KR101764222B1 - 고정밀 측위 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인 자율주행 기술에 있어서 고정밀 측위를 수행하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고정밀 측위 시스템은 좌표축을 기준으로 대응되어 배치되는 복수의 카메라를 포함하여, 정밀 측위를 수행하는 3D 비전 시스템 및 이와 동기화되어 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값을 측정하는 관성측정유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고정밀 측위 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR HIGH PRECISE POSITIONING}

본 발명은 무인 자율주행 기술에 있어서 고정밀 측위를 수행하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

급속한 산업화 및 기술 발전에 따라 증가한 차량으로 인하여 편의성이 증대되었으나, 교통 혼잡 및 교통 사고 발생은 심각한 사회문제로 대두되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 종래 기술 가운데, 대표적으로 안전하고 편리한 이동이 가능한 무인 자율 주행 시스템이 제안되었다.

자율 주행 시스템은 주행 방향 결정 및 장애물 검출 등 다양한 분야로 분류될 수 있으나, 그 핵심은 차량에 대한 정확한 위치 결정이다.

하지만 도심의 복잡한 환경에서의 위치결정은 센서들간의 간섭, 반사파 및 여러 장애요소로 인하여 정밀 측위가 어려운 문제점이 있고, 종래 기술에 따른 라이다(LiDAR)가 적용된 모바일 맵핑 시스템은 고가의 라이다를 사용하여야 함에 따라 그 적응성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 위성항법시스템과 3D 비전 시스템을 융합한 고정밀 측위 시스템 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 고정밀 측위 시스템은 좌표축을 기준으로 대응되어 배치되는 복수의 카메라를 포함하여, 정밀 측위를 수행하는 3D 비전 시스템 및 이와 동기화되어 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값을 측정하는 관성측정유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고정밀 측위 방법은 가시 위성수를 모니터링하는 단계와, 가시 위성수가 기설정 개수 이상인 경우, 관성측정유닛을 이용하여 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값을 측정하고, 관성측정유닛과 동기화된 3D 비전 시스템을 이용하여 포인트 클라우드를 획득하는 단계 및 가시 위성수가 기설정 개수보다 적은 경우, 3D 비전 시스템으로부터 획득되는 측정 좌표값을 보정 데이터로 이용하여 관성측정유닛의 오차를 보정하며 이동체의 좌표값을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고정밀 측위 시스템 및 방법은 고가의 라이다를 적용하지 아니하고도, 위헝상법 시스템과 직교좌표축에 대응되도록 배치된 복수의 카메라를 이용하여 좌표축에 따른 위상차와 정확도를 모두 확보하는 것이 가능한 3D 비전 시스템을 융합함으로써 고정밀 측위가 가능하고, 누적 오차를 보정해주는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면 이미지, 좌표, 롤피치값을 획득하고 그에 대한 후처리 연산을 단일 하드웨어에서 수행함으로써, 무인 자율 주행 이동체(차량, 로좃 등)에 적용성이 뛰어난 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 비전 시스템을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서, 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경에 대하여 먼저 살펴보기로 한다.

무인 자율 운행 시스템의 핵심 기술은 고정밀 측위와 관련된 기술이다.

종래 기술에 따른 고정밀 측위 기술은 무인 자동차의 자율주행 시스템, 드론의 무인 비행 기술, 로봇의 자율 운행, 실내외 모바일 맵핑 시스템(MMS, Mobile Mapping System) 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

이러한 종래 기술에 따른 고정밀 측위 기술의 구현에는 위성항법 시스템, 스테레오 비전 시스템, LiDAR, Radar, IMU(Inertial Measurement Unit) 등 다양한 센서가 융합(integration)되고 있다.

전술한 바와 같이 종래 기술에 따른 고정밀 측위 기술에는 LiDAR, 위성항법시스템, 스테레오 카메라, IMU 등이 사용되고 있으나, 이를 무인 자동차에 적용하기에는 지나치게 고가의 장비이며, 차량 간 간섭을 일으킬 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 스테레오 카메라는 X축으로 배치된 두 개의 카메라에서 획득한 이미지의 깊이 맵(Depth Map)을 이용하여 거리를 측정하나, X축과 Y축의 정확도가 균일하지 않은 문제점이 있다.

최근 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최소한의 저가 센서만을 이용하여 고정밀 측위를 수행하는 기술이 활발히 연구되고 있으나, 위성항법시스템은 전리층 오차, 대류권 오차 등 다양한 오차로 인하여 기본적으로 가로 5미터, 세로 10미터의 오차를 포함하고, 스테레오 카메라는 거리별 오차의 증가를 포함하고 있다.

또한, 실내/외(Outdoor/Indoor) 모바일 맵핑 시스템은 기본적으로 라이다(LiDAR)를 이용하여 공간 정보를 획득하고 있는데, 실외 환경은 재난이나 신축 건설 등 한정된 경우에만 그 환경이 변하지만, 실내 환경인 대형 마트, 백화점, 공공 장소 등은 그 필요에 따라 주변 환경이 수시로 변경된다.

