KR101960164B1 - A method for calculating a Real-Time Heading value of object using EKF-Cl - Google Patents

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Abstract

본 발명은 확장 칼만 필터를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 GPS 수신기, 단일의 EC 모듈, 및 단일의 IMU 모듈을 사용하여 산출된 GPS 및 EC 모듈에 대한 방위각과 가속도계값을 토대로 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출함으로써, 저가의 센서로도 물체의 방위각을 정확하게 산출할 수 있는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법에 관한 것이다.
또한, 수평 위치 오차(HDOP) 및 수정 품질(FIX)값을 토대로 GPS 데이터의 유효성을 별도로 평가하도록 하여 다수의 GPS로부터 획득한 GPS 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에도 EC에 대한 방위각과 IMU의 가속도계값을 이용하여 물체의 방위각을 산출하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter, and more particularly, to a method for calculating azimuth angle of an object using GPS, an EC module and a single IMU module, By calculating the final convergence azimuth angle (psi_CI) using an extended Kalman filter (EKF) with a covariance intersection (CI) based on the accelerometer value, it is possible to calculate the azimuth angle of the object using an extended Kalman And a method for calculating a real-time azimuth angle of an object using a filter (EKF-Cl).
It is also possible to evaluate the validity of the GPS data separately based on the horizontal position error (HDOP) and the correction quality (FIX) value, so that even if the GPS data acquired from the plurality of GPSs is invalid or missing, And a method for calculating an azimuth angle of an object using an accelerometer value.

Figure 112017049020175-pat00007
Figure 112017049020175-pat00007

Description

확장 칼만 필터를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법{A method for calculating a Real-Time Heading value of object using EKF-Cl}[0001] The present invention relates to a method for calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter,

본 발명은 확장 칼만 필터를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 GPS, 단일의 EC, 및 단일의 IMU를 사용하여 산출된 GPS 및 EC에 대한 방위각과 가속도계값을 토대로 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터를 사용하여 최종 융합 방위각을 산출함으로써, 저가의 센서로도 물체의 방위각을 정확하게 산출할 수 있는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터를 이용한 물체(정밀 농기계)의 실시간 방위각 산출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter, and more particularly, to a method of calculating an azimuth angle of an object based on azimuth and accelerometer values for GPS and EC calculated using a plurality of GPSs, Real-time azimuth calculation method of an object (precision farming machine) using an extended Kalman filter with a covariance intersection that can accurately calculate the azimuth angle of an object with a low-cost sensor by calculating the final convergence azimuth using an extended Kalman filter with a covariance intersection .

실내 및 도심과 같은 GPS(Global Positioning System)의 수신이 불량한 곳에서도 연속적인 위치정보를 제공할 수 있도록 GPS, 관성센서 등을 이용한 개인의 위치측정장치 및 방법이 발명되었으며 지속적인 개발 중에 있다. 또한 선박, 자동차, 항공기 등을 예정된 경로와 고도 또는 항로로 항해하기 위한 자동항법장치(Autopilot)에 이용할 수 있는 관성항법 및 위치측정기법이 발명되었다.An apparatus and method for measuring the position of an individual using GPS or an inertial sensor have been invented and are continuously under development so that continuous position information can be provided even in a case where reception of a GPS (Global Positioning System) such as indoor and urban areas is poor. In addition, inertial navigation and position measurement techniques have been invented that can be used for an autopilot to navigate ships, automobiles, aircraft, etc. to predetermined routes and altitudes or routes.

선박에의 자동항법장치는 GPS 또는 외부입력에 의해 표시되는 목표방위각과 컴파스(Compass)에 의한 선수방향을 비교하여 타각(즉, 선박이 일정한 목표지점으로 항해하려고 할 때 항로의 방향을 나타내 주는 각)을 조절하여 줌으로써 목표방향으로 자동 운항되도록 하는 장치로서, 대형 선박뿐만 아니라 소형선박에도 적용되어 사용되고 있다.An automatic navigation device to a ship compares the target azimuth indicated by the GPS or external input with the compass direction to determine the steering angle (that is, the angle that indicates the direction of the route when the ship attempts to navigate to a certain target point) ) To be automatically operated in the target direction, and is applied to small vessels as well as large-sized vessels.

특히 항공분야에서는 무인기 기종을 위한 제어보드에 항법관련신호, GPS신호 및 관성센서의 각속도와 가속도 정보를 GPS/INS 통합 항법절차에 따라 계산하여 실시간으로 전송처리하는 항법모듈를 이용한 무인기용 통합 비행제어 컴퓨터 시스템이 적용되어 사용되고 있다.Especially, in aeronautical field, the control board for UAVs calculates the angular velocity and acceleration information of navigation related signals, GPS signals and inertial sensors according to GPS / INS integrated navigation procedure, System has been applied and used.

그러나 저가의 센서로도 센서 융합 기술에 의해 농기계 등과 같은 물체의 이동 및 방위값을 정확하게 산출할 수 시스템 및 방법이 제시되고 있지 않다. However, there is not proposed a system and method that can accurately calculate the moving and azimuth values of an object such as an agricultural machine by a sensor fusion technique even with a low-cost sensor.

또한 인공위성을 이용한 위치 측정 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에도 경우 대비하여 GPS 데이터의 유효성을 별도로 평가하도록 하는 기술은 제시하고 있지 않다.In addition, there is no technique to separately evaluate the validity of GPS data in case the positioning data using the satellite is invalid or missing.

따라서, 다수의 저가용 센서 데이터들의 센서 융합을 통하여 물체의 방위각을 실시간으로 보다 정확하게 산출할 수 있는 기술이 절실한 실정이다. 또한 인공위성 정보의 신뢰성을 수평 위치 오차(HDOP, Horizontal Dilution Of Precision) 및 수정 품질(FIX, fix quality of GPS data)값을 토대로 평가하여 사용할 수 없는 부정확한 데이터일 경우 다른 센서 데이터로 대체할 수 있는 시스템이 필수적이다.Accordingly, there is an urgent need for a technology that can more accurately calculate an azimuth angle of an object in real time through sensor fusion of a plurality of low-cost sensor data. In addition, reliability of satellite information can be evaluated by using Horizontal Dilution of Precision (HDOP) and fix quality of GPS data (FIX), and can be replaced with other sensor data if the data is inaccurate The system is essential.

