KR101868096B1 - 항법 성능 검증 장치 및 방법 - Google Patents

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유태석
윤선일
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엘아이지넥스원 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치는, 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득하는 정보획득부, 상기 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성하고, 상기 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부, 상기 생성된 보상 데이터를 이용하여, 상기 제1 정보 및 제2 정보를 보상하는 보상부 및 상기 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 상기 생성된 제3 정보를 융합하여, 상기 대상의 항법 성능을 검증하는 항법 성능 검증부를 포함할 수 있다.

Description

항법 성능 검증 장치 및 방법{Apparatus and method for performance verification test of inertial measurement unit}
본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야는 항법 성능 검증 장치 및 방법에 관한 것이다.
무인잠수정의 항법 시스템은 수중 환경의 특수성으로 인한 제한사항으로 GPS 정보 사용이 불가능하다. 이에 지상에서 운용되는 무인지상차량(UGV, Unmanned ground vehicle) 및 공중에서 운용되는 무인항공기(UAV, Unmanned aerial vehicle)와는 차별화된 항법 시스템 설계가 필요하다. 특히 대형급 무인잠수정의 경우 수중 항해 시간이 길고 장기간 운행을 해야 하기 때문에 복합항법의 정확성에 대한 중요성이 높다. 전체 임무 수행에 있어서 탐색용 무인잠수정의 위치 정보는 매우 중요한 요소이며, 보다 정밀한 위치정보 산출을 위하여 복합 항법 알고리즘 개발에 다양한 연구가 이루어지고 있다.
관성측정장치(IMU, Inertial measurement unit) 및 속도 보정장치는 복합 항법을 구현하기 위해 필요한 수중 환경에서 사용하는 대표적인 센서이다. 하지만, IMU를 통해 계산된 항법정보는 짧은 시간에는 정확하나, 각속도와 가속도 성분을 적분하여 항법 결과를 계산하는 특성으로 인하여 오차가 누적되는 단점이 있다.
위와 같이 구성된 수중복합항법장치에 대한 항법 알고리즘의 성능을 검증하는 방법으로서 HILS(Hardware in the loop simulation) 시스템이 도입되었다. HILS 시스템은 무인잠수정의 수중환경에서 운동 특성을 모의하여 실제적인 하드웨어 및 소프트웨어를 복합적으로 검증하는 시스템이다. 일반적인 HILS 시스템에서는 자세모의를 수행하는 FMS(Flight motion simulator)에 관성항법장치를 장착시켜, 운동모델을 통한 FMS 제어를 통해 무인잠수정의 자세변화를 모의한다.
그러나, 이와 같은 HILS 시스템은 근본적으로 FMS가 회전운동만 수행하기 때문에 가속도값을 모의할 수 없어, 위치 정보를 필요로 하는 무인잠수정에서는 가속도의 부재로 인해 복합항법을 수행할 수 없게 하는 한계가 있었다.
한국 공개 특허 제10-2016-0038505호 (공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 항법 성능 검증 장치 및 방법은 무인잠수정에 대한 운동모델을 이용하여 외부 가속도에 대한 정보를 생성함으로써 무인잠수정의 속도 및 위치 정보를 획득하여, 위치 정보를 필요로 하는 대형급 탐색용 무인잠수정의 복합항법 성능 분석을 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치는, 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득하는 정보획득부, 상기 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성하고, 상기 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부, 상기 생성된 보상 데이터를 이용하여, 상기 제1 정보 및 제2 정보를 보상하는 보상부 및 상기 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 상기 생성된 제3 정보를 융합하여, 상기 대상의 항법 성능을 검증하는 항법 성능 검증부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 대상의 자유도에 대한 운동 모델을 통해, 상기 대상의 속도 출력 값을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있고, 상기 보상 데이터 생성부는, 상기 출력된 속도 출력 값 및 상기 제1 정보를 고려하여 상기 제3 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 보상 데이터 생성부는, 기 설정된 알고리즘을 이용하여 가속도계 바이어스(bias)를 더욱 고려하여 상기 제3 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 보상 데이터는, 상기 대상의 위치정보를 고려하여 상기 제1 정보를 보상하기 위한 제1 정보 보상 데이터 및 상기 대상의 위치정보 및 속도 정보를 고려하여 상기 제2 정보를 보상하기 위한 제2 정보 보상 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 정보 보상 데이터는 지구 자전 및 수송 각속도에 대한 데이터일 수 있다.
