KR101418770B1

KR101418770B1 - 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템 및 이를 이용한 위치 추정방법

Info

Publication number: KR101418770B1
Application number: KR1020120145967A
Authority: KR
Inventors: 조국; 백승호; 박상덕; 김형순
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-07-16
Also published as: KR20140080702A

Abstract

본 발명은 저비용으로 실외에서의 로봇 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하여 로봇을 통한 정밀한 작업이 가능하도록 하는 위치 추정시스템 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로서, 이를 구현하기 위한 본 발명에 따른 위치 추정시스템 구성은, 이동체에 설치되며, 주변의 기 설정 위치에 설치된 복수의 랜드마크들 각각에 대한 검출신호를 통해 각각의 거리를 측정하는 회전형 거리 측정장치; 상기 이동체에 설치되어 이동체의 자세정보를 실시간으로 측정하는 자세 측정장치; 상기 각 랜드마크들에 대한 위치정보가 기록된 랜드마크DB; 및 상기 이동체에 설치되고, 상기 회전형 거리 측정장치와 자세 측정장치로부터 수신한 각각의 측정값 정보를 융합하여 상기 각 랜드마크까지의 거리 측정값 오차를 보정하고, 이것을 상기 랜드마크DB의 각 랜드마크에 대한 위치정보에 대입하여 이동체의 위치정보와 자세정보를 출력하는 프로세스 유닛;을 포함하여 이루어진다.
이에 따르면, GPS의 불완전한 위치정보를 이용하여 기 구축된 이동체의 활동 영역을 초기화하고, 이동체가 위치하며 복수의 랜드마크로 구분되는 단위 영역 내에서 각 랜드마크들의 거리 데이터와 자세정보로 보정된 거리 측정값을 융합하여 이동체에 대한 수 센티미터 급의 정확한 위치정보를 얻음으로써 이동체의 정밀한 이동 및 그에 따른 정밀작업을 수행토록 하는 효과를 얻는다.

Description

회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템 및 이를 이용한 위치 추정방법{POSITION ESTIMATION SYSTEM BASED ON ROTATING TYPE DISTANCE MEASURING DEVICE AND POSITION ESTIMATION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템 및 이를 이용한 위치 추정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저비용으로 실외에서의 로봇 등의 이동체 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하여 이동체로 하여금 정밀한 작업이 가능하도록 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템 및 이를 이용한 위치 추정방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량 및 휴대 단말기 등에는 사용자의 현 위치 정보를 확인할 수 있도록 하는 GPS(Global Positioning System)가 탑재된다.

이러한 GPS는 항법위성을 이용하여 전세계 어디에서나 사용자의 위치, 속도, 시간 정보를 알아낼 수 있는 전파항법 시스템으로 널리 이용되고 있으나, 수신기 잡음, 다중경로 오차 등으로 인하여 단시간 안정성은 좋지 않지만 항상 일정 범위 내의 오차를 가지기 때문에 장시간 안정성은 매우 뛰어나다.

그러나, GPS수신기는 위성신호가 차단될 경우 항법해를 제공할 수 없다는 단점 이외에도 GPS수신기로부터 얻은 항체의 자세정보는 도플러원리 또는 위치변위를 기초로 하여 구하여지기 때문에, 항체의 속도가 낮아지면 오차가 증가하는 문제가 있다.

최근에는 데이터 융합기술의 도입으로 불완전한 GPS 정보를 보완하여 정밀도를 높이는 연구와 노력이 계속되고 있고, 그 적용 분야 또한 차량용 내비게이션 또는 화물의 경로 추적에 사용되는 등 점차 확대 추세에 있다.

상술한 바와 같이, GPS의 불완전한 정밀도를 보완하기 위한 노력 중에는 위치(기준국)에서 각 위성의 측정치에 포함된 오차를 추정하고, 이를 주위의 다른 수신기에 전파함으로써 SA(Selective Availability), 전리층 지연, 대류권 지연 및 위성궤도의 오차를 상쇄시켜 수 미터(m) 이하의 정확도를 얻을 수 있도록 한 DGPS(Differential-GPS)가 개발되어 개시된 바 있는데, 이는 고가의 장비이고, 기준국과 지속적인 통신이 유지되어야 한다는 단점뿐 아니라 이동체의 높은 수준의 정밀작업과 관련하여 그 위치 측정의 정확도를 신뢰하기가 어려운 문제가 있어 그 적용이 부적절한 관계에 있다.

또 다른 종래의 기술 중에는, 대한민국 등록특허 제532589호(이하, '선행기술'이라 함)가 개시된 바 있으며, 이의 선행기술에 따르면, GPS 수신기, MEMS 센서 모듈, RFID 리더기, DR 센서 모듈을 탑재하고, 이들로부터 획득한 정보를 융합하여 이동체의 위치를 측정한다는 것이다.