대한민국 등록특허 제 10-0414439 호(등록일: 2003년12월2일)Korean Registered Patent No. 10-0414439 (Registered Date: December 2, 2003)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 3개의 GPS, 단일의 EC, 및 단일의 IMU(Inertial Measurement Unit)를 사용하여 산출된 GPS 및 EC(Electronic Compass)에 대한 방위각과 가속도계값을 토대로 공분산 교차점(CI, Covariance Intersection)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출함으로써, 저가의 센서로도 물체(정밀 농기계 등)의 방위각을 정확하게 산출할 수 있는 확장 칼만 필터를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a GPS and an EC (Electronic Compass) calculated using three GPSs, a single EC, and a single IMU (Psi_CI) is calculated using an extended Kalman filter (EKF) based on azimuth and accelerometer values (CI, Covariance Intersection) to obtain an object (precision agricultural machine, etc.) Which can accurately calculate an azimuth angle of an object by using an extended Kalman filter.

본 발명의 다른 목적은, 수평 위치 오차(HDOP, Horizontal Dilution Of Precision) 및 수정 품질(FIX, fix quality of GPS data) 값을 토대로 GPS 데이터의 유효성을 별도로 평가하도록 하여 다수의 GPS로부터 획득한 GPS 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에도 경우에도 EC에 대한 방위각과 IMU의 가속도계값을 이용하여 물체의 방위각을 산출하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method and system for evaluating the validity of GPS data on the basis of horizontal position error (HDOP) and fix quality of GPS data (FIX) The present invention provides a method of calculating an azimuth angle of an object using an azimuth angle with respect to an EC and an accelerometer value of an IMU.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법은 총 6가지 단계의 재귀적 구조를 가지고 있다. 실시간으로 검출되는 GPS, EC, IMU 모듈의 데이터에 대하여 방위각, 유효성 평가, 가중치, 공분산 행렬을 계산하고 실시간 센서 융합을 수행한다.In order to achieve the above objects, a method for calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-Cl) using a covariance intersection according to the present invention has a total of six recursive structures. We calculate azimuth, validity, weight, and covariance matrices for GPS, EC, and IMU modules detected in real time and perform real - time sensor fusion.

정밀한 방위각을 산출하기 위하여 본 발명에서는 다수의 GSP 수신기와 단일의 EC모듈 및 IMU모듈을 사용한다. 그 첫 번째 이유로는 GPS 수신 정보에 관성 및 지자기 데이터를 포함시켜 방위각 산출의 정밀도를 높이기 위해서이고, 두 번째 이유로는 GPS 수신기의 고장 또는 사용할 수 없는 데이터를 출력할 상황에 대응하기 위해서이다.In order to calculate a precise azimuth angle, the present invention uses a plurality of GSP receivers, a single EC module and an IMU module. The first reason is to increase accuracy of azimuth calculation by including inertia and geomagnetism data in the GPS reception information, and to cope with a situation in which the GPS receiver fails or outputs unusable data.

정밀한 위치 데이터 및 방위각을 출력하는 GPS 수신기 및 EC 모듈은 고가의 장비이다. 그러나 본 발명에서는 저가용 센서들을 EKF-CI 기법을 이용하여 융합하고 고가의 장비들과 비슷한 정밀도의 데이터를 출력할 수 있다.GPS receivers and EC modules that output precise position data and azimuth are expensive equipment. However, in the present invention, the low-cost sensors can be fused by using the EKF-CI technique and the data of the accuracy similar to that of the expensive equipments can be outputted.

이에 따라 GPS, EC, IMU 모듈의 데이터를 사용하여 보다 정밀한 방위각을 계산하기 위한 방법으로 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-CI)를 사용하였다. 최종 융합 방위각의 유도에 사용되는 매개변수로는 GPS수신기 및 EC모듈 각각의 데이터에 대한 전방 방위각, 유효성 평가에 따른 가중치, 및 그들의 융합 데이터인 GPS 및 EC 모듈에 대한 방위각과 IMU 모듈의 수신값으로부터 X-축 가속도계(X-Axis accelerometer) 및 Y-축 가속도계(X-Axis accelerometer)의 값(IMU(Accx, Accy)), 그리고 공분산행렬이 있다.Therefore, an extended Kalman filter (EKF-CI) with a covariance intersection was used as a method for calculating more accurate azimuth using GPS, EC, and IMU module data. Parameters used to derive the final convergence azimuth are the forward azimuth for each data of the GPS receiver and the EC module, the weight based on the validity evaluation, and the azimuth for the GPS and EC modules, which are their convergence data, The values of the X-Axis accelerometer and the X-Axis accelerometer (IMU (Acc x , Acc y )), and the covariance matrix.

또한 개별적으로 GPS 수신 데이터가 누락되었거나 사용할 수 없는 데이터임을 검증하는 유효성 지표를 따로 정의하였다. 유효성을 나타내는 지표로는 수평 위치 오차(HDOP)와 수정 품질(FIX)값이 주로 이용된다.In addition, effectiveness indicators are separately defined to verify that the GPS reception data is missing or unavailable individually. Horizontal position error (HDOP) and correction quality (FIX) values are mainly used as indicators of validity.

이때, 개별적인 HDOP는 그 값이 1보다 작을 경우 가장 높은 신뢰 수준으로 써 이상적(ideal), 1 내지 2일 경우는 신뢰할 수 있는 수준으로 훌륭함(Excellent), 2 내지 5일 경우는 신뢰할 수 있는 최소 수준으로 좋음(Good), 5 내지 10일 경우는 위치 측정을 위한 계산에 사용될 수 있지만 수정 품질이 높아야 하는 보통(Moderate), 10 내지 20일 경우는 낮은 신뢰 수준으로 페어(Fair), 20 이상은 부정확하여 사용할 수 없는 값인 나쁨(Poor)으로 간주한다.In this case, the individual HDOPs are ideal (ideal) when the value is less than 1, excellent to a reliable level when the value is 1 to 2, and a reliable minimum level when the value is 2 to 5 (Good), 5 to 10 can be used for the calculation of position, Moderate to have high quality of correction, Fair to low confidence if 10 to 20, Incorrect to 20 or more (Poor), which is an unusable value.

또한, FIX는 그 값이 0일 때 사용할 수 없는 값이며, 1일 때 GPS fix, 2일 때 DGPS fix, 3 일 때 PPS fix, 4일 때 RTK(Real Time Kinematics), 5일 때 Float RTK로 인식한다.FIX is a value that can not be used when the value is 0, GPS fix at 1, DGPS fix at 2, PPS fix at 3, Real Time Kinematics at 4, and Float RTK at 5 .