또한, 상기 정보 획득부는, 상기 출력부로부터 상기 대상에 대한 각속도 출력 값 및 각도 출력 값을 입력 받고, 상기 입력된 각속도 출력 값 및 각도 출력 값을 기반으로 상기 제1 정보 및 제2 정보를 획득할 수 있다.
또한, 상기 항법 성능 검증부는 상기 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 융합함으로써, 상기 대상의 자세, 속도 및 위치를 산출할 수 있다.
또한, 상기 항법 성능 검증부는, 상기 산출된 대상의 자세, 속도 및 위치에 대한 정보를 상기 출력부로 전달하고, 상기 출력부는, 상기 상기 산출된 대상의 자세, 속도 및 위치에 대한 정보를 전달받아 현재시점에서의 상기 대상의 상태를 업데이트 할 수 있다.
또한, 상기 항법 성능 검증부는 상기 제3 정보 및 상기 정보 획득부로부터 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 이용하여 합산을 통한 연산을 수행함으로써 대상의 자세, 속도 및 위치를 산출할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 방법은, 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득하는 단계, 상기 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성하고, 상기 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 데이터를 생성하는 단계, 상기 생성된 보상 데이터를 이용하여, 상기 제1 정보 및 제2 정보를 보상하는 단계 및 상기 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 상기 생성된 제3 정보를 융합하여, 상기 대상의 항법 성능을 검증하는 항법 성능 검증 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 대상의 자유도에 대한 운동 모델을 통해, 상기 대상의 속도 출력 값을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 보상 데이터 생성 단계는, 상기 출력된 속도 출력 값 및 상기 제1 정보와 기 설정된 알고리즘을 이용하여 가속도계 바이어스(bias)를 더욱 고려하여 상기 제3 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 보상 데이터는, 상기 대상의 위치정보를 고려하여 상기 제1 정보를 보상하기 위한 제1 정보 보상 데이터 및 상기 대상의 위치정보 및 속도 정보를 고려하여 상기 제2 정보를 보상하기 위한 제2 정보 보상 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 항법 성능 검증 방법이 컴퓨터에서 수행하기 위한 컴퓨터에서 판독 가능한 프로그램이 기록된 저장 매체를 제공한다.
본 발명의 항법 성능 검증 장치 및 방법은, HILS 시험 수행 시 관성항법장치(IMU)의 출력값을 사용하면서 실내에서 항법 성능까지 검증이 가능한 효과가 있다.
또한, 무인잠수정의 운동모델을 바탕으로 시험을 수행하여 차량시험에 비해 무인잠수정의 운동특성에 더 가깝게 시험할 수 있으며, 실내에서 반복된 실험을 통하여 해상시험 전 시간 및 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치가 항법 성능 검증을 수행하는 흐름을 설명하기 위해 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 수행 단계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될
수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록"등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 항법 성능 검증 장치는, 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 항법 성능을 검증하는 장치로서, 상기 대상은 수중유도무기 또는 무인무인잠수정일 수 있다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치가 항법 성능을 검증하고자 하는 대상(이하, "무인잠수정"이라 함)의 복합항법 분석을 가능하도록 하는 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 항법 성능 검증 장치는, 출력부(100), 정보 획득부(200), 보상 데이터 생성부(300), 필터부(400), 보상부(500) 및 항법 성능 검증부(600)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 출력부(100)는 무인잠수정의 자유도에 대한 운동 모델을 통해, 무인잠수정의 속도 출력 값을 출력할 수 있다. 예컨대, 상기 출력부(100)는 무인잠수정의 6자유도 운동 모델을 생성하는 장치일 수 있다. 6자유도 운동이란, 바다의 수면을 항해하는 무인잠수정의 해상파에 의해 받게 되는 진동운동으로서 3개의 직선운동과 3개의 회전운동을 말한다.