그러나, 상술한 선행기술의 구성 중 RFID 리더기는, RFID 신호체계가 구축된 구역에서만 이동해야 하고, 넓은 영역에 적용하기 위해서는 RFID의 설치비용이 증가하는 문제와 더불어 RFID의 정밀도에 따라 전체 시스템의 성능이 좌우되는데 그 정밀도에 대한 신뢰가 어려운 문제점도 있다.

대한민국 등록특허 제532589호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실외의 로봇으로 하여금 정밀한 작업이 가능하도록 하기 위하여 로봇 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하고, 그에 따른 설치비용을 저감토록 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템 및 이를 이용한 위치 추정방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위치 추정시스템은, 이동체에 설치되며, 주변의 기 설정 위치에 설치된 복수의 랜드마크들 각각에 대한 검출신호를 통해 각각의 거리를 측정하는 회전형 거리 측정장치; 상기 이동체에 설치되어 이동체의 자세정보를 실시간으로 측정하는 자세 측정장치; 상기 각 랜드마크들에 대한 위치정보가 기록된 랜드마크DB; 및 상기 이동체에 설치되고, 상기 회전형 거리 측정장치와 자세 측정장치로부터 수신한 각각의 측정값 정보를 융합하여 상기 각 랜드마크까지의 거리 측정값 오차를 보정하고, 이것을 상기 랜드마크DB의 각 랜드마크에 대한 위치정보에 대입하여 이동체의 위치정보와 자세정보를 출력하는 프로세스 유닛;을 포함한 구성으로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 상기 구성에 위성으로부터 신호를 수신하여 이동체의 위치정보 측정하는 GPS 수신장치를 이동체 상에 더 설치토록 함이 바람직하다.

그리고, 상기 랜드마크는, 전부 또는 일부가 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 검출이 용이한 물질로 이루어지거나 상기 회전형 거리 측정장치의 검출신호에 대한 반사체로 구성함이 바람직하다.

또한, 상기 회전형 거리 측정장치는, 설치된 이동체의 최상부에서 평면에 대해 소정의 각도로 회전하며 펄스광을 방출하고 상기 랜드마크로부터 수신되는 반사광을 통해 해당 거리를 측정하는 레이저 스캐너로 구성함이 바람직하다.

더불어, 상기 프로세스 유닛은, 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 확인되는 각 랜드마크들에 대한 각각의 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 구분하고, 해당하는 랜드마크들의 거리 측정값을 추리는 제 1 필터부; 상기 랜드마크DB를 통한 이미 구축된 랜드마크들의 위치 데이터와 상기 제 1 필터부에 의해 추려진 랜드마크들의 거리 측정값을 이용하여 이동체의 위치정보를 보정하는 제 2 필터부;를 포함하여 구성함이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법은, (a) 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 이동체로부터 평면상의 주변에 분포된 각 랜드마크까지의 거리 정보들을 추출하는 단계; (b) 상기 자세 측정장치로부터 수신한 이동체의 기울기를 포함한 자세 정보를 이용하여 각 랜드마크에 대하여 추출한 각각의 거리 정보를 1차 보정하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 1차 보정에 따른 각각의 수정 거리 정보를 상기 랜드마크DB의 해당 랜드마크에 대한 위치정보에 대입하여 이동체의 위치정보를 확인하여 출력하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

또한, 위의 구성에 GPS 수신장치를 더 구비하고, 상기 (a) 단계 이전에 상기 GPS수신장치를 통해 측정된 위치정보를 초기 위치정보값으로 하고, 상기 (a) 단계 이후의 과정을 거쳐 상기 초기 위치정보값을 보정하여 출력토록 함이 바람직하다.

그리고, 상기 (b) 단계는, 상기 프로세스 유닛이 상기 제 1 필터부와 제 2 필터부를 포함한 것으로 하고, 상기 제 1 필터부로 하여금 전방향의 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 확인되는 각 랜드마크들에 대한 각각의 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 나열하고, 이동체의 위치가 주변의 상기 랜드마크들을 잇는 최소한의 영역으로 둘러쌓여져 있도록 이동체 주변에 대하여 적어도 2개 이상의 대상 랜드마크들을 선정하는 단계를 더 포함하고, 1차 보정은 선정된 랜드마크들에 대하여 시행되는 것으로 이루어질 수 있다.

