KR102273704B1

KR102273704B1 - 호스트가 최근접 기지국의 신호를 능동적으로 선택하여 각 gps에 주입 가능한 자율주행차량의 주행 제어 시스템

Info

Publication number: KR102273704B1
Application number: KR1020210057877A
Authority: KR
Inventors: 이국선; 이정주
Original assignee: 주식회사 칼만
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2021-07-06
Also published as: KR102279762B1; KR102273705B1; KR102272499B1

Abstract

본 발명의 일 양상인 자율주행차량의 주행 제어 시스템에 있어서, 주변의 복수의 기지국으로 접속 요청 신호를 전송하는 통신부; 상기 통신부가 상기 복수의 기지국 중 적어도 하나인 제 1 기지국으로부터 상기 접속 요청 신호에 대응한 접속 신호를 수신하는 경우, 상기 제 1 기지국 중 상기 자율주행차량과 가장 근접한 제 2 기지국을 선별하는 제어부; 상기 선별된 제 2 기지국 관련 정보를 전달받는 제 1 GPS; 및 제 1 위치 정보를 획득한 상기 제 1 GPS가, 상기 제 2 기지국 관련 정보를 기초로, 상기 제 1 위치 정보를 교정하는 경우, 상기 제 1 GPS로부터 상기 교정된 제 1 위치 정보를 전달받는 제 2 GPS;를 포함하고, 상기 제 2 GPS는, 상기 제 1 GPS와 일정 거리 이격하여 상기 자율주행차량에 배치되고, 제 2 위치 정보를 획득한 제 2 GPS는, 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 위치 정보를 이용하여 상기 자율주행차량의 헤딩각 정보를 산출하며, 상기 제어부는, 상기 제 1 GPS로부터 전달된 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 GPS로부터 전달된 상기 헤딩각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 주행을 제어하고, 상기 제어부는, 상기 자율주행차량의 속력 및 조향각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 상태 정보를 결정하고, 상기 상태 정보를 선택적으로 이용하여 상기 자율주행차량의 주행을 제어할 수 있다.

Description

호스트가 최근접 기지국의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS에 주입 가능한 자율주행차량의 주행 제어 시스템 {Driving control system of self-driving vehicles that the host can actively select signals from recent ground stations and inject them into each GPS}

본 발명은 호스트가 최근접 기지국의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS에 주입 가능한 자율주행차량의 주행 제어 시스템에 관한 것이다.

무인 자동차가 주행함에 있어서, 운전자의 조작 없이 자동으로 전동 파워 스티어링(Electric Power Steering; EPS) 시스템에 주행 보조력을 가해줌으로써 주행이 가능하도록 하는 것이 자동 조향에 의한 차량 주행 방법이다.

자율 주행에 있어서, 차량의 출발 지점 A부터 목적 지점 B까지의 기준 경로(Reference Path)가 주어진 경우, 차량을 목적 지점 B까지 이동시키기 위해서는 차량의 출발 지점 A에서부터 적절한 조향각과 속도를 제어 입력하여 목적 지점 B까지 이동시켜야 한다. 이를 위해서, 종래의 기술에서는 기준 경로로부터 위치의 거리 오차나 예견 거리까지의 방향각의 오차를 줄이는 방식으로 제어하는 것이 일반적이었다.

그러나, 위치에서의 거리 오차나 방향각 오차를 줄이는 방식으로 제어하는 것은, 차량의 속도가 증가할수록 오차를 계산하는 주기가 짧아짐으로써 연산 부하가 늘어나는 등의 문제점을 가지고 있다.

따라서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 니즈가 높아지고 있다.

대한민국 특허청 등록번호 10-1556171호 대한민국 특허청 등록번호 10-1017604호

본 발명은 호스트가 최근접 기지국의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS에 주입 가능한 자율주행차량의 주행 제어 시스템에 관한 것으로, RF와 NTRIP 신호를 모두 송수신하여, 무선으로 수신 받은 “복수”의 RTCM Stream이 Host를 경유하게 함으로써, Host가 자신과 최근접 기지국(base station)의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS(moving base)에 주입 가능한 시스템 및 제어방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 골프장의 주변으로 RTCM 신호를 송신하는 NTRIP server를 설치하여 지역-망을 구축하고, RF 신호를 혼합적으로 사용하는 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

즉, 본 발명은, RTCM stream을 능동적으로 선택하는 host와 2개 이상의 GPS를 각 골프카트에 탑재하고, 각 골프카트가 자신의 “RTK-위치/헤딩각”을 측정 가능하도록 함으로써, 외부의 도움 없이 스스로 기 입력된 목표위치로 자율 주행하도록 지원하는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 자율주행차량으로부터, 속력 및 조향각 정보를 수신하여 상태 정보를 결정하고, 상태 정보를 선택적으로 이용하여 자율주행차량의 주행을 제어할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 복수의 GPS의 신호값이 미리 지정된 수치 이상으로 양호한 경우, 교정된 제 1 위치 정보와 헤딩각 정보만을 이용하여 자율주행차량의 주행을 제어하고, 미리 지정된 수치 미만인 경우, 상태 정보를 이용하여 자율주행차량의 주행을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 칼만 필터 알고리즘에 따른 예측(Predict) 및 업데이트(Update) 동작에 따라 자율주행차량의 상태 정보를 결정할 수 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 자율주행차량의 주행 제어 시스템에 있어서, 주변의 복수의 기지국으로 접속 요청 신호를 전송하는 통신부; 상기 통신부가 상기 복수의 기지국 중 적어도 하나인 제 1 기지국으로부터 상기 접속 요청 신호에 대응한 접속 신호를 수신하는 경우, 상기 제 1 기지국 중 상기 자율주행차량과 가장 근접한 제 2 기지국을 선별하는 제어부; 상기 선별된 제 2 기지국 관련 정보를 전달받는 제 1 GPS; 및 제 1 위치 정보를 획득한 상기 제 1 GPS가, 상기 제 2 기지국 관련 정보를 기초로, 상기 제 1 위치 정보를 교정하는 경우, 상기 제 1 GPS로부터 상기 교정된 제 1 위치 정보를 전달받는 제 2 GPS;를 포함하고, 상기 제 2 GPS는, 상기 제 1 GPS와 일정 거리 이격하여 상기 자율주행차량에 배치되고, 제 2 위치 정보를 획득한 제 2 GPS는, 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 위치 정보를 이용하여 상기 자율주행차량의 헤딩각 정보를 산출하며, 상기 제어부는, 상기 제 1 GPS로부터 전달된 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 GPS로부터 전달된 상기 헤딩각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 주행을 제어하고, 상기 제어부는, 상기 자율주행차량의 속력 및 조향각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 상태 정보를 결정하고, 상기 상태 정보를 선택적으로 이용하여 상기 자율주행차량의 주행을 제어할 수 있다.

