KR101987413B1 - 측위 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자율주행에 있어서 음영지역 해소 및 고정밀 측위가 가능한 측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 측위 시스템은 위성으로부터 GPS 신호를 수신하는 위성신호수신부와, 대상체 주변의 객체를 촬영하여 이격 정보를 산출하는 객체인식부와, 대상체의 속도 및 조향각을 포함하는 주행 정보를 획득하는 주행정보인식부 및 GPS 신호, 이격 정보 및 주행 정보를 이용하여 대상체의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

측위 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POSITIONING}
본 발명은 자율주행에 있어서 음영지역 해소 및 고정밀 측위가 가능한 측위 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 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 있다.
현재 위치결정에 사용되는 가장 일반적인 시스템은 위성측위시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)이다.
GNSS는 실외 음영지역이나 어반 캐니언(urban canyon, 고층 건축 등이 밀집하고 있는 시가지 공간)과 같은 환경에서는 위성으로부터 신호를 정상적으로 받지 못해 오차가 누적되어 위치 측정의 오차가 커지는 문제점이 있다.
즉, GNSS는 위성을 전혀 사용할 수 없는 도심, 터널 등의 환경에서는 위치결정을 할 수 없으며, 개활지가 아닌 환경에서 위치오차를 줄일 수는 있으나, 고정밀 측위에 대한 니즈를 완벽하게 충족시키지는 못한다.
이러한 주변 환경의 영향을 제거하고 측위의 정밀도를 향상시키기 위하여 GNSS와 이종 센서를 융합한 연구가 진행되고 있다.
GNSS와 융합하여 위치결정에 사용되는 센서로는 대표적으로 INS(Inertial Navigation System, 관성 항법 장치) 및 DMI(Distance Measurement Instrument)가 있다.
INS는 잠수함, 항공기, 미사일 등의 대상체에 장착되어, 대상체의 위치를 감지하여 목적지까지 유도하기 위한 장치로서, 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 분야에도 적용되고 있다.
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.
그러나, INS는 가속도 및 각속도에서 속도성분으로 적분하는 과정에서 오차가 누적되고, 정지 시 드리프트(drift)가 발생하므로 시간이 경과함에 따라 항법 오차가 증가하는 문제점이 있다.
즉, INS는 악천후나 전파 방해의 영향을 받지 않는 장점이 있으나, 긴 거리를 이동하면 위치 파악에 있어 오차가 누적되므로, GPS나 액티브 레이더 유도 등에 의한 보정을 이용한다.
또한, DMI는 자이로센서를 이용하여 회전 방향을 알아내고, 차속 센서로 이동거리를 알아냄으로써, 마지막 GNSS 수신위치를 기준으로 차량이 어느 방향으로 얼만큼 이동하였는지 추정하는 시스템이다.
그러나, 이러한 정밀 측위를 위하여 GNSS에 INS 와 DMI와 같은 센서들을 추가적으로 구비하고자 하는 경우, 시스템 구현의 복잡성이 증가하고, 경제성 면에 있어서도 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, INS나 DMI를 대체하여 대상체인 차량의 주행정보와, 위성항법시스템 및 비전시스템을 이용하여 고정밀 위치 결정이 가능한 측위 시스템 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일면에 따른 측위 시스템은 위성으로부터 GPS 신호를 수신하는 위성신호수신부와, 대상체 주변의 객체를 촬영하여 이격 정보를 산출하는 객체인식부와, 대상체의 속도 및 조향각을 포함하는 주행 정보를 획득하는 주행정보인식부 및 GPS 신호, 이격 정보 및 주행 정보를 이용하여 대상체의 위치를 결정하는 위치결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 측위 방법은 GPS를 이용하여 수신한 위성신호 및 대상체와 객체와의 이격 정보를 이용하여, 대상체의 위치 정보를 산출하는 단계와, 대상체의 주행 정보를 이용하여 대상체의 위치 변화를 인식하는 단계 및 위성신호와 이격 정보를 이용하여 산출한 위치 정보 및 대상체의 위치 변화를 이용하여 대상체의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 측위 시스템 및 방법은 음역지역을 해소하고 대상체에 대한 고정밀 위치 결정이 가능하므로, 위성을 사용할 수 없는 도심이나 터널과 같은 환경적 영향을 최소화하여 정밀 측위가 가능한 효과가 있다.