더불어 상기 (c) 단계는, 상기 프로세스 유닛이 상기 제 5 항의 구성을 포함한 것으로 하고, 상기 (b) 단계에서 1차 보정된 각각의 수정 거리 정보값을 상기 제 2 필터부를 통해 상기 랜드마크DB에서 해당 랜드마크들의 위치정보에 대입하여 2차 보정하는 단계를 더 거친 후 이동체의 위치정보를 구하여 출력하는 것으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제 1 항의 구성에 차속센서, 가속도계, 자이로스코프, 지자기센서, INS, DR 중 적어도 어느 하나 이상을 구비하여 이루어진 자세 측정장치를 더 구비하고, 상기 (c) 단계 이후 이동체가 이동한 위치에 대하여 이를 감지한 상기 자세 측정장치의 이동거리 및 방향정보와 상기 (c) 단계를 거쳐 확인된 이전의 위치정보를 병합하여 초기의 위치정보로 이용하여 상기 (a) 단계에서 상기 (c) 단계로의 시행을 반복하도록 하여 이루어질 수 있다.

이상의 본 발명의 구성 및 방법에 따르면, 전역 위치 시스템인 GPS의 불완전한 위치정보를 이용하여 기 구축된 이동체의 활동 영역을 초기화하고, 복수의 랜드마크로 구분되는 단위 영역 내에서 각 랜드마크들에 대한 이동체의 거리 데이터와 이동체의 자세정보를 이용하여 거리 측정값을 보정하고, 이들 보정값을 융합하여 이동체에 대한 수 센티미터 급의 정확한 위치정보를 얻음으로써 이동체의 정밀한 이동 및 그에 따른 정밀작업을 수행토록 하는 효과를 얻는다.

또한, 복수의 랜드마크, GPS수신장치, 이차원의 회전형 거리 측정장치 및 자세 측정장치 등의 본 발명의 구성은 다른 위치 추정시스템에 비교하여 저가인 장비를 사용하면서도 균일하면서도 정밀한 위치정보를 얻을 수 있어 경제적인 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 위치 추정시스템 구성과 이들 구성의 연결관계를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따라 이동체의 활동 영역에 대하여 도 1의 각 구성에 의해 측정되는 각 정보의 수집관계를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 1의 회전형 거리 측정장치에 의해 구하여진 거리 측정값을 자세 측정장치에 의해 측정값을 이용하여 보정하는 관계를 설명하기 위한 계통도이다.
도 4는 도 1에 도시한 이차원의 회전형 거리 측정장치를 나타낸 도면대용 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 위치 추정시스템에 의한 위치 추정과정을 나타낸 순서도이다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석될 것이 아니라, '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다'는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시한 구성은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과한 것일 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서서, 본 발명에서 말하는 이동체(R)는 차량 또는 특정 활동 영역(작업구간)으로 제한된 구간을 이동하는 농기계 또는 로봇일 수 있다.

또한, 이동체(R)가 이동하는 활동 영역은, 포장 또는 비포장 지면을 갖는 지역 중 사용자에 의해 그 범위가 제한되는 구간을 말한다.

그리고, 활동 영역은, 실내 또는 실외로 제한되지는 않으나, 후술하는 GPS수신장치(10)의 사용에 있어서 이동체(R)의 이동이 시작되는 구간은 실외에 있도록 할 수 있다.

더불어 본 발명은, 상술한 활동 영역 내에 복수의 랜드마크(P)들이 분포되며, 이들 랜드마크(P)는 재질이나 형상을 제한하기 위한 것이 아니라 후술하는 회전형 거리 측정장치(40)에 의해 검출될 수 있는 것으로서, 적어도 활동 영역의 평면 위치에서 연직으로 세워지거나 그렇게 인식될 수 있는 형태의 것을 말한다.

또한, 랜드마크(P)는 연직으로 세워지는 말목 형태 또는 연직 부위를 갖는 기 구축된 구조물(S)에 부착 또는 장착되는 형태의 것으로 이루어질 수 있다.

특히, 본 발명에 있어서, 이들 랜드마크(P)들의 각 위치정보는 사전에 확인된 것을 전제로 하며, 각각의 랜드마크(P)들은 해당 위치에 대하여 식별번호(P1, P2, …, Pn)가 부여된 것을 전제로 하지만, 본 발명의 설명에 있어서는 임의의 복수 랜드마크들을 표현할 때 그 부호를 통합한 'P'로 사용하여 설명하기로 한다.

이러한 기술적 조건을 전제로 하여 본 발명에 따른 위치 추정시스템 구성을 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이, GPS 수신장치(10), 프로세스 유닛(20), 랜드마크DB(30), 회전형 거리 측정장치(40) 및 자세 측정장치(50)를 포함하여 이루어진다.

상술한 구성 중 GPS수신장치(10)는, 위성으로부터 GPS 위성신호를 수신하여 이동체(R)의 위치정보를 측정하는 장치로서, 이로부터 얻어지는 위치정보는 대략 반경 30m의 오차범위를 가지며, 이에 따라 GPS수신장치(10)를 통해 얻은 위치정보는 활동 영역 내에서 이동체(R)의 정확한 위치를 확인하기 위한 기초 데이터로 활용된다.

