으로 수행하여야 하는 두 장비 간의 축 일치 방법 및 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키기 위한 비정렬각을 연산하는 연산장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키는 축 일치 방법은, 상기 관성항법장치와 상기 토털스테이션이 체결된 본체를 일 지점에 설치하는 단계, 상기 관성항법장치를 이용하여 롤, 피치 및 요로 이루어진 자세 값을 측정하는 단계, 상기 토털스테이션을 이용하여 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 측량 값을 측정하며, 상기 제1 및 제2 측량 값은 거리, 방위각 및 고각으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단계, 상기 자세 값을 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축을 추정하는 단계, 상기 제1 및 제2 측량 값을 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 좌표 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축을 추정하는 단계 및 상기 추정된 관성항법장치의 기준 축과 상기 추정된 토털스테이션의 기준 축을 이용하여 비정렬각을 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 축 일치 방법은, 상기 결정된 비정렬각을 이용하여 상기 관성항법장치와 상기 토털스테이션 간의 기준 축을 일치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 축 일치 방법은, 상대 좌표를 산출하는데 이용되며, 동거, 북거 및 표고로 이루어진 상기 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 좌표값을 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키기 위한 비정렬각을 연산하는 연산장치는, 일 지점에 설치된 상기 관성항법장치로부터 롤, 피치 및 요로 이루어진 자세 값을 수신하고, 상기 일 지점에 설치된 상기 토털스테이션으로부터 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 측량 값을 수신하며, 상기 제1 및 제2 측량 값은 거리, 방위각 및 고각으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인터페이스부 및 상기 자세 값을 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축을 추정하고, 상기 제1 및 제2 측량 값을 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 좌표 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축을 추정하며, 상기 추정된 관성항법장치의 기준 축과 상기 추정된 토털스테이션의 기준 축을 이용하여 상기 비정렬각을 연산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연산장치는, 상기 연산된 비정렬각을 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연산장치는, 상대 좌표를 산출하는데 이용되며, 동거, 북거 및 표고로 이루어진 상기 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 좌표값을 저장하는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연산장치는, 상기 제1 및 제2 좌표값을 입력받도록 형성되는 사용자 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 축 일치 방법은, 두 점의 좌표를 이용하여 관성항법장치와 토털스테이션 간의 비정렬각을 산출하기 때문에, 측지장비(관성항법장치 및 토털스테이션)를 좌표값을 알고 있는 기지점(旣知點)에 위치시킬 필요가 없다. 이에 따라, 관성항법장치의 관성센서 뭉치 중심에서 기지점까지의 레버암(lever arm)을 알아야 할 필요가 없으며, 레버암의 부정확성에 의한 오차요인을 해결할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 일치 방법은 관성항법장치를 임의의 위치에 설치하여도 알고 있는 두 지점에 대한 좌표값들을 이용하여 관성항법장치와 토털스테이션과의 비정렬각을 산출할 수 있기 때문에, 종래 기술의 불편함과 오차를 해결할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따른 측지장비와 연산장치를 나타내는 블록도
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따른 측지장비의 측량 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 도 2의 측량 과정에 의해 구해진 데이터를 이용하여 연산장치가 관성항법장치와 토털스테이션 간의 비정렬각을 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명은 위치를 알고 있는 두 지점의 좌표를 이용하여 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 축일치를 알아내는 방법을 제시한다. 기존의 방법이 두 지점 중 한 지점에 대해 관성항법장치(110)가 위치해야 하는 요구조건으로 인해 비정확성과 측정의 불편함을 갖는데 반해 본 발명은 관성항법장치(110)를 임의의 위치에 두고 두 지점의 정확한 상대 좌표(또는, 상대 위치 벡터)만을 사용하여 토털스테이션(150)과의 축일치를 결정해 줌으로서 기존 방식의 불편함을 해결하고자 한다.
