KR101462007B1 - Apparatus for estimating attitude and method for estimating attitude - Google Patents

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KR101462007B1
KR101462007B1 KR1020130099880A KR20130099880A KR101462007B1 KR 101462007 B1 KR101462007 B1 KR 101462007B1 KR 1020130099880 A KR1020130099880 A KR 1020130099880A KR 20130099880 A KR20130099880 A KR 20130099880A KR 101462007 B1 KR101462007 B1 KR 101462007B1
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강동훈
김진욱
안상철
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한국과학기술연구원
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    • G05D1/0816Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft to ensure stability

Abstract

The present invention relates to an attitude estimating apparatus and an attitude estimating method. According to an embodiment of the present invention, an attitude estimating apparatus comprises: a sensor unit which has a speed sensor, an earth magnetic field sensor, and a gyro sensor; an orientation calculation unit which calculates orientation using data measured by the sensor unit; a gyro integration attitude updating unit which updates a gyro integration attitude by performing integration from a compensation value provided by the gyro sensor; a prediction model execution unit which performs a calculation of a prediction model of the Kalman filter; a measurement model execution unit which performs a calculation of a measurement model of the Kalman filter; a sensor calibration unit which compensates the calibration values of the speed sensor, the earth magnetic field sensor, and the gyro sensor by using perturbation when the perturbation is detected; and a noise covariance correction unit which corrects process noise covariance from an estimated state variable.

Description

자세 추정 장치 및 자세 추정 방법 {Apparatus for estimating attitude and method for estimating attitude}[0001] The present invention relates to an attitude estimation method and an attitude estimation method,

본 발명은 자세 추정 장치 및 자세 추정 방법에 관련된 것이다. The present invention relates to an attitude estimation apparatus and an attitude estimation method.

최근 휴대폰, 테블릿 등과 같은 휴대용 단말 장치에는 가속도 센서, 지자계 센서 또는 자이로 센서 등과 같이 휴대용 단말 장치의 자세 혹은 자세의 변화를 측정하기 위한 센서들이 구비되는 경우가 많다. 이러한 자세 측정 센서들을 구비한 장치로서 관성측정 유닛(inertial measurement unit: IMU)이 알려져 있다. 2. Description of the Related Art In recent years, portable terminal devices such as mobile phones and tablets are often equipped with sensors for measuring changes in attitude or attitude of portable terminal devices such as acceleration sensors, geomagnetic sensors or gyro sensors. An inertial measurement unit (IMU) is known as an apparatus equipped with such attitude measuring sensors.

그런데 이러한 IMU는 측정값에 오차가 커서 정확한 자세의 추정이 어려운 경우가 많고, 경우에 따라서는 측정값이 발산하여 자세 측정 기능을 잃어버리기도 하는 등의 문제가 있다. However, such an IMU has a problem that it is difficult to estimate an accurate posture due to a large error in a measurement value, and in some cases, a measurement value diverges and a posture measurement function is lost.

최근에는 자세 추정을 위해서 칼만 필터를 사용하는 경우도 있는데, 이 경우에는 자세의 추정을 위해 칼만 필터의 상태 변수(state variable)로서 단위 사원수 (unit quaternion)를 사용하기도 한다. 그러나 칼만 필터의 상태 변수는 벡터 공간(vector space)에만 적용되어야 한다는 점, 단위 사원수는 덧셈 연산에 닫혀있지 않다는 점, 또한 단위 사원수를 상태 변수로 설정을 할 경우 단위 사원수의 크기가 1이어야 한다는 추가적인 제약조건으로 인하여, 공분산 행렬(covariance matrix)이 특이성(singularity)를 가지게 되는 문제가 발생할 수 있다. Recently, a Kalman filter is used for the posture estimation. In this case, the unit quaternion is used as a state variable of the Kalman filter to estimate the posture. However, the state variable of the Kalman filter must be applied only to the vector space, the number of unit employees is not closed by the addition operation, and the number of unit employees is set to 1 , There may arise a problem that the covariance matrix has a singularity due to the additional constraint condition that the covariance matrix should be satisfied.

또한 무향 칼만 필터를 이용하여 자세의 추정을 수행하는 경우도 있는데, 이 경우에는 측정 단계에서의 시그마 포인트를 가속도 센서 혹은 지자계 센서로부터 측정되는 중력 혹은 지자계 벡터로 설정을 하고 있기 때문에, 측정 단계에서 시그마 포인트의 수가 증가함에 따라서 무향 칼만 필터의 계산량이 크게 증가하는 문제가 있다. In this case, since the sigma point in the measurement step is set to the gravitational or geomagnetic vector measured from the acceleration sensor or the geomagnetic sensor, There is a problem that the amount of computation of the non-directed Kalman filter increases greatly as the number of sigma points increases.

또한 자세 추정을 위하여 칼만 필터를 이용하여 자이로 센서의 바이어스(bias)를 추정하기도 하는데, 이 경우에는 예측 자세와 측정 자세 간의 오차를 이용하거나, 중력 방향의 벡터 값과 자이로 센서의 측정값을 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 방법은 대부분의 경우에 자이로 바이어스를 칼만 필터의 상태 변수로 설정하여 실시간 예측을 수행하는 방법을 따른다. 그러나, 자이로 바이어스를 칼만 필터의 상태 변수로 설정하는 경우에는, 필터의 계산량을 증가시키고, 상태 변수의 차수를 증가시키는 단점이 있다. 이러한 문제로 인하여 최근에는 자이로 센서의 성능이 향상됨에 따라서 자이로 바이어스는 미지의 값 또는 시간에 따라서 매우 느리게 변화하는 값으로 가정하는 형태로 모델링하기도 한다. Also, the bias of the gyro sensor can be estimated using Kalman filter for the posture estimation. In this case, the error between the predicted posture and the measurement posture may be used, or a method of using the vector value of the gravity direction and the measurement value of the gyro sensor . This method follows the method of real-time prediction by setting the gyro bias as the state variable of the Kalman filter in most cases. However, when the gyro bias is set as the state variable of the Kalman filter, there is a disadvantage that the amount of calculation of the filter is increased and the degree of the state variable is increased. Due to this problem, the performance of the gyro sensor has recently been improved, so that the gyro bias is modeled in a form that assumes a value that changes very slowly depending on an unknown value or time.

또한 자세 추정에 사용되고 있는 칼만 필터의 잡음 공분산은 상수로 설정하는 경우가 많은데, 최근에는 가속이 많은 운동 혹은 자기장이 큰 물체 근처 등과 같은 외란(perturbation)을 고려한 처리 잡음(process noise) 혹은 측정 잡음 공분산을 실시간 조정해 주어야 한다는 문제가 있다. In addition, the noise covariance of the Kalman filter used in the posture estimation is often set to a constant value. In recent years, a process noise or a measurement noise covariance considering a perturbation such as a motion with high acceleration or an object with a large magnetic field, In real time.

본 발명의 일 실시예는 높은 정확도와 측정 안정성을 가지는 자세 추정 장치 및 자세 추정 방법을 제공하고자 한다. An embodiment of the present invention is to provide an attitude estimation apparatus and attitude estimation method having high accuracy and measurement stability.

본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 장치는, 가속도 센서, 지자계 센서 및 자이로 센서를 구비하는 센서부와, 상기 센서부에서 측정된 데이터를 이용하여 초기 자세(orientation)을 산출하는 초기 자세 산출부와, 자이로 센서의 보정 값으로부터 적분을 수행하여 자이로 적분 자세를 갱신하는 자이로 적분 자세 갱신부와, 칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 예측 모델 수행부와, 칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 측정 모델 수행부와, 외란(perturbation)이 감지되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서, 지자계 센서, 자이로 센서의 교정 값을 보정하는 센서 교정부와, 추정하는 상태 변수로부터 프로세스(process) 잡음 공분산을 교정하는 잡음 공분산 교정부를 구비한다. An orientation estimation apparatus according to an embodiment of the present invention includes a sensor unit including an acceleration sensor, a geomagnetic sensor, and a gyro sensor; and an initial posture calculation unit that calculates an initial orientation using data measured by the sensor unit A gyro integration posture updating unit for updating the gyro integration posture by performing integration from the correction value of the gyro sensor; a prediction model performing unit for performing a calculation of a prediction model of the Kalman filter; A sensor calibration unit for correcting the calibration values of the acceleration sensor, the ground magnetic sensor and the gyro sensor by using the disturbance when perturbation is sensed, process noise covariance matrix.

또한 상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며, 상기 예측 모델 수행부는 시그마 포인트 칼만 필터의 예측 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 시그마 포인트 산출부와, 상기 예측 단계에서의 시그마 포인트를 분해하는 시그마 포인트 분해부와, 상기 시그마 포인트로부터 상태 변수 및 공분산을 갱신하는 상태 변수 및 공분산 갱신부를 구비할 수 있다. The Kalman filter is a sigma point Kalman filter. The prediction model performing unit includes a sigma point calculating unit for calculating a sigma point at a prediction step of a sigma point Kalman filter, a sigma point decomposing unit for decomposing a sigma point at the prediction step, And a state variable and a covariance update unit for updating the state variable and the covariance from the sigma point.

또한 상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며, 상기 측정 모델 수행부는, 예측 단계에서의 시그마 포인트, 자이로 적분 자세, 가속도 센서 혹은 지자계 센서로부터 계산된 전처리 자세로부터 측정 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 시그마 포인트 산출부와, 예측 단계에서의 시그마 포인트와, 측정 단계에서의 시그마 포인트를 이용하여 칼만 필터의 이노베이션을 산출하는 이노베이션 계산부와, 상기 칼만 필터의 이노베이션을 이용하여 후부(posterior) 상태 변수와 공분산을 갱신하는 상태 변수 및 공분산 갱신부와, 상기 상태 변수의 지수 사상으로 계산된 자세와 상기 전처리 자세로부터 후부 자세를 산출하는 후부 자세 산출부를 구비할 수 있다. The Kalman filter may be a sigma point Kalman filter. The measurement model performing unit may include a sigma point calculating unit that calculates a sigma point at a measurement step from a sigma point at a prediction step, a gyro integration posture, an acceleration sensor, An innovation calculation section for calculating an innovation of a Kalman filter using a point calculation section, a sigma point in a prediction step, and a sigma point in a measurement step, and an innovation calculation section for calculating a posterior state variable and a covariance And a posture attitude calculating unit for calculating a posture calculated from the exponent mapping of the state variable and a posture from the preprocessing posture.

또한 상기의 자세 추정 장치는, 외란의 유무에 따라서 측정 모델을 변경하는 측정 모델 교환부를 더 구비할 수 있다. The above-described posture estimating apparatus may further comprise a measurement model exchanging unit for changing the measurement model in accordance with the presence or absence of the disturbance.