본 발명의 항법 성능 검증 장치는 무인잠수정의 중력가속도뿐만 아니라, 선형/회전 가속도까지 측정할 수 있도록 하기 위해, 상기 본 발명의 출력부(100)는 무인잠수정의 속도 및 위치 정보를 획득하기 위해 외부에서 발생되는 속도를 측정하기 위한 속도 출력 값을 생성할 수 있다.
출력부(100)는 무인잠수정의 위치 정보를 계산하기 위해 가속도 측정값이 필요한데, 정보 획득부(200)에서는 병진 운동을 제공할 수 없기 때문에 미리 설정된 환경에 따라 6자유도 운동방정식을 이용하여 계산한 모의 가속도 정보를 생성함으로써, 출력 값으로 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정보 획득부(200)는 무인잠수정의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 상기 정보 획득부(200)는 관성측정장치(IMU, Inertial measurement unit)가 구비된 운동모의장치(FMS, Flight motion simulation)일 수 있다. 정보 획득부(200)는 무인잠수정의 가속도, 보다 정확하게는 중력가속도를 출력하고, 무인잠수정의 회전운동에 따른 각속도를 출력한다. 즉, 상기 제1 정보는 무인잠수정의 중력가속도이고, 상기 제2 정보는 무인잠수정의 각속도이다.
본 발명의 정보 획득부(200)는 복합 항법을 구현하기 위해 필요한 수중 환경에서 사용하는 센서로서, 비력을 측정하는 가속도계와 회전운동을 측정하는 자이로 센서를 구비함으로써, 무인잠수정의 가속도 및 각속도 정보를 측정하고, 이를 통해 주위 환경에 영향 받지 않고 무인잠수정의 자세 및 속도, 위치정보를 독립적으로 계산할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 정보 획득부(200)는 무인잠수정에 부착되어 상기 무인잠수정과 함께 움직이면서 가속도계 및 자이로 센서를 이용하여 무인잠수정의 가속도 및 각속도를 측정하고, 이들 센서값을 토대로 무인잠수정의 자세 및 위치 정보를 산출한다. 이때 가속도계는 3축 직교좌표계에서 X, Y, Z 축 각각에 대한 가속도 정보를 측정하고, 자이로 센서의 경우 회전하는 무인잠수정의 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw) 축 각각에 대한 각속도를 측정한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도계는 선형가속도와 회전가속도와 중력가속도를 측정할 수 있다.
이때, 본 발명의 출력부(100)는 운동 모델(예컨대, 6자유도 운동 모델)을 통해 계산된 각속도 및 각도 출력값을 생성하여 정보 획득부(200)로 전달하고, 상기 정보 획득부(200)는 전달 받은 각속도 및 각도 출력값을 이용하여, 상기 무인잠수정의 중력가속도와 각속도를 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 정보 획득부(100)로부터 획득된 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 제3 정보는 선형 가속도와 회전 가속도의 합으로 정의될 수 있는 외부 가속도를 나타낸다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 보상 데이터 생성부(300)는 상기 제1 정보와, 상기 출력부(100)로부터 생성된 속도 출력 값을 전달 받아 전달받은 속도 출력 값을 이용하여 제3 정보를 생성할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 본 발명의 보상 데이터 생성부(300)는 기 설정된 알고리즘을 통한 가속도계 바이어스(bias)를 더욱 고려하여 제3 정보를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 가속도계 바이어스는 본 발명의 필터부(400)로부터 생성될 수 있다. 출력부(100)로부터 생성되는 운동모델에서 출력된 무인잠수정의 속도 및 가속도 값은 사실상 매우 이상적인 값이기 때문에, 현실과 상이한 정보일 가능성이 높다. 이에 따라, 본 발명에서는 상기 필터부(400)를 통해 추정되는 가속도계 바이어스 정보를 이용하여, 상기 출력부(100)로부터 출력된 속도 출력값을 보상할 수 있다. 여기서, 상기 필터부(400)는 확장 칼만필터(Extended Kalman filter)일 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 아래 <수학식1>을 통해, 가속도계 바이어스를 이용하여 속도 출력값을 보상한다.
