KR101639152B1 - 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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조기춘
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

도로의 경사각을 반영하여 차량의 위치를 정밀하게 추정할 수 있는 차량 위치 추정 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 차량 위치 추정 방법은, GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 입력받는 단계; 상기 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 단계; 및 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 위치를 보정하는 단계를 포함한다.

Description

도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법 및 장치{Method and Device for Estimating position of Vehicle Using Road Slope}
본 발명은 차량 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
위성기반 위치 확인 시스템(Global Positioning System : 이하, "GPS"라 함) 수신기가 개발됨에 따라 상업용 차량 항법 시스템에서 측위 센서로 GPS 장치가 사용되고 있다. 또한 GPS 장치를 통해 획득된 차량의 위치 정보를 이용해 길 안내 서비스, 위치기반 정보 제공 서비스와 같은 위치 기반 서비스(LBS: Location Based Service)가 제공되고 있다. 더욱이 군용 차량 및 유도무기 등에도 GPS를 이용한 위치기반 제어가 수행되고 있다. 하지만, 터널이나 지하 주차장과 도심지역 및 산간지역에서 GPS 장치가 GPS 위성신호를 완전 또는 부분적으로 수신할 수 없는 경우가 발생하므로, GPS 장치를 이용하는 경우에는 연속적인 위치 정보가 제공되지 못하는 문제가 있다.
따라서, 장소에 관계없이 연속적인 위치 정보를 제공하기 위해, 관성 센서(예를 들어, 가속도계와 자이로스코프)와 같은 차량 센서를 이용하여 차량의 위치를 추정하는 기술이 개발되어 활용되고 있다.
그러나 일반적으로 차량의 센서들은 차량 좌표계 기준으로 차량의 위치를 측정하기 때문에, 도로에 구배(경사)가 있는 경우, 차량 센서의 센싱 값을 이용하여 차량의 절대적인 움직임을 정확히 추정할 수 없다. 구배가 없는 도로와 비교하여 도로 구배 및 선회 반경 별 거리 오차를 나타내는 도 1에 도시된 바와 같이, 도로의 경사각이 커질수록 그리고 선회 반경이 커질수록 오차가 증가하는 것을 알 수 있다. 도 1의 우측 도면에서 X축은 경사도, Y축은 반지름, Z축은 위치 오차를 나타낸다. 관련된 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1105144호가 있다.
따라서, 도로 구배가 있는 경우, 구배 정보를 반영하여 정확한 차량의 위치를 추정할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 도로의 경사각을 반영하여 차량의 위치를 정밀하게 추정할 수 있는 차량 위치 추정 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 입력받는 단계; 상기 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 단계; 및 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 위치를 보정하는 단계를 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법이 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 단계; 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 이동 방향을 추정하는 단계; 및 상기 경사각 정보 및 상기 차량의 이동 방향에 따라 상기 차량의 위치를 보정하는 단계를 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법이 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, GPS 장치로부터 수신된 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 경사각 추정부; 및 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 위치를 보정하는 위치 보정부를 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 도로의 경사각 정보를 차량 위치에 반영함으로써 도로의 구배에 따른 위치 오차를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 도로의 경사각 정보를 이용하여 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정함으로써 선회 반경에 따른 위치 오차를 감소시킬 수 있다.
도 1은 구배가 없는 도로와 비교하여 도로 구배 및 선회 반경 별 거리 오차를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 위치 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 차량 위치 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 차량 위치 추정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명은 도로의 경사각 정보 또는 차량의 이동 방향에 따라 자동차의 위치를 보정함으로써 차량의 위치를 정밀하게 추정할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 전술된 바와 같이, 도로의 구배 및 선회 반경에 따라 오차가 발생하는데, 본 발명은 도로의 경사각 정보를 차량 위치에 반영함으로써 도로의 구배에 따른 오차를 감소시키며, 도로의 경사각 정보를 이용하여 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정함으로써 선회 반경에 따른 오차를 감소시킬 수 있다.