또한, GPS수신장치(10)로부터 얻은 위치정보는, 후술하겠으나 이동체(R)의 이동과 관련하여 매순간의 위치정보를 얻기 위해 활용되지 않을 수 있으며, 더욱이 이동체(R)의 활동 영역이 실외에서 실내로 이동한 경우 GPS수신장치(10)의 사용은 배제될 수밖에 없음은 당연하다 할 것이다.

한편, 본 발명의 위치 측정시스템을 구성하는 회전형 거리 측정장치(40)는, 거리 측정의 장애가 없도록 이동체(R)의 최상부에 설치토록 함이 바람직하며, 그 설치 위치에서 평면 위치에 대해 회전하며 전 방향에 검출신호로서 펄스광을 방출하고, 주변의 구조물(S)로부터 반사되는 반사광을 수신하는 것으로 반사가 이루어진 부위까지의 거리를 측정하는 이차원 레이저 스캐너로 구성될 수 있다.

즉, 회전형 거리 측정장치(40)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 펄스광을 방출함과 더불어 수신하는 검출부(42)가 그 설치 상태를 기준한 평면의 위치에 대하여 360°회전하는 것으로 이루어질 수 있고, 또는 검출부(42)가 360° 이하로 회전하는 것일 경우 복수 개수로 설치하여 360° 범위를 측정토록 구성될 수 있다.

이때 상술한 랜드마크(P)는 회전형 거리 측정장치(40)의 검출신호에 의해 검출될 수 있는 물질적 특성 또는 반사 구조를 갖는 반사체 등으로 구성될 수 있고, 랜드마크(P)는 회전형 거리 측정장치(40)로 하여금 검출신호에 대하여 전부 또는 일부의 검출만으로 랜드마크(P)의 지정 위치를 가리키는 표식을 나타낼 수 있도록 바코드 또는 무늬 등을 포함한 마크 형태이거나 색상이나 반사 특성을 달리하는 반사체 및 재질적 특성 등으로 구분할 수 있도록 하는 표식체로서 기능하도록 함이 바람직하다.

그리고, 상술한 회전형 거리 측정장치(40)는, 상술한 검출부(42)와 더불어 검출부(42)의 하부에서 검출부(42)를 통해 검출된 정보를 판독하는 판독부(44)를 구비한 구성으로 이루어진다.

여기서, 회전형 거리 측정장치(40)는 초음파를 이용하여 거리를 측정하는 장치가 될 수도 있고, 삼차원 레이저 스캐너가 사용될 수도 있으나 비교적 먼 거리(약, 100m 전·후 범위)에 대하여 정확한 거리 측정이 용이한 이차원 레이저 스캐너가 바람직하다.

그리고, 회전형 거리 측정장치(40)의 설치 위치는, 이동체(R)의 최상부로 제한한 바와 같이, 주변에 대한 거리 정보를 확보하기 위하여 간섭되는 부위가 없도록 함이 요구된다.

여기서, 회전형 거리 측정장치(40)가 360° 이하로 회전하는 구성인 경우에는, 이동체(R)의 측부 둘레를 따라 복수 개수로 분할 설치하고, 이들 각각이 담당하는 회전 방향에 대한 거리 측정값을 융합하여 이동체(R)의 이미 설정된 중심 위치를 기준으로 한 수평 위치의 360° 전 방향에 대한 거리 측정값을 구하도록 구성할 수도 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 회전형 거리 측정장치(40)가 이차원 레이저 스캐너로 구성됨에 있어서, 상술한 랜드마크(P)는 이미 구축된 구조물(S)에 회전형 거리 측정장치(40)의 검출부(42)로부터 방출된 펄스광을 반사시키는 표식체(P') 즉, 반사체를 구비하여 이루어질 수 있다.

그리고, 상술한 회전형 거리 측정장치(40)는, 이차원 레이저 스캐너 이외에 초음파 반송파를 이용하는 초음파 거리 측정장치로 대체될 수도 있다.

한편, 본 발명의 위치 측정시스템을 구성하는 자세 측정장치(50)는, 이동체(R)의 이동 및 자세에 대한 관성측정장치를 포함하며, 차속센서, 가속도계, 자이로스코프, 지자기센서, INS(Inertia Navigation System:관성항법장치), DR(Dead Reckoning:데드 리코닝) 중 적어도 어느 하나 이상을 구비한 구성으로 이루어진다.

여기서, 자세 측정장치(50)를 이루는 각 구성 중 DR은, 연속적인 항법해를 제공하지만, 단시간 안정성은 우수하지만 시간이 지날수록 오차가 누적되기 때문에 장시간 안정성은 좋지 않은 관계에 있다.

이러한 관계를 포함하여 자세 측정장치(50)는 상술한 회전형 거리 측정장치(40)를 보조하여 그 측정 오차를 보정하기 위한 목적으로 사용된다.