본 발명은 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, RF와 NTRIP 신호를 모두 송수신하여, 무선으로 수신 받은 “복수”의 RTCM Stream이 Host를 경유하게 함으로써, Host가 자신과 최근접 기지국(base station)의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS(moving base)에 주입 가능한 시스템 및 제어방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 골프장의 주변으로 RTCM 신호를 송신하는 NTRIP server를 설치하여 지역-망을 구축하고, RF 신호를 혼합적으로 사용하는 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명은, RTCM stream을 능동적으로 선택하는 host와 2개 이상의 GPS를 각 골프카트에 탑재하고, 각 골프카트가 자신의 “RTK-위치/헤딩각”을 측정 가능하도록 함으로써, 외부의 도움 없이 스스로 기 입력된 목표위치로 자율 주행하도록 지원하는 시스템 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 시스템에 대한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제어 시스템에 적용되는 차량에 대한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련하여, 단일 DGPS를 사용한 위치 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 2개의 Differential-GPS를 사용한 위치/헤딩각 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명이 제안하는 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에서 설명한 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 현재위치가 서울시인 경우, 근접 기지국을 선택하는 순서도의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 중앙 감시 센터로 Host 위치 피드백을 위한 확장 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명이 제안하는 골프카트 자율주행 및 감시 시스템의 동작을 설명하는 순서도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, RF와 NTRIP 신호를 모두 송수신 가능한 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명과 관련하여, GPS의 신호 감도에 따라 분류된 케이스에 대응하여 차량의 위치와 방위각의 상태는 정리한 일례를 도시한 것이다.
도 12의 (a) 및 (b)는, 차량의 Bicycle model 및 Bicycle model의 기하학을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명과 관련하여, WGS84 Earth 모델 상수를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명과 관련하여, 칼만필터의 Predict와 Update 과정 등을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명과 관련하여, 4가지 RTK 상태에 따라 GPS의 측정값과 차량의 상태 정보를 융합하여 차량의 상태를 측위하는 일례를 도시한 것이다.
도 16은 도 11과 관련하여, 각 Host가 자신의 위치를 RTCM stream으로 Broadcast함으로써 관제소에서 Host의 위치를 추적 가능하도록 한 확장된 시스템의 일례를 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되어 있다거나 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.

자율 주행 시스템

자율주행차량은 운전자가 핸들과 가속페달, 브레이크 등을 조작하지 않아도 정밀한 지도, 위성항법시스템(GPS) 등 차량의 각종 센서로 상황을 파악해 스스로 목적지까지 찾아가는 차량을 말한다.

자율주행 시장은 2020년부터 본격적인 성장세에 진입할 것으로 전망되고 있다.

시장조사업체 네비건트리서치에 따르면 세계 자율주행차 시장은 2020년 전체 자동차 시장의 2%인 2000억달러를 차지한 뒤 2035년까지 1조2000억달러에 달할 것으로 추정된다.

자율주행 자동차가 실현되기 위해선 여러 가지의 기술이 필요할 수 있는데, 차간 거리를 자동으로 유지해 주는 HDA 기술, 차선이탈 경보 시스템(LDWS), 차선유지 지원 시스템(LKAS), 후측방 경보 시스템(BSD), 어드밴스트 스마트 크루즈 컨트롤(ASCC), 자동 긴급제동 시스템(AEB) 등이 필요하다.

여기서 자율주행 차량은 미리 정해진 경로에 따라 안정적으로 운행되어야 하고, 특정 이벤트 발생시에도 해당 이벤트에 대응하는 바이패스 운행을 통해 안정적 서비스 기술을 제공하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 시스템에 대한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 제어 시스템(1)은 기지국(10), 자율주행차량(100) 및 관제센터(1000)를 포함할 수 있다.

기지국(10), 자율주행차량(100) 및 관제센터(1000) 간에는 원거리 무선통신, 근거리 무선통신 또는 유선 통신을 통해 데이터를 교환할 수 있다.

여기서 근거리 통신은, ANT, 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra-Wideband), ZigBee 기술을 포함할 수 있다.

또한, 원거리 통신은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access)을 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 적용되는 자율주행차량(100)의 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.

자율주행차량

도 2는 본 발명의 제어 시스템에 적용되는 차량에 대한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 자율주행차량(100)는 무선 통신부(110), 구동부(120), 제동부(130), 센싱부(140), 출력부(150), 메모리(160), GPS(170), 제어부(180) 등을 포함할 수 있다.

단, 도 2에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 자율주행차량(100)이 구현될 수도 있다.

예를 들어, 무선 통신부의 일부를 유선으로 대체한 하드웨어 구현의 예시가 도 4에 보여진다. 그림에서 GPS와 Host는 모두 차량에 탑재되어 이격 거리가 짧으므로 Radio Link #2, #3, #4는 유선으로 직결함으로써 비용을 절감할 수 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

무선 통신부(110)는 자율주행차량(100)과 무선 통신 시스템 사이 또는 기기와 기기가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.

무선 통신부(110)는 근거리 통신 또는 원거리 통신을 통해 외부의 기기와 통신을 수행할 수 있다.

또한, 도 2을 참조하면, 구동부(120)는 자율주행차량(100) 즉, 이동체를 구동시키는 기능을 제공한다.

즉, 모터, 인버터 등의 구성들을 기초로 자율주행차량(100)을 이동시키는 원동력을 제공할 수 있다.

또한, 도 2을 참조하면, 제동부(130)는 자율주행차량(100)의 이동을 중지시키는 브레이킹 기능을 제공하는 구성이다.

제동부(130)는, 운전자의 조작력이나 보조동력 따위를 이용해 제동에 필요한 힘을 발생시키는 제동력 발생장치, 제동력 발생장치에서 발생한 힘을 이용해 차량의 속도를 줄이거나, 차량을 직접 정지시키는 제동장치, 제동력 발생장치에서 발생한 힘을 제동장치에 전달하는 부수장치 등으로 구성될 수 있다.

제동력 발생장치에는 진공, 유압, 공기 브레이크 등 보조동력과 마스터 실린더, 부스터 등이 속하고, 제동장치에는 드럼, 디스크 브레이크 등이 속하며, 부수장치에는 진공펌프와 에어 컴프레셔 등이 속할 수 있다.

