KR20110085495A - 센서오차의 작동 중 자동교정 방법과 이를 이용한 관성항법장치 - Google Patents

센서오차의 작동 중 자동교정 방법과 이를 이용한 관성항법장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성항법을 위해 비행체 등에 장착된 센서의 오차를 상기 비행체의 작동 중에 자동으로 교정하는 방법 및 이러한 방법을 이용한 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 관성항법장치는, 작동 중인 이동체의 센서오차를 자동교정하는 관성항법장치에 있어, 3차원 관성공간에서 각속도와 선형 가속도를 측정하여 상기 측정 정보를 출력하는 관성센서부, 보조 정보를 검출하여 출력하는 보조센서부, 상기 작동간 교정계수를 계산하는데 사용되는 데이터를 저장하는 데이터 저장부 및 상기 관성센서부로부터 상기 측정 정보를 입력받고, 상기 보조 정보를 이용하여 상기 측정 정보의 오차를 추정하여 보상한 후, 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치 및 자세를 계산하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 이동체의 작동 중 이전에 추정된 오차 값을 이용하여 작동간 교정계수를 계산하고, 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 오차 추정시 이용하며, 상기 제어부는 상기 데이터 저장부와 전자적으로 연결되어 상기 작동간 교정계수를 계산함에 있어 기반이 되는 정보를 입출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

센서오차의 작동 중 자동교정 방법과 이를 이용한 관성항법장치 {METHOD FOR CALIBRATING SENSOR ERRORS AUTOMATICALLY DURING OPERATION, AND INERTIAL NAVIGATION USING THE SAME}
본 발명은 관성항법장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서오차의 작동 중 자동교정 방법과 이를 이용한 관성항법장치에 관한 것이다.
관성항법장치는 관성센서를 이용하여 이동체의 속도, 위치 및 자세 등 항법해를 계산하여 외부 환경에 관계없이 고속으로 연속항법을 가능하게 하는 장치이다. 관성센서는 3차원 관성공간에서 각속도를 측정하는 자이로스코프 및 선형 가속도를 측정하는 가속도계 등으로 구성된다. 관성항법장치는 초기값으로부터 관성센서의 출력을 적분하여 항법해를 계산한다. 따라서, 상기 적분연산에 의해 상기 관성센서의 오차가 누적되어 시간에 따라 오차가 증가하게 된다.
관성항법장치의 성능은 관성센서의 정확도와 초기정렬의 정확도에 따라 결정된다. 초기정렬은 관성센서의 기준 좌표축을 항법좌표계와 일치시키는 과정을 의미하며, 이동체의 정지상태에서 자이로스코프에 의해 측정된 각속도와 가속도계에 의해 측정된 가속도를 각각 지구자전각속도 및 중력가속도와 비교함으로써 이루어진다. 초기정렬의 오차는 관성센서의 오차 중 하나인 바이어스오차에 비례하여 유발된다.
따라서 관성항법장치의 항법성능을 높이기 위해서는 자이로스코프 및 가속도계 등 관성센서에 포함되어 있는 오차들에 대한 정확히 보상이 이루어져야 한다.
관성센서의 오차는 움직임에 무관하게 일정 크기를 갖는 고정오차, 움직임에 따라 크기가 변화하는 동적오차 및 불규칙한 특성을 갖는 랜덤오차로 구분된다. 대표적인 고정오차로는 바이어스오차, 환산계수오차, 축정렬오차 등이 있다.
랜덤오차를 제외한 고정오차 및 동적오차는 이론상 교정시험을 통한 보상이 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 동적오차는 그 크기가 크지 않고 보상하기 어렵기 때문에, 일반적으로는 고정오차만이 보상의 대상이 된다.
상기 관성센서의 오차 보상은 교정시험을 통해 이루어진다. 상기 교정시험은 상기 관성센서의 오차모델에 포함된 여러 교정계수를 추정이론 등 다양한 방법을 이용하여 산출하는 일련의 절차이다. 상기 교정시험은 온도에 따른 다위치 시험(multiposition test) 및 각속도 시험(rate test)을 통하여 얻어진 상기 관성센서의 출력을 이용한다.