이에 따른 회전형 거리 측정장치(40)의 측정치 오차를 보정하는 관계를 살펴보면, 도 4에 도시한 바와 같이, 이동체(R)가 놓이는 지면이 수평 위치(H)로부터 기울기(θ)를 갖는 경우, 회전형 거리 측정장치(40)를 통한 각 랜드마크(Pn-1, Pn)까지 측정된 거리(Δdα, Δdβ)는, 그 측정위치(M)가 도 4에서 점선으로 표현되는 바와 같이 확인되고, 실제 측정 높이(C)는 측정된 거리(Δdα, Δdβ)에 대하여 기울기(θ)의 코사인 값과 이에 더하여 지면으로부터 검출부(42)의 높이(h) 변화를 포함한 기울기(θ)에 의해 이격되는 편차(D)를 감안한 것으로 이루어질 수 있다.

즉, 회전형 거리 측정장치(40)를 통하여 구하고자 하는 랜드마크(P)까지의 거리(dα, β)는, 검출부(42)에서 해당 랜드마크(P)를 잇는 최단 벡터값에 더하여 지면이 수평하지 않은 경우 이동체(R)가 기울어짐에 따른 검출부(42) 높이(h) 변화와 그에 따른 연직방향(E)으로부터의 이격 편차(D)를 가감하여 구해야 한다.

따라서, 상술한 자세 측정장치(50)는 이동체(R)의 기울기를 포함한 자세정보를 실시간으로 측정하고, 이것을 프로세스 유닛(20)에 제공하며, 거리측정장치(40)는 검출부(42)가 검출 위치에서 일 회전 함에 따른 각 랜드마크(P)까지의 거리 측정정보를 프로세스 유닛(20)에 제공하여 프로세스 유닛(20)으로 하여금 이들 정보를 융합하여 그 측정값 오차를 1차로 보정하도록 한다.

또한, 프로세스 유닛(20)은, 이동체(R)의 활동 영역 내에 분포된 각 랜드마크(P)들에 대한 정확한 위치정보의 기록을 저장하는 랜드마크DB(30)를 구비하고 있으며, 위의 측정값 오차를 보정한 각 랜드마크(P)까지의 거리 측정값을 랜드마크DB(30)의 해당 랜드마크(P)에 대한 위치정보에 대입하여 그 측정시점의 이동체(R)에 대한 위치정보와 자세정보를 연산하여 출력한다.

여기서, 상술한 프로세스 유닛(20)은, 회전형 거리 측정장치(40)를 통해 확인되는 각 랜드마크(P)들에 대한 각각의 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 구분하고, 해당하는 랜드마크(P)들의 거리 측정값을 추리는 제 1 필터부(22)와; 랜드마크DB(30)를 통한 이미 구축된 랜드마크(P)들의 위치 데이터와 제 1 필터부(22)에 의해 추려진 랜드마크(P)들의 거리 측정값을 이용하여 이동체(R)의 위치정보를 보정하는 제 2 필터부(24)를 구비한 구성으로 이루어진다.

즉, 프로세스 유닛(20)은, 제 1 필터부(22)를 이용하여 회전형 거리 측정장치(40)에 의해 획득한 복수의 랜드마크(P)들에 대한 각각의 거리 측정값을 최소값 우선순으로 나열하여 구분하고, 이들 중 이동체(R)로부터 주변의 최단 거리에 있는 적어도 세 개 이상의 랜드마크(P)들에 대한 거리 측정값을 추리도록 한다.

그리고, 상술한 자세 측정장치(50)를 이용한 회전형 거리 측정장치(40)에 의해 구해진 거리 측정값에 대한 오차 보정은, 제 1 필터부(22)에 의해 추려진 해당 랜드마크(P)들에 대한 거리 측정값에 대하여만 실시토록 함으로써 오차 보정의 단순화와 시간을 더욱 단축할 수 있다.

이렇게 최단 거리에 있는 적어도 세 개 이상의 랜드마크(22)에 대한 거리 측정값을 보정토록 하는 것은, 회전형 거리 측정장치(40)의 검출 능력이 낮은 것을 사용할 경우에도 그 적용이 용이하도록 함으로써 비용을 줄이도록 하는 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라 이차원 레이저 스캐너의 경우 단거리에 대한 측정값이 더욱 정확하게 확인될 수 있기 때문이다.

한편, 상술한 프로세스 유닛(20)을 이루는 제 2 필터부(24)는, 제 1 필터부(22)에 의해 추려진 랜드마크(P)들에 대한 각각의 거리 측정값에 자세 측정장치(50)의 측정 정보를 대입하여 얻은 1차 보정값을 랜드마크DB(30)의 해당 랜드마크(P) 위치 데이터에 대입하여 각각의 거리값을 비례적으로 축소 확대하는 관계로 2차 보정하는 것으로 그 측정값의 정밀도를 더욱 높이는 기능을 한다.