본 발명에 있어 상기 수평 위치 오차(HDOP)와 수정 품질(FIX)값을 결합하는 경우에, 상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 2 내지 5인 경우는 이상적(Ideal)인 것으로 판단하고, 상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 1인 경우와, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 매우 우수(Excellent)한 것으로 판단하고, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 1인 경우와, HDOP가 6 내지 10이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 우수(Good)한 것으로 판단하고, 그 외에는 모두 나쁜 것(bad)으로 판단하여 배제시키도록 함이 바람직하다.In the present invention, when combining the horizontal position error (HDOP) and the correction quality (FIX) value, it is determined that the HDOP is 1 to 2 and the FIX is 2 to 5, When HDOP is 1 to 2 and FIX is 1, when HDOP is 3 to 5 and FIX is 2 to 5, it is judged to be very excellent, and when HDOP is 3 to 5 and FIX is 1 , It is determined that the HDOP is 6 to 10 and the FIX is 2 to 5, and it is judged that all of the HDOPs are bad and are excluded.

본 발명에서는 두 지표를 함께 사용하여 GPS 데이터의 유효성을 판단하고, 유요한 GSP 데이터에 대해서는 가중치(weight)를 부여한다. In the present invention, the two indicators are used together to determine the validity of the GPS data, and a weight is given to the useful GSP data.

GPS 수신 데이터가 누락되었거나 사용할 수 없는 데이터일 경우에는 그 GPS 수신기를 대신하여 EC 모듈이 방위각 산출 및 가중치를 부여 받는다.If the GPS reception data is missing or unusable, the EC module receives the azimuth calculation and weight instead of the GPS receiver.

상술한 본 발명에 따른 확장 칼만 필터를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법에 의하면, 3개의 GPS, 단일의 EC, 및 단일의 IMU를 사용하여 산출된 GPS 및 EC에 대한 방위각과 가속도계값을 토대로 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-CI)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출함으로써, 저가의 센서로도 EKF-CI 센서 융합 기술에 의해 물체의 방위각을 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.According to the method of calculating the real-time azimuth angle of an object using the extended Kalman filter according to the present invention, the azimuth angle and the accelerometer value for GPS and EC calculated using three GPSs, a single EC, and a single IMU, (Psi_CI) using the applied extended Kalman filter (EKF-CI), it is possible to accurately calculate the azimuth angle of the object by the EKF-CI sensor fusion technique even with a low-cost sensor.

또한, HDOP 및 FIX 값을 토대로 GPS 데이터의 유효성을 별도로 평가하도록 하여 다수의 GPS로부터 획득한 GPS 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에도 EC에 대한 방위각과 IMU의 가속도계값을 적용할 수 있는 장점도 있다.In addition, the effectiveness of the GPS data based on the HDOP and FIX values can be evaluated separately, and the advantage of applying the azimuthal angle to the EC and the accelerometer value of the IMU, even when GPS data obtained from multiple GPSs is invalid or missing have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-CI)를 이용한 물체의 방위각 산출 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터 (EKF-CI)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터 (EKF-CI)를 이용한 물체의 최종 융합 방위각을 유도하는 순서도이다.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an azimuth calculation system of an object using an extended Kalman filter (EKF-CI) to which a covariance intersection point according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-CI) to which a covariance intersection point according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 3 is a flowchart for deriving a final fusion azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-CI) to which a covariance intersection point according to an embodiment of the present invention is applied.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.The present invention may be embodied in many other forms without departing from its spirit or essential characteristics. Accordingly, the embodiments of the present invention are to be considered in all respects as merely illustrative and not restrictive.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, the terms "comprises", "having", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, components, Steps, operations, elements, components, or combinations of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order that the present invention may be easily understood by those skilled in the art. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 EKF-CI를 이용한 물체의 방위각 산출 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an azimuth calculation device for an object using an EKF-CI according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 EKF-Cl를 이용한 물체의 방위각 산출 장치(110)는, 전원부(10), GPS 모듈(20), EC 모듈(30), IMU 모듈(40), 제어부(50), 제 1 통신부(60), 제 2 통신부(70), 제 3 통신부(80), 제 4 통신부(90) 및 데이터 저장부(100)를 포함하여 이루어진다.1, an azimuth calculation device 110 for an object using an EKF-Cl according to an embodiment of the present invention includes a power unit 10, a GPS module 20, an EC module 30, an IMU module A control unit 50, a first communication unit 60, a second communication unit 70, a third communication unit 80, a fourth communication unit 90, and a data storage unit 100.

상기 전원부(10)는 24V 또는 5V 등의 전원을 입력받아 본 실시예에 따른 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 방위각 산출 장치(100)에서 필요로 하는 전체적인 전원을 공급한다. 이때 상기 전원부(10)는 전원을 공급하는 구성요소에 따라 전압 레벨(예 : 12V, 5V, 3.3V 등)을 조정하여 공급할 수 있다.The power supply unit 10 receives a power source such as 24 V or 5 V and supplies the entire power source required by the azimuth angle calculation apparatus 100 using the extended Kalman filter (EKF-Cl) according to the present embodiment. At this time, the power supply unit 10 may supply a voltage level (for example, 12V, 5V, 3.3V, etc.) according to a component supplying power.

상기 GPS 모듈(20)은 총 3개의 GPS(20-1, 20-2, 20-3)로 구성되며, GPS수신정보를 상기 제어부(50)에 전송한다. The GPS module 20 includes three GPSs 20-1, 20-2, and 20-3, and transmits GPS reception information to the controller 50. [

여기서, 도시된 예에서는 총 3개의 GPS로 구성되는 GPS 모듈(20)을 나타내고 있지만, 4개 이상의 GPS도 가능하며, 본 발명에 있어 그 개수를 한정하는 것은 아니다.Here, although the illustrated example shows the GPS module 20 composed of three GPSs in total, four or more GPSs are possible, and the number of the GPS modules is not limited in the present invention.

상기 EC(Electronic Compass; 전자 나침반) 모듈(30)은 MEMS 기반의 지자기 센서로써 근접한 자석 등에 의한 큰 자기장 뿐 아니라 지구 자기장과 같은 작은 자장도 감지 가능하며 지구 자기장을 기반으로 북쪽을 찾을 수 있다. 이러한 EC 모듈(30)로부터 지자기 데이터를 이용하여 방위각을 알 수 있다. EC 모듈(30)의 지자기 데이터 값으로부터 물체의 방위각 계산은 알려진 기술임으로 부연 설명은 생략하기로 한다.The EC (Electronic Compass) module 30 is a MEMS-based geomagnetic sensor capable of detecting not only a large magnetic field generated by a nearby magnet but also a small magnetic field such as a geomagnetic field. From the EC module 30, azimuth angle can be known by using geomagnetism data. The calculation of the azimuth angle of the object from the geomagnetism data values of the EC module 30 is a known technique, and a further explanation will be omitted.