관성항법장치가 외부의 보조센서(예를 들면, GPS 및 속도계 등) 또는 보조 정보(예를 들면, 영속도 정보 등)를 사용할 수 있는 경우, 관성항법장치는 오차 추정기인 칼만필터(kalman-filter)를 이용하여 운용 중에 관성센서의 오차를 실시간으로 추정하여 보상할 수 있다. 여기서 추정되는 오차는 관성센서의 교정 값을 보상하고서 남은 잉여오차이다. 칼만필터에 모델링된 관성센서의 오차가 추정되기 위해서는 이동체의 가속 및 회전 등 센서오차 상태변수에 대한 가관측 조건이 만족되어야 한다.
관성항법장치는 장기간 운용되어도 항법성능이 유지하여야 한다. 그러나 관성항법장치가 장기간 운용되면서 관성센서의 특성이 변하고, 이에 따라 초기 제작 시 획득된 상기 관성센서의 교정계수와 실제 오차특성 간에 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 차이에 의해 관성항법장치의 항법성능이 저하되는 문제가 있다.
칼만필터를 이용하여 센서오차를 보상하는 관성항법 시스템의 경우라도, 가관측 조건이 만족되어서 관성센서의 오차가 추정되기 전까지는 초기정렬 오차를 포함한 항법오차가 크게 발생한다. 또한 상기와 같은 시스템에서도 칼만필터의 오차모델과 관성센서의 실제 오차특성이 상이함으로 인해 칼만필터의 추정성능이 저하될 수 있다.
이러한 오차에 대한 보정을 위해 일반적으로 3년 내지 5년의 주기로 상기 관성항법장치에 대한 재교정(recalibration)이 수행된다. 상기 재교정은 많은 시간, 인력 및 비용을 요구하는 문제가 있으며, 또한 상기 재교정 기간 중 상기 관성항법장치의 운용이 제한되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점들을 해결하는 데에 있다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 관성항법장치의 작동 중에 새로운 작동간 교정계수를 계산하고, 상기 새로운 작동간 교정계수를 사용하여 센서오차를 보상하는 방법 및 이러한 방법을 이용한 관성항법장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 관성항법장치의 센서오차의 변화를 매 동작시마다 반영하여, 상기 작동간 교정계수를 지속적으로 갱신하는 방법 및 이러한 방법을 이용한 관성항법장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 관성항법장치는, 작동 중인 이동체의 센서오차를 자동교정하는 관성항법장치에 있어, 3차원 관성공간에서 각속도와 선형 가속도를 측정하여 상기 측정 정보를 출력하는 관성센서부, 보조 정보를 검출하여 출력하는 보조센서부, 상기 작동간 교정계수를 계산하는데 사용되는 데이터를 저장하는 데이터 저장부 및 상기 관성센서부로부터 상기 측정 정보를 입력받고, 상기 보조 정보를 이용하여 상기 측정 정보의 오차를 추정하여 보상한 후, 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치 및 자세를 계산하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 이동체의 작동 중 이전에 추정된 오차 값을 이용하여 작동간 교정계수를 계산하고, 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 오차 추정시 이용하며, 상기 제어부는 상기 데이터 저장부와 전자적으로 연결되어 상기 작동간 교정계수를 계산함에 있어 기반이 되는 정보를 입출력하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 데이터 저장부는 센서오차 추정값을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 데이터 저장부로부터 입력받은 상기 센서오차 추정값에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하는 작동간 교정계수 추정부, 상기 작동간 교정계수 추정부로부터 입력받은 상기 작동간 교정계수에 기반하여 상기 관성센서부로부터 입력받은 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 관성센서 오차보상부, 상기 관성센서 오차보상부로부터 입력받은 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 상기 작동 중인 이동체의 속도, 위치 및 자세를 계산하는 관성항법 계산부, 상기 관성항법 계산부로부터 입력받은 상기 속도, 위치, 자세 및 상기 보조센서부로부터 입력받은 상기 오차 보상 정보에 기반하여 상기 센서오차 추정값을 계산하는 오차추정 칼만필터부 및 상기 오차추정 칼만필터부로부터 입력받은 상기 센서오차 추정값에 대한 필요한 처리를 수행하고, 상기 센서오차 추정값을 상기 데이터 저장부에 저장하는 작동간 자동교정 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 데이터 저장부는 자동교정 상태정보 및 직전 작동간 교정계수를 더 포함하고, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부는 상기 센서오차 추정값의 정확도와 신뢰도에 따라 상기 자동교정 상태정보를 정상 또는 비정상으로 설정하며, 상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 자동교정 상태정보가 비정상인 경우 상기 직전 작동간 교정계수를 상기 계산된 작동간 교정계수로 삼고, 상기 자동교정 상태정보가 정상인 경우 상기 작동간 교정계수의 계산 후 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 데이터 저장부에 저장하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 자동교정 상태정보를 비정상으로 설정하는 것은, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 수행된 초기정렬이 완료되지 않았는지 