KR101755514B1 - 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치는 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱하는 차량 센서부; 상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출하는 노면 기울기 산출부; 상기 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출하는 차량 각도값 산출부; 및 상기 산출된 노면 기울기와 상기 산출된 차량의 각도값을 이용하여 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출하는 피치 각도 산출부를 포함한다.

Description

차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CALCULATING PITCH ANGLE OF VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 피치 각도 산출 방안에 관한 것으로서, 특히, 가속도 센서와 자이로 센서를 이용하여 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 차량의 기울기를 검출하기 위한 센서가 구비된다. 이러한 차량의 기울기를 검출하기 위한 방법으로는 가속도 센서, 자이로 센서 등을 이용한 방법이 있다.
가속도 센서를 이용한 측정 방법은 차량에 구비된 가속도 센서만을 사용하여 차량의 각도를 측정하게 된다. 이때, 차량에 설치된 가속도 센서의 중심축이 회전 중심축과 같지 않을 경우 병진 운동 성분이 포함되어 오류가 발생하게 된다.
그리고 자이로 센서를 이용한 측정 방법은 자이로 센서만을 사용하여 차량의 각도를 측정하게 된다. 이때, 차량의 각도 측정은 적분 오차가 누적되는 취약점을 지닌다.
또한 가속도 센서와 자이로 센서를 모두 이용하여 차량의 기울기를 측정하는 방법은 노면 기울기가 합산된 값을 계산하기 때문에 차량 자체의 기울기 값을 얻을 수 없다.
공개특허공보 제10-2014-0025620호, 2014.03.05. 공개
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 가속도 센서와 자이로 센서를 이용하여 산출된 차량의 각도 값에서 차량의 움직임에 따른 위치 좌표를 이용하여 산출된 노면 기울기를 제거하도록 한 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치는 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱하는 차량 센서부; 상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출하는 노면 기울기 산출부; 상기 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출하는 차량 각도값 산출부; 및 상기 산출된 노면 기울기와 상기 산출된 차량의 각도값을 이용하여 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출하는 피치 각도 산출부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 노면 기울기 산출부는 상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 상기 차량의 위치 좌표들을 순차적으로 구하고, 상기 차량의 움직임에 따라 순차적으로 구한 차량의 위치 좌표들을 이용하여 노면 기울기를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 노면 기울기 산출부는 센싱된 상기 각속도를 적분하여 방향 전환 행렬을 산출하고, 센싱된 상기 가속도를 상기 산출된 방향 전환 행렬을 이용하여 전역 좌표계로 변환하며, 상기 변환된 가속도로부터 중력값을 제거한 후 중력값이 제거된 가속도를 적분하여 차량의 속도값을 산출하고, 상기 산출된 차량의 속도값을 적분하여 상기 차량의 위치 좌표를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 차량 각도값 산출부는 노면 수직방향의 가속도 성분과 차량의 진행방향의 가속도 성분을 이용하여 상기 차량 각도값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 피치 각도 산출부는 상기 산출된 차량의 각도값에서 상기 노면 기울기를 차감하여 그 차감한 결과로 상기 차량의 피치 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법은 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱하는 차량 센싱단계; 상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출하는 노면 기울기 산출단계; 상기 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출하는 차량 각도값 산출단계; 및 상기 산출된 노면 기울기와 상기 산출된 차량의 각도값을 이용하여 상기 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출하는 피치 각도 산출단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 노면 기울기 산출단계는 상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 상기 차량의 위치 좌표들을 순차적으로 구하고, 상기 차량의 움직임에 따라 순차적으로 구한 차량의 위치 좌표들을 이용하여 노면 기울기를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 노면 기울기 산출단계는 센싱된 상기 각속도를 적분하여 방향 전환 행렬을 산출하고, 센싱된 상기 가속도를 상기 산출된 방향 전환 행렬을 이용하여 전역 좌표계로 변환하며, 상기 변환된 가속도로부터 중력값을 제거한 후 중력값이 제거된 가속도를 적분하여 차량의 속도값을 산출하고, 상기 산출된 차량의 속도값을 적분하여 상기 차량의 위치 좌표를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 차량 각도값 산출단계는 노면 수직방향의 가속도 성분과 차량의 진행방향의 가속도 성분을 이용하여 상기 차량 각도값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 피치 각도 산출단계는 상기 산출된 차량의 각도값에서 상기 노면 기울기를 차감하여 그 차감한 결과로 상기 차량의 피치 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 가속도 센서와 자이로 센서를 이용하여 산출된 차량의 각도 값에서 차량의 움직임에 따른 위치 좌표를 이용하여 산출된 노면 기울기를 제거하여 차량의 피치 각도를 산출하도록 함으로써, 추가적인 하드웨어가 필요하지 않아 원가 절감 및 부품 장착 공수를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 추가적인 하드웨어가 필요하지 않아 기존 대비 원가 절감 및 부품 장착 공수를 줄일 수 있기 때문에, 제품의 양산성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 각도 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 기울기 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 좌표 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
특히, 본 발명에서는 일정한 기울기의 노면을 운행하는 경우, 가속도 센서와 자이로 센서를 이용하여 산출된 차량의 각도 값에서 차량의 움직임에 따른 위치 좌표를 이용하여 산출된 노면 기울기를 제거하여 차량의 피치 각도를 산출하도록 새로운 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치는 차량 센서부(110), 노면 기울기 산출부(120), 차량 각도값 산출부(130), 피치 각도 산출부(140)를 포함할 수 있다.