제동부(130)는 자동차의 주행 속도를 낮추거나 급정차하는 데 필요한 제동브레이크, 주차 또는 정차 상태를 유지하거나 비탈길에서 주정차한 자동차가 미끄러지지 않도록 하는 주차브레이크, 비탈길을 내려갈 때 속도를 제어하는 보조브레이크 따위로 분류된다. 또 마찰 방식에 따라 마찰식과 비마찰식으로 나뉠 수도 있다.

전자에는 주차, 중앙, 휠, 상용, 유압, 공기 브레이크 등이, 후자에는 감속, 배기, 엔진, 전자식, 유체식 브레이크 등이 있다.

또한, 센싱부(140)는 자율주행차량(100)의 개폐 상태, 자율주행차량(100)의 위치, 자율주행차량(100)의 방위, 자율주행차량(100)의 가속/감속 등과 같이 자율주행차량(100)의 현 상태를 감지하여 자율주행차량(100)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킨다.

센싱부(140)는 전원 공급부(190)의 전원 공급 여부를 센싱할 수도 있다.

본 발명에 따른 센싱부(140)는 근접 센서, 초음파 센서, 거리 센서 등을 더 포함할 수도 있다.

출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(151), 음향 출력 모듈(152) 등이 포함될 수 있다.

디스플레이부(151)는 자율주행차량(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다.

디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparant OLED) 등이 있다. 디스플레이부(151)의 후방 구조 또한 광 투과형 구조로 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 사용자는 자율주행차량(100) 바디의 디스플레이부(151)가 차지하는 영역을 통해 자율주행차량(100) 바디의 후방에 위치한 사물을 볼 수 있다.

자율주행차량(100)의 구현 형태에 따라 디스플레이부(151)이 2개 이상 존재할 수 있다.

디스플레이부(151)와 터치 동작을 감지하는 센서(이하, '터치 센서'라 함)가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(이하, '터치 스크린'이라 함)에, 디스플레이부(151)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 터치 센서는, 예를 들어, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 형태를 가질 수 있다.

터치 센서는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는 터치 되는 위치 및 면적뿐만 아니라, 터치 시의 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.

터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(180)로 전송한다. 이로써, 제어부(180)는 디스플레이부(151)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다.

상기 근접 센서(141)는 상기 터치스크린에 의해 감싸지는 자율주행차량(100)의 내부 영역 또는 상기 터치 스크린의 근처에 배치될 수 있다. 상기 근접 센서는 소정의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘 또는 적외선을 이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 센서를 말한다. 근접 센서는 접촉식 센서보다는 그 수명이 길며 그 활용도 또한 높다.

상기 근접 센서의 예로는 투과형 광전 센서, 직접 반사형 광전 센서, 미러 반사형 광전 센서, 고주파 발진형 근접 센서, 정전용량형 근접 센서, 자기형 근접 센서, 적외선 근접 센서 등이 있다. 상기 터치스크린이 정전식인 경우에는 상기 포인터의 근접에 따른 전계의 변화로 상기 포인터의 근접을 검출하도록 구성된다. 이 경우 상기 터치 스크린(터치 센서)은 근접 센서로 분류될 수도 있다.

음향 출력 모듈(152)은 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(110)로부터 수신되거나 메모리(160)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다.

음향 출력 모듈(152)은 자율주행차량(100)에서 수행되는 기능과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력 모듈(152)에는 리시버(Receiver), 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.

메모리부(160)는 제어부(180)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 메시지, 오디오, 정지영상, 동영상 등)의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다.

메모리(160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 자율주행차량(100)은 인터넷(internet)상에서 상기 메모리(160)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다.

GPS(Global Positioning System, 170)는 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다.

GPS는 위성 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성된다. 여기서 위성 부문은 GPS 위성을, 지상관제 부문은 지상에 위치한 제어국을, 사용자 부문은 GPS 수신기를 말한다.

지구 위에는 30개의 GPS 위성이 돌고 있다. 이중 24개의 위성이 지구를 고전하는 6개의 궤도면에 분포해전세계 어디에서도 최소 6개의 GPS 위성을 관측할 수 있도록 한다. 나머지 6개의 위성은 24개의 위성에 문제가 생겼을 경우 백업 역할을 수행한다.

GPS 위성은 태양 에너지로 작동되며, 수명은 약 8~10년 정도다. 제어국은 미국 콜로라도 스프링스(Colorado Springs)에 있는 주 제어국과, 세계 곳곳에 분포된 5개의 부 제어국으로 나뉜다. 각 부 제어국은 상공을 지나는 GPS 위성을 추적하고 거리와 변화율을 측정해 주 제어국으로 보낸다. 주 제어국은 정보를 취합해 위성이 제 궤도를 유지하도록 처리한다. GPS 수신기는 GPS 위성의 신호를 수신하는 안테나, 시계, 신호를 처리하는 소프트웨어, 이를 출력하는 출력장치 등으로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 GPS(170)는 Moving Base GPS(171)와 Rover GPS(172)를 포함한다.

여기서, Moving Base GPS(171)는, 차량(100)의 위치를 파악하는데 이용될 수 있다.

다음으로, Rover GPS(172)는, 차량의 헤딩 각도를 측정하는데 이용될 수 있다.

Moving Base GPS(171)와 Rover GPS(172)의 구체적인 동작은 도면을 참조하여 후술한다.

또한, 제어부(controller, 180)는 통상적으로 자율주행차량(100)의 전반적인 동작을 제어한다.

본 명세서에서 제어부(180)는 호스트(HOST)라는 명칭으로 지칭될 수도 있다.

전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 제어부(180) 자체로 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(160)에 저장되고, 제어부(180)에 의해 실행될 수 있다.

단일 DGPS를 사용한 위치 측위 방법

현재, 차량의 자율주행을 구현하기 위한 방법으로 차량의 현재 헤딩각도와 현재 위치(위도, 경도)를 함께 사용하는 기법들이 제안되고 있다.

대표적으로, Pure pursuit method, Stanley method 등이 현재 제안되고 있다.

특히, 실외에서 차량의 헤딩 각도와 위치를 측정하는 방법은 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.

물론, 아래의 방법들을 혼합하여 사용하는 방법도 적용될 수 있다.

(1) 위치 측정을 위한 1개의 GPS + 헤딩 각도 측정을 위한 1기의 관성측정 센서

(2) 위치 측정을 위한 1개의 GPS + 차량의 정보 사용

(3) 2개의 GPS를 사용

상기 3가지 방법은, Differential-GPS에서의 에러 보정 방법에 따른 구분도 가능하고, 본 명세서에서는 NTRIP에 대한 내용을 주로 다루므로, 무선 기반의 에러 보정 위치를 RTK라고 호칭한다.