여부, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 검사된 칼만필터의 일부 상태변수들 중 그 공분산이 수렴하지 않는 것이 있는지 여부 및 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 계산된 상기 센서오차 추정값 각각에 대한 누적 분산 중 각각의 센서오차 추정값에 대해 미리 설정된 판단 기준값보다 작지 않은 것이 있는지 여부 중 하나 이상을 판단 기준으로 삼는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 데이터 저장부는 이전 추정값 개수(N)를 더 포함하고, 상기 데이터 저장부의 상기 센서오차 추정값은 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부의 직전 N회의 작동에 의해 생성된 N개의 추정값이며, 상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 N개의 센서오차 추정값에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하며, 상기 작동간 교정계수는 상기 N개의 센서오차 추정값의 평균인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 데이터 저장부는 직전 작동간 교정계수를 더 포함하고, 상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 센서오차 추정값 각각의 유효성을 검사하여, 상기 센서오차 추정값들 중 유효하지 않은 것이 있을 경우 상기 직전 작동간 교정계수를 상기 계산된 작동간 교정계수로 삼고, 상기 센서오차 추정값 모두가 유효한 경우 상기 작동간 교정계수의 계산 후 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 데이터 저장부에 저장하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 각각의 센서오차 추정값과 상기 센서오차 추정값에 대한 직전 작동간 교정계수의 차가 상기 센서오차 추정값에 대해 미리 설정된 판단 기준값의 범위 내에 있을 경우 상기 센서오차 추정값은 유효한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 센서오차의 작동 중 자동교정 방법은, 작동 중인 이동체의 센서오차를 자동교정하는 방법에 있어, 3차원 관성공간에서의 각속도와 선형 가속도 측정 정보를 입력받는 단계, 작동간 교정계수에 기반하여 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 단계, 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치, 자세를 계산하는 단계, 상기 측정 정보의 오차를 보상하기 위한 정보를 입력받는 단계 및 상기 계산된 속도, 위치, 자세 및 상기 오차 보상 정보에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 재계산하는 단계를 포함하고, 상기 재계산된 작동간 교정계수는 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 단계에서 적용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 작동간 교정계수를 재계산하는 단계는, 상기 계산된 속도, 위치, 자세 및 상기 오차 보상 정보를 기반으로 칼만필터를 사용하여 센서오차 추정값을 생성하는 단계, 상기 센서오차 추정값에 대한 필요한 처리를 수행하고 상기 센서오차 추정값 및 연관된 정보를 저장하는 단계 및 상기 저장된 센서오차 추정값 및 연관된 정보에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 관성항법장치의 작동 중에 센서오차를 보상하는 방법 및 이러한 방법을 이용한 관성항법장치를 제공한다. 상기 관성항법장치는 별도의 재교정 절차를 필요로 하지 않으며, 장기간 운용되는 경우에도 항법 성능이 유지될 수 있다.
따라서, 상기 재교정으로 인하여 많은 시간, 인력 및 비용이 필요시되며, 상기 관성항법장치의 운용이 제한되는 종래 기술의 문제를 해결한다.
또한, 상기 관성항법장치는 센서오차의 변화를 매 동작시마다 지속적으로 갱신하므로, 초기 교정 값에 비해 오차특성이 변할 경우 항법성능이 저하되는 종래 기술의 문제를 해결한다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 관성항법장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 저장부에 저장되는 정보를 도시한 도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동간 교정계수 추정부의 동작흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동간 교정계수 데이터 처리부의 동작흐름도.
본 발명은 칼만필터를 사용한 관성항법 및 이를 이용한 관성항법장치에 적용된다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 전자장치 및 이에 관련된 방법에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 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, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 까지도 확장되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 관성항법장치의 구성도이다.
상기 관성항법장치는 관성센서부(110), 보조센서부(120), 데이터 저장부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
상기 관성센서부(110)는 3차원 관성공간에서의 각속도와 선형 가속도를 측정하여 상기 측정된 정보를 출력한다.