특히 본 발명에 따르면, 도로의 경사각 정보를 생성하기 위해 GPS 장치로부터 생성되는 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용함으로써, 가속도 센서, 휠 속도 센서 등 차량 센서를 통한 경사각 정보보다 정확한 경사각 정보를 획득할 수 있다. 그리고 보다 정확한 경사각 정보를 통해 차량의 위치를 정밀하게 추정할 수 있다.
이하 본 명세서에서는 차량에 대한 위치 추정 방법이 일실시예로서 설명되나, 본 발명은 도로와 같이 구배 및 곡선이 존재하는 지역을 이동하는 이동체에 모두 적용될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 위치 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 위치 추정 장치는 GPS 장치(210), 경사각 추정부(220) 및 위치 보정부(230)를 포함한다.
GPS 장치(210)는 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 생성한다. 실시예에 따라서, GPS 장치(210)는 차량에서 제공되거나, 차량 위치 추정 장치에 포함될 수 있다.
GPS 장치(210)는 위성과 무선 신호를 송수신하며 차량의 위치 정보를 생성하는데, 이동하는 차량과 위성사이에서 송수신되는 무선 신호에 대한 도플러 효과를 이용하여, 차량의 평면 속도 및 수직 속도를 측정할 수 있다. 차량의 평면 속도는 평면상에서 이동하는 차량의 속도를 나타내며, 수직 속도는 예를 들어 해수면으로부터 차량의 높이가 높아지거나 낮아지면서 발생하는 속도를 나타낸다.
경사각 추정부(220)는 GPS 장치(210)로부터 평면 속도 정보(
Figure 112015009180031-pat00001
) 및 수직 속도 정보(
Figure 112015009180031-pat00002
)를 제공받아 도로의 경사각 정보를 생성한다. 보다 구체적으로 경사각 추정부(220)는 tan를 이용하여 경사각 정보(
Figure 112015009180031-pat00003
)를 생성할 수 있으며, [수학식 1]을 이용할 수 있다.
Figure 112015009180031-pat00004
위치 보정부(230)는 경사각 정보를 이용하여, 차량의 위치를 보정한다. 예를 들어, 차량 센서에 의해 위치가 추정되는 차량이 구배가 존재하거나 곡선의 도로를 주행하는 경우, 경사각에 의해 실제 주행 거리와 평면상 이동된 거리 및 고도에 차이가 발생한다.
따라서 본 발명은 경사각에 따라 차량이 평면에서 이동된 거리를 추정함으로써 차량의 위치를 보정할 수 있다. 또한 본 발명은 도로가 곡선인 경우 차량의 이동 방향을 추정함으로써 차량의 위치를 보정할 수 있다.
일실시예로서, 위치 보정부는 경사각 정보를 이용하여 차량의 이동 방향을 추정하는 이동 방향 추정부 및 경사각 정보 및 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정하는 위치 결정부를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 이동 방향 추정부는 차량의 각속도 센서의 센싱 값과 경사각 정보를 이용하여 차량의 이동 방향을 추정할 수 있으며, 위치 결정부는 경사각 정보, 차량의 이동 방향, 각속도 센싱 값 및 휠 속도 센서의 센싱 값을 이용하여 차량의 위치를 보정할 수 있다. 여기서, 차량의 위치는 X-Y 좌표계에서 정의되는 위치일 수 있다.
한편, 경사각 추정부(220)는 가속도 센서의 센싱 값, 휠 속도 센서의 센싱 값 및 중력 가속도를 이용하여 경사각 정보를 갱신할 수 있다. 이 때, 경사각 추정부(220)는 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보의 이용 여부에 따라, 경사각 정보를 갱신할 수 있는데, 차량이 GPS 신호를 수신하지 못하여 GPS 장치(210)가 속도 정보를 생성할 수 없는 경우 경사각 정보를 갱신할 수 있다.
차량 센서를 통해 경사각 정보가 갱신되더라도 갱신 시점의 경사각 정보는 GPS 신호로부터 얻어진 정보이므로, 본 발명에 따르면, 차량 센서만을 이용하여 생성된 경사각 정보보다 정확한 경사각 정보를 생성할 수 있다.