본 발명의 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, DGPS의 개념에 대해 설명한다.

먼저, GPS의 오차와 관련하여, DGPS(Differential GPS)는 상대 측위 방식의 GPS 측량기법으로서 이미 알고 있는 기준점 좌표를 이용하여 오차를 일으키는 요소들을 보정하고, 오차를 최대한 줄여서 보다 정확한 위치를 얻기 위한 방식이다.

일반적으로 GPS에서 오차를 일으키는 요인들은 아래의 표 1과 같다.

표 1

상기 표 1 상의 오차 중 전리층 오차가 영향을 크게 미치며, 이 오차는 수신기 주변 100Km지역에서는 거의 동일한 경향이 있으므로, 기지의 수신국에서 알아낸 오차 내역을 측정하고자 하는 GPS 수신기에 별도로 알려주어 보정하게 하는 방식이 DGPS의 기본적 원리라 할 수 있다.

다음으로, DGPS 에러보정 방식과 관련하여, 보정을 해주는 량을 전파(전달)하는 방식에 따라 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 방식과 RTK(Real-Time Kinematic) 방식으로 나눌 수 있다.

SBAS(위선기반)와 RTK(무선기반)의 방식은 다음의 표 2와 같이 정리해 볼 수 있다.

표 2

전술한 3가지 방법 중 단일 DGPS를 사용한 위치 측위 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 기지국(Base station, 10), 차량(Rover, 100), 위성(2) 및 기지국(10)과 차량(100) 간의 통신에 적용되는 무선 링크 등이 도시된다.

먼저, 기지국(Base station, 10)은 지상에 고정하여 움직이지 않는(stationary) 1번째 GPS 수신부(11)와 차량(Rover, 100)에 GPS 보정 신호(RTCM)을 송신하기 위한 Radio Link(12)로 구성된다.

다음으로, 차량(Rover, 100)과 관련하여, 차량(100)에 고정되어 차량과 함께 이동하는 2번째 GPS 수신부(172)와 base station(10)으로 부터 GPS 보정 신호를 수신 받기 위한 Radio Link(110a)로 구성된다.

또한, 차량(100)과 기지국(10) 간의 무선 링크(Radio Link)에는, 보정 신호의 통신 규격은 RTCM 방식이 주로 사용되고 있으며, Radio 신호 송수신을 위한 하드웨어는 RF, 블루투스, 그리고 최근부터는 네트워크 방식(NTRIP)도 사용되고 있다. 물론, 통신을 사용하는 장치 간의 이격 거리가 짧다면 유선 연결도 가능하다.

여기에 적용되는 Radio Link의 통신 속도는, 일반적으로 잘 알려진 직렬(serial) 통신만으로 충분하고, 최근의 GPS IC들은 다음과 같이 구성되어 있다.

- 직렬-통신 채널 1: GPS로 측정된 신호들을 사용하는 Host에 연결

- 직렬-통신 채널 2: 보정신호 송/수신을 위한 Radio Link에 연결

2개의 Differential-GPS를 사용한 위치/헤딩각 측정 방법

다음으로, 도 4를 이용하여, 2개의 Differential-GPS를 사용한 위치/헤딩각 측정 방법을 설명한다.

도 4를 참조하면, 전술한 DGPS의 개념을 적용하여 차량(100)에 2기의 GPS(171, 172)를 탑재함으로써, Host(180)에서 차량(100)의 위치와 헤딩 각도를 모두 측정할 수 있다.

예를 들어, 위치는 Base-station(10)과 연결된 첫 번?? GPS(moving base, 171)로부터 측정이 가능하고, 헤딩 각도는 Moving base와 연결된 두 번째 GPS(rover, 172)로부터 측정이 가능하다.

도 4를 참조하면, 무선 통신부의 일부를 유선으로 대체한 하드웨어 구현의 예시가 도시되는데, 도 4에서 GPS와 Host는 모두 차량에 탑재되어 이격 거리가 짧으므로 Radio Link #2, #3, #4는 유선으로 직결함으로써 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에서는, 도 3과 도 4에서 설명한 기술적 내용에 기반하여 2개의 DGPS와 NTRIP 기반의 RTCM 신호를 함께 운용하는 개선된 방법을 제안하고자 한다.

즉, 도 3에서 설명한 방법과 달리 각 단말(host)이 직접 NTRIP client로써 RTCM신호를 전송하는 NTRIP caster(혹은 server)에 접속함으로써, DGPS 서버가 불필요한 분산형 시스템을 제안하고자 한다.

또한, 도 4에서 설명한 방법과 달리 본 발명에서는, RF와 NTRIP 신호를 모두 송수신할 수 있는 변형된 방법 및 시스템을 제안하고자 한다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 제안하는 방법 및 시스템을 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명이 제안하는 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 6은 도 5에서 설명한 복수의 GPS를 이용한 차량의 위치 및 헤딩각 제어 방법의 순서도를 도시한 것이다.

도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명에서는, DGPS 서버를 이용하지 않고, 차량(100)에 2개의 GPS(170)을 구비하여 활용한다. 단, 2개의 GPS(170)는 본 발명을 구현하기 위한 일례이고, 더 많은 개수의 GPS(170)를 활용하는 것도 가능하다.

도 5를 참조하면, 차량(100)에는 Moving Base GPS(171) 및 Rover GPS(172)가 구비되고, 제어부(180)는 통신부(110)를 통해, 무선링크 1(110a)을 통해서는 무선링크 1을 지원하는 기지국 1(10a)의 무선 링크 1(12a)과 통신하고, NTRIP 신호 기반의 링크 2(110k)를 통해서는 NTRIP 신호를 지원하는 기지국 2(10b) 기지국 3(10c)의 링크 2, 3(12b, 12c)와 통신한다.

이를 기초로, 제어부(180)는 근접 기지국을 선택하고, 근접 기지국에 대한 정보를 Moving Base GPS(171) 측으로 전달한다.

이후, Moving Base GPS(171)는 Rover GPS(172) 측으로 기준 위치 정보를 전달하고, Moving Base GPS(171)는 위치 정보를 호스트(180)로 전달하며, Rover GPS(172)는 헤딩값을 도출하기 위한 상대적 PVT 값을 호스트(180)로 전달한다.