상기 IMU(Inertial Measurement Unit; 관성측정장치) 모듈(40)은 물체의 가속도를 측정하기 위한 장치로서 MEMS기반의 센서이다. 상기 IMU 모듈(40)은 3축 가속도센서가 내장되어 있어 진행방향, 횡방향, 높이방향의 가속도 측정이 가능하다. The IMU (Inertial Measurement Unit) module 40 is a MEMS-based sensor for measuring the acceleration of an object. The IMU module 40 has a built-in three-axis acceleration sensor, and it is possible to measure the acceleration in the traveling direction, the lateral direction, and the height direction.

본 발명에 있어서는 물체의 방위각을 계산을 위해 상기 IMU 모듈(40)의 X축 가속도계 성분 및 Y축 가속도계 성분만을 사용한다. In the present invention, only the X-axis accelerometer component and the Y-axis accelerometer component of the IMU module 40 are used for calculating the azimuth angle of the object.

상기 제 1 내지 제 4 통신부(60, 70, 80, 90)는 GPS 모듈(20), EC (센서) 모듈(30), IMU (센서) 모듈(40)와 전기적으로 연결되어 물체의 방위(방향) 정보를 수신할 수 있게 된다.The first to fourth communication units 60, 70, 80 and 90 are electrically connected to the GPS module 20, the EC (sensor) module 30 and the IMU (sensor) module 40, ) Information.

상기 제 1 내지 제 4 통신부는 각각 RS232, I2C, CAN, USB 통신 방식을 이용하여 통신할 수 있다. 그러나 상기 통신 방식들은 예시적으로 기재한 것일 뿐이며 통신방식을 한정하고자 하는 것은 아니다.The first to fourth communication units can communicate using RS232, I2C, CAN, and USB communication methods, respectively. However, the communication methods are merely exemplary and do not limit the communication method.

상기 제어부(50)는 마이크로프로세서 또는 이를 포함하는 제어 보드(Control Board) 형태로 구성할 수 있다.The controller 50 may be a microprocessor or a control board including the microprocessor.

상기 제어부(50)는 상기 GPS 모듈(20), 상기 EC 모듈(30), 및 상기 IMU 모듈(40)로부터 물체의 실시간의 이동 가속도 및 방위(방향)에 대한 정보(또는 센싱 정보)를 수신한다.The control unit 50 receives information (or sensing information) about the moving acceleration and direction (direction) of the object in real time from the GPS module 20, the EC module 30, and the IMU module 40 .

상기 제어부(50)는 상기 GPS 모듈(20)로부터 수신된 물체의 실시간 방위각 산출을 위하여 3개의 GSP 수신기에 대한 방위각(FAz, Forward Azimuth)과 EC모듈에 대한 방위각 그리고 IMU 모듈에 대한 X축 및 Y축 가속도계값을 이용한다.The controller 50 calculates an azimuth angle (FAz, Forward Azimuth) for the three GSP receivers, an azimuth angle for the EC module, and an X-axis and an Y-axis for the IMU module in order to calculate a real-time azimuth angle of the object received from the GPS module 20. [ The axis accelerometer value is used.

즉, GPS 방위각과 초기 방위각(Ψ; GPSi_yaw)의 수학식 1과 같다.In other words, Equation 1 of the GPS azimuth and the initial azimuth angle? (GPSi_yaw) is shown.

수학식 1)(1)

Figure 112017049020175-pat00001
Figure 112017049020175-pat00001

여기서, Lat는 latitude의 약자이고, Long은 longitude의 약자이다.Here, Lat is the abbreviation of latitude and Long is the abbreviation of longitude.

상기 제어부(50)는 또한, 상기 GPS 모듈(20)로부터 수신된 값으로부터 분류 및 가중치를 사용하여 유효한 GPS 데이터 값인지를 평가한다. 즉, 상기 GPS 모듈(20)로부터 수신된 값을 수평 위치 오차(HDOP) 및 수정 품질(fix quality of GPS data)값을 토대로 그 유효성을 판단하며, 그 판단기준은 다음과 같다.The controller 50 also evaluates whether the value is a valid GPS data value using the classification and the weight from the value received from the GPS module 20. [ That is, the validity of the value received from the GPS module 20 is determined based on the horizontal position error (HDOP) and the fix quality of GPS data.

즉, 상기 수평 위치 오차(HDOP) 및 수정 품질(fix quality of GPS data)값을 결합하는 경우, HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 2 내지 5인 경우는 이상적(Ideal)이고, HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 1인 경우와, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 매우 우수(Excellent)하고, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 1인 경우와, HDOP가 6 내지 10이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 우수(Good)하며, 그 외에는 모두 나쁜 것(bad)으로 판단한다.That is, when the horizontal position error (HDOP) and the fix quality of GPS data are combined, it is ideal when HDOP is 1 to 2 and FIX is 2 to 5, 2, the case where FIX is 1, the case where HDOP is 3 to 5 and the case where FIX is 2 to 5 is very excellent, the case where HDOP is 3 to 5 and FIX is 1, the case where HDOP is 6 to 10 When FIX is 2 to 5, it is judged to be good. Otherwise, all are judged to be bad.

아울러, 상기 제어부(50)는 상기 GPS 모듈의 방위각과 가중치, EC 모듈의 방위각과 가중치를 이용하여 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출할 수 있으며, 수학식 2와 같다.The controller 50 may calculate an azimuth angle with respect to the GPS and the EC using the azimuth angle and the weight of the GPS module, the azimuth angle and the weight of the EC module, and is expressed by Equation (2).

수학식 2)(2)

Figure 112017049020175-pat00002
Figure 112017049020175-pat00002

여기서, n은 GPS의 총수, idealValue 는 이상적인 상태에서의 가중치, h fused 는 융합된 GPS 및 EC 헤딩, h EC 는 EC의 방위각, w allGPS 는 조합되어 산출된 GPS 방위각의 전체 가중치, w EC 는 EC의 가중치, h allGPS n개 GPS의 전체 헤딩, w i 는 i 번째 GPS에 할당된 가중치, h i 는 i 번째 GPS의 방위각이다.Here, n is the total number of GPS, is idealValue weight at the ideal state, h fused is fused and GPS heading EC, EC h is the azimuth of the EC, w allGPS , W EC is the weight of EC, h allGPS is the total heading of n GPSs, w i is the weight assigned to the i-th GPS, and h i is the azimuth of i-th GPS.

