KR102469164B1 - Apparatus and method for geophysical navigation of USV(Unmanned Surface Vehicles) - Google Patents

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Abstract

무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치 및 방법이 개시된다. 지구물리적 내비게이션 방법은, 무인 수상선에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성하는 단계, 무인 수상선에 설치된 자력계에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성하는 단계 및 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는, 상기 무인 수상선의 포즈(Pose)를 업데이트하는 단계, 포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의되는 파티클(Particle)의 가중치를 업데이트하는 단계 및 파티클 및 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행하는 단계를 포함한다.An apparatus and method for geophysical navigation of an unmanned surface ship are disclosed. The geophysical navigation method includes generating an underwater terrain map using sensing information obtained by a sonar sensor installed on an unmanned surface ship, and geomagnetic field of the underwater topography using sensing information obtained by a magnetometer installed on the unmanned surface ship. Generating a map and performing geophysical navigation using the generated terrain map and geomagnetic field map, wherein the performing of the geophysical navigation includes updating a pose of the unmanned surface vehicle , updating weights of particles defined as a set of pose hypotheses, and performing resampling on particles and weights.

Description

무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치 및 방법{Apparatus and method for geophysical navigation of USV(Unmanned Surface Vehicles)}Apparatus and method for geophysical navigation of USV (Unmanned Surface Vehicles)}

본 발명은 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for geophysical navigation of an unmanned surface ship.

GNSS(Global Navigation Satellite System)는 수상선이 실시간으로 위치 및 방향 정보를 획득하기 위하여 사용하는 가장 일반적인 솔루션이다. 그러나, GNSS를 사용할 수 없는 상황에 대비할 필요가 있다. 예를 들어, 군사작전 중에는 GNSS 재밍(Jamming) 또는 스푸핑(Spoofing)의 가능성이 크거나, 물리적 공격으로 인한 수신기 안테나의 오작동이 발생할 수 있다. 그래서, 기존 GNSS에 대한 백업으로 추가적인 내비게이션 소스가 필요하며, 이를 위한 접근 방식들은 다음과 같다.GNSS (Global Navigation Satellite System) is the most common solution used by surface ships to acquire location and direction information in real time. However, it is necessary to prepare for situations in which GNSS cannot be used. For example, during a military operation, there is a high possibility of GNSS jamming or spoofing, or a malfunction of a receiver antenna due to a physical attack may occur. Therefore, an additional navigation source is required as a backup for the existing GNSS, and approaches for this are as follows.

첫번째 접근방식은, 기존 해상 무선 인프라를 내비게이션 비콘으로 이용하는 것이다. 약하고 취약한 GNSS 신호와 달리, 해상 무선 신호는 강력하고 간섭에 강하다. 이러한 기술의 예로, 향상된 장거리 내비게이션(eLoran) 및 범위 지정 모드(R-Mode)가 있다. 그러나, 이러한 시스템은 저주파 무선 범위를 사용하고, 환경에 따라 매우 거친 포지셔닝(eLoran의 경우 80m 이상, R-MODE의 경우 50m 이상의 정확도)을 유발할 수 있다. 또한, 이러한 시스템은 수상선에 추가적인 해상 무선 신호 수신기가 장착되어 있어야한다.The first approach is to use the existing maritime wireless infrastructure as a navigation beacon. Unlike GNSS signals, which are weak and vulnerable, maritime radio signals are strong and resistant to interference. Examples of such technologies include enhanced long-range navigation (eLoran) and ranging mode (R-Mode). However, these systems use low-frequency radio ranges and, depending on the environment, can result in very coarse positioning (accuracies of greater than 80m for eLoran and greater than 50m for R-MODE). In addition, such a system requires that the surface ship be equipped with an additional maritime radio signal receiver.

두번째 접근방식은, 관성 측정기(IMU: Inertial Measurement Units) 및 도플러 속도 로그(DVL: Doppler velocity logs)와 같은 온보드 고유수용 센서(Onboard proprioceptive sensors)를 통해 데드 레커닝(DR: dead-reckoning)을 수행하는 것이다. 관성 측정기는 본체 고정 프레임에서 선형 가속도 및 각속도를 측정할 수 있으며, 도플러 속도 로그는 선형 속도를 측정할 수 있다. 이 신호들은 수상선의 3차원(3D) 위치와 방향을 얻기 위해 통합될 수 있다. 그러나, 데드 레커닝에는 센서 노이즈와 바이어스로 인해 오류가 누적되는 문제가 있다. 더욱이, 도플러 속도 로그의 측정 정확도는 경사지거나 불규칙한 수중 바닥에서 심하게 저하된다.A second approach is to perform dead-reckoning (DR) via onboard proprioceptive sensors such as inertial measurement units (IMUs) and Doppler velocity logs (DVLs). will be. The inertial measuring device can measure linear acceleration and angular velocity in the fixed frame of the main body, and the Doppler velocity logarithm can measure linear velocity. These signals can be integrated to obtain the three-dimensional (3D) position and orientation of the waterline. However, dead reckoning has the problem of accumulating errors due to sensor noise and bias. Moreover, the measurement accuracy of the Doppler velocity log is severely degraded on sloping or irregular underwater bottoms.

세번째 접근방식은, 수상선을 둘러싼 환경의 지도를 활용하는 것이다. 수상선의 위치 파악에 도움이 되는 모든 유형의 환경 속성을 활용하여 지도로 인코딩할 수 있다. 지도가 처음에 알려졌거나 제공된 경우, 현지화(Localization) 작업 또는 위치 파악 작업이 문제가 된다. 지도가 알려지지 않은 경우, 현지화 및 매핑(mapping) 문제가 동시에 해결되어야 한다.A third approach is to use a map of the environment surrounding the surface ship. All types of environmental properties that help locate a surface craft can be utilized and encoded into a map. If the map is initially known or provided, localization or localization becomes an issue. If the map is unknown, localization and mapping issues must be addressed simultaneously.

따라서, 이와 같은 접근방식을 고려하여 GNSS를 사용할 수 없는 상황에서도 사용할 수 있는 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 내비게이션 기술이 필요하다.Therefore, in consideration of this approach, there is a need for a navigation technology for Unmanned Surface Vehicles (USVs) that can be used even in situations where GNSS cannot be used.

대한민국등록특허공보 제10-1908534호(2018.10.10)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1908534 (2018.10.10)

본 발명은 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 센서를 통해 측정된 정보를 이용하여, 수중의 지형 지도 및 지자기장 지도를 생성하고, 지구물리적 센서를 통해 획득되는 수중 지형 프로필을 생성된 지도에 매칭시켜 내비게이션 정보를 산출하는 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention generates an underwater terrain map and a geomagnetic field map using information measured through a geophysical sensor of Unmanned Surface Vehicles (USV), and generates an underwater terrain profile obtained through a geophysical sensor. It is to provide a geophysical navigation device and method for an unmanned surface ship that calculates navigation information by matching with a map.