두 지점의 좌표를 알게 되면 두 지점을 잇게 되는 선분에 대한 좌표를 알 수 있다. 기존의 방식은 두 지점 중 한 지점에 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150)이 기계적으로 결합된 장비(이하, '측지장비'로 호칭)를 위치시키고, 나머지 다른 한 점에 대한 관성항법장치(110)의 기준 축(또는, 기준 좌표계)에 대한 값과 토털스테이션(150)의 기준 축에 대한 값을 알아내는 것을 입력 값으로 하여 수학적 알고리즘에 의해 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 비정렬각을 알아내는 것이다. 그러나 이 방법은 측지장비(100)를 기지(旣知)의 한 점에 위치시키는 방법에 오차를 갖는다. 측지장비(100)를 구성하는 관성항법장치(110)는 관성센서(예를 들어, 자이로 3개, 가속도계 3개)가 결합된 관성센서 뭉치의 중심을 기준으로 위치, 자세(각도)를 제공하므로, 부피를 갖는 관성센서 뭉치를 지면상의 한 점에 위치시키는 방법은 필연적으로 오차가 발생할 수밖에 없다.
본 발명은 측지장비(100)를 두 지점이 아닌 임의의 지점에 위치시킴으로써 이러한 문제를 해결한다. 두 지점에 대한 상대좌표(또는, 상대 위치 벡터)를 관성항법장치(110)의 기준 축에 대한 값으로 변환하고, 토털스테이션(150)으로 두 지점을 관측하여 토털스테이션(150)의 기준축에 대한 두 지점의 상태좌표를 얻는다. 관성항법장치(110)의 기준 축에 대한 상대 좌표값과 토털스테이션(150)의 기준 축에 대한 상대 좌표값을 기초로 하여 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 비정렬값을 알아내는 것이다.
이하, 참조한 도면들을 이용하여 기준 축을 일치시키는 방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.
도 1은 본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따른 측지장비와 연산장치를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 일치 시스템은 측지장비(100)와 연산장치(200)를 포함한다.
먼저, 측지장비(100)는 관성항법장치(110), 장착대(140) 및 토털스테이션(150)으로 구성된다.
관성항법장치(110)는 관성센서인 자이로(120)와 가속도계(130)로 구성되어 항체의 운동을 감지한다. 자이로(120)는 서로 직교하는 3축에 각각 하나씩 3개가 장착되어 공간상에서 항체의 회전속도를 측정한다. 가속도계(130)는 서로 직교하는 3축에 각각 하나씩 3개가 장착되어 공간상에서 항체의 가속도를 측정한다.
장착대(140)는 관성항법장치(110) 위에 토털스테이션(150)이 장착될 수 있도록 하는 기계적인 구조물이다. 장착대(140) 위에 토털스테이션(150)은 항상 일정한 자세를 유지한 상태로 체결된다. 장착대(140)가 관성항법장치(110) 위에 장착될 때마다 관성항법장치(110)와 토털스테이션 간의 비정렬각은 달라지므로 장착대(140)는 관성항법장치(110) 위에 항상 체결되어 있는 것으로 가정한다.
토털스테이션(150)은 목표물을 시준했을 때, 목표물까지의 거리뿐 아니라 목표물의 방위각(azimuth)과 고각(elivation)을 알 수 있는 장비를 의미한다.
한편, 연산장치(200)는 인터페이스부(210), 메모리(220), 사용자입력부(230), 디스플레이부(240) 및 제어부(250)로 구성된다.
인터페이스부(210)는 연산장치(200)에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(210)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 연산장치(200) 내부의 각 구성요소에 전달하거나, 연산장치(200) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 인터페이스부(210)에 의하여 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150)이 연산장치(200)에 연결될 수 있다. 그리고, 각 장치가 측정한 데이터를 수신할 수 있다.
메모리(220)는 제어부(250)의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 제1 및 제2 지점에 대한 좌표값 등)을 임시 저장할 수도 있다. 메모리(160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
사용자 입력부(230)는 사용자가 연산장치의 동작 제어를 위한 입력 데이터를 발생시킨다. 사용자 입력부(230)는 키 패드(key pad), 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(정압/정전), 조그 휠, 조그 스위치 등으로 구성될 수 있다.
디스플레이부(240)는 연산장치(200)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 제어부(250)는 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 비정렬각을 연산하고, 연산된 값을 상기 디스플레이부(240)에 표시할 수 있다. 디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 전자잉크 디스플레이(e-ink display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제어부(controller, 250)는 통상적으로 연산장치(200)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 비정렬각을 연산하기 위한 구성요소들의 제어 및 처리를 수행한다.
여기에 설명되는 다양한 실시 예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시 예는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시 예들이 제어부(250) 자체로 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다.
소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 애플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(220)에 저장되고, 제어부(250)에 의해 실행될 수 있다.