한편, 상기 제어부(50)는 3개의 GPS로부터 획득한 GPS 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에는 EC에 대한 방위각(h EC )와 가중치(W EC )의 곱을 h fused 로 할당하여 적용할 수 있다.Meanwhile, if the GPS data acquired from the three GPSs are not valid or missing, the controller 50 may assign the product of the azimuth angle h EC and the weight W EC to h fused .

또한, 상기 제어부(50)는 상기 IMU 모듈(40)로부터 수신된 값으로부터 X-축 가속도계(X-Axis accelerometer) 및 Y-축 가속도계(X-Axis accelerometer)의 값(IMU(Accx, Accy))을 산출한다.The controller 50 also receives the values of the X-axis accelerometer and the X-axis accelerometer IMU (Acc x , Acc y ) from the values received from the IMU module 40 )).

아울러, 상기 제어부(50)는 3개의 저가 GPS 수신기, 단일의 EC 모듈, 및 단일의 IMU 모듈을 사용하여 산출된 GPS 및 EC에 대한 방위각과 IMU(Accx, Accy)로부터 향상된 방위를 산출하기 위해 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 계산하여 물체의 방위각을 정확하게 산출할 수 있게 된다.In addition, the control unit 50 calculates an azimuth for GPS and EC calculated using three low-cost GPS receivers, a single EC module, and a single IMU module, and an improved azimuth from IMU (Acc x , Acc y ) The azimuth angle of the object can be accurately calculated by calculating the final fusion azimuth angle (psi_CI) using the extended Kalman filter (EKF) to which the covariance intersection point (CI) is applied.

즉, 3개의 GPS 수신기와 단일의 EC 모듈을 융합한 상태에서 다시 단일의 IMU 모듈의 가속도계값을 융합하고 확장 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 수행하되, EKF 입력은 lati, longi, GPSi_yaw와 국부적인 가속도계 측정값인 IMU의 국부 중력 벡터가 결합된 공분산 행렬(PCI)이고, EKF 출력은 lati_EKF, longi_EKF, psii_EKF 및 공분산 행렬 P_EKF가 되며, 상기 EKF 출력을 입력으로 하여 CI를 수행하여 출력값이 lat_CI, long_CI, psi_CI 및 공분산 행렬(PCI)로 되도록 반복 수행함으로써, 최종 융합 헤딩 값은 psi_CI 로 산출되어진다.In other words, the fusion of the accelerometer values of a single IMU module and the Extended Kalman Filter (EKF) are performed while the three GPS receivers and the single EC module are fused, and the EKF input is lat i , long i , and GPSi_yaw and localized accelerometers measure the local gravity vector is combined covariance matrix of the IMU (PCI), EKF output as lat i _EKF, long i _EKF, psi i _EKF and covariance is a matrix P_EKF, input to the EKF output The final fusion heading value is calculated as psi_CI by performing the CI and repeating the output so that the output values become lat_CI, long_CI, psi_CI and the covariance matrix (PCI).

물론, 이동중인 물체(농기계)에 대해 새로 검출된 GPS, EC, 그리고 IMU 값에 대해서는 상술한 계산을 반복하여 수행한다.Of course, the above calculations are repeatedly performed on newly detected GPS, EC, and IMU values for an object (farm machinery) in motion.

상기 데이터 저장부(100)에는 GPS 모듈(20), EC 모듈(30), 및 IMU 모듈(40)로 부터 수신되는 모든 데이터와 상기 제어부(50)에서 산출되는 GPS 방위삭, EC 방위각, GPS-EC 방위각, 및 최종 융합 방위각 등이 실시간으로 저장된다.The data storage unit 100 stores all the data received from the GPS module 20, the EC module 30 and the IMU module 40 and the GPS bearing rope, EC azimuth, GPS- EC azimuth, and final fusion azimuth are stored in real time.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터 (EKF-CI)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터 (EKF-CI)를 이용한 물체의 최종 융합 방위각을 유도하는 순서도로서, 도 1을 함께 참조하여 설명하기로 한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-CI) to which a covariance intersection point according to an embodiment of the present invention is applied, FIG. 3 is a cross- Fig. 1 is a flowchart for deriving a final fusion azimuth angle of an object using an applied extended Kalman filter (EKF-CI).

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 EKF-Cl를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법은, 제어부(50)에서 GPS 모듈(20)로부터 수신된 물체의 GPS 데이터로부터 GPS의 전방 방위각을 산출하는 단계(S10); 상기 제어부(50)에서 수평 위치 오차(HDOP) 및 수정 품질(FIX)값을 토대로 GPS 데이터의 유효성을 평가하는 단계(S20); 상기 제어부(50)에서 EC(Electronic Compass) 모듈(30)로부터 수신된 지자기 데이터를 통해 물체의 EC 방위각을 산출하는 단계(S30); 상기 제어부(50)에서 상기 GPS 모듈의 방위각과 가중치, EC 모듈의 방위각과 가중치로부터 물체의 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출하는 단계(S40); 상기 제어부(50)에서 IMU 모듈(40)로부터 수신된 값으로부터 물체의 (X축 및 Y축)가속도계값을 산출하는 단계(S50); 상기 제어부(50)에서 상기 GPS 및 EC에 대한 방위각과 상기 IMU 모듈로부터 수신된 가속도계값을 토대로 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 실시간 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출하는 단계(S60); 및 상기 제어부(50)에서 검출된 GPS, EC, 그리고 IMU 모듈 수신값에 대해서 상술한 단계(S10∼S60)을 반복하는 단계(70)를 포함하여 이루어진다.As shown in the figure, the method for calculating the real-time azimuth angle of an object using the EKF-Cl according to an embodiment of the present invention calculates a front azimuth angle of the GPS from the GPS data of the object received from the GPS module 20 in the controller 50 (S10); (S20) evaluating the validity of the GPS data based on the horizontal position error (HDOP) and the correction quality (FIX) value in the controller (50); (S30) of calculating an EC azimuth angle of the object through the geomagnetism data received from the EC (Electronic Compass) module 30 in the control unit 50; Calculating (S40) an azimuth angle with respect to GPS and EC of the object from the azimuth angle and weight of the GPS module, the azimuth angle and weight of the EC module in the controller 50; Calculating (S50) an accelerometer value of the object (X axis and Y axis) from the value received from the IMU module 40 in the controller 50; The control unit 50 calculates an actual final convergence azimuth angle psi_CI using an extended Kalman filter (EKF) to which a covariance intersection point CI is applied based on the azimuth angle for the GPS and the EC and the accelerometer value received from the IMU module Step S60; And repeating the above-described steps S10 to S60 for the GPS, EC, and IMU module reception values detected by the controller 50.