본 발명의 일 측면에 따르면, 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치가 수행하는 지구물리적 내비게이션 방법이 개시된다.According to one aspect of the present invention, a geophysical navigation method performed by a geophysical navigation device of Unmanned Surface Vehicles (USV) is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 방법은, 상기 무인 수상선에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성하는 단계, 상기 무인 수상선에 설치된 자력계에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성하는 단계 및 상기 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는, 상기 무인 수상선의 포즈(Pose)를 업데이트하는 단계, 포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의되는 파티클(Particle)의 가중치를 업데이트하는 단계 및 상기 파티클 및 상기 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행하는 단계를 포함한다.The geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention includes generating an underwater terrain map using sensing information obtained by a sonar sensor installed on the unmanned surface ship, and sensing information obtained by a magnetometer installed on the unmanned surface ship. Generating a geomagnetic field map for an underwater topography by using a geomagnetic field map and performing geophysical navigation using the generated geomagnetic field map and the geomagnetic field map, wherein the performing geophysical navigation includes the unmanned Updating the pose of the waterline, updating the weights of particles defined as a set of pose hypotheses, and performing resampling on the particles and the weights. do.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치가 개시된다.According to another aspect of the present invention, a geophysical navigation device for Unmanned Surface Vehicles (USV) is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 상기 무인 수상선에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성하는 단계, 상기 무인 수상선에 설치된 자력계에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성하는 단계 및 상기 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는, 상기 무인 수상선의 포즈(Pose)를 업데이트하는 단계, 포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의되는 파티클(Particle)의 가중치를 업데이트하는 단계 및 상기 파티클 및 상기 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법을 수행한다.A geophysical navigation device according to an embodiment of the present invention includes a memory for storing commands and a processor for executing the commands, wherein the commands use sensing information obtained by a sonar sensor installed in the unmanned surface ship Generating a geomagnetic field map of the underwater terrain using sensing information obtained by a magnetometer installed on the unmanned surface ship, and geophysical navigation using the generated geomagnetic field map and the geomagnetic field map Including the step of performing, wherein the step of performing the geophysical navigation includes updating the pose of the unmanned surface vehicle, updating the weight of a particle defined by a set of pose hypotheses and performing resampling on the particles and the weights.

본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치 및 방법은, 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 센서를 통해 측정된 정보를 이용하여, 수중의 지형 지도 및 지자기장 지도를 생성하고, 지구물리적 센서를 통해 획득되는 수중 지형 프로필을 생성된 지도에 매칭시켜 내비게이션 정보를 산출할 수 있다.Geophysical navigation device and method for unmanned surface vehicles according to embodiments of the present invention generate underwater terrain maps and geomagnetic field maps using information measured by geophysical sensors of unmanned surface vehicles (USVs) And, navigation information can be calculated by matching the underwater terrain profile obtained through the geophysical sensor to the created map.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치가 수행하는 지구물리적 내비게이션 방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 무인 수상선에 설치된 지구물리적 센서의 측정 개념을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 방법의 알고리즘 의사코드를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
1 is a flowchart illustrating a geophysical navigation method performed by a geophysical navigation device of Unmanned Surface Vehicles (USV) according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the measurement concept of a geophysical sensor installed on an unmanned surface ship.
3 is a diagram showing algorithm pseudocode of a geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are views for explaining a geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram schematically illustrating the configuration of a geophysical navigation device for an unmanned surface ship according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Singular expressions used herein include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or some of the steps It should be construed that it may not be included, or may further include additional components or steps. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. .

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치가 수행하는 지구물리적 내비게이션 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 무인 수상선에 설치된 지구물리적 센서의 측정 개념을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 방법의 알고리즘 의사코드를 나타낸 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지구물리적 내비게이션 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 방법을 설명하되, 도 2 내지 도 5를 참조하기로 한다.1 is a flowchart illustrating a geophysical navigation method performed by a geophysical navigation device of Unmanned Surface Vehicles (USV) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 illustrates a measurement concept of a geophysical sensor installed on an unmanned surface vehicle. FIG. 3 is a diagram showing an algorithm pseudo code of a geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining the geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention. . Hereinafter, a geophysical navigation method of an unmanned surface vehicle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, but reference will be made to FIGS. 2 to 5.

지구물리적 내비게이션(Geophysical Navigation)에서 첫번째 작업은 신뢰할 수 있는 지구물리 지도를 획득하는 것이다. 이 작업에서는, 수중 지형(Underwater terrains)과 지자기장(Geomagnetic fields)이라는 두 가지의 지구 물리학적 특성이 활용된다.The first task in geophysical navigation is to obtain reliable geophysical maps. In this work, two geophysical properties are utilized: underwater terrains and geomagnetic fields.

S110 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 무인 수상선(100)에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성한다.In step S110, the geophysical navigation device generates an underwater terrain map using sensing information obtained by a sonar sensor installed in the unmanned surface ship 100.

S110 단계는 지형 매핑 절차로서, 소나 센서에 의한 수심 측정의 원시 측정, 소나 프로필에서의 오정합점 제거 및 무인 수상선의 포즈 정보를 사용한 수중 지형의 3차원 포인트 클라우드 재구성을 포함할 수 있다.Step S110 is a terrain mapping procedure, which may include raw measurement of bathymetry by a sonar sensor, removal of false junctions from a sonar profile, and 3D point cloud reconstruction of an underwater terrain using pose information of an unmanned surface vehicle.

도 2를 참조하면, 무인 수상선(100)은 GPS(Global Positioning System)(110), 광섬유 자이로스코프(FOG: Fiber Optic Gyroscope)(120), 도플러 속도 로그(DVL: Doppler velocity logs)(130), 다중 빔 에코사운더(MBES: Multibeam echosounder)(140) 및 자력계(Magnetometer)(150) 등의 센서들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the unmanned surface vessel 100 includes a Global Positioning System (GPS) 110, a Fiber Optic Gyroscope (FOG) 120, Doppler velocity logs (DVL) 130, Sensors such as a multibeam echosounder (MBES) 140 and a magnetometer 150 may be included.

예를 들어, 수심 측정에는, 단일 빔 프로파일러, 도플러 속도 로그(130), 다중 빔 에코사운더(140) 등을 포함하는 여러 소나 센서가 이용될 수 있다.For example, several sonar sensors including a single beam profiler, a Doppler velocity log 130, a multi-beam echo sounder 140, and the like may be used for depth measurement.

본 발명의 실시예에서는, 다중 빔 에코사운더(140)가 단일 스캔으로 수백개의 소나 범위를 획득하여 다른 소나 범위 센서보다 훨씬 더 많은 정보를 제공하기 때문에, 뛰어난 효율성을 위하여 다중 빔 에코사운더(140)가 사용되었다.In an embodiment of the present invention, the multi-beam echo sounder 140 acquires hundreds of sonar ranges in a single scan, providing much more information than other sonar range sensors, so that the multi-beam echo sounder (140) provides superior efficiency. 140) was used.

소나 센서의 탐지범위에는 일반적으로, 수면 또는 수상선 자체에 반사된 소나 신호로 인하여 발생하는 다중 경로 전파가 있으며, 이에 영향을 받는 소나 범위는 일관된 매핑을 위하여 수정되거나 제거되어야 한다. 모든 소나 스캔에서 캡처된 지형이 매끄럽고 연속적인 모양이고, 공간 도메인에서 고주파 성분이 없다고 가정하면, 평균 지형 높이로 계산된 임계값을 사용하여 이상값 범위가 제거될 수 있다.In the detection range of the sonar sensor, there is generally multi-path propagation caused by the sonar signal reflected on the water surface or the surface ship itself, and the sonar range affected by this must be modified or removed for consistent mapping. Assuming that the terrain captured in all sonar scans has a smooth, continuous shape and no high-frequency components in the spatial domain, the outlier range can be removed using a threshold calculated as the average terrain height.