또한, 위성항법 시스템 및 비전 시스템을 차량 주행 정보(조향각, 속도)와 융합하여 정밀 측위한 결과를 칼만 필터를 이용하여 연산함으로써, 대상체의 위치에 대한 고정밀 측위가 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 INS 및 DMI를 대체하여, 주행 정보를 이용한 대상체 고정밀 측위가 가능하므로, 센서 구비를 통한 구현의 복잡성 및 비경제성을 개선하는 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 측위 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 측위 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 측위 시스템은 위성으로부터 GPS 신호를 수신하는 위성신호수신부(100)와, 대상체 주변의 객체를 촬영하여 이격 정보를 산출하는 객체인식부(200)와, 대상체의 속도 및 조향각을 포함하는 주행 정보를 획득하는 주행정보인식부(400) 및 GPS 신호, 이격 정보 및 주행 정보를 이용하여 대상체의 위치를 결정하는 위치결정부(500)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 주행정보인식부(400)는 대상체(차량)에서 출력되는 데이터를 이용하되, 차량 핸들의 조향각 변화를 이용하여 X, Y, Z 축 변화를 측정하고, 차량 속도계를 이용하여 획득한 속도 데이터를 이용하여 대상체의 이동거리를 측정한다. 즉, 주행정보인식부(400)는 대상체의 속도 및 조향각을 이용하여 3축을 기준으로 한 대상체의 위치 변화를 산출하여 주행 정보를 획득함으로써, X, Y, Z 축으로 이동한 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 객체인식부(200)는 위치값이 기설정된 객체를 스테레오 카메라로 인식하여, 대상체와 객체 간의 이격 정보를 산출한다. 이 때, 객체인식부(200)는 GPS 위성이 기설정 개수(예: 4개) 이하인 경우, GNSS와 융합되어 위치 결정을 수행한다. 또한, 객체인식부(200)가 측정한 거리값은 GNSS 데이터와 융합하여 위치 값으로 변환된다.
본 발명의 실시예에 따른 측위 시스템은 위성신호수신부(100)로부터 전송 받은 위치 데이터 및 객체인식부(200)로부터 전송 받은 대상체와 객체 간의 이격 정보를 이용하여 대상체의 위치 정보를 산출하는 보정제어부(300)를 포함하여 구성된다.
객체인식부(200)는 GPS 신호에 의한 위치결정의 오차를 보완하기 위한 구성으로서, 일정 요건하(예: GPS 신호만으로 위치 결정을 할 경우 오차가 클 것으로 예상되는 요건)에서만 객체를 인식하도록 할 수도 있으며, 이 경우 보정제어부(300)로부터 객체인식명령신호를 수신한 경우에 객체를 인식한다.
본 발명의 실시예에 따른 보정제어부(300)는 위성의 수와 객체의 수의 합이 기설정 개수 이상이고, 고도각이 기설정된 각보다 작은 위성이 존재하는 경우, 기설정된 각보다 작은 고도각을 가지는 위성으로부터 수신한 위치 데이터를 제외하고 위치 정보를 산출한다.
즉, 고도각이 기설정된 각보다 작은 위성은 위치결정에 있어 오차가 크므로, 이러한 위성으로부터의 위치 데이터는 보정제어부(300)의 위치 정보 산출에 포함되지 아니한다.
본 발명의 실시예에 따른 위치결정부(500)는 칼만 필터를 포함하고, 대상체의 과거 위치 정보를 이용하여 현 시점에서의 대상체의 최종 위치를 결정한다. 즉, 위치결정부(500)는 GNSS와 비전시스템으로부터 얻은 위치 정보와, 조향각 및 속도계를 이용한 X, Y, Z축 변화 데이터를 융합하여, 대상체에 대한 고정밀 위치 결정을 수행한다.
대상체(차량)의 주행은 과거의 위치에서 현재의 위치로 이동하고, 현재의 위치에서 다음의 위치로 이동을 한다. 위치보정 알고리즘인 칼만 필터는 특정 시점에서의 위치는 이전 시점의 위치와 선형적인 관계를 가지고 있다고 가정하여, 이전 시점들의 위치 정보를 이용하여 현재 시점의 위치를 추정한다.
본 발명의 실시예에 따른 위치결정부(500)는 추정된 현재 시점의 위치를 고려하여, 실제 측정된 위치의 정보를 보정한다. 위치의 보정을 위해서는 실제 측정된 정보와 예측된 정보가 모두 사용되는데, 가중치를 적용함으로써 보정의 정확성을 높이는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 측위 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 측위 방법은 GPS를 이용하여 수신한 위성신호 및 대상체와 객체와의 이격 정보를 이용하여, 대상체의 위치 정보를 산출하는 단계(S100)와, 대상체의 주행 정보를 이용하여 대상체의 위치 변화를 인식하는 단계(S200) 및 위성신호와 이격 정보를 이용하여 산출한 위치 정보 및 대상체의 위치 변화를 이용하여 대상체의 위치를 결정하는 단계(S300)를 포함한다.