상기 확장 칼만 필터는 널려 알려진 알고리즘으로서 추가적인 부연 설명은 생략하기로 한다. The extended Kalman filter is a well-known algorithm, and a further detailed description will be omitted.

상기 제어부(50)에서 GPS 모듈(20)로부터 수신된 물체의 실시간의 GPS 데이터로부터 전방 방위각(FAz, Forward Azimuth)을 사용하여 GPS 방위각을 산출하는 단계(S10)에서는, 상기 제어부(50)가 다수의 GPS 수신기에 대한 초기 방위각을 상기 수학식 1에 따라 산출한다.In the step S10 of calculating the GPS azimuth using the forward azimuth (FAz) from the real time GPS data of the object received from the GPS module 20 in the controller 50, The initial azimuth angle of the GPS receiver is calculated according to Equation (1).

또한, 상기 제어부(50)에서 GPS 데이터의 유효성을 평가하는 단계(S20)에서는, 상기 제어부가 상기 GPS 모듈로부터 수신된 값에 대해 수평 위치 오차(HDOP, horizontal dilution of precision) 및 수정 품질(fix quality of GPS data) 값을 토대로 그 유효성을 판단하고, 유효한 GPS 데이터에 대해서는 가중치(weight)를 부여하도록 한다.In the step S20 of evaluating the validity of the GPS data in the controller 50, the control unit may calculate a horizontal dilution of precision (HDOP) and a fix quality of GPS data), and assigns a weight to valid GPS data.

또한, 상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 2 내지 5인 경우는 이상적(Ideal)인 것으로 판단하고, 상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 1인 경우와, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 매우 우수(Excellent)한 것으로 판단하고, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 1인 경우와, HDOP가 6 내지 10이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 우수(Good)한 것으로 판단하고, 그 외에는 모두 나쁜 것(bad)으로 판단하여 배제시키는 것이 바람직하다.When HDOP is 1 to 2 and FIX is 2 to 5, it is determined that HDOP is 1 to 2 and FIX is 1, and HDOP is 3 to 5, It is judged that the HDOP is 3 to 5 and the FIX is 1. When the HDOP is 6 to 10 and the FIX is 2 to 5, Otherwise, it is preferable that all of them are judged to be bad and excluded.

또한, 상기 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출하는 단계에서는, 상기 제어부가 산출된 GPS의 방위각 및 초기 방위각, 상기 가중치, 및 상기 EC의 방위각으로부터 GPS 및 EC에 대한 방위각이 상기 수학식 2에 의해 산출됨이 바람직하다.Also, in the step of calculating the azimuth angle with respect to the GPS and the EC, an azimuth angle with respect to the GPS and the EC is calculated from the azimuth and the initial azimuth, the weight, and the azimuth of the EC calculated by the controller, .

또한, 상기 제어부는 상기 GPS 모듈로부터 수신한 GPS 데이터가 유효하지 않는 경우, EC에 대한 방위각만을 적용함이 바람직하다.In addition, when the GPS data received from the GPS module is not valid, the control unit preferably applies only the azimuth to the EC.

상기 제어부(50)에서 EC(Electronic Compass) 모듈(30)로부터 수신된 지자기 데이터를 통해 물체의 실시간 EC 방위각을 산출하는 단계(S30)에서는, 상기 제어부(50)가 상기 EC(Electronic Compass) 모듈(30)로부터 수신된 지자기 데이터 값으로부터 EC 방위각을 산출하게 된다.In the step S30 of calculating the real-time EC azimuth angle of the object through the geomagnetism data received from the EC (Electronic Compass) module 30 in the control unit 50, the control unit 50 controls the EC (Electronic Compass) 30 from the geomagnetism data values received.

또한, 상기 가속도계값을 산출하는 단계에서는, 상기 제어부가 상기 IMU 모듈의 수신값으로부터 X-축 가속도계(X-Axis accelerometer) 및 Y-축 가속도계(X-Axis accelerometer)의 값(IMU(Accx, Accy))을 산출함이 바람직하다.Also, in the step of calculating the accelerometer value, the control unit calculates the values of the X-axis accelerometer and the X-axis accelerometer from the received values of the IMU module (IMU (Acc x , Acc y )) is preferably calculated.

상기 제어부(50)에서 상기 GPS의 방위각, 가중치, 및 EC 방위각으로부터 물체의 실시간의 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출하는 단계(S40)에서는, 상기 제어부(50)가 산출된 GPS의 방위각 및 초기 방위각, 상기 가중치, 및 상기 EC의 방위각으로부터 GPS 및 EC에 대한 방위각을 상기 수학식 2에 의해 산출하게 된다.In the step S40 of calculating the azimuths of the object with respect to the GPS and the EC in real time based on the azimuth, weight and EC azimuth of the GPS in the controller 50, the controller 50 calculates the azimuth and the initial azimuth , The weight value, and the azimuth angle with respect to the GPS and the EC from the azimuth angle of the EC are calculated according to Equation (2).

여기서, 상기 제어부(50)는 3개의 GPS로부터 획득한 GPS 데이터가 유효하지 않거나, 누락된 경우에는 EC에 대한 방위각만으로 h fused 를 "GPSEC _ yaw" 로 할당하여 적용될 수 있다.Here, the controller 50 is not valid or the GPS data acquired from the three GPS, if the missing has only a bearing for the EC h fused be applied as allocated by "_ GPSEC yaw".

상기 제어부(50)에서 IMU 모듈(40)로부터 수신된 값으로부터 물체의 실시간의 가속도계값을 산출하는 단계(S50)에서는, 상기 제어부(50)가 상기 IMU 모듈(40)로부터 수신된 값으로부터 X-축 가속도계(X-Axis accelerometer) 및 Y-축 가속도계(X-Axis accelerometer)의 값(Accx, Accy)을 산출하게 된다.In step S50 of calculating the real-time accelerometer value of the object from the value received from the IMU module 40 in the control unit 50, the control unit 50 calculates the X-axis acceleration value from the value received from the IMU module 40, (Acc x , Acc y ) of the X-axis accelerometer and the X-axis accelerometer.