이하, 상기 도 1에서 살펴본 본 발명의 일 실시 예에 따른 측장장치(100) 및 연산장치(200)를 이용하여 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150)의 축을 일치시키는 방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따른 측지장비의 측량 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 2는 측지장비(100)의 운용순서로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150) 간의 비정렬각을 계산해 내기 위해 필요한 정보를 얻기 위한 작업 흐름도이다.
측지장비 전원 인가(S200) 단계는 측지장비의 구성품에 전원을 공급하는 과정으로 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150)이 전원을 공급받아 켜지는 과정이다.
초기 위치 장입 및 정렬(S210) 단계는 전원 인가 후 관성항법장치(110)가 위치한 초기 위치(위도, 경도, 고도)를 입력한 후, 관성항법장치의 초기 자세를 결정하기 위해서 관성항법장치(110)에 정렬 수행 명령을 전달하는 과정이다.
정렬 완료(S220) 단계는 관성항법장치(110)의 초기 자세가 결정되었다고 판단하는 시점에 운용자가 관성항법장치(110)에 정렬 완료 명령을 전달하는 과정이다. 이 과정이 수행되면, 관성항법장치는 자동적으로 항법에 진입한다.
관성항법장치 자세 결정 결과 저장(S230) 단계는 정렬 완료(S220) 단계에서 얻어진 관성항법장치(110)의 자세 값(예를 들어, 롤(r), 피치(p), 요(y))을 도 3의 연산장치(200)에서 사용하기 위해 저장하는 과정이다.
토털스테이션에 의한 측지점(P1) 시준(S240) 단계는 위치 좌표(동거(E1), 북거(N1), 표고(H1))를 알고 있는 임의의 한 측지점(이하, 'P1' 또는 '제1 지점'이라고 호칭)에 대하여 토털스테이션(150)을 통하여 시준한 후 제1 측량 값을 구하는 과정이다. 이 과정을 통해 사거리(d1), 방위각(Az1) 및 고각(El1)로 이루어진 제1 측량 값을 얻을 수 있다.
토털스테이션에 의한 측지점(P2) 시준(S250) 단계는 위치 좌표(동거(E2), 북거(N2), 표고(H2))를 알고 있는 제1 지점 이외의 또 다른 임의의 한 측지점(이하, 'P2' 또는 '제2 지점'으로 호칭)에 대하여 토털스테이션(150)을 통하여 시준한 후 제2 측량 값을 구하는 과정이다. 이 과정을 통해 사거리(d2), 방위각(Az2) 및 고각(El2)로 이루어진 제2 측량 값을 얻을 수 있다.
제1 지점에 대한 위치 좌표를 '제1 좌표값'이라고 호칭하고, 제2 지점에 대한 위치 좌표를 '제2 좌표값'이라고 호칭한다. 상기 제1 및 제2 좌표값은 공장출시 단계에서부터 메모리(220)에 저장되어 있거나, 사용자 입력부(230)에 의하여 입력되어 메모리에 저장될 수 있다.
토털스테이션 P1 , P2 시준 결과 저장(S260) 단계는 S240과 S250 과정을 통해 구한 제1 및 제2 측량 값을 도 3의 연산장치(200)에서 사용하기 위해 상기 연산장치(200)로 전송 또는 저장하는 과정이다.
측정 종료/측지장비 전원 제거(S270) 단계는 측정을 마치고, 측지장비(100)의 전원을 제거하는 단계이다.
도 3은 도 2의 측량 과정에 의해 구해진 데이터를 이용하여 연산장치가 관성항법장치와 토털스테이션 간의 비정렬각을 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
연산장치(200)은 측지장비(100)와는 별개의 장비로서 수학적인 연산처리를 할 수 있다. 입출력 과정을 제외한 도 3의 모든 과정은 연산장치(200) 내에서 이루어지는 처리과정이다.
관성항법장치 기준 축에 대한 P1 , P2 간의 상대 좌표 계산(S310) 단계는 앞서의 S230 단계에서 얻어진 자세 값(롤(r), 피치(p), 요(y))을 이용하여 제1 지점 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 관성항법장치(110)의 기준 축에 대한 값으로 변환하는 과정이다.