Figure 112017094728776-pat00001
<수학식1>에서 fx는 x축 가속도, fy는 y축 가속도, fz는 z축 가속도,
Figure 112017094728776-pat00002
는 x축 선형가속도,
Figure 112017094728776-pat00003
는 y축 선형가속도,
Figure 112017094728776-pat00004
는 z축 선형가속도, p는 x축 각속도, q는 y축 각속도, r은 z축 각속도, fxbias는 x축 바이어스, fybias는 y축 바이어스, fzbias는 z축 바이어스, g는 중력가속도,
Figure 112017094728776-pat00005
는 롤각,
Figure 112017094728776-pat00006
는 피치각이다.
일 실시예에 따르면, 보상 데이터 생성부(300)는 6자유도 모델에서의 속도를 차분하는데 상기 x축, y축, z축 선형가속도(
Figure 112017094728776-pat00007
)값을 산출하기 위하여 칼만필터(Kalman filter)를 이용하여 산출할 수 있다.
또한, 무인잠수정의 위치가 변경됨에 따라 측정되는 각속도 값도 바뀌게 되지만, 실제로는 선형 운동하지 않고 회전운동만 하기 때문에 현재 측정되는 각속도 값에 대한 보상이 필요하다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 상기 정보 획득부(200)로부터 획득된 제1 정보인 무인잠수정의 중력가속도 값을 보상하기 위해 무인잠수정의 위치 정보를 고려하여 제1 정보 보상 데이터를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 제1 정보 보상 데이터는 중력 가속도에 대한 데이터이다.
본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 아래 <수학식2>를 통해, 보상을 위한 제1 정보 보상 데이터(중력 가속도)를 이용하여 제1 정보(중력 가속도)를 보상한다.
Figure 112017094728776-pat00008
Figure 112017094728776-pat00009
Figure 112017094728776-pat00010
<수학식2>에서
Figure 112017094728776-pat00011
는 보상된 중력가속도(제1 정보),
Figure 112017094728776-pat00012
는 가속도계가 측정한 측정값, g(0)는 현재위치의 중력가속도(정보 획득부(관성측정장치))의 현재위치에서의 중력가속도),
Figure 112017094728776-pat00013
는 자세변환 매트릭스,
Figure 112017094728776-pat00014
는 제1 정보를 보상하기 위한 제1 정보 보상 데이터(중력 가속도), L은 위도이다.
그리고, 제2 정보인 각속도를 보상하기 위해, 무인잠수정의 위치 및 속도를 고려하여 제2 정보 보상 데이터를 생성한다. 상기 제2 정보 보상 데이터는 지구 자전 및 수송 각속도에 대한 데이터일 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 아래 <수학식3>을 통해, 지구 자전 각속도 및 수송 각속도를 이용하여 제2 정보(각속도)를 보상한다.
Figure 112017094728776-pat00015
Figure 112017094728776-pat00016
Figure 112017094728776-pat00017
<수학식3>에서
Figure 112017094728776-pat00018
는 바디 프레임(body frame)에서 바라본 관성 프레임(inertial frame)에 대해 측정되는 각속도,
Figure 112017094728776-pat00019
는 바디 프레임(body frame)에서 바라본 네비게이션 프레임(navigation frame)에 대해 측정되는 각속도,
Figure 112017094728776-pat00020
바디 프레임(body frame)과 네비게이션 프레임 사이에서 측정되는 순수 각속도,
Figure 112017094728776-pat00021
는 자세 변환 역 매트릭스,
Figure 112017094728776-pat00022
는 지구자전 각속도,
Figure 112017094728776-pat00023
는 수송 각속도(transport rate),
Figure 112017094728776-pat00024
는 보상된 바디 프레임(body frame)에서 바라본 관성 프레임(inertial frame)에 대해 측정되는 각속도,
Figure 112017094728776-pat00025
은 보상된 지구자전 각속도,
Figure 112017094728776-pat00026
은 보상된 수송 각속도, L0는 현재 위도를 의미한다.