따라서 DGPS 서버 없이, 2개의 GPS 만으로, 차량(100)의 위치값과 헤딩값을 도출하여, 자율주행이 가능하도록 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 차량(100)의 제어부(HOST, 180)는 무선통신부(110)를 통해, 주변의 복수의 기지국(10)에 접속을 요청한다.

즉, NTRIP 신호 기반의 기지국 1(10a)에 접속 요청을 송부하고(S1), 다른 NTRIP 신호 기반의 기지국 2(10b)에 접속 요청을 송부하며(S2), RF 신호 기반의 기지국 3(10c)에도 접속 요청을 송부할 수 있다(S3).

이때, 차량(100)의 HOST(180)는 근접 기지국의 신호를 선택할 수 있다(S4).

예를 들어, RTCM Type 3.0에는 기지국 안테나의 위치를 포함한 정보들이 이미 포함되어 있으므로 이를 사용하여 가까운 기지국을 선택할 수 있다.

주로 사용되는 RTCM 메시지들은 하기의 표 3과 같고, 자세한 내용은 RTCM standard에 기술되어 있다.

표 3

상기 표 3에서, 1005, 1006에는 Reference station의 위치 정보가 기술되어 있으므로 가까운 기지국의 정보를 알 수 있다.

다시 도 6으로 복귀하여, 제어부(180)는 Moving Base GPS(171) 측으로 최근접 서버인 NTRIP 신호 기반의 기지국 1(10a)에 대한 정보를 전달한다(S8).

S8 단계에서, RTCM stream1은 Host(180)에서 선택한 최근접 서버의 RTCM stream을 의미한다.

이때, Moving Base GPS(171)는 최근접 서버(기지국) 관련 정보를 기초로, 위치 정보를 교정할 수 있다.

즉, 최근접 서버(기지국) 관련 정보는, 적어도 하나의 위성에서 수신한 신호를 통해 확인된 최근접 서버(기지국)의 위치와 최근접 서버(기지국)의 실제 위치 간의 차이 정보이고, 상기 차이 정보를 기초로, 상기 적어도 하나의 위성과 상기 Moving Base GPS(171) 간의 이격 거리로 인해 발생된 오차를 교정할 수 있다.

다음으로, Moving Base GPS(171)는 Rover GPS(172) 측으로 교정된 기준 위치 정보를 전달한다(S9).

S9 단계에서, RTCM stream2는 moving base(171)가 Rover GPS(172) 측으로 전송하는 RTCM stream을 의미한다.

이때, 위치 정보를 획득한 Rover GPS(172)가, 교정된 Moving Base GPS(171)의 위치 정보와 본인이 획득한 위치 정보를 이용하여 자율주행차량(100)의 헤딩각 정보를 산출할 수 있다.

여기서, 헤딩각 정보는, 상기 교정된 Moving Base GPS(171)의 위치 정보 및 미리 설정된 Moving Base GPS(171)와 Rover GPS(172) 간의 이격거리를 기준으로, 상기 Rover GPS(172)가 획득한 위치 정보가 회전한 각도 정보일 수 있다.

또한, Rover GPS(172)는, Moving Base GPS(171)로부터 최근접 서버(기지국) 관련 정보를 전달 받아 위치 정보를 교정한 이후에 헤딩각 정보를 산출할 수도 있다.

즉, Rover GPS(172)는 교정된 Moving Base GPS(171)의 위치 정보와 상기 교정된 Rover GPS(172)의 위치 정보를 이용하여 상기 자율주행차량(100)의 헤딩각 정보를 최종적으로 산출할 수도 있다.

이후, Moving Base GPS(171)는 위치, 속도 및 시간과 관련된 PVT 정보를 호스트(180)로 전달한다(S10).

또한, Rover GPS(172)는 헤딩값을 도출하기 위한 상대적 PVT 값을 호스트(180)로 전달한다(S11).

이후, 제어부(180)는 모니터(151) 측으로, RTK-PVT를 전달하여 표시하도록 한다(S12, 13).

여기서, RTK-PVT 정보는, moving base(171)가 fixed되었을 때 측정한 PVT값을 의미한다.

또한, “fixed”란 GPS 측정값이 (RTCM 보정을 통해서) 고-정밀 상태임을 의미한다.

또한, 제어부(180)는 모니터(151) 측으로, RTK-Heading 정보를 전달하여 표시하도록 한다(S14, S15).

여기서, RTK-Heading 정보는, Rover GPS(172)가 fixed되었을 때 측정한 상대 헤딩(relative heading) 값을 의미하고, 상대 헤딩 값은 moving base GPS(171)에 대한 Rover GPS(172)의 상대 위치를 측정하므로, 계산이 가능하다.

또한, “fixed”란 GPS 측정값이(RTCM 보정을 통해서) 고-정밀 상태임을 의미한다.

이에 따라 자율주행차량(100)이 상기 미리 지정된 목표 지점에 도달할 수 있도록, 상기 제어부(180)는, moving base GPS(171)를 통해 획득된 교정된 위치 정보 및 Rover GPS(172)를 통해 획득된 헤딩각 정보를 기초로 상기 자율주행차량(100)의 방향 및 속도를 제어할 수 있다.

또한, 이러한 S1 단계 내지 S15 단계는, 주기적으로 수행되고, 상기 주기적 수행 결과에 따라 최근접 기지국은 실시간으로 변경 가능하다.

한편, 도 7은 본 발명과 관련하여, 현재위치가 서울시인 경우, 근접 기지국을 선택하는 순서도의 일례를 도시한 것이다.

현재 위치가 서울이고, 아래와 같이 2개의 서버만이 존재한다면 Host(180)는 거리가 가까운 용산구의 RTCM stream을 선택해야 한다.

도 7을 참조하면, NTRIP Server1(10a)는 일본 구루메현(KURUME_01)에 위치하고, NTRIP Server2(10b)는 서울시 용산구(YONS-RTCM31)에 위치할 수 있다.

S111 단계 및 S112 단계를 통해, RTCM parser가 RTCM 메시지를 생성하고(S113), PVT에 포함된 위도, 경도 정보를 ECEF 좌표계로 변환함으로써, LLT ECEF를 생성한다(S114, 115, 116, 117, 118).

또한, Sort Logic 에서 ECEF 좌표들(ECEF1, ECEF2)와 현재 위치(ECEF0)로부터 상대거리(m)를 측위하기 위한 UTM 좌표로 변환하고(S119, S120), 이를 RTCM caster가 전달받아(S121), Sort logic에서 판단한 최단 거리 기지국의 RTCM stream을 선택하여 Moving base GPS(171)로 전달하게 된다(S123).