또한 상기 측정 모델 교환부는, 자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 움직임 외란 판정부와, 자기장의 외란 유무를 판정하는 자기장 외란 판정부를 구비하며, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 제1 전처리 자세 산출부와, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 지자계 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 제2 전처리 자세 산출부와, 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 제3 전처리 자세 산출부를 구비하며, 움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 제1 내지 제3 전처리 자세 산출부 중 어느 하나가 택일적으로 작동되는 것일 수 있다. The measurement model exchange unit may further include a motion disturbance determination unit that determines whether or not disturbance is caused by motion of the attitude estimation device and a magnetic field disturbance determination unit that determines whether or not the magnetic field is disturbed, A second pre-processing posture calculating unit for calculating a pre-processing posture from the measured value of the acceleration sensor and the measured value of the geomagnetic sensor, and a pre-processing posture calculating unit for calculating a preprocessing posture from the gyro integration posture And a third pre-processing attitude calculating unit for calculating the posture, and any one of the first to third pre-processing attitude calculating units may alternatively be operated depending on the presence or absence of motion disturbance and magnetic field disturbance.

또한 본 발명의 다른 측면에 따른 자세 추정 방법은, 가속도 센서, 지자계 센서 및 자이로 센서를 구비하는 자세 추정 장치의 자세 추정 방법으로서, 상기 센서 중 적어도 하나에서 측정된 데이터를 이용하여 초기 자세(orientation)을 산출하는 단계와, 자이로 센서의 보정 값으로부터 적분을 수행하여 자이로 적분 자세를 갱신하는 단계와, 칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 단계와, 칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 단계와, 외란이 감지되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서, 지자계 센서, 자이로 센서의 교정 값을 보정하는 단계와, 추정하는 상태 변수로부터 프로세스 잡음 공분산을 교정하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a posture estimation method of an orientation estimation device including an acceleration sensor, a geomagnetic sensor and a gyro sensor, the method comprising the steps of: Performing a calculation of a predictive model of a Kalman filter, performing a calculation of a measurement model of a Kalman filter, calculating a correction value of the gyro sensor, And correcting the calibration values of the acceleration sensor, the geomagnetic sensor and the gyro sensor using the disturbance when the disturbance is detected, and correcting the process noise covariance from the estimated state variables.

또한 상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며, 상기 칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 단계는, 시그마 포인트 칼만 필터의 예측 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 단계와, 상기 예측 단계에서의 시그마 포인트를 분해하는 단계와, 상기 시그마 포인트로부터 상태 변수 및 공분산을 갱신하는 단계를 포함할 수 있다. Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter and performing the operation of the prediction model of the Kalman filter comprises calculating a sigma point at a prediction step of a sigma point Kalman filter, And updating the state variable and the covariance from the sigma point.

또한 상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며, 상기 칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 단계는, 예측 단계에서의 시그마 포인트, 자이로 적분 자세, 가속도 센서 혹은 지자계 센서로부터 계산된 전처리 자세로부터 측정 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 단계와, 예측 단계에서의 시그마 포인트와, 측정 단계에서의 시그마 포인트를 이용하여 칼만 필터의 이노베이션을 산출하는 단계와, 상기 칼만 필터의 이노베이션을 이용하여 후부(posterior) 상태 변수와 공분산을 갱신하는 단계와, 상기 상태 변수의 지수 사상으로 계산된 자세와 상기 전처리 자세로부터 후부 자세를 산출하는 단계를 포함한다. Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter and the step of performing the calculation of the Kalman filter measurement model comprises the steps of measuring from a pre-processing posture calculated from a sigma point, a gyro integration posture, an acceleration sensor, Calculating a sigma point at a prediction step, calculating an innovation of a Kalman filter using a sigma point at a prediction step and a sigma point at a measurement step, and using the innovation of the Kalman filter to calculate a posterior state Updating a variable and a covariance, calculating a posture calculated from the exponent mapping of the state variable and a posture posture from the preprocessing posture.

또한 상기의 자세 추정 방법은, 외란의 유무에 따라서 측정 모델을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다. Further, the above-described posture estimation method may further include a step of changing the measurement model in accordance with the presence or absence of the disturbance.

또한 상기 측정 모델을 변경하는 단계는, 자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 단계와, 자기장의 외란 유무를 판정하는 단계와, 움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 지자계 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 혹은 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 단계 중 어느 하나를 택일적으로 포함할 수 있다. The step of changing the measurement model may include the steps of determining whether or not disturbance is caused by motion of the attitude estimation apparatus, determining whether disturbance of the magnetic field is present, determining whether the disturbance of the magnetic field is present or not, Calculating a preprocessing posture from the measurement value of the sensor and the measurement value of the gyro sensor, calculating a preprocessing posture from the measurement value of the acceleration sensor and the measurement value of the geomagnetic sensor, or calculating a preprocessing posture from the gyro integration posture Or alternatively may include any of the following steps.

또한 상기 측정 모델을 변경하는 단계는 자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 단계와, 자기장의 외란 유무를 판정하는 단계와, 움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 상기 지자계 센서를 재교정하고 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 혹은 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 단계 중 어느 하나를 택일적으로 포함할 수 있다. The step of changing the measurement model includes the steps of: determining whether disturbance is caused by motion of the attitude estimation apparatus; determining whether disturbance of the magnetic field is present; determining whether or not disturbance of the magnetic field is present; Calculating a preprocessing posture from the measurement values of the gyro sensor and the measured values of the gyro sensor, re-calibrating the geomagnetic sensor, calculating a pre-processing posture from the measured values of the acceleration sensor and the gyro sensor, And calculating the pre-processing posture from the posture.

본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 장치 및 자세 추정 방법에 따르면 높은 정확도와 측정 안정성으로 자세의 측정이 가능하다. According to the posture estimation apparatus and posture estimation method according to an embodiment of the present invention, it is possible to measure the posture with high accuracy and measurement stability.

도 1은 본 지상 좌표계와 관성 측정 유닛 좌표계 사이의 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 도 2의 자세 추정 장치의 센서부의 구성을 개략적으로 도시하 도면이다.
도 4는 도 2의 자세 추정 장치의 회전 행렬 생성부의 구성의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 시그마 포인트 칼만 필터 계열에서의 예측 모델 수행부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 시그마 포인트 칼만 필터 계열에서의 측정 모델 수행부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 2의 자세 추정 장치에 추가될 수 있는 측정 모델 교환부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 방법의 일부 단계를 더욱 구체화하여 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 방법의 다른 일부 단계를 더욱 구체화하여 설명하는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 방법의 다른 일부 단계를 더욱 구체하하여 설명하는 흐름도이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 방법의 다른 일부 단계를 더욱 구체화하여 설명하는 흐름도이다.
도 13a 및 도 13b는 외란에 따라서 측정 모델을 변경하는 방법의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
Fig. 1 is a view schematically showing the relationship between the terrestrial coordinate system and the inertia measurement unit coordinate system.
2 is a view schematically showing an attitude estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are views schematically showing the configuration of a sensor unit of the posture estimation apparatus of FIG.
Fig. 4 is a view schematically showing an example of the configuration of a rotation matrix generation unit of the posture estimation apparatus of Fig. 2;
5 is a diagram schematically showing a prediction model performing unit in a sigma point Kalman filter sequence.
6 is a diagram schematically showing a measurement model performing unit in a sigma point Kalman filter sequence.
7 is a view schematically showing a measurement model exchange unit that can be added to the posture estimation apparatus of FIG.
FIG. 8 is a flowchart schematically illustrating an attitude estimation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart illustrating the steps of the posture estimation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart illustrating a further specific step of the posture estimation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a flowchart illustrating in detail some other steps of the posture estimation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a flowchart illustrating a further specific step of the posture estimation method according to an embodiment of the present invention.
13A and 13B schematically show an example of a method of changing a measurement model in accordance with a disturbance.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 장치 및 자세 추정 방법에 대해서 설명한다. Hereinafter, an attitude estimation apparatus and an attitude estimation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 지상 좌표계와 자세 추정 장치 사이의 관계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 기준이 되는 고정 좌표계인 지상 좌표계(F)에 대해서 자세 추정 장치 혹은 관성 측정 장치(inertial measurement unit: IMU, 100)의 좌표계(F')(이하, 몸체 좌표계(body frame)가 소정의 방향으로 기울어져 있다. 이들 좌표계 사이에는 변환 값(T)이 존재하며, 그 변환 값은 3×3 회전행렬에 해당하는 특수 직교 그룹(special orthogonal group) 또는 회전 그룹(rotation group)으로서, 리 대수(Lie algebra)의 SO(3)에 속한다. 몸체 좌표계(F')의 지상 좌표계(F)에 대한 상대적인 회전 행렬( T ) 값은 바로 자세 추정 장치(100)의 자세(orientation)에 해당한다. 1 is a view schematically showing a relationship between a ground coordinate system and an attitude estimation device. The coordinate system F 'of the posture estimation apparatus or the inertial measurement unit (IMU) 100 (hereinafter, referred to as a body frame (F)) is applied to the ground coordinate system F as a reference fixed coordinate system as shown in FIG. The transformation value T is a special orthogonal group or a rotation group corresponding to a 3 × 3 rotation matrix, The rotation matrix T value relative to the ground coordinate system F of the body coordinate system F 'is directly related to the orientation of the orientation estimation apparatus 100, .

자세 추정 장치(100)의 자세를 추정하는 방법으로는 결정론적(deterministic)인 방법과 확률론적(Probabilistic)인 방법이 있는데, 본 실시예에서는 확률론적인 방법의 하나인 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 실시간으로 자세 추정 장치(100)의 자세( T )를 추정하는 방법을 채택한다.There are two methods of estimating the attitude of the attitude estimation apparatus 100 by a deterministic method and a probabilistic method. In this embodiment, a Kalman filter, which is one of the probabilistic methods, is used And estimates the posture T of the posture predicting device 100 in real time.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 추정 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2를 참조하면 본 실시예의 자세 추정 장치(100)는, 센서부(110)와 연산부(120)를 구비한다. 자세 추정 장치(100)는 직접 회로의 형태로 모듈화된 센서부(110) 및 연산부(120)가 인쇄회로기판에 장착된 형태로 구성될 수 있다. 2 schematically shows a configuration of an orientation estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the attitude estimation apparatus 100 of the present embodiment includes a sensor unit 110 and an operation unit 120. The posture estimation apparatus 100 may be configured such that a sensor unit 110 and an operation unit 120, which are modularized in the form of integrated circuits, are mounted on a printed circuit board.

센서부(110)는 자세 추정 장치(100)가 그의 자세 값을 추정할 수 있도록 각종의 물리량을 개측하는 장치이다. 본 실시예의 센서부(110)는 여러 가지 물리량을 측정하는 복수의 센서가 조합된 형태로 구성된다. 센서부(110)는 자세 추정 장치(100)의 움직임에 따른 관성을 측정하는 센서, 예를 들면 가속도를 측정하는 가속도 센서(111) 및 회전의 변화를 측정하는 자이로 센서(115)와, 지구 자기장에 대한 상대적 변위를 측정하는 지자계 센서(113)를 구비할 수 있다. 센서부(110)를 이루는 각종의 센서는 자세 추정 장치(100)과 일체로 이동되도록 자세 추정 장치에 고정되게 배치된다. The sensor unit 110 is a device for detecting various physical quantities so that the posture estimation apparatus 100 can estimate its posture value. The sensor unit 110 of this embodiment is configured in a combination of a plurality of sensors for measuring various physical quantities. The sensor unit 110 includes a sensor for measuring the inertia according to the motion of the attitude estimation apparatus 100, for example, an acceleration sensor 111 for measuring an acceleration and a gyro sensor 115 for measuring a change in rotation, And a geomagnetic sensor 113 for measuring a relative displacement with respect to the geomagnetic sensor 113. The various sensors constituting the sensor unit 110 are arranged to be fixed to the attitude estimating apparatus so as to be moved integrally with the attitude estimating apparatus 100.