좌표 변환을 통해 내부 소나 범위가 수중 지형의 3차원 포인트 클라우드로 변환되어 재구성될 수 있다. 무인 수상선(100)이 수면의 3차원 공간에서 이동하므로, 포즈 상태 벡터(Pose state vector)

Figure 112020139014992-pat00001
는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.Through coordinate transformation, the internal sonar range can be transformed into a three-dimensional point cloud of the underwater topography and reconstructed. Since the unmanned surface ship 100 moves in the 3-dimensional space of the water surface, the pose state vector
Figure 112020139014992-pat00001
can be represented by the following equation.

Figure 112020139014992-pat00002
Figure 112020139014992-pat00002

여기서,

Figure 112020139014992-pat00003
은 무인 수상선(100)의 3차원 위치이고,
Figure 112020139014992-pat00004
는 무인 수상선(100)의 방향을 나타내는 오일러 각도이다. 둘 다 전역 또는 관성 기준 프레임 {I}에서 나타내어진다.here,
Figure 112020139014992-pat00003
is the 3-dimensional position of the unmanned surface ship 100,
Figure 112020139014992-pat00004
Is an Euler angle representing the direction of the unmanned surface ship 100. Both are represented in the global or inertial frame of reference {I}.

본 명세서에서는, {I} 프레임으로서 유니버설 가로 메르카토르 좌표계(Universal Transverse Mercator(UTM) coordinate system)가 적용되었으나, 어플리케이션에 따라 다양한 글로벌 좌표계가 사용될 수 있다.In this specification, a Universal Transverse Mercator (UTM) coordinate system is applied as the {I} frame, but various global coordinate systems may be used depending on applications.

다음으로, 소나 범위를 지형 지점으로 변환하는 것을 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.Next, conversion of the sonar range into terrain points can be expressed by the following equation.

Figure 112020139014992-pat00005
Figure 112020139014992-pat00005

여기서, pS k,t는 소나 센서 고정 프레임 {S}에서 표시되는 지형의 3차원 지점이고, rk,t는 시간 단계 t에서 k번째 소나 빔의 범위 측정값이고, s는 소나 스캔 폭이고, b는 빔 간격이다.where p S k,t is a three-dimensional point on the terrain displayed in the sonar sensor fixed frame {S}, r k,t is the range measurement of the kth sonar beam at time step t, and s is the sonar scan width , b is the beam spacing.

pS k,t는 {I} 프레임에서 표시되도록 하기 수학식을 이용하여 추가로 변환된다.p S k,t is further transformed using the following equation to be displayed in the {I} frame.

Figure 112020139014992-pat00006
Figure 112020139014992-pat00006

여기서,

Figure 112020139014992-pat00007
Figure 112020139014992-pat00008
는 시간 단계 t에서 무인 수상선(100)의 상태로서, 각각 무인 수상선(100)의 위치 및 방향이고, RI B(·)는 {B} 프레임에서 {I} 프레임으로 변환시키는 회전 행렬이고, RB S는 {S} 프레임에서 {B} 프레임으로 변환시키는 회전 행렬이고, tB S는 무인 수상선(100)의 모션 센터로부터 센서 위치를 나타내는 변환 벡터이다.here,
Figure 112020139014992-pat00007
and
Figure 112020139014992-pat00008
Is the state of the unmanned surface ship 100 at time step t, is the position and direction of the unmanned surface ship 100, respectively, R I B (·) is a rotation matrix for converting {B} frame to {I} frame, R B S is a rotation matrix for converting frame {S} to frame {B}, and t B S is a conversion vector representing a sensor position from the motion center of the unmanned surface vehicle 100.

여기서, 무인 수상선(100)의 위치

Figure 112020139014992-pat00009
및 방향
Figure 112020139014992-pat00010
은 각각 GPS(110) 및 관성 측정기(IMU: Inertial Measurement Units)를 이용하여 측정될 수 있으며, {B} 프레임은 GPS(110)의 고정 프레임이다.Here, the position of the unmanned surface ship 100
Figure 112020139014992-pat00009
and direction
Figure 112020139014992-pat00010
may be measured using the GPS 110 and Inertial Measurement Units (IMU), respectively, and the {B} frame is a fixed frame of the GPS 110.

최종적으로, 지형 지도

Figure 112020139014992-pat00011
는 하기 수학식과 같이, 재구성된 3차원 지형 지점으로 구성된다.Finally, a terrain map
Figure 112020139014992-pat00011
is composed of reconstructed 3D terrain points, as shown in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00012
Figure 112020139014992-pat00012

여기서, nb는 단일 스캔에서의 소나 빔 수이고, ts는 소나 매핑에 소요된 총 시간 단계이다.Here, n b is the number of sonar beams in a single scan, and t s is the total time step required for sonar mapping.

S120 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 무인 수상선(100)에 설치된 자력계(150)에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성한다.In step S120 , the geophysical navigation device generates a geomagnetic field map of the underwater topography using sensing information obtained by the magnetometer 150 installed in the unmanned surface ship 100 .

여기서, 자력계(150)는 자력계 고정 프레임 {M}에서 지구 자기장의 3차원 벡터 mM를 측정한다.Here, the magnetometer 150 measures the 3D vector m M of the Earth's magnetic field in the magnetometer fixed frame {M}.

그러나, 자력계(150)는 다양한 전자기 장치 및 강자성 물체로 야기되는 Hard iron 및 Soft iron의 효과의 영향으로 매핑 결과가 편향된다. 그러므로, 무인 수상선(100)에 설치된 자력계(150)의 보정은 일관된 매핑을 위한 필수 단계이다.However, the mapping result of magnetometer 150 is biased due to the effect of hard iron and soft iron caused by various electromagnetic devices and ferromagnetic objects. Therefore, calibration of the magnetometer 150 installed on the unmanned surface vehicle 100 is an essential step for consistent mapping.

보정 후, 보정된 지자기장의 측정값

Figure 112020139014992-pat00013
은 센서 고정 프레임에서 구의 호 또는 원을 구성하며, {I} 프레임으로 변환되어 표현된다. 이때, 광섬유 자이로스코프(120)에 의하여 추정된 무인 수상선(100)의 방향이 사용된다.After calibration, the measured value of the calibrated geomagnetic field
Figure 112020139014992-pat00013
constitutes an arc or a circle of a sphere in the sensor fixed frame, and is expressed by being converted into an {I} frame. At this time, the direction of the unmanned surface ship 100 estimated by the fiber optic gyroscope 120 is used.

{M} 프레임에서 {I} 프레임으로의 지자기장값의 변환은 하기 수학식을 이용하여 수행된다.The conversion of the geomagnetic field value from the {M} frame to the {I} frame is performed using the following equation.

Figure 112020139014992-pat00014
Figure 112020139014992-pat00014

그리고, 지자기장 F의 총 강도는 하기 수학식으로 산출된다.Then, the total intensity of the geomagnetic field F is calculated by the following equation.

Figure 112020139014992-pat00015
Figure 112020139014992-pat00015

무인 수상선(100)의 경로를 따라 단일의 3차원 지자기장 벡터만 획득되기 때문에, 결과적인 지자기장 강도 지도는 매우 밀도가 낮다. 밀도가 높은 지자기장 강도 지도를 생성하려면 추가 보간이 필요한데, 밀도가 높은 지자기장 강도 지도를 생성하기 위하여, 미모수적 회귀 방법(Nonparametric regression method)인 GPR(Gaussian Process Regression)이 사용될 수 있다. 밀도가 높은 지자기장 강도 지도가 내비게이션에 더 유용하다.Since only a single three-dimensional geomagnetic field vector is obtained along the path of the unmanned surface vehicle 100, the resulting geomagnetic field strength map is very sparse. Additional interpolation is required to generate a dense geomagnetic field strength map. In order to generate a dense geomagnetic field strength map, Gaussian Process Regression (GPR), which is a nonparametric regression method, may be used. Maps of geomagnetic field strength with higher density are more useful for navigation.