이때, 상기 바디 프레임(body frame)은 지구를 중심으로 항법 성능 장치가 고정된 자세에서의 좌표를 의미하고, 관성 프레임(inertial frame)은 바디프레임의 좌표에서 지표면으로 변환한 경우를 의미하며, 네비게이션 프레임(navigation frame)은 센서기준에서의 항법 성능장치의 좌표를 의미한다.
이렇게, 보상 데이터 생성부(300)로부터 생성된 제1 및 제2 정보 보상 데이터를 이용하여, 본 발명의 실시예에 따른 보상부(400)는 정보 획득부(200)로부터 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상한다.
본 발명의 실시예에 따른 항법 성능 검증부(600)는 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 융합하여, 무인잠수정의 항법 성능을 검증할 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 장치가 항법 성능 검증을 수행하는 흐름을 설명하기 위해 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도2를 참고하면, 본 발명의 출력부(100)는 6자유도 운동 방정식을 통한 운동모델을 생성함으로써, 정보 획득부(200) 및 보상 데이터 생성부(300) 각각에 출력값을 전달할 수 있다. 이때, 출력부(100)가 정보 획득부(200)로 전달하는 출력값은 정보 획득부(200) 구동명령(FMS 명령)으로서 인식될 수 있다.
이에 따라, 구동명령을 전달 받은 정보 획득부(200)는 내부에 구비된 가속도계 및 자이로 센서를 이용하여, 무인잠수정의 중력가속도 및 각속도를 측정한다. 보상 데이터 생성부(300)는 본 발명의 무인잠수정의 항법 성능을 보다 효율적으로 검증하기 위한 무인잠수정의 위치 및 속도 측정을 위해 제3 정보(무인잠수정의 외부가속도 값)를 생성한다. 이때, 상기 제3 정보는 상술한 바와 같이, 출력부(100)로부터 전달 받은 속도 출력 값과 정보 획득부(200)로부터 전달 받은 제2 정보 및 필터부(400)로부터 전달 받은 가속도계 바이어스를 모두 이용하여 생성할 수 있다.
또한, 보상 데이터 생성부(300)는 상술한 바와 같이, 제1 보상 데이터 및 제2 보상 데이터를 생성하고, 보상부(500)는 상기와 같이 생성된 제1 보상 데이터 및 제2 보상 데이터 각각을 이용하여 제1 정보 및 제2 정보를 보상하도록 한다.
본 발명의 항법 성능 검증부(600)는 이렇게 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 생성된 제3 정보를 융합하여, 무인잠수정의 자세, 속도 및 위치를 계산하고, 그에 따라 무인잠수정의 항법 성능을 검증한다.