동거, 북거, 표고로 이루어진 제1 지점 및 제2 지점 간의 상대 좌표(n12)는 수학식 1에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112014010014656-pat00001
동거, 북거, 표고로 이루어진 항법좌표계와 관성항법장치(110)의 기준 축으로 이루어진 동체좌표계 사이의 좌표변환행렬(
Figure 112014010014656-pat00002
)은 자세 값(롤(r), 피치(p), 요(y)를 이용하여 수학식 2에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112014010014656-pat00003
수학식 1 및 수학식 2로부터 관성항법장치(110)의 기준 축에 대한 제1 및 제2 지점간의 상대 좌표(b12)는 수학식 3에 의하여 산출된다.
Figure 112014010014656-pat00004
토털스테이션(150)의 기준 축에 대한 P1 , P2 간의 상대 좌표 계산(S320) 단계는 상술한 S260 단계에서 얻어진 값들을 이용하여 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 토털스테이션(150)의 기준 축에 대한 값으로 변환하는 과정이다.
토털스테이션으로 제1 지점을 시준하여 구한 토털스테이션 좌표를 제1 좌표값(또는, T1)이라 하면, 상기 제1 좌표값은 수학식 4에 의하여 산출된다.
Figure 112014010014656-pat00005
같은 방식으로 토털스테이션(150)으로 제2 지점을 시준하여 구한 제2 좌표값(또는, T2)은 수학식 5에 의하여 산출된다.
Figure 112014010014656-pat00006
수학식 4 및 수학식 5로부터 토털스테이션 기준 축에 대한 제1 지점 및 제2 지점 간의 상대 좌표(t12)는 수학식 6에 의하여 산출된다.
Figure 112014010014656-pat00007
관성항법장치 기준 축 추정(S330) 단계는 S310 단계에서 구해진 b12로부터 관성항법장치의 기준 축(bx,by,bz)를 추정하는 과정이다. b12를 x축에 일치시킬 수 있는 방위각과 고각을 구한 후 역순으로 b12를 변환시키면 bx축을 구할 수 있다. 같은 방법으로 by축과 bz축을 구한다. 구해진 bx, by, bz는 단위벡터가 되도록 크기를 조정한다.
토털스테이션 기준 축 추정(S340) 단계는 S320 단계에서 구해진 t12로부터 토털스테이션의 기준 축(tx,ty,tz)를 추정하는 과정이다. t12를 x축에 일치시킬 수 있는 방위각과 고각을 구한 후 역순으로 t12를 변환시키면 tx축을 구할 수 있다. 같은 방법으로 ty축과 tz축을 구한다. 구해진 tx, ty, tz는 단위벡터가 되도록 크기를 조정한다.
관성항법장치 기준 축과 토털스테이션 기준 축 사이의 변환 행렬 계산(S350) 단계는 기준 축들을 알고 있는 두 좌표계 사이의 변환행렬 공식으로부터 직접적으로 다음과 같이 변환행렬(
Figure 112014010014656-pat00008
)를 구하는 과정이다. 이때, 사용되어진 bx,by,bz와 tx,ty,tz가 길이가 1이 아님을 유의하여 수학식 7에 의하여 변환행렬(
Figure 112014010014656-pat00009
)을 산출할 수 있다.
Figure 112014010014656-pat00010
여기서, inner(a,b)는 벡터 a와 벡터 b의 내적(inner product)를 의미한다.
비정렬각 결정(S360) 단계는 S350 단계에서 얻어진 변환행렬로부터 두 좌표계 사이의 비정렬각(
Figure 112014010014656-pat00011
)을 연산하는 과정이다. 수학식 8을 이용하여 상기 비정렬각을 결정할 수 있다.
Figure 112014010014656-pat00012
한편, 연산으로 결정된 비정렬각은 연산장치(200)의 디스플레이부(240)에 표시된다. 측지장비(100)의 운용자는 상기 디스플레이부(240)에 표시된 비정렬각을 이용하여 관성항법장치(110)와 토털스테이션(150)의 기준 축(또는, 기준 좌표계)을 일치시킬 수 있다. 이로써, 사용자 편의성이 증대될 수 있다.