GPR에서 2개 도메인의 함수의 확률은 하기 수학식과 같이, 정규 분포로 정의된다.In GPR, the probability of a function of two domains is defined as a normal distribution, as shown in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00016
Figure 112020139014992-pat00016

여기서, 함수의 평균

Figure 112020139014992-pat00017
및 공분산
Figure 112020139014992-pat00018
은 하기 수학식과 같이 정의된다.where the mean of the function
Figure 112020139014992-pat00017
and covariance
Figure 112020139014992-pat00018
Is defined as in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00019
Figure 112020139014992-pat00019

여기서,

Figure 112020139014992-pat00020
은 함수 관측(Function observations)에서 가우시안 노이즈(Gaussian noise)의 분산이고, K는 문제에 따라 미리 설계된 커널 함수(Kernel function)이다.here,
Figure 112020139014992-pat00020
is the variance of Gaussian noise in function observations, and K is a pre-designed kernel function according to the problem.

커널 함수는 하기 수학식과 같이, 비교적 간단한 제곱 지수 커널이 사용될 수 있다.As the kernel function, a relatively simple squared exponential kernel may be used as shown in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00021
Figure 112020139014992-pat00021

여기서,

Figure 112020139014992-pat00022
는 크로네커 델타 함수(Kronecker delta function)이고,
Figure 112020139014992-pat00023
는 신호 분산이고, l은 길이이다.here,
Figure 112020139014992-pat00022
is the Kronecker delta function,
Figure 112020139014992-pat00023
is the signal variance and l is the length.

사전에, 평균

Figure 112020139014992-pat00024
이 0이라고 가정하면, 회귀는 하기 수학식으로 산출된다.beforehand, average
Figure 112020139014992-pat00024
Assuming that is 0, the regression is calculated by the following equation.

Figure 112020139014992-pat00025
Figure 112020139014992-pat00025

여기서,

Figure 112020139014992-pat00026
Figure 112020139014992-pat00027
는 각각 목표 함수 f(x')의 평균 및 공분산이고, y는 f(x)의 노이즈를 포함하는 관측값이다.here,
Figure 112020139014992-pat00026
and
Figure 112020139014992-pat00027
are the mean and covariance of the target function f(x'), respectively, and y is the observation containing the noise of f(x).

최종적으로, 밀도가 높은 지자기장 강도 지도는 하기 수학식과 같이 정의될 수 있다.Finally, the geomagnetic field intensity map with high density can be defined as in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00028
Figure 112020139014992-pat00028

여기서,

Figure 112022111291430-pat00125
은 자기장이 보간되는 작업 영역에서 사용자 정의된 3차원 위치의 수이다.here,
Figure 112022111291430-pat00125
is the number of user-defined three-dimensional positions in the work area over which the magnetic field is interpolated.

내비게이션에 지자기장 지도를 사용할 때, 무인 수상선(100)은 매핑 단계에서와 유사한 수준의 수면에서 동작하고 조석 차이는 무시할 만하다고 가정할 수 있다. 이러한 제한을 해결하기 위하여, 획득된 자기장 데이터를 이용하여 하향 연속 또는 상향 연속이 수행되고, 조석 효과가 보상될 수 있다. 그러나, 이 접근방식은 연속 절차(특히 하향 연속)에 대하여 높은 충실도를 요구하므로, 본 발명의 실시예에서는 제외될 수 있다.When using the geomagnetic field map for navigation, it can be assumed that the unmanned surface vessel 100 operates at a water level similar to that in the mapping step and the tidal difference is negligible. To address this limitation, downward continuation or upward continuation may be performed using the obtained magnetic field data, and the tidal effect may be compensated for. However, since this approach requires high fidelity for sequencing procedures (especially downward sequencing), it may be excluded in embodiments of the present invention.

S130 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행한다.In step S130 , the geophysical navigation device performs geophysical navigation using the generated terrain map and geomagnetic field map.

본 발명의 실시예에 따른 지구 물리적 내비게이션 방법에는, SIR(Sampling-importance resampling)의 표준 프레임워크에 따른 파티클 필터(Particle filter)가 사용된다.In the geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention, a particle filter according to a standard framework of sampling-importance resampling (SIR) is used.

즉, 파티클 세트(Particle set)는 하기 수학식과 같이, N개의 포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의될 수 있다.That is, a particle set may be defined as a set of N pose hypotheses as shown in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00030
Figure 112020139014992-pat00030

이 파티클 세트의 목표 상태

Figure 112020139014992-pat00031
의 사후 확률은 하기 수학식의 가중치 세트를 이용하여 산출될 수 있다.The target state of this particle set
Figure 112020139014992-pat00031
The posterior probability of can be calculated using a set of weights in the following equation.

Figure 112020139014992-pat00032
Figure 112020139014992-pat00032

예를 들어, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지구 물리적 내비게이션 방법에 따른 알고리즘의 의사코드를 나타낸다. 도 3의 알고리즘의 입력은

Figure 112020139014992-pat00033
(파티클 사이즈),
Figure 112020139014992-pat00034
(파티클 사이즈 임계치),
Figure 112020139014992-pat00035
(포즈 초기값),
Figure 112020139014992-pat00036
(제어 입력),
Figure 112020139014992-pat00037
(모션 노이즈 파라미터),
Figure 112020139014992-pat00038
(소나 범위 측정값),
Figure 112020139014992-pat00039
(자기장 측정값),
Figure 112020139014992-pat00040
(소나 범위 노이즈 공분산),
Figure 112020139014992-pat00041
(평활화된 노이즈 공분산),
Figure 112020139014992-pat00042
(자기장 노이즈 공분산),
Figure 112020139014992-pat00043
(지형 거칠기 임계치),
Figure 112020139014992-pat00044
(지형 지도),
Figure 112020139014992-pat00045
(지자기장 지도),
Figure 112020139014992-pat00046
(소나 관심 영역),
Figure 112020139014992-pat00047
(자력계 관심 영역),
Figure 112020139014992-pat00048
(소나 센싱 파라미터)를 포함한다. 그리고, 도 3의 알고리즘의 출력은
Figure 112020139014992-pat00049
(포즈),
Figure 112020139014992-pat00050
(파티클 세트),
Figure 112020139014992-pat00051
(파티클 가중치 세트)를 포함한다.For example, FIG. 3 shows pseudocode of an algorithm according to a geophysical navigation method according to an embodiment of the present invention. The input of the algorithm of Figure 3 is
Figure 112020139014992-pat00033
(particle size),
Figure 112020139014992-pat00034
(particle size threshold),
Figure 112020139014992-pat00035
(Pose initial value),
Figure 112020139014992-pat00036
(control input),
Figure 112020139014992-pat00037
(motion noise parameter),
Figure 112020139014992-pat00038
(sonar range measurements),
Figure 112020139014992-pat00039
(magnetic field measurements),
Figure 112020139014992-pat00040
(sonar range noise covariance),
Figure 112020139014992-pat00041
(Smoothed Noise Covariance),
Figure 112020139014992-pat00042
(magnetic field noise covariance),
Figure 112020139014992-pat00043
(terrain roughness threshold),
Figure 112020139014992-pat00044
(topographic map),
Figure 112020139014992-pat00045
(geomagnetic field map),
Figure 112020139014992-pat00046
(sonar region of interest),
Figure 112020139014992-pat00047
(magnetometer region of interest),
Figure 112020139014992-pat00048
(sonar sensing parameters). And, the output of the algorithm of Figure 3 is
Figure 112020139014992-pat00049
(pose),
Figure 112020139014992-pat00050
(particle set),
Figure 112020139014992-pat00051
(set of particle weights).