도 3a 내지 도 3c는 본 실시예의 자세 추정 장치(100)의 센서부(110)의 일례들을 도시한 것이다. 도 3a 내지 도 3c에서와 같이 센서부(110a,110b,110c)는 가속도 센서(111)와 지자계 센서(113)의 조합, 가속도 센서(111)와 자이로 센서(115)의 조합 또는, 가속도 센서(111), 자이로 센서(115) 및 지자계 센서(113)의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한 센서부(110)는 복수의 가속도 센서 혹은 복수의 지자계 센서 혹은 복수의 자이로 센서로 구성될 수도 있다. 3A to 3C illustrate examples of the sensor unit 110 of the attitude estimation apparatus 100 of the present embodiment. 3A to 3C, the sensor units 110a, 110b and 110c may be a combination of the acceleration sensor 111 and the earth magnetic sensor 113, a combination of the acceleration sensor 111 and the gyro sensor 115, (111), a gyro sensor (115), and a geomagnetic sensor (113). The sensor unit 110 may be composed of a plurality of acceleration sensors, a plurality of geomagnetic sensors, or a plurality of gyro sensors.

연산부(120)는 센서부(110)에서 계측된 각종의 물리량 측정치를 이용하여 각종의 수학 연산을 수행하는 부분으로 마이크로프로세서를 포함하여 이루어질 수 있다. 연산부(120)에서 수행되는 연산은 전부 자세 측정 장치(100)에 장착된 마이크로프로세서에서 이루어질 수도 있으나, 연산 중의 일부는 자세 측정 장치(100)와 유무선으로 연결되어 있는 다른 연산 장치, 예컨대 컴퓨터에 의해서 수행될 수도 있다. The calculation unit 120 may include a microprocessor as a unit for performing various mathematical operations using various physical quantity measurements measured by the sensor unit 110. [ The calculations performed by the calculator 120 may be performed by a microprocessor installed in the entire pose measuring device 100. Some calculations may be performed by the pedometer 100 and other computation devices connected by wire or wireless, .

연산부(120)는 회전 행렬 생성부(122)와 지수 좌표계 생성부(124)를 구비한다. The calculation unit 120 includes a rotation matrix generation unit 122 and an exponential coordinate system generation unit 124.

회전 행렬 생성부(122)는 자세 추정 장치(100)의 자세에 해당하는 회전 행렬을 산출하는 부분이다. 회전 행렬 생성부(122)는 자이로 센서(115)에서 제공되는 측정값 중 각속도 값을 추출하고, 추출된 각속도 값에 기초하여 물체의 회전 행렬을 예측하고, 가속도 센서(111) 및 지자계 센서(113)에서 제공하는 측정값들 중 중력값 및 자기장 값에 기초하여 예측된 회전 행렬을 교정할 수 있다. 물체의 각속도는 물체가 회전하는 속도를 나타내는 것으로서 측정된 각속도 값들을 적분하면 물체의 자세를 구할 수 있고, 측정된 각속도 값들에 비추어 보아 물체의 향후 자세 또는 회전 행렬을 예측할 수 있으나, 다양한 요인들로 인하여 위와 같은 예측은 부정확할 수 있다. 따라서, 위와 같은 예측이 이루어진 이후 제공되는 측정값들 중 중력 값 및 자기장 값에 기초하여 예측된 회전 행렬을 교정할 수 있다.The rotation matrix generation unit 122 calculates a rotation matrix corresponding to the posture of the orientation estimation apparatus 100. [ The rotation matrix generation unit 122 extracts the angular velocity values from the measurement values provided by the gyro sensor 115, predicts the rotation matrix of the object based on the extracted angular velocity values, and outputs the rotation matrix to the acceleration sensor 111 and the earth magnetic sensor 113) based on the gravity value and the magnetic field value. The angular velocity of an object indicates the speed at which the object rotates. By integrating the measured angular velocity values, the attitude of the object can be obtained and the future posture or rotation matrix of the object can be predicted based on the measured angular velocity values. The above prediction may be inaccurate. Therefore, after the above prediction is made, the predicted rotation matrix can be corrected based on the gravity value and the magnetic field value among the provided measurement values.

지수 좌표계 생성부(124)는 리 군(Lie group), SO(3)에 해당하는 회전 행렬, 즉 자세에 지수 사상을 수행하여 리 대수(Lie algebra) 값을 벡터로 매개화하여 표현하는 역할을 한다. 지수 사상을 수행하는 방법은 본 출원인의 발명자에 의한 국내 특허등록 제11430379에 개시되어 이의 내용을 원용한다. The exponential coordinate system generation unit 124 performs a role of expressing the Lie algebra value as a vector by performing the exponent mapping on the rotation matrix corresponding to the Lie group and SO (3) do. A method for performing the exponent mapping is disclosed in Korean Patent Registration No. 11430379 by the inventor of the present applicant and the contents thereof are used.

회전 행렬 생성부(122)는 회전 에러 행렬을 칼만 필터 알고리즘의 상태로 놓는 대신에, 칼만 필터 알고리즘에 적합한 구조를 갖는 벡터 값(즉, 회전 에러 행렬의 리 대수 값을 매개화한 벡터 값)을 칼만 필터 알고리즘의 상태로 놓고 교정 동작을 수행하기 때문에, 보다 효율적으로 회전 행렬의 교정 동작을 수행할 수 있다.
Instead of setting the rotation error matrix to the state of the Kalman filter algorithm, the rotation matrix generator 122 generates a vector value having a structure suitable for the Kalman filter algorithm (i.e., a vector value obtained by mediating the logarithm value of the rotation error matrix) Since the correction operation is performed by putting it in the state of the Kalman filter algorithm, the correction operation of the rotation matrix can be performed more efficiently.

이하에서는 본 실시예의 자세 추정 장치(100)의 동작 방법 및 구성에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 이를 위하여 먼저 본 실시예와 관련된 용어 및 관련 기술에 대해서 먼저 정의 또는 설명하도록 한다. Hereinafter, the operation method and configuration of the attitude estimation apparatus 100 of the present embodiment will be described in more detail. For this purpose, terms related to the present embodiment and related art will be first defined or explained.

가속도 센서(111) 혹은 지자계 센서(113)의 측정값으로부터 자세 측정 장치의 자세 값을 산출할 수 있는데, 이하에서는 이와 같이 본 실시예의 처리 과정에 앞서 센서 혹은 지자계 센서(113)로부터 얻어진 일차적인 자세 값을 전처리(preprocessing) 자세라고 명명하고, 기호로는 U 로 표기하기로 한다. 이러한 전처리 자세는 U ∈SO(3)의 관계를 만족한다. 또한 자이로 센서(115)의 측정값을 적분하여 얻어진 자세를 자이로 적분 자세라 명명하고, 기호로는 V 로 표기한다. 이러한 자이로 적분 자세도 전처리 자세와 마찬가지로 SO(3)에 속한다. 즉 V ∈SO(3)의 관계를 만족한다.The posture value of the posture measuring device can be calculated from the measured values of the acceleration sensor 111 or the earth magnetic sensor 113. Hereinafter, The posture value is called the preprocessing posture, and the symbol is expressed as U. This preprocessing posture satisfies the relation of U εSO (3). Further, the attitude obtained by integrating the measurement value of the gyro sensor 115 is called a gyro integration attitude, and is represented by V in the symbol. This gyro integration posture belongs to SO (3) as well as the preprocessing posture. That is, V ∈ SO (3).

또한 이하에서는 본 실시예의 자세 추정 장치를 이용한 자세 추정 방법의 설명을 위하여 각종의 변수 들을 다음과 같이 표기하기로 한다. 이하와 같은 용어의 정의는 S. Thrun, W. Burgard 및 D. Fox의 저서인 "Probabilistic Robotics (The MIT Press, 2005)"에 기재되어 있는 것으로, 통상의 기술자에게 널리 알려져 있는 것이다. 따라서 이들 용어 각각에 대한 구체적인 설명은 상기의 도서의 내용을 원용하는 것으로 갈음한다. 또한 본 출원인의 발명자에 의한 국내 특허등록 제11430379에도 리 대수 및 칼만 필터를 이용한 자세 추정 방법 및 장치의 일례가 개시되어 있으므로 이의 내용도 함께 원용하도록 한다. In order to explain the posture estimation method using the posture estimation apparatus of the present embodiment, various parameters will be described as follows. Definitions of the following terms are described in S. Thrun, W. Burgard and D. Fox, "Probabilistic Robotics (The MIT Press, 2005)", and are well known to those of ordinary skill in the art. Therefore, a detailed description of each of these terms is replaced with a reference to the contents of the above book. In addition, Japanese Patent Registration No. 11430379 filed by the inventor of the present applicant discloses an example of a method and an apparatus for estimating an attitude using a logarithmic filter and a Kalman filter.

x : 상태 변수 (state variable) x : state variable

P : 공분산 (covariance matrix) P : Covariance matrix

T : 추정하고자 하는 관성측정 유닛의 자세 (attitude; rotation matrix) T is the attitude (rotation matrix) of the inertial measurement unit to be estimated,

Q : Process 잡음 공분산 (process noise covariance matrix) Q : Process noise covariance matrix

R : 측정 잡음 공분산 (measurement noise covariance matrix) R : Measurement noise covariance matrix

X : 예측 단계에서의 시그마 포인트 (sigma point in prediction model) X : sigma point in prediction model

Y : 측정 단계에서의 시그마 포인트 (measurement sigma point in measurement model) Y : the sigma point in the measurement step

자세추정은 시스템 동역학이 비선형(nonlinear)에 해당한다. 따라서 자세 추정에 칼만 필터를 사용하는 경우에는 i) 비선형 시스템을 현재 상태 함수에서 선형화(linearize)하는 확장형 칼만 필터(Extended Kalman Filter: EKF)와, ii) 비선형 시스템에 있어서 확률밀도 함수(probability density function, pdf)로부터 결정론적(deterministic)인 부분을 추출한 시그마 포인트 (sigma point)를 이용하여 후부 확률밀도함수(posterior pdf)를 계산하는 무향 칼만 필터(unscented Kalman filter)가 주로 사용된다. 무향 칼만 필터에 대한 구체적인 내용은 S. Julier, J. Uhlmann, 및 H. F. Durrant-Whyte에 의한 논문인 "A new method for the nonlinear transformation of means and covariances in filters and estimators (IEEE Trans. Autom. Control, vol. 45, no. 3, 2000"에 개시되어 있으므로 이를 원용하기로 한다. 또한, 최근에는 차수가 높은 비선형 시스템을 위한 체적 칼만 필터(cubature Kalman filter)와 같은 모델도 제시되고 있다. 체적 칼만 필터에 대한 구체적인 내용은 I. Arasaratnam 및 S. Haykin에 의한 논문인 "Cubature Kalman filters (IEEE Tran. Automatic Control, vol.54, no.6, 2009)"에 개시되어 있으므로 이를 원용하기로 한다.
The posture estimation corresponds to nonlinear system dynamics. Therefore, when Kalman filter is used for attitude estimation, i) Extended Kalman Filter (EKF) which linearizes the nonlinear system in the present state function and ii) Probability density function in nonlinear system (unscented Kalman filter) which calculates a posterior probability density function (posterior pdf) using a sigma point obtained by extracting a deterministic part from a pdf, Concrete details of the non-directed Kalman filter are described in S. Julier, J. Uhlmann, and HF Durrant-Whyte, "A New Method for Nonlinear Transformation of Means and Covariances in Filters and Estimators, IEEE Trans. Recently, a model such as a cubic Kalman filter for a nonlinear system with a high degree of order has been proposed as well. Specific details are given in "Cubature Kalman filters (IEEE Trans. Automatic Control, vol.54, no. 6, 2009)" by I. Arasaratnam and S. Haykin.