따라서, 변화되는 환경에 대하여 실시간으로 공간 정보를 획득하여 사용자에게 정확한 데이터를 제공하여야 함에도 불구하고, 실내 공간 획득에 고가의 장비인 라이다(LiDAR)를 사용하여야 하여 변화에 대한 즉각적인 대응이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 무인 자율 주행에는 위성항법시스템과 3D 카메라를 이용하여 고정밀 측위를 수행하고, 실내(Indoor) 공간 정보 획득에는 3D 카메라를 이용하여 포인트 클라우드를 생성하는 정밀한 측위 시스템 및 방법을 제안하되, X축 및 Y축으로 카메라를 배치함으로써, X축과 Y축의 위상차 및 정확도를 더욱 향상시키고, 차량, 로봇 등 이동체에 적용성이 뛰어난 고정밀 측위 시스템 및 방법을 제공한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3의 상세한 설명으로부터 본 발명의 바람직한 실시예를 서술하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 시스템은 좌표축을 기준으로 대응되어 배치되는 복수의 카메라를 포함하여, 정밀 측위를 수행하는 3D 비전 시스템(200) 및 3D 비전 시스템(200)과 동기화되어 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값을 측정하는 관성측정유닛(300)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 GNSS(100)는 위성항법시스템으로, GNSS 데이터를 출력한다.

이러한 GNSS(100)는 음영 지역 또는 어반 캐니언(urban canyon, 고층 건축 등이 밀집하고 있는 시가지 공간)과 같은 환경에서는, 위성으로부터 신호를 정상적으로 받지 못하며, 위치 측정의 오차가 커지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 3D 비전 시스템(200)을 구성하는 복수의 카메라를 이용하여, 고가의 라이다를 적용하지 아니하고도 실내 공간에 대하여도 고정밀 측위를 수행하게 되며, 각 센서들의 동기를 맞추기 위하여 실시간 동기화 제어 유닛(400)이 포함되고, 각 카메라로부터 획득된 이미지 데이터를 처리하는 데이터 처리 유닛(500)이 포함된다.

본 발명의 실시예에 따른 3D 비전 시스템(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 직교 좌표축의 가상의 원점을 기준으로, 그 원점에 배치되는 카메라(210) 및 이에 대하여 X축, Y축 상에 대응되어 배치되는 카메라(220, 230)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 3D 비전 시스템(200)은 X축과 Y축으로 카메라를 배치함으로써, X축과 Y축의 위상차 및 정확도 면에서 향상된 효과를 확보할 수 있다.

종래 기술에 따른 스테레오 카메라는 단순히 이미지를 확보하는 것이 그 목적이었으나, 본 발명의 실시예에 따르면 이미지 및 좌표, 롤피치 값 및 후처리 연산을 단일 하드웨어에서 수행하는 플랫폼이 제공됨으로써, 차량, 로봇 등의 이동체에 적용성이 뛰어난 효과가 있다.

관성측정유닛(IMU, 300)의 특성 상, GPS 신호를 일정 시간 이상 수신하지 못하는 경우, 측정 오차가 누적되어 결과적으로 큰 위치오차가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 라이다를 사용하지 않는 저가의 MEMS 관성측정유닛(300)를 사용함에 있어서 발생되는 전술한 위치 오차를 보정하기 위하여, 3D 비전 시스템(200)을 이용한 정확한 위치 측정 방식을 제안한다.

본 발명의 실시예에 따른 관성측정유닛(300)은 GPS와 INS가 결합된 형태로서, INS(Inertial Navigation System, 관성 항법 장치)는 관성센서의 출력을 적분하여 위치를 계산함으로써 정확한 항법 정보를 제공한다.

소형화, 경량화된 INS는 외부 인가 정보 없이 독립적으로 대상체의 위치와 자세를 파악할 수 있어 무인 헬기, 로보틱스 등에 적용되고 있으며, 근래에는 사람의 움직임 측정 또는 이동체의 참값(정확한 값) 측정 및 자동차의 위치 추적 시 음영 지역 문제 해결을 위한 분야에 적용된다.

INS의 동작 원리는 자이로스코프에서 방위 기준을 정하고, 가속도계를 이용하여 대상체의 이동 변위를 구하고, 대상체의 초기 위치를 입력하면 대상체의 위치와 속도를 연산하여 대상체의 현재 위치를 파악하는 것으로서, 자이로스코프 및 가속도계의 정보를 이용하여 대상체의 위치 및 자세 정보를 수Hz부터 수백 Hz의 높은 데이터 송수신율로 측정할 수 있으므로, 짧은 시간 동안 매우 정밀한 항법 성능을 가지므로, 데이터 전송률이 높고 외부 교란에 둔감한 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 GPS와 전술한 INS가 결합된 관성측정유닛(300)이 적용되는 바, 실내 측위에서도 그에 앞서 측위 수행의 시작은 위성으로부터 신호를 수신할 수 있는 외부 환경에서 이루어진다.