이 알고리즘의 프로세스는 모션 업데이트(Motion update), 가중치 업데이트(Weight update) 및 리샘플링(Resampling)의 3 단계로 구성될 수 있다. 이러한 단계는, 설계된 무인 수상선(100)의 모션 및 센서 관찰 모델을 기반으로 수행될 수 있다.The process of this algorithm may consist of three steps: motion update, weight update, and resampling. These steps may be performed based on the motion and sensor observation model of the designed unmanned surface ship 100 .

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, S130 단계의 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는, 무인 수상선(100)의 포즈 업데이트 단계(S131), 파티클 가중치 업데이트 단계(S132) 및 리샘플링 단계(133)를 포함한다.That is, as shown in FIG. 1, the step of performing geophysical navigation in step S130 includes a step of updating a pose of the unmanned surface vehicle 100 (S131), a step of updating particle weights (S132), and a resampling step (133). do.

S131 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 무인 수상선(100)의 포즈를 업데이트한다.In step S131, the geophysical navigation device updates the pose of the unmanned surface craft 100.

이 단계에서, 파티클은 무인 수상선(100)의 모션 모델에 따라 이동되고 분산된다. 본 발명의 실시예에서는 속도 모션 모델이 사용되며, 이 모델에서는 모션이 순방향 선형 속도

Figure 112020139014992-pat00052
및 요 각속도(Yaw angular velocity)
Figure 112020139014992-pat00053
의 두 속도에 의하여 제어되는 것으로 가정된다.In this step, the particles are moved and dispersed according to the motion model of the unmanned surface ship 100. In an embodiment of the present invention, a velocity motion model is used, in which the motion is a forward linear velocity.
Figure 112020139014992-pat00052
and yaw angular velocity
Figure 112020139014992-pat00053
It is assumed to be controlled by the two velocities of

본 발명에서 사용되는 모션 센서는 도플러 속도 로그(DVL: Doppler velocity logs)(130) 및 광섬유 자이로스코프(FOG: Fiber Optic Gyroscope)(120)를 포함하며, 각각 순방향 선형 속도

Figure 112020139014992-pat00054
및 요 각속도
Figure 112020139014992-pat00055
를 측정한다.The motion sensor used in the present invention includes Doppler velocity logs (DVL) 130 and Fiber Optic Gyroscope (FOG) 120, each with a forward linear velocity.
Figure 112020139014992-pat00054
and yaw angular velocity
Figure 112020139014992-pat00055
to measure

그리고, 제어 입력

Figure 112020139014992-pat00056
은 모션 예측의 불확실성을 실현하기 위하여 확률적으로 각 파티클에 적용된다. and control input
Figure 112020139014992-pat00056
is stochastically applied to each particle to realize the uncertainty of motion prediction.

우선, 하기 수학식과 같은 제어 입력과 추가적인 헤딩 섭동항(Heading perturbation term)

Figure 112020139014992-pat00057
이 샘플링된다.First, a control input and an additional heading perturbation term such as the following equation
Figure 112020139014992-pat00057
This is sampled.

Figure 112020139014992-pat00058
Figure 112020139014992-pat00058

여기서,

Figure 112020139014992-pat00059
은 평균이 0이고, 표준편차가
Figure 112020139014992-pat00060
인 정규분포에서 샘플링된 값이고, 파라미터 세트
Figure 112020139014992-pat00061
는 모션 노이즈를 나타낸다. 특히,
Figure 112020139014992-pat00062
Figure 112020139014992-pat00063
는 각각 현재의 선형 속도 및 각속도에 따라 선형 속도 측정의 불확실성이 증가하는 정도를 나타내고,
Figure 112020139014992-pat00064
Figure 112020139014992-pat00065
는 유사하게, 각속도의 불확실성을 설정한다.here,
Figure 112020139014992-pat00059
has a mean of 0 and a standard deviation of
Figure 112020139014992-pat00060
is a value sampled from a normal distribution of , and a set of parameters
Figure 112020139014992-pat00061
represents motion noise. Especially,
Figure 112020139014992-pat00062
and
Figure 112020139014992-pat00063
Represents the degree to which the uncertainty of linear velocity measurement increases according to the current linear velocity and angular velocity, respectively,
Figure 112020139014992-pat00064
and
Figure 112020139014992-pat00065
Similarly, sets the uncertainty of the angular velocity.

무인 수상선(100)의 포즈는 하기 수학식을 이용하여 업데이트된다.The pose of the unmanned surface ship 100 is updated using the following equation.

Figure 112020139014992-pat00066
Figure 112020139014992-pat00066

여기서,

Figure 112020139014992-pat00067
는 파도로 인한 무인 수상선(100)의 z축 방향 모션의 방해(Disturbance)이다.here,
Figure 112020139014992-pat00067
Is the disturbance of the motion of the unmanned surface ship 100 in the z-axis direction due to waves.

S132 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 무인 수상선(100)의 파티클 가중치를 업데이트한다.In step S132, the geophysical navigation device updates the particle weight of the unmanned surface vehicle 100.

이 단계에서, 각 파티클의 가중치는 실제 센서 측정값이 주어지면, 각 파티클로부터 예측된 측정값의 가능성에 따라 업데이트된다. 예측된 측정값은 각 센서의 관찰 모델로부터 산출될 수 있다. 다중 빔 에코사운더(MBES: Multibeam echosounder)(140)의 경우, 투영 기반 및 범위 기반의 두 가지 관찰 모델 유형이 적용될 수 있다. 이 작업에서는, 다중 빔 관찰의 경우에 더 많은 정보를 제공하기 때문에, 범위 기반 모델이 적용되었다.In this step, the weight of each particle is updated according to the probability of the predicted measurement from each particle, given the actual sensor measurement. Predicted measured values may be calculated from observation models of each sensor. For the multibeam echosounder (MBES) 140, two types of observation models can be applied: projection-based and range-based. In this work, a range-based model was applied because it provides more information in the case of multi-beam observation.

소나 범위의 예측은 빔 방향으로 광선을 투사하고, 지형 지도

Figure 112020139014992-pat00068
에서 히트 포인트(Hit point)를 찾아서 수행된다. 다중 빔 소나 감지에 사용되는 빔의 개수가 수백 개이기 때문에, 효율적인 광선 투사가 필요하다. 이를 위한 한 가지 기본적인 접근방식은 빔 측정을 다운 샘플링하는 것이다. 그리고, 다른 접근방식에는 지도 해상도를 줄이는 것이 있다. 그러나, 이는 대상 영역의 크기가 상당히 클 때에 한계가 있다.Prediction of the sonar range casts rays in the beam direction and maps the terrain.
Figure 112020139014992-pat00068
It is performed by finding a hit point in Since the number of beams used for multi-beam sonar detection is hundreds, efficient beam projection is required. One basic approach for this is downsampling the beam measurement. And, another approach is to reduce the map resolution. However, this has limitations when the size of the target area is considerably large.