이하는, 위에서 기술한 위성 추정시스템 구성으로부터 이동체(R)의 위치를 추정하는 과정을 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 위성 추정시스템을 이용한 위치 추정방법은, 도 5에 도시한 바와 같이, GPS수신장치(10)로부터 이동체(R)의 위치정보를 구하여 초기 위치정보값으로 하고(ST100), 회전형 거리 측정장치(40)를 통해 이동체(R)로부터 평면상의 주변에 분포된 각 랜드마크(P)까지의 거리 정보들을 추출하는 (a)단계(ST110)와 자세 측정장치(50)로부터 수신한 이동체(R)의 기울기(θ)를 포함한 자세 정보를 이용하여 각 랜드마크(P)에 대하여 추출한 각각의 거리 정보를 1차 보정하는 (b)단계(ST130) 및 (b)단계에서 1차 보정에 따른 각각의 수정 거리 정보를 랜드마크DB(30)의 해당 랜드마크(P)에 대한 위치정보에 대입하여 이동체(R)의 위치정보와 자세정보를 확인하여 출력하는 (c)단계(ST150)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상술한 GPS수신장치(10)를 통한 이동체(R)의 초기 위치정보값은, 이동체(R)의 활동 영역이 실내인 경우를 포함하여 생략될 수 있다.

만약, GPS수신장치(10)를 통한 이동체(R)의 초기 위치정보값을 구할 경우에는, 상술한 (a)단계 이후의 과정은 초기 위치정보값을 보정하는 것이 된다.

즉, GPS수신장치(10)를 이용한 초기 위치정보값은, 도 2에 표시된 ①~④를 잇는 점선(GPS-area)으로 표시되는 바와 같이, 오차 범위를 포함하고 있으며, (a)단계 이후의 과정은 회전형 거리 측정장치(40)와 자세 측정장치(50)를 이용하여 초기 위치정보값을 보정하는 것으로 이루어진다.

또한, GPS수신장치(10)를 이용할 경우에는, GPS수신장치(10)를 통해 확인된 이동체(R)의 초기 위치정보값에서 오차를 감안하여 그 주변의 거리 측정 대상인 랜드마크(P)를 선정하도록 한다(ST120).

이에 대하여 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 복수의 랜드마크(P)들은 넓은 활동 영역 내에 매트릭스 형태로 분포되고, 여기서 이동체(R)의 위치는 주변의 근접 거리에 있는 랜드마크(P5, P8, P9, P6)들을 순서대로 잇는 최소한의 영역 내에 있는 것으로 구분할 수 있다.

하지만, GPS수신장치(10)를 통해 확인된 초기 위치정보값은 오차 범위를 포함하고 있으므로 최소한의 영역을 정하기가 쉽지 않다.

이에 대하여 프로세스 유닛(20)은, 도 2에서 참조되는 바와 같이, 우선적으로 GPS수신장치(10)의 오차 범위(GPS-area)를 감안하여 측정범위(A1)를 정하고, 회전형 거리 측정장치(40)를 통해 확인되는 주변 랜드마크(P)들까지의 거리 측정값 중 측정범위(A1) 내에 있는 것으로 추정되는 거리 측정값(d1, d2, d3, d4, d5, d6)들만을 추려낸다.

이어서 프로세스 유닛(20)은, 위의 과정을 통해 선정된 랜드마크(P)들에 대한 거리 측정값(d1, d2, d3, d4, d5, d6)들에 대하여 상술한 자세 측정장치(50)를 통한 이동체(R)의 자세정보를 대입시켜 보정한다.

이렇게 선정된 랜드마크(P)들은 다른 랜드마크(P)들보다 이동체(R)에 대하여 근거리에 있는 것이고, 이때 회전형 거리 측정장치(40)가 이차원 레이저 스캐너인 경우에는 근접 거리에 대한 거리 측정이 더욱 정밀하게 이루어지는 효과를 얻는다.

이후, 프로세스 유닛(20)은, 주변에 놓인 랜드마크(P)들에 대하여 보정 과정을 거쳐 확인된 수정 거리 정보를 랜드마크DB(30)에서 해당 랜드마크(P)들에 대한 위치정보에 비교 대입시켜 이들 랜드마크(P)들로부터 이동체(R)의 위치정보를 구하고, 이것을 해당 위치에 대한 자세 측정장치(50)의 자세정보와 함께 출력하도록 한다.

여기서, 활동 영역 내의 랜드마크(P)들의 분포관계 중 최소한의 영역 형상은, 도 2에 도시한 사각형 배치에 따른 매트릭스 형태로 제한되는 것은 아니며, 정삼각형 형태, 정오각형 형태, 정육각형 형태 및 다양한 다각형 형태를 복합 적용한 형태 등으로 이루어질 수 있다.