상기 관성센서부(110)는 각속도를 측정하는 3개의 자이로스코프, 가속도를 측정하는 3개의 가속도계 및 처리기를 포함할 수 있다. 상기 처리기는 상기 관성센서부 내의 각각의 센서가 출력하는 센서신호를 처리한다. 또한, 상기 처리기는 교정시험을 통해 산출된 교정계수에 기반하여 상기 센서신호를 보상할 수 있다.
상기 보조센서부(120)는 GPS, 속도계 또는 영속도 정보 측정기를 포함할 수 있다. 상기 보조 센서부(120)는 보조 정보들을 검출하여 출력한다.
상기 데이터 저장부(130)는 작동간 교정계수를 계산하는데 기반이 되는 데이터를 저장한다.
상기 제어부(140)는 상기 관성센서부(110) 및 상기 보조센서부(120)와 전자 또는 전기적으로 연결되어, 상기 관성센서부(110) 및 상기 보조센서부(120)가 출력하는 정보를 입력받는다. 또한, 상기 제어부(140)는 상기 데이터 저장부(130)와 데이터의 입출력이 가능하도록 전자적으로 연결된다.
상기 제어부(140)는 작동간 교정계수를 사용하여 상기 관성센서부(110)로부터 입력받은 측정 정보의 오차를 보상하고, 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치, 자세 및 회전 등을 계산한다.
또한, 상기 제어부(140)는 상기 계산된 관성항법 및 상기 보조센서부(120)로부터 입력받은 상기 오차 보상 정보에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 재계산한다. 상기 재계산된 작동간 교정계수는 상기 제어부(140)가 다음으로 관성항법을 계산할 때 실시간으로 적용된다.
상기 제어부(140)는 작동간 교정계수 추정부(150), 관성센서 오차보상부(160), 관성항법 계산부(170), 오차추정 칼만필터부(180), 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)를 포함한다. 상기 제어부(140)의 각 구성부분(150, 160, 170, 180 및 190)은 각각 제어 칩과 같은 독립된 하드웨어일 수 있다. 또한 상기 구성부분(150, 160, 170, 180 및 190)은 프로세서 상에서 동작하는 독립된 프로세스를 의미하는 것일 수 있으며, 한 프로세스 내의 쓰레드 또는 모듈일 수 있다.
상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 데이터 저장부(130)에 저장된 센서오차 추정값 등에 기반하여 작동간 교정계수를 계산한다.
상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 계산된 작동간 교정계수를 출력하고, 상기 작동간 교정계수는 상기 관성센서 오차보상부(160)에서 초기값으로 사용된다.
상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 관성항법장치의 전원이 인가된 후 가장 먼저 작동될 수 있다.
상기 관성센서 오차 보상부(160)는 상기 관성센서부(110)에서 출력한 상기 측정 정보를 입력으로 받는다. 또한, 상기 관성센서 오차 보상부(160)는 상기 작동간 교정계수 추정부(150)로부터 입력받은 상기 작동간 교정계수에 기반하여 상기 측정 정보의 오차를 보상한다. 상기 관성센서 오차 보상부(160)는 상기 오차가 보상된 측정 정보를 출력한다.
상기 관성센서 오차 보상부(160)는 상기 오차추정 칼만필터부(180)에서 출력되는 실시간으로 갱신되는 센서오차 추정값을 입력받아 상기 센서오차 추정값에 기반하여 상기 측정 정보의 오차를 보상할 수 있다.
상기 관성항법 계산부(170)는 상기 관성센서 오차보상부(160)로부터 출력된 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 상기 이동체의 관성항법 정보를 계산하고, 상기 계산된 관성항법 정보를 출력한다. 상기 관성항법 정보에는 상기 이동체의 속도, 위치 및 자세가 포함될 수 있다.
상기 오차추정 칼만필터부(180)의 칼만필터는 가용한 외부의 보조센서(예를 들면, GPS 및 속도계 등) 또는 보조 정보(예를 들면, 영속도 정보)를 사용하여 운용 중에 관성센서의 교정 값을 보상하고 남은 잉여오차를 실시간으로 추정하여 보상한다.
즉, 상기 오차추정 칼만필터부(180)는 상기 보조센서부(120)로부터 출력된 상기 오차 보상 정보와 상기 관성항법 계산부(170)로부터 출력된 상기 관성항법 정보에 기반하여 센서오차 추정값을 계산하고, 상기 센서오차 추정값을 출력한다.