그래서, 본 발명의 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 관심 영역(ROI)을 설정하여 광선 투사를 위한 검색 영역을 제한한다. 이 접근방식은 무인 수상선(100)의 최대 롤(Roll) 및 피치(Pitch)를 커버하기 위하여 미리 정의된 폭 및 높이로 현재 포즈를 중심으로 하는 바운딩 박스(Bounding box)로 설정된다. 이 접근 방식은 계산 부하를 감소시키고, 범위 기반 관찰 모델의 확장성을 보장할 수 있다.Therefore, in an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4 , a region of interest (ROI) is set to limit a search region for ray projection. This approach sets a bounding box centered on the current pose with a predefined width and height to cover the maximum roll and pitch of the unmanned surface vehicle (100). This approach can reduce the computational load and ensure the scalability of the range-based observation model.

일단, 범위가 예측되면, 소나 범위에 대한 파티클 가중치는 하기 수학식을 이용하여 업데이트될 수 있다.Once the range is predicted, the particle weights for the sonar range can be updated using the equation:

Figure 112020139014992-pat00069
Figure 112020139014992-pat00069

여기서, rt는 시간 단계 t에서 단일 스캔에서 이상치가 제거된 실제 소나 범위의 배열이고,

Figure 112020139014992-pat00070
는 i번째 파티클로부터 예측된 소나 범위이고,
Figure 112020139014992-pat00071
는 소나 범위 측정값의 노이즈 공분산이다.where r t is the array of real sonar ranges with outliers removed in a single scan at time step t,
Figure 112020139014992-pat00070
is the predicted sonar range from the ith particle,
Figure 112020139014992-pat00071
is the noise covariance of the sonar range measurements.

그리고, 파티클 가중치는 생산적인 방식으로 업데이트되지만, 추가적인 업데이트도 사용될 수 있다.And, the particle weights are updated in a productive way, but additional updates can also be used.

이와 마찬가지로, 자력계 측정값도 자력계(150)의 중앙에서 아래로 단일 광선을 투사하고, 지자기장 지도

Figure 112020139014992-pat00072
에서 히트 포인트를 찾아 예측될 수 있다.Similarly, the magnetometer measurements are taken by projecting a single beam down from the center of the magnetometer 150, and mapping the geomagnetic field.
Figure 112020139014992-pat00072
It can be predicted by finding the hit point in .

따라서, 자력계에 대한 파티클 가중치의 업데이트는 하기 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.Accordingly, the update of particle weights for the magnetometer can be calculated using the following equation.

Figure 112020139014992-pat00073
Figure 112020139014992-pat00073

여기서, Ft는 시간 단계 t에서 자력계(150)에 의하여 측정된 실제 지자기장 강도이고,

Figure 112020139014992-pat00074
는 i번째 파티클로부터 예측된 강도이고,
Figure 112020139014992-pat00075
는 자력계 측정값의 노이즈 공분산이다.where F t is the actual geomagnetic field strength measured by magnetometer 150 at time step t,
Figure 112020139014992-pat00074
is the intensity predicted from the ith particle,
Figure 112020139014992-pat00075
is the noise covariance of the magnetometer measurements.

S133 단계에서, 지구물리적 내비게이션 장치는, 파티클 및 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행한다.In step S133, the geophysical navigation device performs resampling on particles and weights.

기존의 SIR(Sampling-importance resampling) 필터는 파티클 사이의 우도값(Likelihood values)이 일정시간 동안 매우 유사할 때, 파티클 부족 문제가 있다. 특히, 평평한 수중 지형의 근처에서 파티클 부족이 발생할 수 있다.Existing sampling-importance resampling (SIR) filters have a particle shortage problem when likelihood values between particles are very similar for a certain period of time. In particular, particle shortages can occur in the vicinity of flat underwater terrain.

이러한 파티클 부족 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에서는, 지형 거칠기(Terrain roughness) Rz가 사용되며, Rz 값을 기반으로 기존의 파티클 가중치 업데이트 단계(S132) 및 리샘플링 단계(133)가 수정된다.In order to solve this particle shortage problem, in the embodiment of the present invention, terrain roughness R z is used, and the existing particle weight update step (S132) and resampling step (133) based on the R z value amended

각 소나 스캔의 Rz 값은 하기 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.The R z value of each sonar scan can be calculated using the following equation.

Figure 112020139014992-pat00076
Figure 112020139014992-pat00076

여기서, zpeak 및 zvalley는 각각 i번째 최고 피크값 및 최저 밸리값이고, q는 사용된 극단 z 값의 수이다.Here, z peak and z valley are the ith highest peak value and lowest valley value, respectively, and q is the number of extreme z values used.

이 파라미터 Rz는 단일 다중 빔 소나 스캔에서 캡처된 지형 고도의 최대 차이의 평균을 나타낸다. Rz가 임계치 이하로 작아지면, 가중치 업데이트에 사용되는 센서 공분산이 더 큰 값으로 선택적으로 할당된다. 그래서, 수학식 16의 Rz가 임계치를 초과하는 경우의 파티클 가중치 업데이트 식은, Rz가 임계치 이하가 되면, 하기 수학식으로 수정된다.This parameter R z represents the average of the maximum differences in terrain elevations captured in a single multi-beam sonar scan. When R z becomes smaller than a threshold value, a larger value is optionally assigned to the sensor covariance used for weight update. Therefore, the particle weight update equation in Equation 16 when R z exceeds the threshold value is modified to the following equation when R z is below the threshold value.

Figure 112020139014992-pat00077
Figure 112020139014992-pat00077

여기서,

Figure 112020139014992-pat00078
는 소나 범위 측정값의 평활화된 공분산이다.here,
Figure 112020139014992-pat00078
is the smoothed covariance of the sonar range measurements.

한편, 리샘플링 단계(133)는 임계치 미만인 Rz에 대하여 리샘플링 주파수를 제한함으로써 수정된다. 즉, 파티클 세트의 사이즈가 임계치 미만이면서 Rz가 임계치를 초과하는 경우에만 리샘플링이 수행되고, 반대로 파티클 세트의 사이즈가 임계치 이상이면서 Rz가 임계치 이하인 경우는 리샘플링이 수행되지 않는다.On the other hand, the resampling step 133 is modified by limiting the resampling frequency for R z below a threshold. That is, resampling is performed only when the size of the particle set is less than the threshold and R z exceeds the threshold, and conversely, when the size of the particle set is greater than the threshold and R z is less than the threshold, resampling is not performed.

이와 같이 수정된 파티클 가중치 업데이트 단계(S132) 및 리샘플링 단계(133)는 각각 도 3의 알고리즘 의사코드의 8행 ~ 12행 및 19행 ~ 22행에 나타난다.The particle weight update step (S132) and the resampling step (133) modified as described above appear in lines 8 to 12 and lines 19 to 22 of the algorithm pseudo code of FIG. 3, respectively.

도 5는 현장 테스트로부터 획득된 데이터를 이용하여 무인 수상선(100)의 궤적을 따라 계산되는 지형 평활도(1/Rz)의 예를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 노란색과 빨간색으로 표시된 영역인 지형 평활도(1/Rz)가 특정 임계치보다 큰 영역에, 본 발명의 실시예에 따른 수정된 파티클 가중치 업데이트 단계(S132) 및 리샘플링 단계(133)가 적용될 수 있다.5 shows an example of terrain smoothness (1/R z ) calculated along the trajectory of the unmanned surface ship 100 using data obtained from a field test. Referring to FIG. 5, in an area where the topographic smoothness (1/R z ), which is an area indicated by yellow and red, is greater than a specific threshold, a modified particle weight update step (S132) and a resampling step (133) according to an embodiment of the present invention ) can be applied.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.6 is a diagram schematically illustrating the configuration of a geophysical navigation device for an unmanned surface ship according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 장치는 프로세서(10), 메모리(20), 통신부(30) 및 인터페이스부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 6 , a geophysical navigation device for an unmanned surface vessel according to an embodiment of the present invention includes a processor 10 , a memory 20 , a communication unit 30 and an interface unit 40 .