또한, 활동 영역 내에 이미 구축된 구조물(S)이 존재할 때에는 구조물(S) 표면에 회전형 거리 측정장치(40)가 감지할 수 있는 표식체(P':회전형 거리 측정장치(40)가 이차원 레이저 스캐너인 경우 표식체(P')는 레이저광을 반사시키는 반사체 임)를 구비하고, 이 경우 회전형 거리 측정장치(40)에 의해 랜드마크(P)로 확인되는 구조물(S)과 나머지 랜드마크(P)들에 의해 구분지어지는 최소한의 영역은 정형화된 형상으로 이루어지지 않음은 당연한 것이다.

그리고, 활동 영역 내에 이미 구축된 구조물(S)이 존재함에 있어서, 그 구조물에 의해 랜드마크(P)가 가려질 경우에는, 랜드마크DB(30)의 위치 정보를 통해 구하도록 함이 바람직하다.

한편, 본 발명에 있어서, GPS수신장치(10)는 반듯이 필요로 하는 것은 아니다.

이와 같이, GPS수신장치(10)를 구비하지 않은 경우, 프로세스 유닛(20)은 이동체(R)의 위치에서 상술한 회전형 거리 측정장치(40)를 구동시켜 주변의 랜드마크(P)들 각각에 대한 거리를 측정토록 한다.

이후 프로세스 유닛(20)은, 상술한 제 1 필터부(22)를 이용하여 회전형 거리 측정장치(40)를 통해 확인되는 각 랜드마크(P)들에 대한 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 나열하고, 이동체(R)의 위치가 주변의 랜드마크(P)들에 의해 최소한의 영역으로 둘러쌓여져 있도록 하는 랜드마크(P)들을 선정토록 한다.

랜드마크(P)들의 선정 기준은, 랜드마크DB(30)를 기초하여 이동체(R)의 이동을 시뮬레이션하여 위의 조건을 만족하는 간격 범위(예를 들어, 도 2의 경우, 정방향에서의 대각선 길이를 반경으로 하는 범위로 함이 바람직하다.

이렇게 이동체(R) 주변에 대한 랜드마크(P)들의 선정이 이루어지면, 선정된 랜드마크(P)들에 대한 거리 정보에 자세 측정장치(50)를 통한 자세정보를 대입하여 보정함으로써 각각에 대한 수정 거리 정보를 구한다.

또한, 프로세스 유닛(20)은, 제 2 필터부(24)를 더 구비한 구성으로 이루어진 경우, 상술한 (c)단계에서 제 2 필터부(24)로 하여금 위의 과정을 통해 구한 해당 랜드마크(P)들에 대한 수정 거리 정보를 랜드마크DB(30)의 해당 랜드마크(P) 위치정보에 대입하여 각각의 수정 거리 정보를 비례적으로 확대 또는 축소시켜 일치하게 함으로써 이동체(R)에 대한 보다 정확한 위치정보를 구하도록 할 수 있다(ST140).

이상의 과정을 통해 구해진 위치정보는, 프로세스 유닛(20)에 의해 상술한 자세 측정장치(50)를 통해 측정된 이동체(R)의 자세정보와 함께 출력된다.

한편, 이후의 과정은, 상술한 자세 측정장치(50) 구성이 차속센서 또는 가속도계, 자이로스코프 또는 지자기센서 및 INS 또는 DR을 구비한 것으로 이루어진 경우, 프로세스 유닛(20)은 위의 과정을 통해 구한 위치정보에 이동체(R)의 이동 경로를 연산한 것을 대입하여 초기의 위치정보값을 구한다.

이어서 프로세스 유닛(20)은, 초기의 위치정보값에 위의 (a)단계 이후의 과정인 회전형 거리 측정장치(40)와 자세 측정장치(50)로부터 이동체(R)의 자세정보를 병합하여 다시 새로운 위치정보를 구하는 일련의 과정을 반복 시행토록 함으로써 활용 영역에서 이동체(R)의 정밀한 작업이 가능하도록 한다.

여기서, 위의 과정을 반복 시행토록 하는 것은, 상술한 자세 측정장치(50)는 연속적인 항법해를 제공하지만, 단시간의 측정값은 정밀하지만 오랜 시간 경과할 경우 그 정확도를 신뢰하기 어련운 이유 때문이다.