상기 센서오차 추정값은 상기 관성센서 오차보상부(160)로 입력되어 실시간으로 상기 측정 정보의 오차를 보상하는데 사용될 수 있다.
상기 자동교정 데이터 처리부(190)는 상기 오차추정 칼만필터부(180)로부터 센서오차 추정값을 입력받아, 상기 센서오차 추정값이 작동간 자동교정을 위해 사용될 수 있도록 필요한 처리를 하며 상기 센서오차 추정값 등을 상기 데이터 저장부(130)에 저장한다.
상기 필요한 처리에는 상기 센서오차 추정값의 정확도와 신뢰도를 판단하는 것이 포함된다.
상기 자동교정 데이터 처리부(190)는 상기 오차추정 칼만필터부(180)의 동작주기와 동일하게 동작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 데이터 저장부(130)에 저장되는 정보를 도시한다.
상기 데이터 저장부는 상기 센서오차 추정값(240)을 저장한다. 상기 센서오차 추정값은 자이로 바이어스 추정값(241), 자이로 환산계수 추정값(242), 가속도계 바이어스 추정값(243), 가속도계 환산계수 추정값(244), 속도계 오차 추정값(245)을 포함할 수 있다.
상기 자이로 바이어스 추정값(241)은 x, y 및 z 축에 대한 자이로 바이어스오차의 추정값을 저장한다. 상기 자이로 환산계수 추정값(242)은 x, y 및 z 축에 대한 자이로 환산계수오차의 추정값을 저장한다. 상기 가속도계 바이어스 추정값(243)은 x, y 및 z 축에 대한 가속도계 바이어스오차의 추정값을 저장한다. 상기 가속도계 환산계수 추정값(244)은 x, y 및 z 축에 대한 가속도계 환산계수오차의 추정값을 저장한다. 상기 속도계 오차 추정값(245)은 속도계의 환산계수오차와 비정렬오차의 추정값을 저장한다.
상기 센서오차 추정값(240)은 각각 직전 N회에 걸쳐 측정된 복수 개의 측정값들일 수 있다. 이 경우 상기 횟수 N은 이전 추정값 개수(220)로서 상기 데이터 저장부(130)에 저장된다.
상기 데이터 저장부(130)는 자동교정 상태정보(210) 및 직전 작동간 교정계수(230)를 포함할 수 있다.
상기 자동교정 상태정보(210)는 직전 동작에서의 상기 센서오차 추정값의 정확도와 신뢰도에 따라 정상 또는 비정상으로 설정된다. 상기 자동교정 상태정보(210)는 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)에 의해 저장되며, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)에 의해 사용된다.
상기 자동교정 상태 정보(210)는 상기 오차추정 칼만필터부(180)가 정상 동작하는지 여부(211)를 포함할 수 있다.
상기 자동교정 상태 정보(210)는 상기 센서오차 추정값이 정상으로 추정되는지 여부(212)를 포함할 수 있다.
상기 자동교정 상태 정보(210)는 상기 보조센서부의 속도계가 연동되었는지 여부를 포함할 수 있다.
상기 직전 작동간 교정계수(230)에는 상기 작동간 교정계수 추정부(150)에 의해 계산된 작동간 교정계수가 저장된다. 상기 직전 작동간 교정계수(230)는 상기 자동교정 상태 정보(210)가 비정상이라서 상기 작동간 교정계수 추정부(150)가 상기 작동간 교정계수를 새로 계산할 수 없는 경우, 새로 계산된 작동간 교정계수로 사용된다.
아래에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 작동간 교정계수 추정부(150)의 동작을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 작동간 교정계수 추정부(150)의 동작흐름도이다.
우선, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 데이터 저장부(130)에서 자동교정에 필요한 데이터를 읽어온다(S300).
다음, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 자동교정 상태정보의 유효성을 검사한다(S310). 상기 검사는 상기 자동교정 상태정보(210)가 유효한 것으로 기록되었는지를 검사하는 것이다. 상기 자동교정 상태정보(210)는 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)에 의해 기록된다.
상기 검사의 결과가 비정상인 경우, 직전 센서오차 추정값은 정확한 것으로 신뢰될 수 없으므로 상기 작동간 교정계수 추정부는(150) 상기 직전 작동간 교정계수(230)를 새로 계산된 교정계수로서 다시 사용하며(S350), 절차가 종료한다.