가시 위성수가 기설정된 개수(4개) 이상인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 시스템은 환경을 실외로 판단하고, 관성측정유닛(300)을 이용하여 정밀 측위를 수행하며, 관성측정유닛(300) 및 3D 비전 시스템(200)의 실시간 동기화 후 3D 비전 시스템(200)을 이용하여 고정밀 포인트 클라우드를 획득하게 된다.

가시 위성수가 기설정된 개수(4개) 미만으로 되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 시스템은 그 전 에포크(epoch)의 좌표값을 기준점으로, 관성측정유닛(300)을 이용하여 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값을 측정한다.

그러나 시간이 지나면서 측정의 오차가 누적되는 바, 본 발명의 실시예에 따른 3D 비전 시스템(200)을 이용하여 측정된 좌표값을 관성측정유닛(300)의 보정 데이터로 사용하게 된다.

이러한 보정 과정을 거친 후, 본 발명의 실시예에 따른 관성측정유닛(300)은 다시 정밀 좌표값을 측정하게 되는데, 관성측정유닛(300) 및 3D 비전 시스템(200)은 전술한 바와 같이 실시간 동기화 제어 유닛(400)으로부터 수신한 동기화 신호에 따라 동기화가 이루어지며, 3D 비전 시스템(200)은 실내 환경에 대한 고정밀 포인트 클라우드를 획득하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명의 실시예에 따른 고정밀 측위 방법은 GPS와 INS가 융합된 관성측정유닛을 사용하여 수행되는 바, 가시 위성수가 기설정 개수에 부합하는지 여부에 따라 각 단계가 수행된다.

S100 단계는 가시 위성수를 모니터링하는 단계로서, 가시 위성수가 기설정 개수(예: 4개) 미만인지 여부를 확인하는 단계이다.

관성측정유닛의 구동은 기설정된 개수보다 큰 위성들로부터 신호를 받을 수 있는 외부에서 그 작동을 시작하는 것을 전제로 하며, S100 단계에서 가시 위성수가 기설정된 개수 미만이 되는 경우, 그 전 에포크의 좌표값을 기준점으로 설정하게 된다(S400).

그 후, 관성 측정 유닛을 이용한 정밀 측위가 수행되는데(S450), 가시 위성수가 기설정된 개수 미만인 경우에 해당하므로, 측정 시간이 흐를수록 그 오차가 누적되게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 3D 비전 시스템을 이용하여 좌표값을 측정하고(S500), 이 단계에서 측정된 좌표값은 관성측정유닛의 보정 데이터로 사용된다(S550).

본 발명의 실시예에 따른 3D 비전 시스템은, 종래 기술에 따른 스테레오카메라와는 상이하게, X축 및 Y축으로 배치되는 카메라를 포함함으로써, X축과 Y축의 위상차 및 정확도를 확보하는 것이 가능하다.

이러한 보정 과정이 수행된 후, 관성측정유닛은 다시 정밀 좌표값을 측정하게 되고(S550), 관성측정유닛 및 3D 비전 시스템은 동기화 신호에 따라 상호 동기화되며(S600), 3D 비전 시스템은 원하는 실내 환경에 대한 고정밀 포인트 클라우드를 획득하게 된다(S650).

S100 단계에서 가시 위성수를 모니터링한 결과, 가시 위성수가 4개 이상으로 확보되는 경우, 측위 환경이 실내가 아닌 실외로 판단하고, 관성측정유닛을 이용한 정밀 측위가 수행된다(S200).

그 후, 3D 비전 시스템과 관성측정유닛은 동기화 신호에 의하여 동기화되고(S250), 3D 비전 시스템을 이용하여 포인트 클라우드가 획득된다(S300).

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: GNSS 200: 3D 비전 시스템
210, 220, 230: 카메라 300: 관성측정유닛
400: 실시간 동기화 제어 유닛 500: 데이터 처리 유닛

Claims (9)

1. 직교 좌표축의 가상의 원점을 기준으로, 원점에 배치되는 기준 카메라 및 상기 기준 카메라에 대하여 각각 X축, Y축 상에 대응되어 배치되는 복수의 카메라를 포함하여, 정밀 측위를 수행하고, 측정된 좌표값을 기설정된 시간 간격으로 전송하는 3D 비전 시스템; 및
   가시 위성수가 기설정 개수 미만이 되는 경우, 그 전 에포크의 좌표값을 기준점으로 설정하고, 상기 가시 위성수가 기설정 개수 이상인 경우, 실외 환경임을 판단하여, 이동체의 이동 방향에 따른 좌표값 측정을 통해 정밀 측위를 수행하고, 상기 3D 비전 시스템과 동기화되어 상기 측정된 좌표값을 수신하여 이를 측정 오차에 대한 보정 데이터로 사용하는 관성측정유닛
   를 포함하는 고정밀 측위 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 3D 비전 시스템은 환경에 대한 포인트 클라우드를 획득하는 것
   인 고정밀 측위 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 3D 비전 시스템 및 관성측정유닛을 동기화시키는 동기화신호를 전송하는 실시간 동기화 제어 유닛
   을 더 포함하는 고정밀 측위 시스템.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

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