일 실시예로서, 본 발명의 항법 성능 검증부(600)는 항법 알고리즘을 수행하는 구성요소로서, 본 발명의 정보 획득부(200)와 동일한 기능을 수행하지만, 정보획득부보다 더 정밀한 자세 및 위치를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따른 항법 성능 검증부(600)는 상기 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 이용한 합산을 통한 연산을 수행함에 따라 무인잠수정의 자세, 속도 및 위치를 산출할 수 있고, 이렇게 산출된 상기 정보들을 출력부(100)로 전달함으로써, 무인잠수정의 상태를 업데이트 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 정보 획득부(200, IMU)의 출력 값은 그대로 사용하고, 출력부(100)로부터 실시간으로 연산하는 6자유도 운동방정식의 출력값을 바탕으로 외부 가속도(제3 정보)를 생성하고, 항법 성능 검증부(600)는 생성된 외부 가속도(제3 정보)를 전달 받아, 정보 획득부(200)로터 획득된 제1 및 제2 정보들을 더해줌으로써, 실제로는 3축에 대한 회전운동만 하고 있지만, 본 발명의 항법 성능 검증 장치는 외부 가속도(제3 정보)를 입력을 받아 스스로 움직이는 것처럼 인식하여 무인잠수정의 속도 및 위치 정보에 대한 연산을 수행한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 보상 데이터 생성부(300)는 가속도계 바이어스와, 상기 생성된 제1 보상 데이터 및 제2 보상 데이터를 이용하여, 아래 <수학식4>와 같은 6자유도 모델에 적용함으로써 제3 정보(외부 가속도)를 생성한다.
Figure 112017094728776-pat00027
<수학식4>에서 fx는 x축 가속도, fy는 y축 가속도, fz는 z축 가속도,
Figure 112017094728776-pat00028
는 x축 선형가속도,
Figure 112017094728776-pat00029
는 y축 선형가속도,
Figure 112017094728776-pat00030
는 z축 선형가속도, p는 x축 각속도, q는 y축 각속도, r은 z축 각속도, g는 중력가속도,
Figure 112017094728776-pat00031
는 롤각,
Figure 112017094728776-pat00032
는 피치각이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 검증 수행 단계를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 본 발명의 항법 성능 검증 장치는, 무인잠수정의 동작 및 구동을 제어하는 제어부 및 구동부를 더욱 포함할 수 있다. 도3을 참조하면, 본 발명의 항법 성능 검증 장치의 제어부(미도시)는 무인잠수정의 자세를 제어하기 위한 신호를 생성하여, 생성된 신호를 구동부로 전달함으로써, 본 발명의 구동부는 무인잠수정(수중운동체)의 자세를 제어하기 위해 구동기를 동작시킬 수 있다.
출력부(100)는 구동부(미도시)의 동작에 따라 변경된 현재의 자세(타각) 및 위치 정보를 전달 받고, 전달 받은 정보를 고려한 6자유도 운동방정식을 통해 무인잠수정의 자세 및 각속도 정보를 정보 획득부(200)로 전달하고, 보상 데이터 생성부(300)가 별도로 생성한 외부가속도 정보를 항법 성능 검증부(600)로 전달함으로써, 항법 성능 검증부(600)는 무인잠수정의 위치, 속도 및 자세를 계산한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 항법 성능 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다. 도4에 도시된 바와 같이, S40 단계에서 본 발명의 출력부(100)는 정보 획득부(200) 및 보상 데이터 생성부(300)에 출력 값을 각각 생성하여 전달한다. S41단계에서, 정보 획득부(200)는 전달 받은 출력 값을 토대로 무인잠수정의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득한다.
다음으로, S42 단계에서, 보상 데이터 생성부(300)는 출력부(100)로부터 전달받은 출력값을 토대로 무인잠수정의 외부가속도와 관련된 제3 정보를 생성하고, S43 단계에서 상기 제1 정보 및 제2 정보 각각을 보상하기 위한 제1 보상 데이터 및 제2 보상 데이터를 생성한다.
보상 데이터 생성부(300)로부터 제1 보상 데이터 및 제2 보상 데이터가 생성되고 나면, S43 단계에서 본 발명의 보상부(500)는 각 데이터들을 이용하여 제1 정보 및 제2 정보를 보상한다.
S45 단계에서, 본 발명의 항법 성능 검증부(600)는 보상된 제1 정보 및 제2 정보와 생성된 제3 정보들을 융합함으로써, 무인잠수정의 위치, 속도 및 자세를 측정하여, 항법 성능을 검증한다.