도 7의 예시에서 용산구의 최소 거리 기지국 번호는 No.(2)YONS-RTCM31 이다.

결과적으로 RTCM stream1 = RTCM stream(server2)를 Moving base GPS(171)에 전달할 수 있게 된다.

중앙 감시 센터로 Host 위치 피드백을 위한 확장 구조

본 발명에서는, 각 Host가 자신의 위치를 RTCM stream으로 Broadcast함으로써 관제소에서 Host의 위치를 추적하는 방법이 추가적으로 이용될 수 있다.

종래와 같이 NTRIP 방식으로 broadcast한다면 Host에서 NTRIP client 기능뿐 아니라 NTRIP server 기능을 구현해야 하는 단점이 있다.

그러나 본 발명에 적용되는 인터넷 프로토콜은 기본적으로 송수신이 모두 가능한 양방향성이므로, 추가적인 하드웨어는 불필요한 장점이 있다.

도 8은 본 발명과 관련하여, 중앙 감시 센터로 Host 위치 피드백을 위한 확장 구조의 일례를 도시한 것이다.

도 8에서 S1 내지 S15의 과정은 전술한 도 6에서의 과정과 동일하므로, 명세서의 간명화를 위해 반복된 설명은 생략한다.

S15 단계 이후에, moving base GPS(171)는 RTCM stream 2 관련 기준 위치를 호스트(180)로 전달하고(S16), 호스트(180)는 자신의 위치를 RTCM stream으로 Broadcast하게 된다(S17).

이를 통해, 관제소(1000)에서는 각 차량(100)의 호스트(180)의 위치를 실시간으로 추적하는 것이 가능하다(S18).

골프카트 자율주행 및 감시 방법

본 발명이 제안하는 방법은 RTCM stream의 선택을 host(180)가 분담하기 때문에 다수의 차량(100)이 운용되는 환경에서 효과적이고, 대표적 일례로서, 골프장에서 운용되는 골프 카트의 운용에 활용될 수 있다.

골프장의 주변으로 RTCM 신호를 송신하는 NTRIP server를 설치하여 지역-망을 구축하여 RF 신호를 혼합적으로 사용 가능하고, 골프장 주변으로 충분한 신호 강도를 갖고 있는 공용 NTRIP server가 기 설치되어 있다면 지역-망 설치는 불필요하며, 필요하다면 함께 혼용하는 방법도 가능하다.

본 발명에 따른 시스템(RTCM stream을 능동적으로 선택하는 host와 GPS 2기)을 각 골프 카트에 탑재하고, 이로부터, 각 골프카트는 자신의 “RTK-위치/헤딩각” 측정 가능하므로 외부의 도움 없이 스스로 기 입력된 목표위치로 자율주행이 가능하다.

여기서 골프카트의 현재 위치와 헤딩각만 알면 목표지점까지 가는 경로를 잘 추종하는 주행 알고리즘이 탑재된 것으로 가정한다.

또한, 도 8에서 설명한 것과 같이, 각 골프카트는 자신의 위치를 중앙 관제 센터(1000)로 broadcast함으로써 중앙관제소에서 각 골프카트의 위치를 실시간으로 추적하는 것도 가능하다.

도 9는 본 발명이 제안하는 골프카트 자율주행 및 감시 시스템의 동작을 설명하는 순서도를 도시한 것이다.

도 9를 참조하면, 2대의 골프 카트(100a, 100b)가 자율주행할 수 있다.

차량 1(100a)의 제어부(HOST, 180)와 차량 2(100b)의 제어부(HOST, 180)는, 무선통신부(110)를 통해, 주변의 복수의 기지국(10)에 접속을 요청하고, 최 근접 기지국의 신호를 선택할 수 있다(S1 내지 S4).

또한, 차량 1(100a) 및 차량 2(100b)의 제어부(180)는 Moving Base GPS(171) 측으로 최근접 기지국 정보를 전달하고, Moving Base GPS(171)는 Rover GPS(172) 측으로 기준 위치 정보를 전달하며, Moving Base GPS(171)는 위치, 속도 및 시간과 관련된 PVT 정보를 호스트(180)로 전달하고, Rover GPS(172)는 헤딩값을 도출하기 위한 상대적 PVT 값을 호스트(180)로 전달한다(S5 내지 S11).

이후, 차량 1(100a) 및 차량 2(100b)의 제어부(180)는 각 모니터(151) 측으로, RTK-PVT를 전달하여 표시하도록 하고, RTK-Heading 정보를 전달하여 표시하도록 한다(S12 내지 S15).

또한, moving base GPS(171)는 기준 위치를 호스트(180)로 전달하고, 호스트(180)는 자신의 위치를 Broadcasting 하며, 관제소(1000)에서는 각 차량(100)의 호스트(180)의 위치를 실시간으로 추적하는 것이 가능하다(S16 내지 S18).

나아가 관제소(1000)는, MAP 서버(2000) 측에 차량 1(100a) 및 차량 2(100b)의 위치 정보를 전송(S19) 하여 업데이트 하고, 업데이트된 위치가 반영된 맵 정보를 차량 1(100a) 및 차량 2(100b)로 전달하여(S20, S21)하여, 차량 1(100a) 및 차량 2(100b)의 운행 및 디스플레이부(151) 상에 위치가 표시되도록 하는 것도 가능하다.

2개의 RTK-GPS를 사용한 차량의 위치/헤딩각 측정 방법

전술한 것과 같이, 차량의 자율주행을 구현하기 위한 방법으로 차량의 현재 헤딩각도와 현재 위치(위도, 경도)를 함께 사용하는 방법으로, Pure pursuit method, Stanley method 등이 활용될 수 있다.

1) 위치 측정을 위한 1개의 GPS + 헤딩 각도 측정을 위한 1기의 관성측정 센서

2) 위치 측정을 위한 1개의 GPS + 차량의 정보 사용

3) 2개의 GPS를 사용

본 실시예에서는, GPS 신호가 양호한 비-음영 지역에서는 2기의 GPS를 사용하고, GPS 신호가 미약한 음영 지역(예를 들어, 터널)에서는 차량의 정보를 적극적으로 활용하는 방법을 제안하고자 한다.

즉, GPS 신호가 양호한 비-음영 지역에서는 2기의 GPS를 사용하는 상기 3)의 방법을 적용하고, GPS 신호가 미약한 음영 지역(예를 들어, 터널)에서는 차량의 정보를 적극적으로 활용하는 1)과 2)를 함께 적용하는 방식을 제안하고자 한다.