차량 센서부(110)는 가속도 센서와 자이로 센서 등을 구비할 수 있다. 예컨대, 차량 센서부(110)는 구비된 가속도 센서를 통해 차량의 가속도를 센싱할 수 있다. 또한 차량 센서부(110)는 구비된 자이로 센서를 통해 차량의 각속도를 센싱할 수 있다.
노면 기울기 산출부(120)는 센싱된 차량의 가속도 또는 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 위치 좌표를 구하고 그 구한 위치 좌표를 이용하여 노면 기울기를 산출할 수 있다.
차량 각도값 산출부(130)는 센싱된 차량의 가속도 또는 각속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출할 수 있다.
예컨대, 차량 각도값 산출부(130)는 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출할 수 있는데, 차량의 각도값 θACC은 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
[수학식 1]
θACC = tan-1
Figure 112015122172319-pat00001
여기서, ACC_Z는 노면 수직방향의 가속도 성분, ACC_Y는 차량의 진행방향의 가속도 성분을 나타낸다.
피치 각도 산출부(140)는 산출된 노면 기울기와 차량의 각도값을 이용하여 차량의 피치 각도를 산출할 수 있다. 즉, 피치 각도 산출부(140)는 산출된 차량의 각도값에서 노면 기울기를 차감하여 그 차감한 값으로 차량의 피치 각도를 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 각도 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 노면 기울기와 차량의 각도값을 이용하여 피치 각도를 산출할 수 있는데, 피치 각도 θpitch 는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낸다.
[수학식 2]
θpitch = θACC - θslope
여기서, θACC는 차량의 각도값, θslope는 차량의 위치좌표를 이용하여 산출된 노면 기울기를 나타낸다.
예컨대, 차량의 첫번째 위치(200)에서 피치 각도 θpitch 는 0으로 산출될 수 있다.
차량의 두번째 위치(210)에서 피치 각도 θpitch는 노면 기울기 θslope와 동일하게 산출될 수 있다. 즉, 노면 기울기 θslope와 차량의 각도값 θACC이 동일하게 나타난다.
차량의 세번째 위치(220)에서 노면으로부터 차량이 소정의 각도로 기울어져 피치 각도 θpitch는 차량의 각도값 θACC에서 노면 기울기 θslope를 뺀 값으로 산출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면 기울기 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 차량이 진행 방향으로 움직이면 차량의 위치 좌표는 (X,Y,Z) ~ (Xn,Yn,Zn)으로 생성되고, 이렇게 생성된 위치 좌표로부터 노면 기울기를 얻을 수 있다.
이때, (X,Y,Z)는 차량의 위치 좌표로서, 자이로 센서와 가속도 센서의 융합으로 생성된 좌표일 수 있다. 이러한 위치 좌표는 일반적인 센서 융합 방식을 이용하여 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 좌표 산출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 사용하는 자이로 센서와 가속도 센서의 융합 방식을 이용하여 차량의 위치 좌표를 구할 수 있다. 예컨대, 차량의 위치 좌표는 SINS(Strapdown Inertial Navigation System)을 이용하여 구할 수 있다.
이렇게 SINS를 이용하여 차량의 위치 좌표를 구하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저 자이로 센서의 각속도 또는 출력값을 적분하여 방향 전환 행렬을 산출할 수 있다.
가속도 센서의 가속도 또는 출력값을 상기 산출된 방향 전환 행렬을 이용하여 전역 좌표계(global coordinate)로 변환할 수 있다.
상기 변환된 가속도 센서의 출력값으로부터 중력값을 제거한 후 중력값이 제거된 가속도 센서의 출력값을 적분하여 차량의 속도값을 산출할 수 있다. 즉, 가속도 센서의 출력값을 적분하여 변화량을 산출하고, 그 산출된 변화량과 차량의 이전 주기의 속도를 이용하여 현재 시점에서의 차량의 속도를 산출할 수 있다.
이때, 이렇게 산출된 차량의 속도 vg(t)는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낸다.
[수학식 2]
Figure 112015122172319-pat00002
여기서, vg(0)는 초기 속도(initial velocity), ag(t)는 전역 좌표계로 변환된 가속도, gg는 중력(gravity)에 의해 발생된 가속도를 나타낸다.
