KR20070090426A

KR20070090426A - 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법

Info

Publication number: KR20070090426A
Application number: KR1020060020127A
Authority: KR
Inventors: 김진완
Original assignee: 김진완
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-06
Also published as: KR100781807B1

Abstract

본 발명은 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법에 관한 것으로서, 이동물체에 탑재된 GPS수신기와, GPS 수신기로부터 수신된 이동물체의 위치 및 방향 정보를 이용하여 현재 항로점을 원점으로 하되 지자계의 자북방향과 나란한 제1축과, 제1축과 직교하되 지자계의 동서축과 나란한 제2축에 의해 형성된 이동좌표계의 2차원상에서의 이동물체의 주행방향과 목표항로점의 좌표값과의 방향에러각을 산출하고, 산출된 방향에러각이 줄어드는 방향으로 이동물체를 선회시키면서 이동물체를 목표 항로점으로 주행시키는 메인 제어부를 구비한다. 이러한 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법에 의하면, GPS수신기로부터 수신된 데이터를 이용하여 목표 항로점으로 이동할 수 있는 알고리즘 구조의 최적화와 항로추적을 위한 연산부담이 줄어드는 장점이 있다.

Description

자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법{self-control automobile and method of tracking target waypoint}

도 1은 본 발명에 따른 자율주행 이동물체를 나타내 보인 블록도이고,

도 2는 도 1의 자율주행 이동물체의 방향에러각을 산출하는 과정을 설명하기 위한 좌표계를 나타내 보인 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11: GPS수신기 13: 마그네틱 컴파스

15: 3축 자이로센서 17: 메인 제어부

21: 주행구동부

본 발명은 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 GPS 수신데이터를 이용하여 목표 항로점으로 이동할 수 있도록 구축된 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법에 관한 것이다.

자율 주행용 이동 물체 예를 들면, 로봇, 무인 자동차 등은 절대 센서 또는 상대센서를 이용하여 자세, 위치 및 방향을 추정한다.

종래에는 이러한 자율주행 이동물체에 대해 자세추정의 정밀성을 높이고, 장애물 또는 장해요소에 의한 외란에 의해 발생되는 에러를 저감하기 위한 방법이 주로 연구되어 왔는데, 다수의 센서들을 이용하여 정밀성을 높이고자 할수록 구성 부품이 증가하고, 연산처리부담이 가중되는 단점이 있다.

따라서, 위치판단 및 목표지점으로의 항로 추적에 대한 신뢰성을 확보하면서도 항로 추적을 위한 연산처리부담을 저감시킬 수 있는 이동물체에 대한 개발은 꾸준히 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 목표항로점으로의 이동을 위한 항로 산출 연산 부담을 줄일 수 있는 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자율주행 이동물체는 이동물체의 현위치를 판단하여 설정된 목표항로점으로 이동하도록 주행 구동부를 제어할 수 있도록 된 자율주행 이동물체에 있어서, 상기 이동물체에 탑재된 GPS수신기와; 상기 GPS 수신기로부터 수신된 상기 이동물체의 위치 및 방향 정보를 이용하여 상기 이동물체의 현재 항로점을 원점으로 하되 지자계의 자북방향과 나란한 제1축과, 상기 제1축과 직교하되 상기 지자계의 동서축과 나란한 제2축에 의해 형성된 이동좌표계의 평면상에서의 상기 이동물체의 주행방향과 상기 목표항로점의 좌표값과의 방향에러각을 산출하고, 산출된 상기 방향에러각이 줄어드는 방향으로 상기 이 동물체를 선회시키면서 상기 이동물체를 상기 목표항로점으로 주행시키는 메인 제어부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 이동물체에는 지자계에 감응하여 상기 이동물체의 방위각 정보를 제공하는 마그네틱 컴파스;를 더 구비하고, 상기 메인 제어부는 상기 마그네틱 컴파스의 출력신호를 이용하여 상기 이동물체의 현재 방위각을 판단한다.

또한, 상기 자율주행 이동물체는 원격제어부로부터 송신된 신호를 수신하는 수신부와; 상기 수신부를 통해 자동주행 모드 설정신호가 수신되면 상기 방향에러각이 저감되게 조정하면서 주행시키고, 상기 수신부를 통해 수동 주행모드 설정신호가 수신되면, 상기 원격 제어부로부터 수신된 주행제어정보에 따라 주행시킨다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 자율주행 이동물체의 목표항로 추적방법은 이동물체의 현재 항로점을 원점으로 하되 지자계의 자북방향과 나란한 제1축과, 상기 제1축과 직교하되 상기 지자계의 동서축과 나란한 제2축에 의해 형성된 이동좌표계의 평면상에서 상기 제1축을 기준으로 시계방향을 따라 목표항로점의 상기 제1 및 제 2축 평면상에서의 좌표값과 이루어진 목표방향각(θo)과 상기 제1축을 기준으로 시계방향을 따라 상기 이동물체의 주행방향과 이루는 주행 방향각(θc)와의 차를 구하여 방향에러각(θe)을 산출하는 단계와; 상기 방향에러각이 저감되게 상기 이동물체를 선회시키는 단계;를 포함한다.