예를 들어,경사각 추정부(220)는 [수학식 2]를 이용하여 경사각 정보를 갱신할 수 있다. 여기서,
Figure 112015009180031-pat00005
는 가속도 센서의 센싱 값을 나타내며,
Figure 112015009180031-pat00006
는 휠 속도 센서의 센싱 값을 미분한 값을 나타낸다. g는 중력 가속도를 나타낸다.
Figure 112015009180031-pat00007
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 위치 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 위치 추정 장치는 경사각 추정부(310), 이동 방향 추정부(320) 및 위치 보정부(330)를 포함한다.
경사각 추정부(310)는 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성한다. 경사각 추정부(310)는 GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 제공받을 수 있다.
이동 방향 추정부(320)는 경사각 정보를 이용하여, 차량의 이동 방향을 추정한다. 보다 구체적으로, 이동 방향 추정부(320)는 각속도 센서에 의한 센싱 값 및 경사각 정보를 이용하여, 차량의 이동 방향을 추정할 수 있으며, 예를 들어, [수학식 3]와 같이 차량의 이동 방향(
Figure 112015009180031-pat00008
)을 추정할 수 있다. 여기서, 이동 방향은 각도 값으로 나타낼 수 있다.
Figure 112015009180031-pat00009
여기서,
Figure 112015009180031-pat00010
는 요 레이트(yaw rate), 즉 각속도 센서에 의한 센싱 값을 나타내며,
Figure 112015009180031-pat00011
는 기 설정된 측정 구간, 예를 들어 k-1번째 추정 단계와 k번째 추정 단계 사이의 시간 변화량을 나타낸다.
위치 보정부(330)는 경사각 정보 및 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정한다. 보다 구체적으로 위치 보정부(330)는 경사각 정보, 차량의 이동 방향, 각속도 센싱 값 및 휠 속도 센서의 센싱 값을 이용하여 차량의 위치를 보정할 수 있으며, 예를 들어 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 이용하여 차량의 위치를 보정할 수 있다. 위치 보정부(330)는 X-Y 좌표계 상에서 차량의 위치를 추정할 수 있는데, [수학식 4]은 X축에서의 차량 위치를 보정하기 위한 식이며, [수학식 5]는 Y축에서의 차량 위치를 보정하기 위한 식이다.
Figure 112015009180031-pat00012
Figure 112015009180031-pat00013
여기서,
Figure 112015009180031-pat00014
는 휠 속도 센서의 센싱 값을 나타낸다.
실시예에 따라서, 차량의 이동 방향 정보는 이용되지 않을 수 있으며, 이 경우 [수학식 4] 및 [수학식 5]에서 이동 방향 값(
Figure 112015009180031-pat00015
)은 0이 될 수 있다.
한편, 도 2에서 설명된 바와 같이, 경사각 추정부(310)는 가속도 센서의 센싱 값, 휠 속도 센서의 센싱 값 및 중력 가속도를 이용하여 경사각 정보를 갱신할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 차량 위치 추정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 대관령의 일부 도로를 도시한 위도(latitude) 및 경도(longitude)에 따라 도시한 도면으로서, 도 3의 파란색에서 빨간색 사이의 색의 변화는 고도의 변화를 나타낸다.
도 5는, 도 4에 도시된 구배 및 다양한 회전 반경이 존재하는 도로에서 수행된 본 발명에 따른 차량 위치 추정 결과를 도시한 도면이다. 도 5에서 빨간색 선(reference)은 실제 도로 위치를 나타내며, 노란색 선(GPS measurement)은 차량의 GPS 위치 정보를 나타낸다. 초록색 선(RSA)은 본 발명에 따른 차량 위치 추정 결과를 나타내며, 초록색 선(planar)은 본 발명이 적용되지 않은 차량 위치 추정 결과를 나타낸다.