도 4는 도 2의 자세 추정 장치(100)의 회전 행렬 생성부(122)의 구성의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. Fig. 4 is a view schematically showing an example of the configuration of the rotation matrix generation unit 122 of the posture estimation apparatus 100 of Fig.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 회전 행렬 생성부(122)는 초기 자세 산출부(122_1_, 자이로 적분 자세 갱신부(122_2), 예측 모델 수행부(122_3), 측정 모델 수행부(122_4), 센서 교정부(122_5), 잡음 공분산 교정부(122_6)를 구비한다. 상기의 회전 행렬 생성부(122)의 각 구성 요소는 각각 물리적으로 분리되어 있는 복수의 연상 장치일 수도 있겠으나, 하나의 연상 장치 내에서 소프트웨어적으로 구현되어 물리적으로는 서로 분리되지 않는 형태일 수도 있다. 또한 회전 행렬 생성부의 일부 구성요소는 본 실시예의 자세 추정 장치에 유선 혹은 무선으로 연결된 연산 장치에 탑재되는 소프트웨어일 수도 있다. 4, the rotation matrix generation unit 122 of the present embodiment includes an initial posture calculation unit 122_1_, a gyro integration posture updating unit 122_2, a prediction model performing unit 122_3, a measurement model performing unit 122_4, And a noise covariance correcting unit 122_6. The respective components of the rotation matrix generating unit 122 may be a plurality of physically separated associative devices, but one associative device And some of the components of the rotation matrix generation unit may be software installed in a computing device connected to the posture estimation apparatus of the present embodiment by wire or wirelessly.

도 4의 회전 행렬 생성부(122)는 선형 칼만 필터, 확장형 칼만 필터, 무향 칼만 필터, 체적 칼만 필터를 포함한 다양한 형태의 칼만 필터를 이용하는 것일 수 있다. 이하에서는 이러한 칼만 필터들을 칼만 필터 계열이라고 칭한다. 본 실시예에서 칼만 필터 계열의 상태 변수 x는 전처리(Preprocessing) 자세와 자이로 적분 자세 간의 행렬 로그(matrix logarithm)에서 비대각(off-diagonal) 성분으로 구성된 지수 좌표(exponential coordinates)로 구성된다. 지수 사상 및 행렬 로그에 대한 설명은 R. M. Murray, Z. Li, 및 S. S. Sastry의 저서인 "A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation (CRC Press)"에 개시되어 있으므로 이를 원용하기로 한다. The rotation matrix generation unit 122 of FIG. 4 may be a Kalman filter of various types including a linear Kalman filter, an extended Kalman filter, an unirradiated Kalman filter, and a volumetric Kalman filter. Hereinafter, such Kalman filters are referred to as Kalman filter series. In the present embodiment, the state variable x of the Kalman filter series is composed of exponential coordinates composed of off-diagonal components in a matrix logarithm between a pre-processing attitude and a gyro integration attitude. A description of the exponent mapping and matrix log is given in R. M. Murray, Z. Li, and S. S. Sastry, "A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation (CRC Press)".

초기 자세 산출부(122_1)는 각 센서로 취득된 데이터 값을 이용하여 초기 자세 T 를 계산한다. 이때, 각 센서로부터 데이터를 취득하기 앞서서 센서의 초기 교정 값과 칼만 필터 계열의 상수가 설정된다. The initial posture calculation unit 122_1 calculates the initial posture T using the data values acquired by the respective sensors. At this time, before acquiring data from each sensor, the initial calibration value of the sensor and a constant of the Kalman filter series are set.

자이로 적분 자세 갱신부(122_2)는 자이로 센서(115)의 보정 값으로부터 적분을 수행하고, 이로부터 자이로 적분 자세 V 를 갱신하는 역할을 한다. 자이로 적분 자세 V 는 칼만 필터 계열 내부 혹은 외부에서 계산될 수 있다. 자이로 적분 자세는 Rodrigues 식(Rodrigues' fomula)를 이용한 지수 사상(exponential mapping)을 포함할 수 있다. 자이로 적분 자세 갱신부(122_2)는 자이로 적분을 수행하기 전에 자이로 바이어스의 교정을 수행할 수 있는데, 자이로 센서(115) 측정값의 바이어스의 교정은, i) 일정 시간 동안 자이로 센서(115) 측정값의 변화가 경미하거나, ii) 일정 시간 동안 다축 감지 센서(가속도 센서, 지자계 센서 혹은 카메라)로부터 계산된 물리량 벡터의 변화가 경미한 경우에 수행될 수 있다. 상기의 i), ii)의 조건의 충족 여부는 숏 타임 푸리에 변환(Short time Fourier transform), 웨이블렛 변환(Wavelet transform), 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 또는 다이나믹 타임 워핑(Dynamic Time Warping, DTW)를 포함하는 신호처리 방법에 의해서 판별될 수 있다.The gyro integration posture updating unit 122_2 performs integration from the correction value of the gyro sensor 115 and updates the gyro integration posture V from this correction value. The gyro integration posture V can be calculated either inside or outside the Kalman filter series. The gyro integral posture can include exponential mapping using Rodrigues '(Rodrigues' fomula). The gyro integration posture updating unit 122_2 may perform calibration of the gyro bias before performing the gyro integration. The calibration of the bias of the measured value of the gyro sensor 115 is performed by: i) (Ii) a change in the physical quantity vector calculated from the multi-axis sensor (acceleration sensor, geomagnetic sensor or camera) for a predetermined time is slight. Whether or not the above conditions i) and ii) are met can be determined by a short time Fourier transform, a Wavelet transform, a fast Fourier transform (FFT) or a dynamic time warping DTW). ≪ / RTI >

예측 모델 수행부(122_3)는 칼만 필터 계열의 예측 모델(prediction model 또는 propagation model)을 수행하는 부분이다. 칼만 필터 계열의 예측 모델은 자이로 적분 단계를 포함하거나 혹은 포함하지 않을 수도 있다. 칼만 필터 계열의 상태 변수 x와 공분산 P는 예측 모델에서 갱신된다. The prediction model performing unit 122_3 is a part for performing a prediction model or a propagation model of the Kalman filter series. The predictive model of the Kalman filter series may or may not include a gyro integration step. The state variable x and the covariance P of the Kalman filter series are updated in the prediction model.

측정 모델 수행부(122_4)는 칼만 필터 계열의 측정 모델(measurement model, correction model 또는 update model)을 수행하는 부분이다. 칼만 필터 계열의 측정 모델에서 상태 변수 x 및 공분산 P 이 갱신된다.The measurement model performing unit 122_4 is a part that performs a measurement model (correction model or update model) of the Kalman filter series. The state variable x and the covariance P are updated in the measurement model of the Kalman filter series.

센서 교정부(122_5)는 외란이 있다고 판단되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)의 교정 값을 보정하는 역할을 하는 부분이다. 각 센서의 교정 값을 보정하는 과정은 외란을 인식하고 이를 이용함으로써 자세 추정 장치의 작동 중에 자동(on-line)으로 수행될 수 있다. 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)의 교정 값의 보정은 이들의 계측 값을 이용하여 타원 맞춤을 수행하는 방식으로 구현될 수 있다. 각 센서를 교정하는 방법은 본 출원의 발명자에 의한 등록특허 제1209571호에 개시된 방법이 이용될 수 있으므로, 이를 원용하기로 하고 중복적인 설명은 생략한다. The sensor calibration unit 122_5 is a part that serves to correct the calibration values of the acceleration sensor 111, the ground magnetic sensor 113 and the gyro sensor 115 by using the disturbance when it is determined that there is a disturbance. The process of correcting the calibration value of each sensor can be performed on-line during the operation of the orientation estimation device by recognizing the disturbance and using it. Correction of the calibration values of the acceleration sensor 111, the geomagnetic sensor 113 and the gyro sensor 115 may be implemented by a method of performing elliptical fitting using these measured values. As a method of calibrating each sensor, the method disclosed in Japanese Patent No. 1209571 by the inventor of the present application can be used, so that the description will be abbreviated and a duplicate description will be omitted.

잡음 공분산 교정부(122_6)는 추정하는 상태 변수 x 로부터 프로세스 잡음 공분산 Q 를 교정하는 역할을 한다. 잡음 공분산 Q 는 상태 변수 x 의 크기(magnitude)에 따라서 적응적(adaptive)으로 조정될 수도 있다.
The noise covariance correcting unit 122_6 serves to correct the process noise covariance Q from the estimated state variable x . The noise covariance Q may be adjusted adaptively according to the magnitude of the state variable x .

한편, 회전 행렬 생성부(122)는 무향 칼만 필터 또는 체적 칼만 필터와 같이 시그마 포인트를 이용하는 칼만 필터를 이용하는 형태로 구성될 수도 있다. 이하에서는 시그마 포인트를 이용하는 칼만 필터를 시그마 포인트 칼만 필터 계열이라고 칭한다.The rotation matrix generator 122 may be configured to use a Kalman filter using a sigma point, such as an unvoiced Kalman filter or a volumetric Kalman filter. Hereinafter, a Kalman filter using a sigma point is referred to as a sigma point Kalman filter system.

도 5는 도 2의 자세 추정 장치의 회전 행렬 생성부가 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우에 있어서, 예측 모델 수행부의 변형 형태를 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 5 is a diagram schematically showing a modification of the prediction model performing unit when the rotation matrix generating unit of the posture estimating apparatus of FIG. 2 uses a sigma point Kalman filter sequence.

도 5를 참조하면 예측 모델 수행부(122_3')는 시그마 포인트 X 산출부(122_31), 시그마 포인트 X 분해부(122_32), 상태 변수 및 공분산 갱신부(122_33)를 구비한다. Referring to FIG. 5, the prediction model execution unit 122_3 'includes a sigma point X calculation unit 122_31, a sigma point X decomposition unit 122_32, a state variable and a covariance update unit 122_33.