프로세서(10)는 메모리(20)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.The processor 10 may be a CPU or a semiconductor device that executes processing instructions stored in the memory 20 .

메모리(20)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(20)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.Memory 20 may include various types of volatile or non-volatile storage media. For example, memory 20 may include ROM, RAM, and the like.

예를 들어, 메모리(20)는 본 발명의 실시예에 따른 무인 수상선의 지구물리적 내비게이션 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.For example, the memory 20 may store instructions for performing a geophysical navigation method of an unmanned surface vehicle according to an embodiment of the present invention.

통신부(30)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.The communication unit 30 is a means for transmitting and receiving data with other devices through a communication network.

인터페이스부(40)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.The interface unit 40 may include a network interface and a user interface for accessing a network.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.On the other hand, the components of the above-described embodiment can be easily grasped from a process point of view. That is, each component can be identified as each process. In addition, the process of the above-described embodiment can be easily grasped from the viewpoint of components of the device.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.In addition, the technical contents described above may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program commands recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiments or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. - includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler. A hardware device may be configured to act as one or more software modules to perform the operations of the embodiments and vice versa.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be considered to fall within the scope of the following claims.

100: 무인 수상선
10: 프로세서
20: 메모리
30: 통신부
40: 인터페이스부
100: unmanned surface ship
10: Processor
20: memory
30: Ministry of Communications
40: interface unit

Claims (10)

무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치가 수행하는 지구물리적 내비게이션 방법에 있어서,
상기 무인 수상선에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성하는 단계;
상기 무인 수상선에 설치된 자력계에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는,
상기 무인 수상선의 포즈(Pose)를 업데이트하는 단계;
포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의되는 파티클(Particle)의 가중치를 업데이트하는 단계; 및
상기 파티클 및 상기 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 가중치를 업데이트하는 단계 및 상기 리샘플링을 수행하는 단계는, 지형 거칠기(Terrain roughness)을 이용하여 수정되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
In the geophysical navigation method performed by the geophysical navigation device of Unmanned Surface Vehicles (USV),
generating an underwater terrain map using sensing information obtained by a sonar sensor installed in the unmanned surface ship;
Generating a geomagnetic field map for underwater topography using sensing information obtained by a magnetometer installed in the unmanned surface ship; and
Including the step of performing geophysical navigation using the generated terrain map and geomagnetic field map,
The step of performing the geophysical navigation,
Updating a pose of the unmanned surface ship;
Updating a weight of a particle defined as a set of pose hypotheses; and
And performing resampling on the particles and the weight,
The updating of the weights and the performing of the resampling may be modified using terrain roughness.
제1항에 있어서,
상기 지형 지도(
Figure 112020139014992-pat00079
)는 하기 수학식을 이용하여, 재구성된 3차원 지형 지점으로 구성되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00080

Figure 112020139014992-pat00081

Figure 112020139014992-pat00082

여기서, nb는 단일 스캔에서의 소나 빔 수이고, ts는 소나 매핑에 소요된 총 시간 단계이고,
Figure 112020139014992-pat00083
Figure 112020139014992-pat00084
는 각각 시간 단계 t에서 상기 무인 수상선의 위치 및 방향이고, RI B(·)는 {B} 프레임에서 {I} 프레임으로 변환시키는 회전 행렬이고, RB S는 {S} 프레임에서 {B} 프레임으로 변환시키는 회전 행렬이고, tB S는 상기 무인 수상선의 모션 센터로부터 센서 위치를 나타내는 변환 벡터이고, pS k,t는 소나 센서 고정 프레임 {S}에서 표시되는 지형의 3차원 지점이고, rk,t는 시간 단계 t에서 k번째 소나 빔의 범위 측정값이고, s는 소나 스캔 폭이고, b는 빔 간격임
According to claim 1,
The terrain map (
Figure 112020139014992-pat00079
) is a geophysical navigation method, characterized in that composed of three-dimensional terrain points reconstructed using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00080

Figure 112020139014992-pat00081

Figure 112020139014992-pat00082

where n b is the number of sonar beams in a single scan, t s is the total time step required for sonar mapping,
Figure 112020139014992-pat00083
and
Figure 112020139014992-pat00084
Is the position and direction of the unmanned surface ship at time step t, R I B ( ) is a rotation matrix that converts {B} frame to {I} frame, R B S is {B} in {S} frame A rotation matrix for transforming into a frame, t B S is a conversion vector representing the sensor position from the motion center of the unmanned surface vehicle, p S k,t is a 3D point on the terrain displayed in the sonar sensor fixed frame {S}, r k,t is the range measure of the kth sonar beam at time step t, s is the sonar scan width, and b is the beam spacing
제1항에 있어서,
상기 지자기장 지도(
Figure 112022111291430-pat00085
)는 하기 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112022111291430-pat00086

여기서,
Figure 112022111291430-pat00087
는 GPR(Gaussian Process Regression)을 이용하여 산출되는 목표 함수 f(x')의 평균이고,
Figure 112022111291430-pat00126
은 자기장이 보간되는 작업 영역에서 사용자 정의된 3차원 위치의 수임
According to claim 1,
The geomagnetic field map (
Figure 112022111291430-pat00085
) is a geophysical navigation method, characterized in that calculated by the following equation.
Figure 112022111291430-pat00086

here,
Figure 112022111291430-pat00087
Is the average of the target function f(x') calculated using Gaussian Process Regression (GPR),
Figure 112022111291430-pat00126
is the number of user-defined three-dimensional positions in the work area where the magnetic field is interpolated
제3항에 있어서,
상기 GPR(Gaussian Process Regression)은 하기 수학식을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00089

Figure 112020139014992-pat00090

Figure 112020139014992-pat00091

Figure 112020139014992-pat00092

여기서,
Figure 112020139014992-pat00093
는 2개 도메인의 함수의 확률이고,
Figure 112020139014992-pat00094
Figure 112020139014992-pat00095
는 평균 및 공분산이고,
Figure 112020139014992-pat00096
은 가우시안 노이즈(Gaussian noise)의 분산이고, K는 미리 설계된 커널 함수(Kernel function)이고,
Figure 112020139014992-pat00097
는 크로네커 델타 함수(Kronecker delta function)이고,
Figure 112020139014992-pat00098
는 신호 분산이고, l은 길이이고,
Figure 112020139014992-pat00099
Figure 112020139014992-pat00100
는 각각 목표 함수 f(x')의 평균 및 공분산이고, y는 f(x)의 노이즈를 포함하는 관측값임
According to claim 3,
The geophysical navigation method, characterized in that the Gaussian Process Regression (GPR) is performed using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00089

Figure 112020139014992-pat00090

Figure 112020139014992-pat00091

Figure 112020139014992-pat00092

here,
Figure 112020139014992-pat00093
is the probability of a function of the two domains,
Figure 112020139014992-pat00094
and
Figure 112020139014992-pat00095
is the mean and covariance,
Figure 112020139014992-pat00096
is the variance of Gaussian noise, K is a pre-designed kernel function,
Figure 112020139014992-pat00097
is the Kronecker delta function,
Figure 112020139014992-pat00098
is the signal variance, l is the length,
Figure 112020139014992-pat00099
and
Figure 112020139014992-pat00100
are the mean and covariance of the target function f(x'), respectively, and y is the observation containing the noise of f(x)
제1항에 있어서,
상기 무인 수상선의 포즈는 하기 수학식을 이용하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00101