바람직하게는 상기 이동물체의 원점을 기준으로 상기 제2축과 상기 목표항로점의 상기 제1 및 제2축 평면상에서의 좌표값과 이루는 사이각(θ)을 구하고, 상기 목표방향각(θo)을 상기 사이각(θ)의 식으로 변환하여 상기 방향에러각을 산출한 다.

또한, 상기 방향에러각(θe)이 0≤ θe < 180, θe < -180도 일 때는 상기 이동물체를 시계 방향으로 선회시키고, -180≤ θe < 0, 180≤θe 일 때는 상기 이동물체를 반시계 방향으로 선회시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 자율주행 이동물체의 구성을 나타내 보인 블록도이다.

도면을 참조하면, 자율주행 이동물체(10)는 GPS수신기(11), 마그네틱 컴파스(13), 3축자이로 센서(15), 메인 제어부(17), 수신부(19), 주행구동부(21)를 구비한다.

GPS 수신기(11)는 위성위치확인시스템으로서, 인공위성으로부터 송출된 데이터를 수신하여 처리한다.

바람직하게는 GPS수신기(11)는 WGS84(World Geodetic System 84)방식에 따른 데이터를 처리하는 것이 적용된다.

이러한 GPS 수신기(11)는 위도, 경도, 고도, 속도, 방위각을 포함한 정보를 제공 받을 수 있다.

데이터 기록부(18)는 이동물체(10)가 목적하는 작업 수행과정 동안의 이동경로에 대한 목표 항로점과의 오차 및 정밀성을 검증하기 위해 적용한 것으로 GPS수신기(11)를 통해 수신된 위치정보를 설정된 시간 간격으로 기록한다.

마그네틱 컴파스(13)는 방위각 정보를 제공하는 컴파스의 일 예로서 적용된 것으로서, 지자계에 반응하여 자북에 대한 이동물체(10)의 방위각 정보를 제공한다.

이러한 마그네틱 컴파스(13)는 통상적인 GPS 수신기(11)를 통해 수신되는 데이터의 업데이트 주기가 1초 내지 0.25초 범위인 것을 고려할 때 실시간으로 방위각을 산출할 수 있게 적용한 것으로서 방위각 정보 취득 주기가 1초보다 느려도 되는 경우에는 생략될 수 있음은 물론이다.

3축 자이로센서(15)는 이동물체(10)의 3축에 대한 각가속도를 검출하여 출력하는 것으로서 이동물체(10)의 자세를 조정하는데 이용되며, 이동물체(10)가 2차원 즉, 평면상에서만 주행되는 환경에서 이용될 경우 생략되거나, 수직(Yaw) 축 자이로센서만 적용해도 된다.

수신부(19)는 원격제어부(30)로부터 송신된 신호를 수신하는 것으로서, 유선 또는 무선 수신부가 적용될 수 있고, 바람직하게는 무선 수신부가 적용된다.

여기서 원격 제어부(30)는 이동물체(10)에 대해 자동주행모드 또는 수동모드를 설정할 수 있다. 또한 원격제어부(30)는 수동모드에서 사용하기 위한 것으로 주행방향, 속도를 포함한 주행조작키를 구비한다.

원격 제어부(30)는 자동주행 모드시에 적용하도록 이동물체(10)의 이동 목표항로점을 설정할 수 있는 키가 구비될 수 있음은 물론이다.

메인 제어부(17)는 수신부(19)를 통해 자동주행 모드 설정신호가 수신되면 설정된 목표지점에 대해 현 주행방향과의 방향에러각이 저감되면서 주행되게 주행 구동부(21)를 제어하고, 수신부(19)를 통해 수동 주행모드 설정신호가 수신되면, 원격 제어부(30)로부터 수신된 주행제어정보에 따라 주행시킨다.

주행구동부(21)는 메인 제어부(17)에 제어되어 이동물체(10)의 선체를 조향 및 주행시킬 수 있도록 된 요소를 구동한다.

카메라(23) 및 무선모뎀(25)은 카메라(23)에 의해 촬상된 영상을 관제소(미도시)로 보내 관제소의 모니터링 시스템을 통해 주행상태를 시각적으로 확인할 수 있게 설치한 것이다.

카메라(23) 및 무선모뎀(25)은 이동물체의 적용환경에 따라 생략될 수 있음은 물론이다.