시그마 포인트 X 산출부(122_31)는 시그마 포인트 칼만 필터 계열의 예측 모델의 시그마 포인트 X 를 산출한다. 이때 시그마 포인트 칼만 필터 계열의 예측 모델에 있어서, 상태 변수 x 는 지수 좌표로 구성되고 이 상태 변수는 예측 모델의 초기에 모두 0(zero)으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정된 상태 변수 초기값을 이용하여 후부(posterior) 공분산 P 값과, 프로세스(process) 잡음 공분산 Q 이 계산되고, 이들을 이용하여 시그마 포인트 X 가 산출된다. Sigma X point calculating section (122_31), calculates the sigma points X of the prediction model of the sigma-point Kalman filter series. In this case, in the prediction model of the sigma point Kalman filter series, the state variable x is made up of exponential coordinates, and the state variable can be set to all zeroes at the beginning of the prediction model. The posterior covariance P value and the process noise covariance Q are calculated using the state variable initial values thus set, and the sigma point X is calculated using these values.

시그마 포인트 X 분해부(122_32)는 시그마 포인트 X 산출부(122_31)에서 산출된 시그마 포인트 X 를 QR 분해, 고유치 분해(singular value decomposition, SVD), 혹은 촐레스키 분해(Cholesky decompotion)의 행렬 분해 알고리즘을 이용하여 분해한다. Sigma point X decomposing section (122_32) is a matrix decomposition algorithm Sigma point X calculation unit (122_31) decomposing the sigma points X QR decomposition, the eigenvalues calculated in the (singular value decomposition, SVD), or Cholesky decomposition (Cholesky decompotion) .

상태 변수 및 공분산 갱신부(122_33)는 산출된 시그마 포인트 X 를 이용하여 상태 변수 x 와 공분산 P 을 갱신하는 역할을 한다. The state variable and covariance update unit 122_33 update the state variable x and the covariance P using the calculated sigma point X. [

회전 행렬 생성부(122)가 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우에는, 시그마 포인트 칼만 필터 계열의 측정 모델도 이에 따라 변형될 수 있다. When the rotation matrix generator 122 uses a sigma point Kalman filter series, the measurement model of the sigma point Kalman filter series can be modified accordingly.

도 6은 도 2의 자세 추정 장치의 회전 행렬 생성부(122)가 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우에 있어서, 측정 모델 수행부의 변형 형태를 개략적으로 도시한 도면이다. 6 is a diagram schematically showing a modified form of the measurement model execution unit when the rotation matrix generation unit 122 of the posture estimation apparatus of FIG. 2 uses a sigma point Kalman filter sequence.

도 6을 참조하면, 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우의 측정 모델 수행부(122_4')는 시그마 포인트 Y 산출부(122_41), 이노베이션 계산부(122_42), 상태 변수 및 공분산 갱신부(122_43) 및 후부 자세 산출부(122_44)를 구비한다. 6, the measurement model execution unit 122_4 'in the case of using the sigma point Kalman filter series includes a sigma point Y calculation unit 122_41, an innovation calculation unit 122_42, a state variable and a covariance update unit 122_43, And a rear posture calculating unit 122_44.

시그마 포인트 Y 산출부(122_41)는 측정 단계에서의 시그마 포인트 Y 를 계산한다. 측정 단계에서의 시그마 포인트 Y 는 예측 단계에서의 시그마 포인트 X , 자이로 적분 자세 V , 가속도 센서(111) 혹은 지자계 센서(113)로부터 계산된 자세에 해당하는 전처리 자세 U 를 이용하여 산출된다. The sigma point Y calculator 122_41 calculates the sigma point Y in the measuring step. The sigma point Y in the measurement step is calculated using the preprocessing posture U corresponding to the posture calculated from the sigma point X , the gyro integration posture V , the acceleration sensor 111 or the geomagnetic sensor 113 in the prediction step.

이노베이션 계산부(122_42)는 칼만 필터의 이노베이션 항목(innovation term)을 산출한다. 칼만 필터의 이노베이션은 앞서 산출된 시그마 포인트 Y 와 예측 단계에서 계산한 시그마 포인트 X 를 이용하여 산출된다. The innovation calculation unit 122_42 calculates an innovation term of the Kalman filter. The innovation of the Kalman filter is calculated using the previously calculated sigma point Y and the sigma point X calculated in the prediction step.

상태 변수 및 공분산 갱신부(122_43)는 후부(posterior) 상태 변수 x 와 공분산 P 를 갱신한다. The state variable and covariance update unit 122_43 updates the posterior state variable x and the covariance P.

후부 자세 산출부(122_44)는 상태 변수 및 공분산 갱신부(122_43)에서 산출된 상태 변수 x 의 지수 사상으로 계산된 자세와 전처리 자세 U 를 이용하여 후부(posterior) 자세 T 를 산출한다.
The posterior posture calculation unit 122_44 calculates the posterior posture T by using the posture calculated by the exponent mapping of the state variable x calculated by the state variable and the covariance update unit 122_43 and the preprocessing posture U.

이상의 회전 행렬 생성부(122)는 자세 추정 장치(100)의 움직임에 의한 외란과 자기장의 외란에 따라서, 전처리 자세 U 는 산출하는 방식을 교체(switching)하기 위한 측정 모델 교환부를 더 구비할 수 있다. The rotation matrix generation unit 122 may further include a measurement model exchange unit for switching the method of calculating the preprocessing posture U in accordance with the disturbance due to the motion of the attitude estimation apparatus 100 and the magnetic field disturbance .

도 7은 본 실시예의 자세 추정 장치(100)의 연산부(120)에 추가될 수 있는 측정 모델 교환부(126)를 개략적으로 도시한 도면이다. 7 is a diagram schematically showing a measurement model exchange unit 126 that can be added to the calculation unit 120 of the attitude estimation apparatus 100 of the present embodiment.

도 7을 참조하면, 측정 모델 교환부(126)는 움직임 외란 판정부(126_1), 자기장 외란 판정부(126_2) 및 제1 전처리 자세 산출부 내지 제3 전처리 자세 산출부(126_3,126_4,126_5)를 구비한다.7, the measurement model exchange unit 126 includes a motion disturbance determination unit 126_1, a magnetic field disturbance determination unit 126_2, and a first pre-processing attitude calculation unit 126_3, a second pre-processing attitude calculation unit 126_4, Respectively.

움직임 외란 판정부(126_1)는 자세 추정 장치(100)의 움직임(motion)에 의한 외란이 경미한지 여부를 판정한다. 움직임에 의한 외란의 경미 여부는 가속도 센서(111) 및 자이로 센서(115)의 측정치가 미리 정해진 범위를 초과하는 것을 감지하거나, 숏 타임 푸리에 변환, 웨이블렛 변환, 패스트 푸리에 변환 또는 다이나믹 타임 워핑과 같은 주파수, 혹은 시간-주파수 영역 해석 알고리즘을 사용하여 판별될 수 있다. The motion disturbance judgment unit 126_1 judges whether the disturbance due to the motion of the attitude estimation apparatus 100 is slight. The lightness of the disturbance due to motion can be detected by detecting that the measured values of the acceleration sensor 111 and the gyro sensor 115 exceed a predetermined range or by controlling the frequency such as a short time Fourier transform, a wavelet transform, a fast Fourier transform, , Or a time-frequency domain analysis algorithm.

자기장 외란 판정부(126_2)는 움직임 외란이 경미한 것으로 판정된 상태에서 자기장의 외란이 있는지를 판별한다. 즉 자세 추정 장치(100)의 움직임이 거의 없는 상태에서 외부 자장에 의한 자기장의 외란이 있는지를 판정한다. 자기장 외란이 경미한지 여부는 지자계 센서(113)의 측정값의 시간에 따른 변화를 측정하여 미리 정해진 범위를 초과하는 지를 측정하는 방법, 혹은 지자계 센서(113)의 측정값을 시간-주파수 영역 해석함으로서 판별될 수 있다. The magnetic field disturbance determining section 126_2 determines whether there is disturbance of the magnetic field in a state where it is determined that the motion disturbance is slight. That is, whether there is disturbance of the magnetic field caused by the external magnetic field in the state where there is almost no movement of the posture predicting device 100. [ Whether the magnetic field disturbance is mild may be determined by measuring a change with time of the measured value of the geomagnetic sensor 113 and measuring whether the magnetic field disturbance exceeds a predetermined range or by comparing the measured value of the geomagnetic sensor 113 with a time- Can be determined by interpretation.

제1 내지 제3 전처리 자세 산출부(126_3,126_4,126_5)는 전처리 자세 U 를 산출하는 계산하는 것으로, 제1 전처리 자세 산출부(126_3)는 가속도 센서(111)의 측정값과 지자계 센서(113)의 측정값을 이용하여 전처리 자세 U 를 산출하고, 제2 전저리 자세 산출부(126_4)는 가속도 센서(111)의 측정값과 자이로 센서(115)의 측정값을 이용하여 전처리 자세 U 를 산출하고, 제3 전처리 자세 산출부(126_5)는 자이로 적분 자세 V 로부터 전처리 자세 U 를 계산한다. The first to third pre-processing attitude calculating units 126_3, 126_4, and 126_5 calculate the preprocessing posture U. The first preprocessing attitude calculating unit 126_3 calculates the pre-processing posture U by using the measured values of the acceleration sensor 111 and the geomagnetic sensor 113) calculates the pre-processing position U by using the measured values of the second I fed attitude calculating unit (126_4) is the pre-processing position U by using the measured value of the measured value and the gyro sensor 115, an accelerometer 111 And the third preprocessing posture calculation unit 126_5 calculates the preprocessing posture U from the gyro integration posture V. [

제1 내지 제3 전처리 자세 산출부(126_3,126_4,126_5)는 택일적으로 작동하는데, 제1 전처리 자세 산출부(126_3)은 움직임 외란 및 자기장 외란이 경미한 것으로 판정된 경우에 작동되고, 제2 전처리 자세 산출부(126_4)는 움직임 외란이 경미하나 자기장 외란이 경미하지 않은 것으로 판정된 경우에 작동되며, 제3 전처리 자세 산출부(126_5)는 움직임 외란이 경미하지 않은 것으로 판정된 경우에 작동된다. The first to third pre-processing attitude calculating units 126_3, 126_4, and 126_5 alternatively operate. The first pre-processing attitude calculating unit 126_3 is operated when it is determined that motion disturbance and magnetic field disturbance are mild, The pre-processing posture calculating unit 126_4 is operated when it is determined that the motion disturbance is slight but the magnetic disturbance is not slight, and the third pre-processing attitude calculating unit 126_5 is operated when it is determined that the motion disturbance is not slight .