도 5(b)는 도 5(a)에서 GPS 수신 품질이 양호하지 못한 지역(빨간색 원) 중 일부 지역을 확대한 도면으로서, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위치 추정 결과는 초록색 선과 비교하여 실제 도로의 위치와 거의 동일함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 차량 위치 추정 방법은 차량 또는 별도의 차량 위치 추정 장치에서 수행될 수 있으며, 이하 차량 위치 추정 장치에서 수행되는 차량 위치 추정 방법이 일실시예로서 설명된다.
본 발명에 따른 차량 위치 추정 장치는 GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 수신(S610), 즉 입력받아 도로의 경사각 정보를 생성(S620)한다. 더 이상 GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 수신할 수 없는 경우, 차량 위치 추정 장치는 차량의 가속도 정보 및 중력 가속도 정보를 이용하여, 경사각 정보를 갱신할 수 있다. 여기서, 가속도 정보는 가속도 센서의 센싱 값 및 휠 속도 센서의 센싱 값일 수 있다.
차량 위치 추정 장치는 경사각 정보를 이용하여, 차량의 위치를 보정(S630)하며, 보다 구체적으로 경사각 정보를 이용하여 차량의 이동 방향을 추정하고, 경사각 정보 및 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 차량 위치 추정 방법은 차량 또는 별도의 차량 위치 추정 장치에서 수행될 수 있으며, 이하 차량 위치 추정 장치에서 수행되는 차량 위치 추정 방법이 일실시예로서 설명된다.
본 발명에 따른 차량 위치 추정 장치는 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성(S710)하며, 경사각 정보를 이용하여, 차량의 이동 방향을 추정(S720)한다. 이 때, 더 이상 GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 수신할 수 없는 경우, 차량 위치 추정 장치는 차량의 가속도 정보 및 중력 가속도 정보를 이용하여, 경사각 정보를 갱신할 수 있다.
그리고 차량 위치 추정 장치는 경사각 정보 및 차량의 이동 방향에 따라 차량의 위치를 보정(S730)한다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. GPS 장치로부터 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 입력받는 단계;
    상기 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 차량의 요레이트 값 및 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 위치를 보정하는 단계를 포함하며,
    상기 차량의 위치를 보정하는 단계는
    상기 요레이트 값 및 상기 경사각 정보에 기초하여, 곡선 도로에서 상기 차량의 이동 방향을 추정하는 단계; 및
    상기 경사각 정보 및 상기 차량의 이동 방향에 따라 상기 차량의 위치를 보정하는 단계
    를 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차량의 가속도 정보 및 중력 가속도 정보를 이용하여, 상기 경사각 정보를 갱신하는 단계
    를 더 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 경사각 정보를 갱신하는 단계는
    상기 속도 정보의 이용 여부에 따라, 상기 경사각 정보를 갱신하며,
    상기 가속도 정보는
    가속도 센서의 센싱 값 및 휠 속도 센서의 센싱 값
    을 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. GPS 장치로부터 수신된 차량의 평면 속도 정보 및 수직 속도 정보를 이용하여, 도로의 경사각 정보를 생성하는 경사각 추정부; 및
    상기 차량의 요레이트 값 및 상기 경사각 정보를 이용하여, 상기 차량의 위치를 보정하는 위치 보정부를 포함하며,
    상기 위치 보정부는
    상기 요레이트 값 및 상기 경사각 정보에 기초하여, 곡선 도로에서 상기 차량의 이동 방향을 추정하는 이동 방향 추정부; 및
    상기 경사각 정보 및 상기 차량의 이동 방향에 따라 상기 차량의 위치를 보정하는 위치 결정부
    를 포함하는 도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 경사각 추정부는
    가속도 센서의 센싱 값, 휠 속도 센서의 센싱 값 및 중력 가속도를 이용하여, 상기 경사각 정보를 갱신하는
    도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 장치
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 경사각 추정부는
    상기 속도 정보의 이용 여부에 따라, 상기 경사각 정보를 갱신하는
    도로 구배를 이용한 차량 위치 추정 장치.
  10. 삭제
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