이하에서는, Differential-GPS에서의 에러 보정 방법에 따른 구분을 위해, 본 명세서에서는 NTRIP에 대한 내용을 주로 다루므로 앞으로 무선 기반의 에러 보정 위치를 RTK라고 호칭한다.

전술한 본 발명의 방식에서는, 차량 정보를 별도로 사용하지 않으므로, 음영지역에서는 차량의 위치 측위가 불가능한 문제점이 있으므로, 본 실시예에서는, 칼만필터를 사용하여 이를 보완할 수 있다.

우선 단일 DGPS를 사용한 위치 측위 방법에서는, 도 4에서 설명한 것과 같이, Base station은 지상에 고정하여 움직이지 않는(stationary) 1번째 GPS 수신부, rover에게 GPS 보정 신호(RTCM)을 송신하기 위한 Radio Link로 구성된다.

또한, Rover는 차량에 고정되어 차량과 함께 이동하는 2번째 GPS 수신부와 base station으로 부터 GPS 보정 신호를 수신 받기 위한 Radio Link로 구성된다.

또한, Radio Link는, 보정 신호의 통신 규격은 RTCM 방식이 주로 사용되고 있으며, Radio 신호 송수신을 위한 하드웨어는 RF, 블루투스, 그리고 최근부터는 네트워크 방식(NTRIP)도 사용될 수 있다(물론, rover 위치가 항상 고정되어 있다면 유선 연결도 가능).

또한, Radio Link의 통신 속도는 일반적으로 잘 알려진 직렬(serial)-통신만으로 충분하므로, 최근의 GPS IC들은 다음과 같이 구성되어 있다.

직렬-통신 채널 1: GPS로 측정된 신호들을 사용하는 Host에 연결

직렬-통신 채널 2: 보정신호 송/수신을 위한 Radio Link에 연결

특히, 본 실시예에서의 기술적 특징은, DGPS서버를 사용하여 단말기로부터 가까운 기지국의 RTCM 신호를 단말기로 송신하여 주는 것이다.

여기서, RTCM Type-3은 복수의 기준국들(110) 각각의 위치 정보를 포함할 수 있다.

또한, DGPS 서버(130)는 수신된 요청 메시지에 포함된 사용자 단말(160)의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말(160)과 가장 가까운 거리에 위치한 기준국에 대응하는 GPS 보정 데이터를 선택할 수 있다.

또한, Strap-Down GPS를 사용한 방법이 적용될 수 있다.

구체적으로, 본 실시예에서는, DGPS의 신호가 들어오지 않는 음영 지역에서도 위치 측위가 가능한 Inertial-Navigation 기반의 알고리즘을 제안하고자 한다.

본 실시예에서 제안하는 방법은 측위 필터를 적용할 수 있다.

또한, 차량의 정보나 IMU등을 사용한 예측(Predict) 과정이 적용되고, GPS의 취득이 불가한 경우, GPS 정보를 기반으로 한 필터 업데이트를 포기할 수 있다.

또한, GPS의 취득이 가능한 경우, GPS 정보를 기반으로 필터 업데이트를 사용할 수 있다.

본 실시예에서는, 무선으로 수신 받은 “복수”의 RTCM Stream이 Host를 경유하므로 Host가 자신과 최근접 기지국(base station)의 신호를 능동적으로 선택하여 각 GPS(moving base)에 주입 가능하다,

구체적인 운영방법을 도 10을 이용하여 설명한다.

도 10은 본 발명과 관련하여, RF와 NTRIP 신호를 모두 송수신 가능한 시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 10을 참조하면, 도 8의 내용의 각 단계를 채용하고 있으마 S30 내지 S32 단계가 추가된다.

구체적으로, 도 10을 참조하면, 차량(100)의 제어부(HOST, 180)는 무선통신부(110)를 통해, 주변의 복수의 기지국(10)에 접속을 요청한다.

제어부(180)는 Moving Base GPS(171) 측으로 최근접 서버인 NTRIP 신호 기반의 기지국 1(10a)에 대한 정보를 전달한다(S8).

여기서, RTCM stream1은 Host에서 선택한 최근접 서버의 RTCM stream을 의미한다(Radio Link #4를 통하여 host가 moving base로 전달, S31).

또한, RTCM stream2은 INS Algorithm으로 측위된 차량의 위치와 방위각을 전송하는 RTCM stream을 의미한다(Radio Link #2를 통하여 GPS(moving base, rover)간 송수신, S32).

이후, INS Algorithm을 적용한다(S30).

여기서, RTK-PVT는 moving base가 fixed되었을 때 측정한 PVT값을 의미하고, RTK-Heading은 rover가 fixed되었을 때 측정한 relative heading값(moving base에 대한 rover의 상대 위치를 측정하므로 쉽게 계산 가능)을 의미하며, “fixed”란 GPS 측정값이 (RTCM 보정을 통해서) 고-정밀 상태임을 의미한다.

이후, 호스트(180)는 자신의 위치를 RTCM stream으로 Broadcast하게 된다(S17).

구체적으로, 도 11은 본 발명과 관련하여, GPS의 신호 감도에 따라 분류된 케이스에 대응하여 차량의 위치와 방위각의 상태는 정리한 일례를 도시한 것이다.

도 11을 참조하면, GPS의 신호 감도에 따라서, 4가지 케이스로 나눌 수 있으며, 이에 따라서 차량의 위치와 방위각의 상태를 나눌 수 있고, 먼저, Moving Base의 측정값으로부터 위치값(X_ENU) 측정이 가능하다(S40).

이후, Rover의 측정값으로부터 헤딩각(Relative heading) 측정이 가능하다(S44).

또한, Vehicle의 측정값(속력[m/s], 조향각[radian])으로 부터 차량의 상태값을 칼만필터 예측(Predict)이 가능하다(S41).

또한, 예측된 차량의 상태값을 RTK-GPS의 상태(Case check)에 따라서 칼만필터 업데이트(Update,)가 가능해진다.

본 발명에 적용되는 칼만 필터의 적용 방식을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 12의 (a) 및 (b)는, 차량의 Bicycle model 및 Bicycle model의 기하학을 도시한 것이다.

도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 차량의 전륜과 후륜의 차축 중심에 한 쌍의 단일바퀴가 존재하는 자전거 모델로 단순화 할 수 있다.