한편, 상기의 제2 전처리 자세 산출부(126_4)는 가속도 센서(111)의 측정값과 자이로 센서(115)의 측정값으로부터 전처리 자세 U 를 산출하는 대신에, 지자계 센서(113)를 재교정(re-calibration)한 다음, 제1 전처리 자세 산출부(126_3)와 같은 방식으로 가속도 센서(111)의 측정값과 지자계 센서(113)의 측정값으로부터 전처리 자세 U 를 계산하는 형태로 구성될 수도 있다. 이때, 지자계 센서(113)의 교정은 자세 추정 장치(100)의 작동 중(on-line)에 수행될 수 있다. Instead of calculating the preprocessing posture U from the measured value of the acceleration sensor 111 and the measured value of the gyro sensor 115, the second pre-processing posture calculator 126_4 may re-calibrate the geomagnetic sensor 113 processing posture calculator 126_3 and then calculates the preprocessing posture U from the measured values of the acceleration sensor 111 and the geomagnetic sensor 113 in the same manner as the first pre-processing posture calculator 126_3 It is possible. At this time, the calibration of the geomagnetic sensor 113 may be performed on-line of the attitude estimation apparatus 100.

이상과 같이 본 실시예의 자세 추정 장치(100)는 외란의 유무 및 종류에 따라서 다른 방식으로 전처리 자세 U 를 산출함으로써 외란이 존재하는 경우에도 강건하게 자세 추정을 수행할 수 있다.
As described above, the posture estimation apparatus 100 of this embodiment can perform the posture estimation robustly even in the presence of disturbance by calculating the preprocessing posture U in a different manner depending on the presence or absence of the disturbance and the type thereof.

다음으로 본 실시예에 따른 자세 추정 장치(100)에 의한 자세 추정 방법에 대해서 설명한다. Next, an attitude estimation method by the attitude estimation apparatus 100 according to the present embodiment will be described.

도 8은 본 실시예의 자세 추정 장치에 의한 자세 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 8 is a flowchart schematically showing a posture estimation method by the posture estimation apparatus of the present embodiment.

도 8을 참조하면 본 실시예의 자세 추정 방법은, 각 센서의 초기 교정값 및 칼만 필터 계열의 상수를 설정하는 단계(S10), 각 센서로부터 데이터를 취득하는 단계(S20), 각 센서의 측정값으로부터 초기 자세를 계산하는 단계(S30), 자이로 보정 값을 이용하여 적분하고 자이로 적분 자세를 갱신하는 단계(S40), 칼만 필터 계열의 예측 모델을 산출하는 단계(S50), 칼만 필터 계열의 측정 모델을 산출하는 단계(S60), 외란을 인식하는 단계(S70), 외란에 따라 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)의 교정값을 보정하는 단계(S80), 추정하는 상태 변수를 이용하여 프로세스 잡음 공분산을 교정하는 단계(S90)를 포함한다. Referring to FIG. 8, the posture estimation method of the present embodiment includes steps of setting an initial calibration value of each sensor and a constant of a Kalman filter series, acquiring data from each sensor (S20) (S30) of calculating an initial posture from the syllable filter series (S30), updating the gyro integration posture by integrating using the gyro correction value (S40), calculating a predictive model of the Kalman filter series (S80) of correcting the calibration values of the acceleration sensor 111, the ground magnetic sensor 113 and the gyro sensor 115 in accordance with the disturbance, (Step S90) of calibrating the process noise covariance using the state variable.

각 센서의 초기 교정값 및 칼만 필터 계열의 상수를 설정하는 단계(S10)는 자세 추정을 수행하기에 앞서 각 센서의 초기 교정값 및 칼만 필터 계열의 상수를 정하는 단계이다. 각 센서의 초기 교정값 및 칼만 필터 계열의 상수는 시스템의 플래시 메모리 혹은 하드 디스크와 같은 저장매체 혹은 실행 파일에 저장된 것을 독출하는 방법으로 설정되거나, 네트워크로 유선 혹은 무선으로 전송된 값을 독출하는 방법이 사용될 수 있다. Step S10 of setting an initial calibration value of each sensor and a constant of the Kalman filter series is a step of determining a constant of the Kalman filter series and an initial calibration value of each sensor before performing the attitude estimation. The initial calibration values of each sensor and the constants of the Kalman filter series are set by reading the data stored in a storage medium such as a flash memory or a hard disk of the system or an executable file or by reading the values transmitted by a wired or wireless network A method can be used.

각 센서로부터 데이터를 취득하는 단계(S20)는 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)로부터 측정된 물리량 데이터를 취득하는 단계이다. 이때 각 센서에서 취득되는 데이터는 샘플링 속도가 서로 다를 수도 있다. 따라서 칼만 필터 계열은 각 센서의 샘플링 속도를 참조하여 계산을 수행한다. Step S20 of acquiring data from each sensor is a step of acquiring physical quantity data measured by the acceleration sensor 111, the geomagnetic sensor 113 and the gyro sensor 115. [ At this time, the data acquired from each sensor may have different sampling rates. Therefore, the Kalman filter series performs the calculation by referring to the sampling rate of each sensor.

각 센서의 측정값으로부터 자세 추정 장치(100)의 초기 자세를 계산하는 단계(S30)에서는 자세 추정 장치의 초기 자세 T 가 산출된다. 도 9는 자세 추정 장치(100)의 초기 자세를 계산하는 단계의 일 변형 례를 도시한 것으로, 도 9를 참조하면 자세 추정 장치의 초기 자세 T 를 계산하는 단계(S20)는 외란을 인식하는 단계(S21)를 거친 후, 외란이 있는 것으로 판정된 센서를 제외한 모델에서 초기 자세 T 를 산출하는 단계(S22)로 이루어질 수 있다. 이때, 외란이라 함은 가속도 센서(111)로 측정되는 가속도 값이 중력 가속도에 비해서 크다거나, 지자계 센서(113)로 측정된 자기장이 일정 값보다 큰 경우로 설정될 수 있다. In the step S30 of calculating the initial posture of the posture predicting device 100 from the measured values of the respective sensors, the initial posture T of the posture predicting device is calculated. 9 shows a modification of the step of calculating the initial posture of the posture predicting apparatus 100. Referring to FIG. 9, the step S20 of calculating the initial posture T of the posture predicting apparatus includes steps of recognizing the disturbance (S22) after calculating the initial posture T in the model excluding the sensor determined to have the disturbance. Here, the disturbance may be set when the acceleration value measured by the acceleration sensor 111 is larger than the gravitational acceleration or when the magnetic field measured by the geomagnetic sensor 113 is larger than a predetermined value.

자이로 보정 값을 이용하여 적분하고 자이로 적분 자세를 갱신하는 단계(S40)에서는 자이로 적분 자세 V 가 갱신된다. 자이로 적분 자세 V 는 칼만 필터 계열 내부 혹은 외부에서 계산될 수 있다. 자이로 적분 자세는 Rodrigues 식을 이용한 지수 사상을 포함할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다. 도 10은 자이로 적분 자세 V 를 갱신하는 단계의 일 변형 례를 도시한 것으로, 자이로 적분을 수행하기 전에 자이로 바이어스의 교정을 수행하는 것을 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이 자이로 적분 자세를 갱신하는 단계(S40)는 다축 감지 센서, 예를 들면 자이로 센서(115), 가속도 센서(111), 지자계 센서(113) 또는 카메라로부터 물리량 측정값을 취득하는 단계(41)와, 자이로 센서(115)의 측정값 혹은 물리량 벡터의 변화가 경미한지 여부를 판별하는 단계(S42)를 포함할 수 있다. 만일 자이로 센서(115)의 측정값 또는 물리량 벡터의 변화가 경미한 경우에는 자이로의 바이어스를 산출하는 단계(S43), 자이로 바이어스를 교정하는 단계(S44)를 거쳐, 자이로 적분 자세(45)를 산출할 수 있다. In the step of integrating using the gyro correction value and updating the gyro integration posture (S40), the gyro integration posture V is updated. The gyro integration posture V can be calculated either inside or outside the Kalman filter series. As described above, the gyro integral posture can include exponential mapping using the Rodrigues equation. FIG. 10 shows a modification of the step of updating the gyro integration posture V , which shows the calibration of the gyro bias before performing the gyro integration. 10, the step S40 of updating the gyro integration posture may be performed by using a multiaxial sensor such as the gyro sensor 115, the acceleration sensor 111, the geodetic sensor 113, And a step (S42) of determining whether the change in the measured value or the physical quantity vector of the gyro sensor 115 is mild or not. If the change in the measured value or the physical quantity vector of the gyro sensor 115 is slight, step (S43) of calculating the gyro bias and step (S44) of correcting the gyro bias are performed to calculate the gyro integration posture 45 .

칼만 필터 계열의 예측 모델을 산출하는 단계(S50)에서는 칼만 필터 계열의 예측 모델에서 상태 변수 x 와 공분산 P 이 갱신된다. 칼만 필터 계열의 예측 모델은 자이로 적분 단계를 포함하거나 혹은 포함하지 않을 수도 있다. In the step S50 of calculating the prediction model of the Kalman filter series, the state variable x and the covariance P are updated in the prediction model of the Kalman filter series. The predictive model of the Kalman filter series may or may not include a gyro integration step.

칼만 필터 계열의 측정 모델을 산출하는 단계(S60)에서는, 칼만 필터 계열의 측정 모델에서 상태 변수 x 및 공분산 P 가 갱신된다. 이때, Process 잡음 공분산 Q 는 상태 변수 x 의 크기(magnitude)에 따라 적응적(adaptive)으로 조정될 수도 있다.In the step S60 of calculating the measurement model of the Kalman filter series, the state variable x and the covariance P are updated in the measurement model of the Kalman filter series. At this time, the process noise covariance Q may be adjusted adaptively according to the magnitude of the state variable x .

외란을 인식하는 단계(S70)는 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)의 측정값을 이용하여 자세 추정 장치(100)의 작동 중에 자세 추정 장치(100)의 움직임 외란 혹은 자기장의 외란이 있는지 여부를 판단하는 단계이다. 외란의 유무는 각 센서의 측정치의 시간에 따른 변화가 미리 정해진 범위 이상 인지 여부 등의 조건에 의해서 판별될 수 있다. The step of recognizing the disturbance S70 is performed by using the measured values of the acceleration sensor 111, the geomagnetic sensor 113 and the gyro sensor 115 to measure the motion of the orientation estimation device 100 during the operation of the orientation estimation device 100 It is judged whether there is a disturbance or a magnetic field disturbance. Whether or not the disturbance exists can be determined by conditions such as whether the change with time of the measured value of each sensor is over a predetermined range.

외란에 따라서 각 센서의 교정값을 보정하는 단계(S80)에서는, 움직임 외란 혹은 자기장 외란이 있다고 판단되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)의 교정 값이 보정된다. 각 센서의 교정 값을 보정하는 과정은 각 센서의 측정값을 이용하여 타원 맞춤을 수행하는 방식으로 구현될 수 있다. In the step S80 of correcting the calibration values of the respective sensors in accordance with the disturbance, when it is determined that there is movement disturbance or magnetic field disturbance, the acceleration sensor 111, the ground magnetic sensor 113, the gyro sensor 115 are corrected. The process of correcting the calibration values of the respective sensors can be implemented by a method of performing ellipse matching using the measured values of the respective sensors.