상기 제어부(50)에서 상기 GPS 모듈 및 상기 EC 모듈로부터 수신된 GPS 데이터 및 지자기 데이터를 통해 산출된 GPS 및 EC에 대한 방위각과 상기 IMU 모듈로부터 수신된 가속도계값을 토대로 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-CI)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출하는 단계(S60)에서는, 제어부(50)가 저비용의 3개의 GPS, 단일의 EC, 및 단일의 IMU를 사용하여 산출된 GPS 및 EC에 대한 방위각과 IMU(Accx, Accy)로부터 향상된 방위를 산출하기 위해 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 계산하여 이동중인 물체의 방위각을 정확하게 산출할 수 있게 된다.The control unit (50) performs an expansion using a covariance intersection (CI) based on the azimuth for GPS and EC calculated from the GPS data and geomagnetism data received from the GPS module and the EC module and the accelerometer value received from the IMU module In the step S60 of calculating the final convergence azimuth angle psi_CI using the Kalman filter EKF-CI, the control unit 50 calculates the final convergence azimuth angle psi_CI using the three low-cost GPS, the single EC, and the GPS (Psi_CI) using an extended Kalman filter (EKF) with a covariance intersection (CI) to calculate the azimuth to the EC and the azimuth from the IMU (Acc x , Acc y ) The azimuth angle can be accurately calculated.

즉, 3개의 GPS와 단일의 EC를 융합한 상태에서 다시 단일의 IMU의 가속도계값을 융합하고 확장 칼만 필터(EKF;Extended Kalman Filter)를 수행하되, EKF 입력은 lati, longi, GPSi_yaw(GPS가 유효하지 않는 경우 상술한 GPSEC _yaw 적용)와 국부적인 가속도계 측정값인 IMU의 국부 중력 벡터가 결합된 공분산 행렬(PCI)이고, EKF 출력은 lati_EKF, longi_EKF, psii_EKF 및 공분산 행렬 P_EKF가 되며, 상기 EKF 출력을 입력으로 하여 CI를 수행하여 출력값이 lat_CI, long_CI, psi_CI 및 공분산 행렬(PCI)로 되도록 반복 수행함으로써, 최종 융합 헤딩 값은 psi_CI 로 산출되어진다.That is, the fusion of the accelerometer the value of a single IMU again in a state that combines the three GPS and a single EC and extended Kalman filter; but perform (EKF Extended Kalman Filter), EKF input lat i, long i, GPSi_yaw (GPS if not valid for the local gravity of the above-described GPSEC _yaw applicable) and local accelerometer measurements IMU vector combination covariance matrix (PCI) and, EKF output lat i _EKF, long i _EKF, psi i _EKF and the covariance matrix P_EKF, and the final fusion header value is calculated as psi_CI by repeatedly performing the CI with the EKF output as input and repeating the output values as lat_CI, long_CI, psi_CI and covariance matrix (PCI).

또한, 이동중인 물체(농기계)에 대해 지속적으로 GPS, EC, 그리고 IMU 모듈의 갱신된 값을 상술한 단계(S10∼S60)를 반복계산(S70)하도록 하여 물체의 방위각을 실시간으로 산출한다.In addition, the azimuth angle of the object is calculated in real time by repeatedly calculating the updated values of the GPS, EC, and IMU modules for the moving object (farm machinery) (S10 to S60).

본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the invention is not limited to the form set forth in the foregoing description. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims. It is also to be understood that the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

110: 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 방위각 산출 장치
10: 전원부
20: GPS 모듈
30: EC 모듈
40: IMU 모듈
50: 제어부
60: 제 1 통신부
70: 제 2 통신부
80: 제 3 통신부
90: 제 4 통신부
100: 데이터 저장부
110: Azimuth calculation device of object using extended Kalman filter (EKF-Cl)
10:
20: GPS module
30: EC module
40: IMU module
50:
60: first communication section
70:
80: Third communication section
90: fourth communication section
100: Data storage unit

Claims (9)

제어부에서 GPS 모듈로부터 수신된 물체의 실시간의 GPS 데이터로부터 GPS의 전방 방위각을 사용하여 GPS 방위각을 산출하는 단계;
상기 제어부에서 수평 위치 오차(HDOP, Horizontal Dilution Of Precision) 및 수정 품질(FIX, fix quality of GPS data)값을 토대로 GPS 데이터의 유효성을 평가하는 단계;
상기 제어부에서 EC(Electronic Compass) 모듈로부터 수신된 지자기 데이터를 통해 물체의 실시간 EC 방위각을 산출하는 단계;
상기 제어부에서 상기 GPS의 방위각 및 EC 방위각으로부터 물체의 실시간의 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출하는 단계;
상기 제어부에서 IMU 모듈로부터 수신된 값으로부터 물체의 실시간의 가속도계값을 산출하는 단계;
상기 제어부에서 상기 GPS 및 EC 모듈에 대한 방위각과 상기 IMU 모듈로부터 수신된 가속도계값을 토대로 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출하는 단계; 및
상기 제어부에서 새로이 검출되는 상기 GPS 모듈, 상기 EC 모듈, 및 상기 IMU 모듈로부터의 수신값에 대해서 상술 단계들을 반복하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 GPS 데이터의 유효성을 평가하는 단계에서는, 상기 제어부가 상기 GPS 모듈로부터 수신된 값에 대해 수평 위치 오차(HDOP) 및 수정 품질(fix quality of GPS data)값을 토대로 그 유효성을 판단하고, 유효한 GPS 데이터에 대해서는 가중치(weight)를 부여하는 것을 특징으로 하고,
상기 GPS 및 EC에 대한 방위각을 산출하는 단계에서는, 상기 제어부가 산출된 GPS의 방위각 및 초기 방위각, 상기 가중치, 및 상기 EC의 방위각으로부터 GPS 및 EC에 대한 방위각을 하기 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
수학식 2)
Figure 112018132327337-pat00008

여기서, n은 GPS의 총수, idealValue 는 이상적인 상태에서의 가중치, hfused 는 융합된 GPS 및 EC 헤딩, hEC 는 EC의 방위각, wallGPS 는 조합되어 산출된 GPS 방위각의 전체 가중치, wEC 는 EC의 가중치, hallGPS n개 GPS의 전체 헤딩, wi - i 번째 GPS에 할당된 가중치, hi 는 i 번째 GPS의 계산된 방위각이다.
Calculating a GPS azimuth using a forward azimuth of GPS from real time GPS data of an object received from a GPS module in a control unit;
Evaluating the validity of GPS data on the basis of horizontal position error (HDOP) and fix quality of GPS (FIX) values in the controller;
Calculating a real-time EC azimuth angle of an object through geomagnetism data received from an EC (Electronic Compass) module in the control unit;
Calculating an azimuth angle of the object with respect to GPS and EC in real time based on the azimuth angle and the EC azimuth of the GPS in the control unit;
Calculating a real-time accelerometer value of the object from the value received from the IMU module in the control unit;
Calculating a final convergence azimuth angle (psi_CI) using an extended Kalman filter (EKF) to which a covariance intersection (CI) is applied based on an azimuth angle for the GPS and the EC module and an accelerometer value received from the IMU module; And
And repeating the above steps for received values from the GPS module, the EC module, and the IMU module newly detected by the control unit,
In the step of evaluating the validity of the GPS data, the controller determines validity of the value received from the GPS module on the basis of a horizontal position error (HDOP) and a fix quality of GPS data, And a weight is assigned to the data,
In calculating the azimuth for GPS and EC, the azimuth angle with respect to GPS and EC from the azimuth and initial azimuth, the weight, and the azimuth of EC calculated by the controller is calculated by the following equation A method for calculating the real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-Cl) with a covariance intersection feature.
(2)
Figure 112018132327337-pat00008