이때, 자전거 모델의 운동 방정식은 2차원 평면에서 차량이 움직이고, 전륜만 조향이 가능한 non-holonomic constraint를 고려하여 다음의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

수학식 1

여기서,

는 각각 2차원 평면에서 후륜과 전륜의 위치이고,

는 2차원 평면의 x축 기준의 차량의 방위각(=헤딩각)이며, 차량의 진행방향 벡터(heading vector)와 같은 방향을 가진다.

는 차량의 전륜 조향각을 의미한다.

도 12에서는, 전륜이 후륜으로부터 차량의 방위각(

)에 대해 거리 L만큼 위치하고 있기 때문에 전륜의 위치는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2

위로부터, 다음 수학식 3을 구할 수 있다

수학식 3

또한, 차량의 속도 벡터는 차량의 속력(

)과 헤딩 각도(

)로부터 다음의 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.

수학식 4

결과적으로, 차량의 운동 방정식은 다음의 수학식 5와 같이 쓸 수 있다.

수학식 5

한편, 도 13은 본 발명과 관련하여, WGS84 Earth 모델 상수를 나타낸 것이다.

GPS 수신기는 World Geodetic System 1984 Earth 모델(WGS84)에 명시된 위치 추정치를 제공하며, ENU 혹은 NED frame으로 변환하기 위해 필요한 상수 equatorial radius와 polar radius는 도 13에 도시된 것과 같이, a, b로 정의될 수 있다.

GPS 수신기로부터 수신된 위치 데이터

로부터 ECEF(Earth-Centered, Earth-Fixed) 좌표계 상의 차량 위치를 계산하기 위한 수식은 다음의 수학식 6과 같다.

수학식 6

여기서,

은 위도(latitude),

는 경도(longitude),

는 고도(altitude)를 의미한다. 는 지구의 수직 곡률 반경이며 다음의 수학식 7과 같이 정의된다.

수학식 7

다음으로, ECEF 좌표계상의

로부터 ENU 좌표계 상의 위치 벡터(

)로 변환하는 수식은 다음의 수학식 8과 같다.

수학식 8

한편, 2개의 GPS를 사용하는 경우, 수학식 8의 위치(

)는 Moving Base에서 측위한 PVT로부터 계산하고, 수학식 5의 헤딩각(

)은 Rover의 Relative heading으로 직접 측위할 수 있다.

특별히, 2개의 GPS를 사용되는 경우, 사용할 수 있는 INS 알고리즘을 도 11과 같이 제안하게 된 것이다.

수학식 5의 차량 모델로부터 칼만 필터 구현을 위한 시 이산화-방정식(discrete-time model)을 다음의 수학식 9와 같이 쓰기로 한다.

수학식 9

이로부터, 칼만 필터 알고리즘을 다음과 같이 적용할 수 있다.

본 실시예에 적용되는 칼만필터의 Predict와 Update는 하기의 수학식 10 및 수학식 11에 따라 적용된다.

수학식 10은 Predict와 관련된 것이고, 수학식 11은 Update와 관련된 것이다.

수학식 10

수학식 11

도 14는 본 발명과 관련하여, 칼만필터의 Predict와 Update 과정 등을 설명하기 위한 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 실시예에서, Update 과정에서 2개의 RTK-GPS가 사용된 점을 고려하여 공분산 행렬 Q와 R의 값을 조절하는 방법(Update rule)이 적용될 수 있다.

Update Rule(using Case check)과 관련하여, 다음과 같은 내용이 적용될 수 있다.

도 15는 본 발명과 관련하여, 4가지 RTK 상태에 따라 GPS의 측정값과 차량의 상태 정보를 융합하여 차량의 상태를 측위하는 일례를 도시한 것이다.

도 15를 참조하면, 하기의 내용이 적용될 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 IMU로 측위되는 롤/피치각은 아는 것으로 가정하고, 위치와(,) 헤딩각(

)에 대해서만 사용하게 되고, 결론적으로 제안하는 INS 알고리즘의 목적은 차량의 상태 =[,,

]^ 를 측위하는 것이 된다.

위의 4가지 RTK 상태에 따라, GPS의 측정값과 차량의 상태 정보를 융합하여 차량의 상태를 측위할 수 있게 된다.

필요 시, 도 11의 구조를 도 11과 같이 확장할 수 있다.

즉, 도 16은 도 11과 관련하여, 각 Host가 자신의 위치를 RTCM stream으로 Broadcast함으로써 관제소에서 Host의 위치를 추적 가능하도록 한 확장된 시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 11과 같이 NTRIP 방식으로 broadcast한다면 Host에서 NTRIP client 기능 뿐 아니라 NTRIP server 기능을 구현해야 하는 단점이 있다.

그러나, 인터넷 프로토콜은 기본적으로 송수신이 모두 가능한 양방향성이므로 도 11의 구현을 위한 추가적인 하드웨어는 불필요 하다.

또한, 도 16의 Broadcast를 위한 통신 방식은 NTRIP 외에도 다양한 방법으로 구현 가능할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims

자율주행차량의 주행 제어 시스템에 있어서,
주변의 복수의 기지국으로 접속 요청 신호를 전송하는 통신부;
상기 통신부가 상기 복수의 기지국 중 적어도 하나인 제 1 기지국으로부터 상기 접속 요청 신호에 대응한 접속 신호를 수신하는 경우, 상기 제 1 기지국 중 상기 자율주행차량과 가장 근접한 제 2 기지국을 선별하는 제어부;
상기 선별된 제 2 기지국 관련 정보를 전달받는 제 1 GPS; 및
제 1 위치 정보를 획득한 상기 제 1 GPS가, 상기 제 2 기지국 관련 정보를 기초로, 상기 제 1 위치 정보를 교정하는 경우, 상기 제 1 GPS로부터 상기 교정된 제 1 위치 정보를 전달받는 제 2 GPS;를 포함하고,

상기 제 2 GPS는, 상기 제 1 GPS와 일정 거리 이격하여 상기 자율주행차량에 배치되고,
제 2 위치 정보를 획득한 제 2 GPS는, 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 위치 정보를 이용하여 상기 자율주행차량의 헤딩각 정보를 산출하며,

상기 제어부는,
상기 제 1 GPS로부터 전달된 상기 교정된 제 1 위치 정보와 상기 제 2 GPS로부터 전달된 상기 헤딩각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 주행을 제어하고,

상기 제어부는,
상기 자율주행차량의 속력 및 조향각 정보를 기초로, 상기 자율주행차량의 상태 정보를 결정하고,
상기 상태 정보를 선택적으로 이용하여 상기 자율주행차량의 주행을 제어하는 것을 특징으로 하는 자율주행차량의 주행 제어 시스템.