10: GPS수신장치 12: 안테나
20: 프로세스 유닛 22: 제 1 필터부
24: 제 2 필터부 30: 랜드마크DB
40: 회전형 거리 측정장치 42: 검출부
44: 판독부 50: 자세 측정장치
P, P1, P2, …, Pn: 랜드마크 P': 표식체

Claims

이동체에 설치되며, 주변의 기 설정 위치에 설치된 복수의 랜드마크들 각각에 대한 검출신호를 통해 각각의 거리를 측정하는 회전형 거리 측정장치;
상기 이동체에 설치되어 이동체의 기울기를 포함한 자세정보를 실시간으로 측정하는 자세 측정장치;
상기 각 랜드마크들에 대한 위치정보가 기록된 랜드마크DB; 및
상기 이동체에 설치되고, 상기 이동체가 기울어짐에 따른 상기 회전형 거리 측정장치의 높이 변화와 그에 따른 연직방향으로부터의 이격 편차를 가감함에 따라 상기 회전형 거리 측정장치와 자세 측정장치로부터 수신한 각각의 측정값 정보를 융합하여 상기 각 랜드마크까지의 거리 측정값 오차를 보정하고, 이것을 상기 랜드마크DB의 각 랜드마크에 대한 위치정보에 대입하여 이동체의 위치정보와 자세정보를 출력하는 프로세스 유닛;
을 포함하여 이루어지는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템.
제 1 항에 있어서,
위성으로부터 신호를 수신하여 이동체의 위치정보 측정하는 GPS 수신장치를 이동체 상에 더 설치하여 이루어짐을 특징으로 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 랜드마크는, 전부 또는 일부가 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 검출이 용이한 물질로 이루어지거나 상기 회전형 거리 측정장치의 검출신호에 대한 반사체로 구성됨을 특징으로 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 회전형 거리 측정장치는,
설치된 이동체의 최상부에서 평면에 대해 소정의 각도로 회전하며 펄스광을 방출하고 상기 랜드마크로부터 수신되는 반사광을 통해 해당 거리를 측정하는 레이저 스캐너임을 특징으로 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 프로세스 유닛은,
상기 회전형 거리 측정장치를 통해 확인되는 각 랜드마크들에 대한 각각의 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 구분하고, 해당하는 랜드마크들의 거리 측정값을 추리는 제 1 필터부;
상기 랜드마크DB를 통한 이미 구축된 랜드마크들의 위치 데이터와 상기 제 1 필터부에 의해 추려진 랜드마크들의 거리 측정값을 이용하여 이동체의 위치정보를 보정하는 제 2 필터부;를 포함한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템.
회전형 거리 측정장치, 자세측정장치, 랜드마크DB, 프로세스 유닛을 포함하여 구성된 회전형 거리 측정장치에 기반한 위치 추정시스템에서 실행되는 추정시스템을 이용한 위치 추정방법으로서,
(a) 상기 회전형 거리 측정장치를 통해, 이동체로부터 평면상의 주변에 분포된 각 랜드마크까지의 거리 정보들을 추출하는 단계;
(b) 상기 프로세스 유닛를 통해, 상기 자세 측정장치로부터 수신한 이동체의 기울기를 포함한 자세 정보를 이용하여 각 랜드마크에 대하여 추출한 각각의 거리 정보를 상기 이동체가 기울어짐에 따른 상기 회전형 거리 측정장치의 높이 변화와 그에 따른 연직방향으로부터의 이격 편차를 가감함에 따라 1차 보정하는 단계; 및
(c) 상기 프로세스 유닛를 통해, 상기 (b) 단계에서 1차 보정에 따른 각각의 수정 거리 정보를 상기 랜드마크DB의 해당 랜드마크에 대한 위치정보에 대입하여 이동체의 위치정보를 확인하여 출력하는 단계;
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법.
제 6 항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에 GPS수신장치를 통해 측정된 위치정보를 초기 위치정보값으로 하고, 상기 (a) 단계 이후의 과정을 거쳐 상기 초기 위치정보값을 보정하여 출력하는 것을 특징으로 하는 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법.
제 6 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
전방향의 상기 회전형 거리 측정장치를 통해 확인되는 각 랜드마크들에 대한 각각의 거리 측정값들 중 최소값 우선순으로 나열하고, 이동체의 위치가 주변의 상기 랜드마크들을 잇는 최소한의 영역으로 둘러쌓여져 있도록 이동체 주변에 대하여 적어도 3개 이상의 대상 랜드마크들을 선정하는 단계를 더 포함하고, 1차 보정은 선정된 랜드마크들에 대하여 시행되는 것을 특징으로 하는 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 (b) 단계에서 1차 보정된 각각의 수정 거리 정보값을 상기 랜드마크DB에서 해당 랜드마크들의 위치정보에 대입하여 2차 보정하는 단계를 더 거친 후 이동체의 위치정보를 구하여 출력하는 것을 특징으로 하는 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후 이동체가 이동한 위치에 대한 이동거리 및 방향정보와 상기 (c) 단계를 거쳐 확인된 이전의 위치정보를 병합하여 초기의 위치정보로 이용하여 상기 (a) 단계에서 상기 (c) 단계로의 시행이 반복하는 것을 특징으로 하는 위치 추정시스템을 이용한 위치 추정방법.