상기 검사의 결과가 정상이면, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 센서오차 추정값(240)의 유효성을 검사한다(S320). 상기 센서오차 추정값(240)이 이전 N개의 추정값인 경우 직전의 센서오차 추정값이 검사의 대상이 된다.
상기 센서오차 추정값(240)의 유효성 검사는 센서오차 추정값(240) 각각(241, 242, 243, 244 또는 245)의 크기를 직전 작동간 교정계수(230)의 크기와 비교하여, 상기 센서오차 추정값(240) 각각(241, 242, 243, 244 또는 245)의 유효성을 검증하는 것이다.
상기 센서오차 추정값(240) 각각(241, 242, 243, 244 또는 245)의 유효성은 아래의 수학식 1을 이용하여 검사된다.
Figure pat00001
여기서,
i는 각각의 센서오차를 식별하는 번호이다. i는 1에서부터 작동간 교정의 대상이 되는 센서오차의 개수까지의 값을 갖는다. 상기 센서오차는 x, y 및 z 축에 대한 자이로 바이어스오차, 자이로 환산계수오차, 가속도계 바이어스오차 및 환산계수오차를 포함할 수 있으며, 속도계의 환산계수오차와 비정렬오차를 포함할 수 있다.
x i 는 i번째 센서오차에 대한 센서오차 추정값(241, 242, 243, 244 또는 245)을 의미하며, x i (k - 1)은 직전의 센서오차 추정값(241, 242, 243, 244 또는 245)을 의미한다.
X i 는 i번째 센서오차에 대한 작동간 교정계수를 의미한다. X i (k - 1)은 직전 작동간 교정계수를 의미한다.
THR1 i 는 i번째 센서오차에 대한 유효성 검사의 판단 기준값을 의미한다.
즉, 모든 각각의 센서오차 추정값(241, 242, 243, 244 및 245)에 대해 상기 수학식 1이 만족될 경우, 상기 센서오차 추정값은 유효하다. 상기 각각의 센서오차 추정값(241, 242, 243, 244 또는 245) 중 하나라도 유효하지 않은 경우, 직전 센서오차 추정값은 정확한 것으로 신뢰될 수 없다. 따라서, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 직전 작동간 교정계수(230)를 새로 계산된 교정계수로서 다시 사용하며(S350), 절차가 종료한다.
상기 2가지 조건을 만족하는 경우, 즉 상기 자동교정 상태정보가 정상이고 상기 직전 센서오차가 유효한 경우, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 이전 N개(220)의 센서오차 추정값을 이용하여 새로운 작동간 교정계수를 계산한다(S330).
상기 새로운 작동간 교정계수는 아래의 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00002
즉, 각각의 센서오차에 대해 직전 N개의 센서오차 추정값들의 평균을 계산한다.
계산 후, 상기 작동간 교정계수 추정부(150)는 상기 새롭게 계산된 작동간 교정계수를 상기 데이터 저장부(130)에 상기 직전 작동간 교정계수(230)로서 저장하며, 상기 작동간 교정계수를 출력한다.
아래에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)의 동작을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 작동간 교정계수 데이터 처리부(190)의 동작흐름도이다.
우선, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)는 초기정렬(initial alignment)가 완료되었는지 여부를 판단한다. 만약, 초기정렬이 완료되지 않은 경우 자동교정 상태정보 설정 단계(S430)가 수행된다.
다음으로, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)는 칼만필터의 공분산 수렴성을 검사한다. 칼만필터의 공분산은 필터의 상태변수가 추정가능한 경우, 즉 가관측한 조건인 경우, 0으로 수렴하는 특성이 있다. 따라서, 상기 공분산 값의 수렴 특성을 이용하여 상기 센서오차 추정값의 정확도를 판단할 수 있다.
상기 공분산의 수렴성은 아래의 수학식 3을 이용하여 판단할 수 있다.
Figure pat00003
여기서,
P i 는 i번째 상태변수의 공분산이고,
THR2 i 는 i번째 상태변수 공분산의 판단 기준값이다.