추정하는 상태 변수를 이용하여 프로세스 잡음 공분산을 교정하는 단계(S90)에서는, 추정하는 상태 변수 x 로부터 프로세스 잡음 공분산 Q 이 교정된다. 이때, 잡음 공분산 Q 는 상태 변수 x 의 크기(magnitude)에 따라서 적응적(adaptive)으로 조정될 수도 있다. In step S90 of calibrating the process noise covariance using the estimated state variable, the process noise covariance Q is calibrated from the state variable x to be estimated. At this time, the noise covariance Q may be adjusted adaptively according to the magnitude of the state variable x .

한편, 자세 추정을 위하여 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우에는, 예측 모델을 수행하는 단계 및 측정 모델을 수행하는 단계가 다른 형태로 구체화될 수도 있다. On the other hand, when the sigma point Kalman filter series is used for the posture estimation, the step of performing the prediction model and the step of performing the measurement model may be embodied in different forms.

도 11은 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우의 예측 모델을 수행하는 단계(S50a)의 개략적인 흐름도이다. 11 is a schematic flow chart of a step S50a of performing a prediction model in the case of using a sigma point Kalman filter series.

도 11에 도시된 바와 같이 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하여 예측 모델을 수행할 경우, 예측 모델의 초기 상태 변수 x 를 O으로 설정하고(S51 단계), 전 단계에서 계산된 후부 공분산 P 와 잡음 공분산 Q 로부터 예측 단계의 시그마 포인트 X 가 산출된다(S52 단계). 또한 시그마 포인트 X 는 QR 분해, SVD 분해 또는 Cholesky 분해에 의해서 분해된다(S53 단계). 그리고 시그마 포인트 X 를 이용하여 상태 변수 x와 공분산 P가 갱신된다(S54 단계). 11, when the prediction model is performed using the sigma point Kalman filter series, the initial state variable x of the prediction model is set to 0 (step S51), and the rear covariance P calculated in the previous step and the noise covariance The sigma point X of the prediction step is calculated from Q (step S52). Also, the sigma point X is decomposed by QR decomposition, SVD decomposition or Cholesky decomposition (step S53). The state variable x and the covariance P are updated using the sigma point X (step S54).

도 12는 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우의 측정 모델을 수행하는 단계(S60b)의 개략적인 흐름도이다. 12 is a schematic flow diagram of a step (S60b) of performing a measurement model when using a sigma point Kalman filter series.

도 12를 참조하면, 시그마 포인트 칼만 필터 계열을 이용하는 경우의 측정 모델을 수행하는 경우, 시그마 포인트 X , 자이로 적분 자세 V , 가속도 센서(111) 혹은 지자계 센서(113)로부터 계산된 전처리 자세 U , 잡음 공분산 Q 또는 R 을 이용하여 시그마 포인트 Y 가 계산된 다음(S61 단계), 계산된 시그마 포인트 Y 와 예측 단계에서 계산된 시그마 포인트 X 로부터 칼만 필터의 이노베이션(innovation)이 계산된다(S62 단계). 또한 칼만 필터의 이노베이션을 이용하여 상태 변수 x 및 공분산 P 가 갱신되고(S63 단계), 상태 변수 x 의 지수 사상으로부터 계산된 자세와 전처리 자세 u 로부터 후부 자세 T 가 계산된다(S64 단계).
Referring to FIG. 12, in the case of performing the measurement model using the sigma point Kalman filter series, the sigma point X , the gyro integration posture V , the preprocessing posture U calculated from the acceleration sensor 111 or the geomagnetic sensor 113, After the sigma point Y is calculated using the noise covariance Q or R (step S61), the Kalman filter innovation is calculated from the calculated sigma point Y and the sigma point X calculated in the prediction step (step S62). Further, the state variable x and the covariance P are updated using the innovation of the Kalman filter (step S63), and the posture T is calculated from the posture calculated from the exponent mapping of the state variable x and the preprocessing posture u (step S64).

한편, 상기의 자세 추정 방법에 있어서, 가속도 센서(111) 또는 지자계 센서(113)로부터 계산된 자세인 전처리 자세 U 는 움직임 외란과 자기장 외란에 따라서 측정 모델의 스위칭하는 방법으로 산출될 수도 있다. On the other hand, in the above-described posture estimation method, the preprocessing posture U calculated from the acceleration sensor 111 or the geomagnetic sensor 113 may be calculated by a method of switching the measurement model according to the motion disturbance and the magnetic field disturbance.

도 13a 및 도 13b는 측정 모델의 스위칭 방법의 일례를 개략적으로 설명하는 흐름도이다. 13A and 13B are flowcharts schematically illustrating an example of a switching method of the measurement model.

도 13a를 참조하면 측정 모델의 스위칭 방법은 움직임의 외란이 경미한지 여부를 판정하는 단계(S65)와, 자기장 외란이 판정하는 단계(S66)와, 판정 결과에 따라서 택일적으로 선택되는 전처리 자세의 계산 단계(S67,S68,S69)를 구비한다. Referring to FIG. 13A, the switching method of the measurement model includes a step S65 of judging whether the disturbance of movement is slight, a step S66 of judging magnetic disturbance disturbance, and a step S66 of alternately selecting the pre- And calculation steps (S67, S68, S69).

움직임 외란 판정 단계(S65)에서는 자세 추정 장치(100)의 움직임(motion)에 의한 외란이 경미한지 여부가 판정된다. 자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 경미 여부는 가속도 센서(111) 및 자이로 센서(115)의 측정치가 미리 정해진 범위를 초과하는 것을 감지하거나, 숏 타임 푸리에 변환, 웨이블렛 변환, 패스트 푸리에 변환 또는 다이나믹 타임 워핑과 같은 주파수, 혹은 시간-주파수 영역 해석 알고리즘을 사용하여 판별될 수 있다. 움직임 외란 판정부가 움직임 외란이 크다고 판단되면, 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 계산된다. In the motion disturbance determination step S65, it is determined whether the disturbance due to the motion of the attitude estimation apparatus 100 is slight. Whether the disturbance due to the motion of the attitude estimating device is slight may be detected by detecting that the measured values of the acceleration sensor 111 and the gyro sensor 115 exceed a predetermined range or by performing a short time Fourier transform, a wavelet transform, a fast Fourier transform, Can be determined using frequency, such as warping, or time-frequency domain analysis algorithms. If the motion disturbance determiner determines that motion disturbance is large, the pre-processing posture is calculated from the gyro integration posture.

자기장 외란 판정 단계(S66)는 움직임 외란 판정 단계(S65)에서 움직임 외란이 경미한 것으로 판정된 경우에 수행되며, 지자계 센서(113)의 계측값을 이용하여 자장의 외란이 있는지를 판별한다. 즉 자세 추정 장치(100)의 움직임이 거의 없는 상태에서 외부 자장에 의한 자기장의 외란이 있는지를 판정한다. 자기장 외란이 경미한지 여부는 지자계 센서(113)의 측정값의 시간에 따른 변화를 측정하여 미리 정해진 범위를 초과하는 지를 측정하는 방법, 혹은 지자계 센서(113)의 측정값을 시간-주파수 영역 해석함으로서 판별될 수 있다. 움직임 외란 및 자기장 외란이 경미하다고 판단되면, 가속도 센서(111)의 측정값과 지자계 센서(113)의 측정값으로부터 전처리 자세 U 를 계산하는 단계가 수행된다. 한편, 움직임 외란은 경미하나 자기장 외란이 큰 경우에는 가속도 센서(111)의 측정값과 자이로 센서(115)의 측정값으로부터 전처리 자세 U 를 계산하는 단계가 수행된다. The magnetic field disturbance determination step S66 is performed when it is determined that the motion disturbance is slight in the motion disturbance determination step S65. The magnetic field disturbance determination step S66 uses the measurement value of the magnetic field sensor 113 to determine whether there is disturbance of the magnetic field. That is, whether there is disturbance of the magnetic field caused by the external magnetic field in the state where there is almost no movement of the posture predicting device 100. [ Whether the magnetic field disturbance is mild may be determined by measuring a change with time of the measured value of the geomagnetic sensor 113 and measuring whether the magnetic field disturbance exceeds a predetermined range or by comparing the measured value of the geomagnetic sensor 113 with a time- Can be determined by interpretation. If it is determined that the motion disturbance and the magnetic field disturbance are mild, a step of calculating the preprocessing posture U from the measured value of the acceleration sensor 111 and the measured value of the geomagnetic sensor 113 is performed. On the other hand, when the motion disturbance is small but the magnetic field disturbance is large, a step of calculating the preprocessing posture U from the measured value of the acceleration sensor 111 and the measured value of the gyro sensor 115 is performed.

도 13b는 측정 모델의 스위칭 방법의 다른 일례를 개략적으로 설명하는 흐름도로서, 도 13a의 측정 모델 스위칭 방법의 변형 례를 개략적으로 설명하는 흐름도이다. FIG. 13B is a flow chart schematically explaining another example of the switching method of the measurement model, and is a flow chart schematically illustrating a modification of the measurement model switching method of FIG. 13A.

도 13b를 참조하면 움직임 외란이 경미하고, 자기장 외란이 큰 경우에 가속도 센서(111) 측정값과 지자계tpstjdml 측정값으로부터 전처리 자세 U 를 계산하는 대신에, 지자계 센서(113)에 대한 재교정을 수행한 다음(S68' 단계), 가속도 센서(111) 및 자이로 센서(115)의 측정값을 이용하여 전처리 자세 U 를 계산하는 방법이 수행될 수도 있다. 이때 지자계 센서(113)의 재교정은 자세 추정 장치의 작동 중(on-line)에 교정될 수도 있다. 13B, when the motion disturbance is small and the magnetic field disturbance is large, instead of calculating the pre-processing posture U from the measured value of the acceleration sensor 111 and the measured value of the magnetic field tpstjdml, (Step S68 '), and a method of calculating the preprocessing posture U using the measured values of the acceleration sensor 111 and the gyro sensor 115 may be performed. At this time, the recalibration of the geomagnetic sensor 113 may be corrected on-line of the attitude estimation apparatus.

본 실시에의 자세 추정 장치 및 방법에 따르면, 시그마 포인트 칼만 필터 계열에서 측정 시그마 포인트의 개수 혹은 차수(dimension)가 감소될 수 있다. 또한, 가속도 센서(111), 지자계 센서(113), 자이로 센서(115)를 포함하는 센서부의 바이어스 값을 실시간 온라인 보정이 가능하다. 또한, 가속이 있는 상태 혹은 자기장 변화에 따른 외란 (disturbance)에 따라 측정 모델의 스위칭이 이루져 외란에 강건한 효과를 가진다. 그러므로 결과적으로 본 실시예의 자세 추정 장치 및 방법은 자세 T를 더욱 강건하고 안정성 있게 추정이 가능하다. According to the attitude estimation apparatus and method of the present embodiment, the number or dimension of measurement sigma points in the sigma point Kalman filter series can be reduced. In addition, the bias value of the sensor unit including the acceleration sensor 111, the geomagnetic sensor 113, and the gyro sensor 115 can be corrected in real time on-line. Also, the measurement model is switched according to the state of acceleration or the disturbance caused by the change of the magnetic field, so that it has a robust effect on the disturbance. Consequently, the posture estimating apparatus and method of the present embodiment can estimate the posture T more robustly and stably.