Here, n is the total number of GPS, idealValue the weight at the ideal state, h fused has all the weights, w EC of the fused GPS and EC head, h EC calculates the azimuth of the EC, w allGPS is combined GPS azimuth is EC of weight, h is n allGPS Close All headings of GPS, w i - i-th GPS weights assigned to, h i is the calculated azimuth angle of the i-th GPS.
제 1 항에 있어서,
상기 전방 방위각을 사용하여 GPS 방위각을 산출하는 단계에서는, 다수의 GPS에 대한 GPS 방위각과 초기 헤딩 값(heading value)을 Faz(Forward Azimuth)를 이용하여 하기 수학식 1에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
수학식 1)
Figure 112019501879677-pat00003

여기서, Lat는 latitude의 약자이고, Long은 longitude의 약자이다.
The method according to claim 1,
In the step of calculating the GPS azimuth using the forward azimuth angle, a GPS azimuth and an initial heading value for a plurality of GPSs are calculated using a forward azimuth (Faz) according to the following equation Real-time azimuth calculation method using an extended Kalman filter (EKF-Cl) with covariance intersection.
(1)
Figure 112019501879677-pat00003

Here, Lat is the abbreviation of latitude and Long is the abbreviation of longitude.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 2 내지 5인 경우는 이상적(Ideal)인 것으로 판단하고, 상기 HDOP가 1 내지 2이고, FIX가 1인 경우와, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 매우 우수(Excellent)한 것으로 판단하고, HDOP가 3 내지 5이고 FIX가 1인 경우와, HDOP가 6 내지 10이고 FIX가 2 내지 5인 경우는 우수(Good)한 것으로 판단하고, 그 외에는 모두 나쁜 것(bad)으로 판단하여 배제시키는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
The method according to claim 1,
It is determined that the HDOP is 1 to 2 and the FIX is 2 to 5 and that the HDOP is 1 to 2 and that FIX is 1 and that when HDOP is 3 to 5 and FIX is 2 to 5, 5, it is determined that the HDOP is excellent. When the HDOP is 3 to 5 and the FIX is 1, the HDOP is 6 to 10 and the FIX is 2 to 5, (EKF-Cl) to which a covariance intersection point is applied, wherein all of the objects are judged to be bad and excluded.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 GPS 모듈로부터 수신한 GPS 데이터가 유효하지 않는 경우, EC에 대한 방위각만을 적용하는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the controller applies only the azimuth angle to the EC when the GPS data received from the GPS module is invalid, using the extended Kalman filter (EKF-Cl) to which the covariance intersection is applied.
제 1 항에 있어서,
상기 가속도계값을 산출하는 단계에서는, 상기 제어부가 상기 IMU 모듈로부터 수신된 값으로부터 X-축 가속도계(X-Axis accelerometer) 및 Y-축 가속도계(X-Axis accelerometer)의 값(Accx, Accy)을 산출하는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
The method according to claim 1,
In the step of calculating the accelerometer value, the controller calculates values (Acc x , Acc y ) of an X-axis accelerometer and an X-axis accelerometer from values received from the IMU module, Calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-Cl) to which a covariance intersection point is applied.
제 1 항에 있어서,
상기 최종 융합 방위각(psi_CI)을 산출하는 단계에서는, 상기 제어부가 다수의 GPS, 단일의 EC, 및 단일의 IMU를 사용하여 산출된 상기 GPS 및 EC에 대한 방위각과 상기 가속도계값으로부터 향상된 방위를 산출하기 위해 공분산 교차점(CI)이 적용된 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 최종 융합 방위각 (psi_CI)을 계산하는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
The method according to claim 1,
In calculating the final convergence azimuth (psi_CI), the control unit calculates an azimuth for the GPS and EC calculated using a plurality of GPSs, a single EC, and a single IMU and an improved azimuth from the accelerometer value Calculating a final convergence azimuth angle (psi_CI) using an extended Kalman filter (EKF) to which a covariance intersection point (CI) is applied; calculating a real-time azimuth angle of an object using an extended Kalman filter (EKF-Cl) .
제 8 항에 있어서,
다수의 GPS 및 단일의 EC에 대한 방위각으로 융합한 상태에서 다시 단일의 IMU의 가속도계값을 융합하고 확장 칼만 필터(EKF;Extended Kalman Filter)를 수행하되, EKF 입력은 lati, longi, GPSi_yaw와 국부적인 가속도계 측정값인 IMU의 국부 중력 벡터가 결합된 공분산 행렬(PCI)이고, EKF 출력은 lati_EKF, longi_EKF, psii_EKF 및 공분산 행렬 P_EKF가 되며, 상기 EKF 출력을 입력으로 하여 CI를 수행하여 출력값이 lat_CI, long_CI, psi_CI 및 공분산 행렬(PCI)로 되도록 반복 수행함으로써, 최종 융합 헤딩 값은 psi_CI 로 산출하는 것을 특징으로 하는 공분산 교차점이 적용된 확장 칼만 필터(EKF-Cl)를 이용한 물체의 실시간 방위각 산출 방법.
9. The method of claim 8,
A plurality of GPS and combines the accelerometer the value of a single IMU again in a fusion with the azimuth state for a single EC and extended Kalman filter; but perform (EKF Extended Kalman Filter), EKF input lat i, long i, GPSi_yaw and and localized accelerometers measure the local gravity vector is combined covariance matrix of the IMU (PCI), EKF output lat i _EKF, long i _EKF, psi i _EKF and covariance is a matrix P_EKF, CI to the EKF output to the input And the final convergence heading value is calculated as psi_CI by repeatedly performing an operation such that the output values are lat_CI, long_CI, psi_CI, and the covariance matrix PCI, by using the extended Kalman filter (EKF-Cl) Time azimuth calculation method.
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