한편, 도시되지는 않았지만 자율주행시 적용하기 위한 목표항로점의 좌표를 컴퓨터 또는 그 밖의 단말기를 이용하여 입력할 수 있는 인터페이스장치가 메인제어부(17)와 접속되게 구축하거나 별도의 좌표 입력장치가 메인 제어부와 접속되거나 원격 제어부(30)를 이용하여 목표항로점의 좌표를 입력하도록 할 수 있다.

이하에서는 자동차에 본 시스템이 적용된 이동물체를 예로 하여 자동 주행 모드시 목표항로 추적과정을 도 2를 함께 참조하여 설명한다.

먼저, GPS 수신기(11)에 수신되는 프로토콜은 WGS-84 ASCII Datum 에서 규정된 6섯 가지 즉, $GPGGA, $GPGLL, $GPGSA, $GPGSV, $GPRMC, $GPVTG 가 있다.

이 중에서 본 실시예에서는 $GPGGA, $GPVTG를 이용하여 이동물체(10)의 위성시간(UTC time), 위도(Latitude), 경도(Longitude), 고도(Sea level Altitude), 데이터의 정확성, 방위각(Compass), 속도(velocity)를 추출 또는 산출한다.

GPS수신기(11)에서 추출한 방위각 정보는 편차가 크고, 매초(1Hz) 마다 자료가 업데이트되기 때문에 이를 보완하기 위해 마그네틱 컴파스(13)의 지시값으로부터 이동물체(10)의 지속적인 주행방향(Heading)을 산출할 수 있도록 하였다.

먼저, 좌표계를 설명하면, GPS 수신기(11)를 통해 수신되는 좌표값에 대응되는 좌표계에 대해서는 영문 대문자 X, Y로 표기하였고 대응되는 방위에 대해 E, S, N으로 병기하였으며, 이를 설명의 편의상 GPS좌표계라 명명하여 설명한다. 따라서, GPS 좌표계 상에서의 이동물체(10)의 경도, 위도 및 고도에 대응되는 현위치 값은 Xc, Yc, Zc 이고, 목표항로점(WP)의 경도, 위도 및 고도에 대응한 좌표값은 Xt, Yt, Zt 이다.

한편, 방향에러각(θe)을 산출하기 위한 연산부담을 줄이고자, 이동물체(10)의 현재 항로점(C)을 원점으로 정하고, 원점(C)을 기준으로 지자계의 자북과 나란한 제1축인 y축과, y축과 직교하는 동서방향과 나란한 제2축을 x축으로 하는 이동 좌표계를 설정한다.

이 경우 이동물체(10)는 이동 좌표계상에서 항상 원점에 위치하게 되고, 이동물체(10)의 현위치인 원점과 목표항로점(WP)과의 x축에 대한 사이각(θ)은 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서 ΔX= Xt-Xc 이고, ΔY= Yt-Yc 이다. 따라서, GPS좌표계상에서 미리 알고 있는 목표항로점의 좌표값과 GPS 수신기(11)를 통해 수신된 이동물체(10)의 현 좌표값으로부터 ΔX 및 ΔY 값은 산출될 수 있어 이하의 수학식 2를 이용하여 θ값을 산출할 수 있다.

또한, 이동물체(10)의 원점을 기준으로 y축으로부터 시계방향을 따라 목표 항로점(WP)의 이동좌표계의 xy평면상에서의 대응되는 지점과 이루어진 목표방향각(θo)과, y축으로부터 이동물체(10) 진로방향에 대해 시계방향을 따라 이루는 주행방향각(θc)의 차인 방향에러각(θe)은 아래의 수학식 3으로 표현된다.

이러한 관계식으로부터 이동좌표계상에서 목표항로점이 4사분면 중 어디에 있는지에 따라 θo 와 θ 사이에는 아래와 갖은 관계를 만족한다.

1) 목표항로점이 1사분면에 있을 때 즉, ΔX > 0, ΔY > 0 이면, θo = 90- θ,

2) 목표항로점이 2사분면에 있을 때 즉, ΔX < 0, ΔY > 0 이면, θo = 270+ θ,

3) 목표항로점이 3사분면에 있을 때 즉, ΔX < 0, ΔY < 0 이면, θo = 270 - θ,

4) 목표항로점이 4사분면에 있을 때 즉, ΔX > 0, ΔY < 0 이면, θo = 90 + θ,

5) 목표항로점이 x축에 있을 때 즉, ΔY = 0이고, ΔX > 0 이면, θo = 90,

6) 목표항로점이 -x축에 있을 때 즉, ΔY = 0이고, ΔX < 0 이면, θo = 270,

7) 목표항로점이 y축에 있을 때 즉, ΔX = 0이고, ΔY > 0 이면, θo = 0 및 θ = 0,

8) 목표항로점이 -y축에 있을 때 즉, ΔX = 0이고, ΔY < 0 이면, θo = 180 및 θ = 0 이다.