이상 본 발명의 일부 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 그 기술 사상의 범주 내에서 다양한 형태로 구체화될 수 있다. While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and alternative constructions.

100: 자세 추정 장치
110: 센서부
120: 연산부
122: 회전 행렬 생성부
122_3, 122_3': 예측 모델 수행부
122_4, 122_4': 측정 모델 수행부
100: attitude estimation device
110:
120:
122: rotation matrix generation unit
122_3, 122_3 ': prediction model execution unit
122_4, 122_4 ': Measurement model execution unit

Claims (11)

가속도 센서, 지자계 센서 및 자이로 센서를 구비하는 센서부와,
상기 센서부에서 측정된 데이터를 이용하여 초기 자세(orientation)을 산출하는 초기 자세 산출부와,
자이로 센서의 보정 값으로부터 적분을 수행하여 자이로 적분 자세를 갱신하는 자이로 적분 자세 갱신부와,
칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 예측 모델 수행부와,
칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 측정 모델 수행부와,
외란(perturbation)이 감지되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서, 지자계 센서, 자이로 센서의 교정 값을 보정하는 센서 교정부와,
추정하는 상태 변수로부터 프로세스(process) 잡음 공분산을 교정하는 잡음 공분산 교정부를 구비하는,
자세 추정 장치.
A sensor unit including an acceleration sensor, a geomagnetic sensor and a gyro sensor,
An initial attitude calculation unit for calculating an initial orientation using data measured by the sensor unit,
A gyro integration posture updating unit for performing integration from the correction value of the gyro sensor to update the gyro integration posture,
A prediction model performing unit for performing an operation of a prediction model of the Kalman filter,
A measurement model execution unit for performing an operation of a measurement model of the Kalman filter,
A sensor calibration unit which corrects the calibration values of the acceleration sensor, the ground magnetic sensor and the gyro sensor by using the disturbance when perturbation is detected,
And a noise covariance calibration unit for calibrating a process noise covariance from the estimated state variable.
Posture estimation device.
제1항에 있어서,
상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며,
상기 예측 모델 수행부는,
시그마 포인트 칼만 필터의 예측 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 시그마 포인트 산출부와,
상기 예측 단계에서의 시그마 포인트를 분해하는 시그마 포인트 분해부와,
상기 시그마 포인트로부터 상태 변수 및 공분산을 갱신하는 상태 변수 및 공분산 갱신부를 구비하는,
자세 추정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter,
Wherein the prediction model performing unit comprises:
A sigma point calculating unit for calculating a sigma point at a prediction step of a sigma point Kalman filter,
A sigma point decomposition unit for decomposing a sigma point in the prediction step;
And a state variable and a covariance update unit for updating a state variable and a covariance from the sigma point,
Posture estimation device.
제2항에 있어서,
상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며,
상기 측정 모델 수행부는,
예측 단계에서의 시그마 포인트, 자이로 적분 자세, 가속도 센서 혹은 지자계 센서로부터 계산된 전처리 자세로부터 측정 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 시그마 포인트 산출부와,
예측 단계에서의 시그마 포인트와, 측정 단계에서의 시그마 포인트를 이용하여 칼만 필터의 이노베이션을 산출하는 이노베이션 계산부와,
상기 칼만 필터의 이노베이션을 이용하여 후부(posterior) 상태 변수와 공분산을 갱신하는 상태 변수 및 공분산 갱신부와,
상기 상태 변수의 지수 사상으로 계산된 자세와 상기 전처리 자세로부터 후부 자세를 산출하는 후부 자세 산출부를 구비하는,
자세 추정 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter,
Wherein the measurement model performing unit comprises:
A sigma point calculating unit for calculating a sigma point in a measurement step from a sigma point in a prediction step, a gyro integration posture, a preprocessing posture calculated from an acceleration sensor or a geomagnetic sensor,
An innovation calculation unit for calculating an innovation of a Kalman filter using a sigma point in a prediction step and a sigma point in a measurement step;
A state variable and a covariance update unit for updating the posterior state variable and the covariance using the innovation of the Kalman filter,
And a posture attitude calculation unit for calculating a posture calculated from an exponent mapping of the state variable and a posture from the preprocessing posture,
Posture estimation device.
제1항에 있어서,
외란의 유무에 따라서 측정 모델을 변경하는 측정 모델 교환부를 더 구비하는 자세 추정 장치.
The method according to claim 1,
And a measurement model exchange unit that changes the measurement model in accordance with the presence or absence of the disturbance.
제4항에 있어서,
상기 측정 모델 교환부는,
자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 움직임 외란 판정부와,
자기장의 외란 유무를 판정하는 자기장 외란 판정부를 구비하며,
상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 제1 전처리 자세 산출부와,
상기 가속도 센서의 측정값과 상기 지자계 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 제2 전처리 자세 산출부와,
자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 제3 전처리 자세 산출부를 구비하며,
움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 제1 내지 제3 전처리 자세 산출부 중 어느 하나가 택일적으로 작동되는,
자세 추정 장치.
5. The method of claim 4,
The measurement model exchanging unit,
A motion disturbance judging section which judges whether disturbance is caused by motion of the posture predicting device,
And a magnetic field disturbance judging section for judging presence or absence of disturbance of the magnetic field,
A first pre-processing posture calculating unit for calculating a pre-processing posture from a measured value of the acceleration sensor and a measured value of the gyro sensor,
A second pre-processing posture calculating unit for calculating a pre-processing posture from a measured value of the acceleration sensor and a measured value of the geomagnetic sensor,
And a third pre-processing posture calculating unit for calculating a pre-processing posture from the gyro integration posture,
One of the first to third pre-processing attitude calculating sections is selectively operated depending on the presence or absence of motion disturbance and the presence of magnetic field disturbance,
Posture estimation device.
가속도 센서, 지자계 센서 및 자이로 센서를 구비하는 자세 추정 장치의 자세 추정 방법으로서,
상기 센서 중 적어도 하나에서 측정된 데이터를 이용하여 초기 자세(orientation)을 산출하는 단계와,
자이로 센서의 보정 값으로부터 적분을 수행하여 자이로 적분 자세를 갱신하는 단계와,
칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 단계와,
칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 단계와,
외란이 감지되는 경우에, 그 외란을 이용하여 가속도 센서, 지자계 센서, 자이로 센서의 교정 값을 보정하는 단계와,
추정하는 상태 변수로부터 프로세스 잡음 공분산을 교정하는 단계를 포함하는,
자세 추정 방법.
An attitude estimation method for an attitude estimation device comprising an acceleration sensor, a geomagnetic sensor and a gyro sensor,
Calculating an initial orientation using data measured by at least one of the sensors,
Updating the gyro integration posture by performing integration from the correction value of the gyro sensor,
Performing an operation of a predictive model of a Kalman filter,
Performing an operation of a measurement model of a Kalman filter,
Correcting the calibration values of the acceleration sensor, the geomagnetic sensor and the gyro sensor by using the disturbance when the disturbance is detected,
And calibrating the process noise covariance from the estimated state variable.
Posture estimation method.
제6항에 있어서,
상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며,
상기 칼만 필터의 예측 모델의 연산을 수행하는 단계는,
시그마 포인트 칼만 필터의 예측 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 단계와,
상기 예측 단계에서의 시그마 포인트를 분해하는 단계와,
상기 시그마 포인트로부터 상태 변수 및 공분산을 갱신하는 단계를 포함하는,
자세 추정 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter,
Wherein performing the operation of the prediction model of the Kalman filter comprises:
Calculating a sigma point at a prediction step of a sigma point Kalman filter,
Decomposing a sigma point in the prediction step;
And updating the state variable and the covariance from the sigma point.
Posture estimation method.
제7항에 있어서,
상기 칼만 필터는 시그마 포인트 칼만 필터이며,
상기 칼만 필터의 측정 모델의 연산을 수행하는 단계는,
예측 단계에서의 시그마 포인트, 자이로 적분 자세, 가속도 센서 혹은 지자계 센서로부터 계산된 전처리 자세로부터 측정 단계에서의 시그마 포인트를 산출하는 단계와,
예측 단계에서의 시그마 포인트와, 측정 단계에서의 시그마 포인트를 이용하여 칼만 필터의 이노베이션을 산출하는 단계와,
상기 칼만 필터의 이노베이션을 이용하여 후부(posterior) 상태 변수와 공분산을 갱신하는 단계와,
상기 상태 변수의 지수 사상으로 계산된 자세와 상기 전처리 자세로부터 후부 자세를 산출하는 단계를 포함하는,
자세 추정 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the Kalman filter is a sigma point Kalman filter,
Wherein performing an operation of the measurement model of the Kalman filter comprises:
Calculating a sigma point in a measurement step from a sigma point in a prediction step, a gyro integration posture, a preprocessing posture calculated from an acceleration sensor or a geomagnetic sensor,
Calculating an innovation of a Kalman filter using a sigma point in a prediction step and a sigma point in a measurement step;
Updating the posterior state variable and the covariance using the innovation of the Kalman filter;
Calculating a posture calculated from an exponent mapping of the state variable and a posture from the preprocessing posture,
Posture estimation method.
제6항에 있어서,
외란의 유무에 따라서 측정 모델을 변경하는 단계를 더 포함하는 자세 추정 방법.
The method according to claim 6,
And changing the measurement model according to the presence or absence of the disturbance.
제9항에 있어서,
상기 측정 모델을 변경하는 단계는,
자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 단계와,
자기장의 외란 유무를 판정하는 단계와,
움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 지자계 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 혹은 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 단계 중 어느 하나를 택일적으로 포함하는,
자세 추정 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the step of modifying the measurement model comprises:
Determining whether or not disturbance is caused by motion of the attitude estimation apparatus,
Determining whether the magnetic field is disturbed,
Calculating a preprocessing posture from the measured value of the acceleration sensor and the measured value of the gyro sensor in accordance with presence or absence of disturbance of movement and presence or absence of magnetic field disturbance from the measured value of the acceleration sensor and the measured value of the geomagnetic sensor, , Or calculating the pre-processing posture from the gyro integration posture,
Posture estimation method.
제9항에 있어서,
상기 측정 모델을 변경하는 단계는,
자세 추정 장치의 움직임에 의한 외란의 유무를 판정하는 단계와,
자기장의 외란 유무를 판정하는 단계와,
움직임 외란의 유무 및 자기장 외란의 유무에 따라서, 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 상기 지자계 센서를 재교정하고 상기 가속도 센서의 측정값과 상기 자이로 센서의 측정값으로부터 전처리 자세를 계산하는 단계, 혹은 자이로 적분 자세로부터 전처리 자세를 산출하는 단계 중 어느 하나를 택일적으로 포함하는,
자세 추정 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the step of modifying the measurement model comprises:
Determining whether or not disturbance is caused by motion of the attitude estimation apparatus,
Determining whether the magnetic field is disturbed,
Calculating a preprocessing attitude from a measured value of the acceleration sensor and a measured value of the gyro sensor in accordance with presence or absence of motion disturbance and magnetic field disturbance; A step of calculating a pre-processing posture from the measured value of the sensor, or a step of calculating a pre-processing posture from the gyro integration posture,
Posture estimation method.
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