Figure 112020139014992-pat00102

여기서,
Figure 112020139014992-pat00103
는 파도로 인한 상기 무인 수상선의 z축 방향 모션의 방해(Disturbance)이고,
Figure 112020139014992-pat00104
은 평균이 0이고, 표준편차가
Figure 112020139014992-pat00105
인 정규분포에서 샘플링된 값이고, 파라미터 세트
Figure 112020139014992-pat00106
는 모션 노이즈이고,
Figure 112020139014992-pat00107
는 순방향 선형 속도이고,
Figure 112020139014992-pat00108
는 요 각속도임
According to claim 1,
The geophysical navigation method, characterized in that the pose of the unmanned surface vehicle is updated using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00101

Figure 112020139014992-pat00102

here,
Figure 112020139014992-pat00103
Is the disturbance of the z-axis motion of the unmanned surface vessel due to waves,
Figure 112020139014992-pat00104
has a mean of 0 and a standard deviation of
Figure 112020139014992-pat00105
is a value sampled from a normal distribution of , and a set of parameters
Figure 112020139014992-pat00106
is the motion noise,
Figure 112020139014992-pat00107
is the forward linear velocity,
Figure 112020139014992-pat00108
is the yaw angular velocity
제1항에 있어서,
상기 파티클의 가중치를 업데이트하는 단계는,
하기 수학식을 이용하여, 소나 범위에 대한 파티클의 가중치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00109

여기서, rt는 시간 단계 t에서 단일 스캔에서 이상치가 제거된 실제 소나 범위의 배열이고,
Figure 112020139014992-pat00110
는 i번째 파티클로부터 예측된 소나 범위이고,
Figure 112020139014992-pat00111
는 소나 범위 측정값의 노이즈 공분산임
According to claim 1,
Updating the weight of the particle,
A geophysical navigation method characterized in that weights of particles for a sonar range are updated using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00109

where r t is the array of real sonar ranges with outliers removed in a single scan at time step t,
Figure 112020139014992-pat00110
is the predicted sonar range from the ith particle,
Figure 112020139014992-pat00111
is the noise covariance of the sonar range measurements
제1항에 있어서,
상기 파티클의 가중치를 업데이트하는 단계는,
하기 수학식을 이용하여, 자력계에 대한 파티클의 가중치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00112

여기서, Ft는 시간 단계 t에서 자력계에 의하여 측정된 실제 지자기장 강도이고,
Figure 112020139014992-pat00113
는 i번째 파티클로부터 예측된 강도이고,
Figure 112020139014992-pat00114
는 자력계 측정값의 노이즈 공분산임
According to claim 1,
Updating the weight of the particle,
A geophysical navigation method characterized in that a weight of a particle with respect to a magnetometer is updated using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00112

where F t is the actual geomagnetic field strength measured by the magnetometer at time step t,
Figure 112020139014992-pat00113
is the intensity predicted from the ith particle,
Figure 112020139014992-pat00114
is the noise covariance of the magnetometer measurements
제1항에 있어서,
상기 파티클의 가중치를 업데이트하는 단계 및 상기 리샘플링을 수행하는 단계는, 하기 수학식을 이용하여 산출되는 지형 거칠기(Terrain roughness) Rz를 이용하여 수정되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00115

여기서, zpeak 및 zvalley는 각각 i번째 최고 피크값 및 최저 밸리값이고, q는 사용된 극단 z 값의 수이고, Rz는 단일 다중 빔 소나 스캔에서 캡처된 지형 고도의 최대 차이의 평균을 나타냄
According to claim 1,
The step of updating the weight of the particle and the step of performing the resampling are modified using a terrain roughness R z calculated using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00115

where z peak and z valley are the ith highest peak and lowest valley values, respectively, q is the number of extreme z values used, and R z is the average of the maximum differences in terrain elevations captured in a single multi-beam sonar scan. indicate
제8항에 있어서,
상기 리샘플링을 수행하는 단계는,
상기 파티클의 세트의 사이즈가 임계치 이상이면서 상기 Rz가 임계치 이하인 경우는 리샘플링이 수행되지 않고,
상기 파티클의 가중치를 업데이트하는 단계는,
상기 Rz가 임계치 이하가 되는 경우, 하기 수학식을 이용하여, 소나 범위에 대한 파티클의 가중치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법.
Figure 112020139014992-pat00116

여기서, rt는 시간 단계 t에서 단일 스캔에서 이상치가 제거된 실제 소나 범위의 배열이고,
Figure 112020139014992-pat00117
는 i번째 파티클로부터 예측된 소나 범위이고,
Figure 112020139014992-pat00118
는 소나 범위 측정값의 평활화된 공분산임
According to claim 8,
The step of performing the resampling is,
Resampling is not performed when the size of the particle set is greater than or equal to the threshold and the R z is less than or equal to the threshold,
Updating the weight of the particle,
The geophysical navigation method characterized in that, when the R z is less than or equal to a threshold value, a weight of a particle for a sonar range is updated using the following equation.
Figure 112020139014992-pat00116

where r t is the array of real sonar ranges with outliers removed in a single scan at time step t,
Figure 112020139014992-pat00117
is the predicted sonar range from the ith particle,
Figure 112020139014992-pat00118
is the smoothed covariance of the sonar range measurements
무인 수상선(USV: Unmanned Surface Vehicles)의 지구물리적 내비게이션 장치에 있어서,
명령어를 저장하는 메모리; 및
상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 명령어는,
상기 무인 수상선에 설치된 소나 센서에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중의 지형 지도를 생성하는 단계;
상기 무인 수상선에 설치된 자력계에 의하여 획득되는 센싱 정보를 이용하여 수중 지형에 대한 지자기장 지도를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 지형 지도 및 지자기장 지도를 이용하여 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 지구 물리적 내비게이션을 수행하는 단계는,
상기 무인 수상선의 포즈(Pose)를 업데이트하는 단계;
포즈 가설(Pose hypotheses)의 세트로 정의되는 파티클(Particle)의 가중치를 업데이트하는 단계; 및
상기 파티클 및 상기 가중치에 대한 리샘플링(Resampling)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 방법을 수행하고,
상기 가중치를 업데이트하는 단계 및 상기 리샘플링을 수행하는 단계는, 지형 거칠기(Terrain roughness)을 이용하여 수정되는 것을 특징으로 하는 지구물리적 내비게이션 장치.
In the geophysical navigation device of unmanned surface vehicles (USV),
memory for storing instructions; and
Including a processor that executes the instructions,
The command is
generating an underwater terrain map using sensing information obtained by a sonar sensor installed in the unmanned surface ship;
Generating a geomagnetic field map for underwater topography using sensing information obtained by a magnetometer installed in the unmanned surface ship; and
Including the step of performing geophysical navigation using the generated terrain map and geomagnetic field map,
The step of performing the geophysical navigation,
Updating a pose of the unmanned surface ship;
Updating a weight of a particle defined as a set of pose hypotheses; and
Performing a geophysical navigation method comprising the step of performing resampling on the particles and the weight,
The updating of the weights and the performing of the resampling may be modified using terrain roughness.
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