모든 상태변수에 대해 상기 공분산의 수렴성이 검사될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 효율성을 위해 중요 변수에 대해서만 상기 공분산의 수렴성이 검사될 수 있다. 상기 중요 변수는 이동체의 정지, 가감속 및 자세변화 등의 운동환경에서 상기 칼만필터의 동작상태와 추정 가능성을 가장 잘 나타내는 상태변수를 의미할 수 있다. 상기 상태변수로는 방위각 오차, x축 자이로 바이어스오차, y축 자이로 바이어스오차, x축 가속도계 바이어스 오차 및 y축 가속도계 바이어스 오차 등이 포함될 수 있다.
상기 검사의 대상이 된 상태변수 모두의 공분산이 상기 수학식 3의 조건을 만족시키면 공분산이 정상 수렴한 것으로 판단될 수 있다. 만약, 상기 공분산이 정상 수렴하지 않은 것으로 판단된 경우 상기 자동교정 상태정보 설정 단계(S430)가 수행된다.
상기 초기정렬 검사(S400) 및 상기 공분산 수렴성 검사(S410)가 만족되면, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)는 상기 센서오차 추정값의 누적평균과 분산을 계산한다(S420). 상기 누적평균값은 동작 중에 추정되어온 상기 센서오차 추정값 들의 대표값이며, 상기 분산값은 상기 센서오차 추정값의 신뢰도를 평가하는 기준이 되는 값이다.
상기 누적평균과 상기 분산은 아래의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00004
여기서,
J는 누적 데이터 개수이고,
x i (j)는 센서오차 x i 의 j번째 추정값이고,
μ i (j)는 센서오차 x i 의 j번째 누적 평균값이고,
σ i (j)는 센서오차 x i 의 j번째 누적 분산값이다.
다음으로, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)는 자동교정 상태정보 값을 설정한다(S430).
상기 자동교정 상태정보 값은 상기 칼만필터의 정상동작 여부 값를 포함한다. 상기 칼만필터의 정상동작 여부 값은 상기 초기정렬 검사(400)가 완료되고 상기 공분산 수렴성 검사(S410) 결과가 정상일 경우 정상으로 설정되고, 그렇지 않을 경우 비정상으로 설정될 수 있다.
상기 자동교정 상태정보는 상기 센서오차의 정상 추정 여부 값을 포함한다. 상기 센서오차의 정상 추정 여부는 아래의 수학식 5에 의해 결정된다.
Figure pat00005
여기서,
THR3 i 는 i번째 센서오차의 누적 분산값에 대한 판단 기준값을 의미한다.
즉, 상기 각각의 센서오차 추정값의 누적 분산값이 상기 기준값 이하인 경우 상기 센서오차의 정상 추정 여부 값은 정상으로 설정된다.
다음으로, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부(190)는 상기 센서오차 추정값 및 상기 자동교정 상태정보 값을 상기 데이터 저장부(130)에 저장한다(S440). 상기 자동교정 상태정보 값은 상기 데이터 처리부(190)의 상기 자동교정 상태정보(210)에 기록될 수 있다. 상기 센서오차 추정값은 상기 데이터 처리부(190)의 상기 센서오차 추정값(240)에 기록될 수 있다.
여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 이동 단말기 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 이동 단말기 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (9)

  1. 작동 중인 이동체의 센서오차를 자동교정하는 관성항법장치에 있어,
    3차원 관성공간에서 각속도와 선형 가속도를 측정하여 상기 측정 정보를 출력하는 관성센서부;
    보조 정보를 검출하여 출력하는 보조센서부;
    상기 작동간 교정계수를 계산하는데 사용되는 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및
    상기 관성센서부로부터 상기 측정 정보를 입력받고, 상기 보조 정보를 이용하여 상기 측정 정보의 오차를 추정하여 보상한 후, 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치 및 자세를 계산하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 이동체의 작동 중 이전에 추정된 오차 값을 이용하여 작동간 교정계수를 계산하고, 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 오차 추정시 이용하며, 상기 제어부는 상기 데이터 저장부와 전자적으로 연결되어 상기 작동간 교정계수를 계산함에 있어 기반이 되는 정보를 입출력하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는 센서오차 추정값을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 데이터 저장부로부터 입력받은 상기 센서오차 추정값에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하는 작동간 교정계수 추정부;
    상기 작동간 교정계수 추정부로부터 입력받은 상기 작동간 교정계수에 기반하여 상기 관성센서부로부터 입력받은 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 관성센서 오차보상부;