상술한 바와 같이, 관성항법장치는 사용자에게 위치, 속도, 자세(각도)를 알려주는 장비이며, 토털스테이션 역시 방위각, 고각, 사거리를 측정하여 사용자에게 위치 및 자세를 제공하는 장비이다. 관성항법장치는 현재 상태에 대한 자세각은 알 수 있으나, 임의 방향의 자세각을 결정하는데 어려움이 있다. 반면 토털스테이션은 현재 자세각을 스스로 결정할 수는 없지만 임의 방향에 대한 상대적인 각도 변화는 알 수 있어서, 두 장비를 연동하여 사용하게 되면 임의의 위치에서 임의의 방향에 대한 자세각을 결정할 수 있는 장점이 발생한다. 이러한 기술이 발현되기 위해서는 두 장비가 갖는 기준 축 간의 불일치하는 각도값(비정렬 값)을 알아내야만 한다.
비정렬 값을 알아내는 기존의 방법은 한 지점에 관성항법장치와 토털스테이션이 기계적으로 결합된 장비(이하 측지장비)를 위치시키고, 나머지 다른 한 점에 대한 관성항법장치 값과 토털스테이션 값을 측정하여 수학적 알고리즘에 의해 비정렬값을 결정하는 것이다. 그러나 이 방법은 측지장비를 기지의 한 점에 위치시키는 방법에 오차를 갖는다. 측지장비를 구성하는 관성항법장치는 관성센서(자이로 3개, 가속도계 3개)가 결합된 관성센서 뭉치의 중심을 기준으로 위치, 자세(각도)를 제공하므로, 부피를 갖는 관성센서 뭉치를 지면상의 한 점에 위치시키는 방법은 필연적으로 오차를 유발한다.
위치를 알고 있는 두 지점의 좌표를 이용한다는 점에서 기존의 방법과 유사하나, 본 발명은 관성항법장치를 두 기지점이 아닌 임의의 위치에 두고 두 기지점의 정확한 상대좌표 만을 사용하여 관성항법장치와 토털스테이션과의 비정렬각을 결정하는 방법을 제시함으로서 기존 방식의 불편함과 오차를 해결할 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시 예에 의하면, 전술한 방법은, 프로그램이 기록된 매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 매체의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
상기와 같이 설명된 이동 단말기는 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키는 축 일치 방법에 있어서,
    상기 관성항법장치와 상기 토털스테이션이 체결된 본체를 일 지점에 설치하는 단계;
    상기 관성항법장치를 이용하여 롤, 피치 및 요로 이루어진 자세 값을 측정하는 단계;
    상기 토털스테이션을 이용하여 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 측량 값을 측정하며, 상기 제1 및 제2 측량 값은 거리, 방위각 및 고각으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단계;
    상기 자세 값을 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축을 추정하는 단계;
    상기 제1 및 제2 측량 값을 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 좌표 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 관성항법장치의 기준 축과 상기 추정된 토털스테이션의 기준 축을 이용하여 비정렬각을 연산하는 단계를 포함하는 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 결정된 비정렬각을 이용하여 상기 관성항법장치와 상기 토털스테이션 간의 기준 축을 일치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상대 좌표를 산출하는데 이용되며, 동거, 북거 및 표고로 이루어진 상기 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 좌표값을 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축 일치 방법.
  4. 관성항법장치와 토털스테이션 간의 축을 일치시키기 위한 비정렬각을 연산하는 연산장치에 있어서,
    일 지점에 설치된 상기 관성항법장치로부터 롤, 피치 및 요로 이루어진 자세 값을 수신하고, 상기 일 지점에 설치된 상기 토털스테이션으로부터 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 측량 값을 수신하며, 상기 제1 및 제2 측량 값은 거리, 방위각 및 고각으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인터페이스부; 및
    상기 자세 값을 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 지점 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 관성항법장치의 기준 축을 추정하고,
    상기 제1 및 제2 측량 값을 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축에 대한 상기 제1 및 제2 좌표 간의 상대 좌표를 산출하고, 산출된 상대 좌표를 이용하여 상기 토털스테이션의 기준 축을 추정하며,
    상기 추정된 관성항법장치의 기준 축과 상기 추정된 토털스테이션의 기준 축을 이용하여 상기 비정렬각을 연산하는 제어부를 포함하는 연산장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연산된 비정렬각을 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연산장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상대 좌표를 산출하는데 이용되며, 동거, 북거 및 표고로 이루어진 상기 제1 및 제2 지점에 대한 제1 및 제2 좌표값을 저장하는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연산장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 좌표값을 입력받도록 형성되는 사용자 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연산장치.
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