한편, 위 수학식 2와 수학식 3을 이용하되 θe < -180 이면, θe = (360 + θo ) -θc를 적용하고, 산출한 방향에러각(θe)의 값에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 선회시킨다.

즉, 0≤ θe < 180, θe < -180도 일 때는 시계 방향으로 선회시키고, -180≤ θe < 0, 180≤θe 일 때는 반시계 방향으로 선회시킨다. 이 경우 이동물체(10)의 목표항로점으로의 선회각도 값이 적은 방향으로 선회하게 된다.

이러한 방향에러각이 저감되게 실시간으로 조향방향을 조정하여 이동물체(10)를 선회시켜 목표항로점(WP)과 주행방향이 일치되게 하면서 이동물체(10)를 설정된 주행속도로 주행시킨다.

한편, 목표항로점(WP)과 이동물체(10)의 고도 차이는 GPS좌표계상에서의 목 표항로점(WP)의 고도값(Zt)과 이동물체(10)의 고도값(Zc)과의 차이로부터 구하면 되고, 고도 제어가 가능한 이동물체(10) 예를 들면 비행체의 경우 방향에러각이 설정된 범위 내로 줄어들면 고도차이를 줄일 수 있는 방향으로 항행시키면 된다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 자율주행 이동물체 및 목표 항로 추적 방법에 의하면, GPS수신기로부터 수신된 데이터를 이용하여 목표 항로점으로 이동할 수 있는 알고리즘 구조의 최적화와 항로추적을 위한 연산부담이 줄어드는 장점이 있다.

Claims

이동물체의 현위치를 판단하여 설정된 목표항로점으로 이동하도록 주행 구동부를 제어할 수 있도록 된 자율주행 이동물체에 있어서,

상기 이동물체에 탑재된 GPS수신기와;

상기 GPS 수신기로부터 수신된 상기 이동물체의 위치 및 방향 정보를 이용하여 상기 이동물체의 현재 항로점을 원점으로 하되 지자계의 자북방향과 나란한 제1축과, 상기 제1축과 직교하되 상기 지자계의 동서축과 나란한 제2축에 의해 형성된 이동좌표계의 2차원상에서의 상기 이동물체의 주행방향과 상기 목표항로점의 좌표값과의 방향에러각을 산출하고, 산출된 상기 방향에러각이 줄어드는 방향으로 상기 이동물체를 선회시키면서 상기 이동물체를 상기 목표 항로점으로 주행시키는 메인 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 이동물체.
제1항에 있어서,

상기 이동물체에는 지자계에 감응하여 상기 이동물체의 방위각 정보를 제공하는 마그네틱 컴파스;를 더 구비하고,

상기 메인 제어부는 상기 마그네틱 컴파스의 출력신호를 이용하여 상기 이동물체의 현재 방위각을 판단하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 이동물체.
제2항에 있어서, 상기 자율주행 이동물체는 원격제어부로부터 송신된 신호를 수신하는 수신부와;

상기 수신부를 통해 자동주행 모드 설정신호가 수신되면 상기 방향에러각이 저감되게 조정하면서 주행시키고, 상기 수신부를 통해 수동 주행모드 설정신호가 수신되면, 상기 원격 제어부로부터 수신된 주행제어정보에 따라 주행시키는 것을 특징으로 하는 자율 주행 이동물체.
이동물체의 현재 항로점을 원점으로 하되 지자계의 자북방향과 나란한 제1축과, 상기 제1축과 직교하되 상기 지자계의 동서축과 나란한 제2축에 의해 형성된 이동좌표계의 2차원상에서 상기 제1축을 기준으로 시계방향을 따라 목표항로점의 상기 제1 및 제 2축 평면상에서의 좌표값과 이루어진 목표방향각(θo)과 상기 제1축을 기준으로 시계방향을 따라 상기 이동물체의 주행방향과 이루는 주행 방향각(θc)와의 차를 구하여 방향에러각(θe)을 산출하는 단계와;

상기 방향에러각이 저감되게 상기 이동물체를 선회시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 이동물체의 목표 항로 추적방법.
제4항에 있어서, 상기 이동물체의 원점을 기준으로 상기 제2축과 상기 목표항로점의 상기 제1 및 제2축 평면상에서의 좌표값과 이루는 사이각(θ)을 구하고, 상기 목표방향각(θo)을 상기 사이각(θ)의 식으로 변환하여 상기 방향에러각을 산출하는 것을 특징으로 하는 자율주행 이동물체의 목표 항로 추적방법.
제4항에 있어서, 상기 방향에러각(θe)이 0≤θe < 180, θe < -180도 일 때는 상기 이동물체를 시계 방향으로 선회시키고, -180≤θe < 0, 180≤θe 일 때는 상기 이동물체를 반시계 방향으로 선회시키는 것을 특징으로 하는 자율주행 이동물체의 목표 항로 추적방법.