이렇게, 측정된 상기 무인잠수정의 위치, 속도, 자세 정보는 S46단계에서 다시 출력부(100)로 전달되어, 현재 시점에서의 무인잠수정의 상태를 업데이트할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 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 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 출력부
200: 정보 획득부
300: 보상 데이터 생성부
400: 필터부
500: 보상부
600: 항법 성능 검증부

Claims (13)

  1. 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득하는 정보획득부;
    상기 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성하고, 상기 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부;
    상기 생성된 보상 데이터를 이용하여, 상기 제1 정보 및 제2 정보를 보상하는 보상부; 및
    상기 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 상기 생성된 제3 정보를 융합하여, 상기 대상의 항법 성능을 검증하는 항법 성능 검증부;
    를 포함하는 항법 성능 검증 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상의 자유도에 대한 운동 모델을 통해, 상기 대상의 속도 출력 값을 출력하는 출력부를 더 포함하고,
    상기 보상 데이터 생성부는, 상기 출력된 속도 출력 값 및 상기 제1 정보를 고려하여 상기 제3 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보상 데이터 생성부는, 기 설정된 알고리즘을 이용하여 가속도계 바이어스(bias)를 더욱 고려하여 상기 제3 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보상 데이터는, 상기 대상의 위치정보를 고려하여 상기 제1 정보를 보상하기 위한 제1 정보 보상 데이터 및 상기 대상의 위치정보 및 속도 정보를 고려하여 상기 제2 정보를 보상하기 위한 제2 정보 보상 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 정보 보상 데이터는 지구 자전 및 수송 각속도에 대한 데이터인 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 정보 획득부는, 상기 출력부로부터 상기 대상에 대한 각속도 출력 값 및 각도 출력 값을 입력 받고, 상기 입력된 각속도 출력 값 및 각도 출력 값을 기반으로 상기 제1 정보 및 제2 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 항법 성능 검증부는 상기 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 융합함으로써, 상기 대상의 자세, 속도 및 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 항법 성능 검증부는, 상기 산출된 대상의 자세, 속도 및 위치에 대한 정보를 상기 출력부로 전달하고,
    상기 출력부는, 상기 산출된 대상의 자세, 속도 및 위치에 대한 정보를 전달받아 현재시점에서의 상기 대상의 상태를 업데이트 하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 항법 성능 검증부는 상기 제3 정보 및 상기 정보 획득부로부터 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 이용하여 합산을 통한 연산을 수행함으로써 대상의 자세, 속도 및 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 장치.
  10. 항법 성능을 검증하고자 하는 대상의 가속도와 관련된 제1 정보 및 각속도와 관련된 제2 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 정보를 이용하여 외부로부터 발생되는 가속도에 대한 제3 정보를 생성하고, 상기 획득된 제1 정보 및 제2 정보를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 데이터를 생성하는 단계;
    상기 생성된 보상 데이터를 이용하여, 상기 제1 정보 및 제2 정보를 보상하는 단계; 및
    상기 보상된 제1 정보, 제2 정보 및 상기 생성된 제3 정보를 융합하여, 상기 대상의 항법 성능을 검증하는 항법 성능 검증 단계;
    를 포함하는 항법 성능 검증 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 대상의 자유도에 대한 운동 모델을 통해, 상기 대상의 속도 출력 값을 출력하는 단계를 더 포함하고,
    상기 보상 데이터 생성 단계는, 상기 출력된 속도 출력 값 및 상기 제1 정보와 기 설정된 알고리즘을 이용하여 가속도계 바이어스(bias)를 더욱 고려하여 상기 제3 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보상 데이터는, 상기 대상의 위치정보를 고려하여 상기 제1 정보를 보상하기 위한 제1 정보 보상 데이터 및 상기 대상의 위치정보 및 속도 정보를 고려하여 상기 제2 정보를 보상하기 위한 제2 정보 보상 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법 성능 검증 방법.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 항법 성능 검증 방법을 컴퓨터에서 수행하기 위한 컴퓨터에서 판독 가능한 프로그램이 기록된 저장 매체.
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