    상기 관성센서 오차보상부로부터 입력받은 상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 상기 작동 중인 이동체의 속도, 위치 및 자세를 계산하는 관성항법 계산부;
    상기 관성항법 계산부로부터 입력받은 상기 속도, 위치, 자세 및 상기 보조센서부로부터 입력받은 상기 오차 보상 정보에 기반하여 상기 센서오차 추정값을 계산하는 오차추정 칼만필터부; 및
    상기 오차추정 칼만필터부로부터 입력받은 상기 센서오차 추정값에 대한 필요한 처리를 수행하고, 상기 센서오차 추정값을 상기 데이터 저장부에 저장하는 작동간 자동교정 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는 자동교정 상태정보 및 직전 작동간 교정계수를 더 포함하고,
    상기 작동간 자동교정 데이터 처리부는 상기 센서오차 추정값의 정확도와 신뢰도에 따라 상기 자동교정 상태정보를 정상 또는 비정상으로 설정하며,
    상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 자동교정 상태정보가 비정상인 경우 상기 직전 작동간 교정계수를 상기 계산된 작동간 교정계수로 삼고, 상기 자동교정 상태정보가 정상인 경우 상기 작동간 교정계수의 계산 후 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 데이터 저장부에 저장하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 자동교정 상태정보를 비정상으로 설정하는 것은, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 수행된 초기정렬이 완료되지 않았는지 여부, 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 검사된 칼만필터의 일부 상태변수들 중 그 공분산이 수렴하지 않는 것이 있는지 여부 및 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부에 의해 계산된 상기 센서오차 추정값 각각에 대한 누적 분산 중 각각의 센서오차 추정값에 대해 미리 설정된 판단 기준값보다 작지 않은 것이 있는지 여부 중 하나 이상을 판단 기준으로 삼는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는 이전 추정값 개수(N)를 더 포함하고,
    상기 데이터 저장부의 상기 센서오차 추정값은 상기 작동간 자동교정 데이터 처리부의 직전 N회의 작동에 의해 생성된 N개의 추정값이며,
    상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 N개의 센서오차 추정값에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하며,
    상기 작동간 교정계수는 상기 N개의 센서오차 추정값의 평균인 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는 직전 작동간 교정계수를 더 포함하고,
    상기 작동간 교정계수 추정부는 상기 센서오차 추정값 각각의 유효성을 검사하여, 상기 센서오차 추정값들 중 유효하지 않은 것이 있을 경우 상기 직전 작동간 교정계수를 상기 계산된 작동간 교정계수로 삼고, 상기 센서오차 추정값 모두가 유효한 경우 상기 작동간 교정계수의 계산 후 상기 계산된 작동간 교정계수를 상기 데이터 저장부에 저장하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 각각의 센서오차 추정값과 상기 센서오차 추정값에 대한 직전 작동간 교정계수의 차가 상기 센서오차 추정값에 대해 미리 설정된 판단 기준값의 범위 내에 있을 경우 상기 센서오차 추정값은 유효한 것을 특징으로 하는 관성항법장치.
  8. 작동 중인 이동체의 센서오차를 자동교정하는 방법에 있어,
    3차원 관성공간에서의 각속도와 선형 가속도 측정 정보를 입력받는 단계;
    작동간 교정계수에 기반하여 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 단계;
    상기 오차가 보상된 측정 정보에 기반하여 작동 중인 이동체의 속도, 위치, 자세를 계산하는 단계;
    상기 측정 정보의 오차를 보상하기 위한 정보를 입력받는 단계; 및
    상기 계산된 속도, 위치, 자세 및 상기 오차 보상 정보에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 재계산하는 단계를 포함하고, 상기 재계산된 작동간 교정계수는 상기 측정 정보의 오차를 보상하는 단계에서 적용되는 것을 특징으로 하는 센서오차의 작동 중 자동교정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 작동간 교정계수를 재계산하는 단계는,
    상기 계산된 속도, 위치, 자세 및 상기 오차 보상 정보를 기반으로 칼만필터를 사용하여 센서오차 추정값을 생성하는 단계;
    상기 센서오차 추정값에 대한 필요한 처리를 수행하고 상기 센서오차 추정값 및 연관된 정보를 저장하는 단계; 및
    상기 저장된 센서오차 추정값 및 연관된 정보에 기반하여 상기 작동간 교정계수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서오차의 작동 중 자동교정 방법.
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