이 때, S100 단계는 위성신호를 전송한 위성의 수와 상기 객체의 수의 합이 기설정 개수 이상이고, 고도각이 기설정된 각보다 작은 위성이 존재하는 경우, 기설정된 각보다 작은 고도각을 가지는 위성으로부터 수신한 위성신호를 제외하고 위치 정보를 산출한다. 즉, 고도각이 기설정된 각보다 작은 위성은 위치 결정의 오차가 크므로, 이러한 위성으로부터 획득된 위치 데이터는 S100 단계에서의 위치 정보 산출에 포함시키지 아니한다.
S200 단계는 대상체의 속도 및 조향각을 포함하는 주행 정보를 이용하여, 3축을 기준으로 한 대상체의 위치 변화를 인식한다. 즉, 대상체의 속도 및 조향각을 이용하여 3축을 기준으로 한 대상체의 위치 변화를 산출하여 주행 정보를 획득함으로써, X, Y, Z 축으로 이동한 정도를 측정할 수 있다.
S300 단계는 칼만 필터를 이용하여 위치 정보 및 위치 변화를 연산하여, 대상체의 위치를 결정한다. 칼만 필터는 대상체의 과거의 움직임을 바탕으로 대상체의 움직임 또는 위치를 예측하는 위치보정 알고리즘으로서, S100 단계에서 획득된 위치 정보와 S200 단계에서 획득된 X, Y, Z 축으로의 이동 변화를 융합하여, 대상체에 대하여 고정밀 측위를 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 측위 방법은 S300 단계 이후, 과거의 위치에서 현재의 위치까지의 이동 거리가 속도계 이동거리 범위 안에 있는지 여부를 판단하는 단계(S400)를 더 포함한다. S400 단계에서 과거의 위치부터 현재의 위치까지의 이동 거리가 속도계 이동거리 범위안에 있는 경우에는 최종 위치를 결정하게 되고(S500), 이동 거리 범위를 벗어나는 경우에는 조향각 및 속도의 측정(S200)을 재수행하게 된다.
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: 위성신호수신부 200: 객체인식부
300: 보정제어부 400: 주행정보인식부
500: 위치결정부

Claims (10)

  1. 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 위치 데이터를 산출하는 위성신호수신부;
    상기 GPS 신호만으로 위치 결정을 할 경우 오차가 클 것으로 예상되는 기설정 요건 하에서 객체인식명령신호를 수신함에 따라 구동되는 스테레오 카메라를 통해, 대상체 주변에 존재하는 위치값이 기설정된 객체를 촬영하여 상기 객체의 위치정보를 획득하고, 상기 대상체 및 객체 간의 이격 정보를 산출하는 객체인식부;
    상기 위성신호수신부로부터 전송 받은 위치 데이터, 상기 객체인식부로부터 전송 받은 상기 객체의 위치 정보 및 상기 이격 정보를 이용하여 상기 대상체의 위치 정보를 산출하되, GPS 위성이 기설정 개수 이하인 경우, 상기 객체인식부로 상기 객체인식 명령 신호를 송신하고, GPS 데이터와 상기 이격 정보를 융합하여 상기 대상체의 위치 값으로 변환시키고, 상기 위성의 수와 상기 객체의 수의 합이 기설정 개수 이상이고, 고도각이 기설정된 각보다 작은 위성이 존재하는 경우, 상기 기설정된 각보다 작은 고도각을 가지는 위성으로부터 수신한 위치 데이터를 제외하고 상기 위치 정보를 산출하는 보정제어부;
    핸들의 조향각 변화를 이용하여 상기 대상체의 3축 변화를 측정하고, 차량 속도계를 이용하여 획득한 속도 데이터를 이용하여 상기 대상체의 이동거리를 측정하고, 상기 3축 변화에 따른 상기 대상체의 위치 변화에 대한 주행 정보를 획득하는 주행정보인식부; 및
    상기 보정제어부가 산출한 위치 정보와, 상기 주행 정보를 융합하여 상기 대상체의 최종 위치를 결정하되, 상기 대상체의 과거 위치 정보로부터 현 시점에서의 위치까지의 이동 거리가 상기 차량 속도계의 이동거리 범위 안에 있는 경우, 위치보정 알고리즘인 칼만 필터를 이용하여 상기 대상체의 과거 위치 정보로부터 현 시점에서의 상기 대상체의 최종 위치를 결정하되, 실제 측정된 데이터와 예측된 위치 정보에 대하여 가중치를 적용하여 보정하며, 상기 이동거리 범위 안에 포함되지 않는 경우 상기 주행정보 인식부로 조향각 및 속도의 측정에 대한 재수행을 명령하는 위치 결정부
    를 포함하는 측위 시스템.
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