상기 산출된 차량의 속도값을 적분하여 차량의 위치 좌표 (X, Y, Z)를 산출할 수 있다. 즉, 차량의 속도값을 적분하여 거리값을 산출하고, 그 산출된 거리값과 차량의 이전 주기의 위치 좌표를 이용하여 현재 시점에서의 차량의 위치 좌표를 산출할 수 있다.
이때, 이렇게 산출된 차량의 위치좌표 sg(t)는 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
[수학식 3]
Figure 112015122172319-pat00003
여기서, sg(0)는 초기 위치 좌표(initial position), vg(t)는 차량의 속도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치(이하 피치각도 산출장치라고 한다)는 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱할 수 있다(S510).
다음으로, 피치각도 산출장치는 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출할 수 있다.
구체적으로, 피치각도 산출 장치는 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 차량의 위치 좌표들을 순차적으로 구하고(S520) 차량의 움직임에 따라 순차적으로 구한 차량의 위치 좌표들을 이용하여 노면 기울기를 산출할 수 있다(S530).
또한 피치각도 산출장치는 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출할 수 있다(S540).
다음으로, 피치각도 산출장치는 산출된 노면 기울기와 산출된 차량의 각도값을 이용하여 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출할 수 있다(S550).
이때, 피치각도 산출장치는 상기 산출된 차량의 각도값에서 산출된 노면 기울기를 차감하여 제거함으로써, 그 차감한 결과로 차량의 피치 각도를 산출할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 차량 센서부
120: 노면 기울기 산출부
130: 차량 각도값 산출부
140: 피치 각도 산출부

Claims (10)

  1. 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱하는 차량 센서부;
    상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출하는 노면 기울기 산출부;
    상기 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출하는 차량 각도값 산출부; 및
    상기 산출된 노면 기울기와 상기 산출된 차량의 각도값을 이용하여 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출하는 피치 각도 산출부;를 포함하고,
    상기 노면 기울기 산출부는,
    상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 상기 차량의 위치 좌표들을 순차적으로 구하고, 상기 차량의 움직임에 따라 순차적으로 구한 차량의 위치 좌표들을 이용하여 노면 기울기를 산출하되,
    센싱된 상기 각속도를 적분하여 방향 전환 행렬을 산출하고, 센싱된 상기 가속도를 상기 산출된 방향 전환 행렬을 이용하여 전역 좌표계로 변환하며, 상기 변환된 가속도로부터 중력값을 제거한 후 그 중력값이 제거된 가속도를 적분하여 차량의 속도값을 산출하고, 상기 산출된 차량의 속도값을 적분하여 상기 차량의 위치 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 차량 각도값 산출부는,
    노면 수직방향의 가속도 성분과 차량의 진행방향의 가속도 성분을 이용하여 상기 차량 각도값을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 피치 각도 산출부는,
    상기 산출된 차량의 각도값에서 상기 노면 기울기를 차감하여 그 차감한 결과로 상기 차량의 피치 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 장치.
  6. 일정한 기울기의 노면을 주행할 경우, 차량의 가속도와 각속도를 센싱하는 차량 센싱단계;
    상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 노면 기울기를 산출하는 노면 기울기 산출단계;
    상기 센싱된 차량의 가속도를 이용하여 차량의 각도값을 산출하는 차량 각도값 산출단계; 및
    상기 산출된 노면 기울기와 상기 산출된 차량의 각도값을 이용하여 상기 노면으로부터 차량의 기울어진 각도를 나타내는 차량의 피치 각도를 산출하는 피치 각도 산출단계;를 포함하고,
    상기 노면 기울기 산출단계는,
    상기 센싱된 차량의 가속도와 각속도를 이용하여 차량의 움직임에 따른 상기 차량의 위치 좌표들을 순차적으로 구하고, 상기 차량의 움직임에 따라 순차적으로 구한 차량의 위치 좌표들을 이용하여 노면 기울기를 산출하되,
    센싱된 상기 각속도를 적분하여 방향 전환 행렬을 산출하고, 센싱된 상기 가속도를 상기 산출된 방향 전환 행렬을 이용하여 전역 좌표계로 변환하며, 상기 변환된 가속도로부터 중력값을 제거한 후 그 중력값이 제거된 가속도를 적분하여 차량의 속도값을 산출하고, 상기 산출된 차량의 속도값을 적분하여 상기 차량의 위치 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 차량 각도값 산출단계는,
    노면 수직방향의 가속도 성분과 차량의 진행방향의 가속도 성분을 이용하여 상기 차량 각도값을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 피치 각도 산출단계는,
    상기 산출된 차량의 각도값에서 상기 노면 기울기를 차감하여 그 차감한 결과로 상기 차량의 피치 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 피치 각도를 산출하기 위한 방법.
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