KR20120042394A - System and method for localizationing of autonomous vehicle - Google Patents

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KR20120042394A
KR20120042394A KR1020100104079A KR20100104079A KR20120042394A KR 20120042394 A KR20120042394 A KR 20120042394A KR 1020100104079 A KR1020100104079 A KR 1020100104079A KR 20100104079 A KR20100104079 A KR 20100104079A KR 20120042394 A KR20120042394 A KR 20120042394A
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A location measurement system and a location measurement method for an autonomous vehicle are provided to accurately correct angular velocity by calculating a weighted value from the instantaneous degree change and two angular velocity values of encoders. CONSTITUTION: A location measurement system for an autonomous vehicle comprises encoders(2), gyroscopes(3), accelerometers(4), an angular velocity compensation unit, a linear velocity compensation unit, and a posture compensation unit. The encoders measure the rotation angle of drive wheels. The gyroscopes measure rotational inertia. The accelerometers measure gravitational acceleration. The angular velocity compensation unit compensates for angular velocity using the angular velocity calculated from the encoders and gyroscopes. The linear velocity compensation unit compensates for linear velocity using the compensated angular velocity. The posture compensation unit compensates for posture using the calculated angular and linear velocity.

Description

주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법{System and Method for localizationing of Autonomous Vehicle}Positioning system and method for driving device {System and Method for localizationing of Autonomous Vehicle}

본 발명은 주행 장치의 위치 측정에 관한 것으로, 구체적으로 미끄러짐 현상과 같이 알 수 없는 오차에 의한 위치측정 오차를 엔코더와 자이로, 가속도계를 통해 보정하여 위치 오차를 최소화 할 수 있는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position measurement of a traveling device, and specifically, a position measurement for a traveling device capable of minimizing a position error by correcting a positioning error due to an unknown error such as a slip phenomenon through an encoder, a gyro and an accelerometer. System and method.

자율적으로 이동할 수 있도록 구성된 주행 장치에 있어서 효율적인 제어 및 자기 위치 인식을 위해서는 정확한 위치 추정이 필요하다.In a traveling device configured to move autonomously, accurate position estimation is required for efficient control and magnetic position recognition.

이와 같은 주행 장치의 위치 추정을 위해 사용되는 가장 보편적인 방법은 주행 장치의 구동 바퀴에 장착된 엔코더를 사용하는 것이다.The most common method used to estimate the position of such a traveling device is to use an encoder mounted on the drive wheels of the traveling device.

구동 바퀴에 장착된 엔코더는 바퀴의 회전수를 계수하여 회전수에 따라 주행 거리를 추정할 수 있고, 바퀴를 두 개 이상 사용하여 사용 가능한 엔코더 데이터가 두 개 이상인 경우, 각 엔코더 값의 차를 계산하여 회전 각속도 및 회전 각도 추정이 가능하다.The encoder mounted on the driving wheel can estimate the driving distance according to the number of revolutions by counting the number of revolutions of the wheel, and calculate the difference of each encoder value when there is more than one encoder data available using two or more wheels. It is possible to estimate the rotational angular velocity and the rotational angle.

그러나 엔코더를 이용한 위치 추정은 구동 바퀴와 맞닿은 바닥면의 미끄러짐에 의한 슬립(slip)이 발생하는 경우 실제 움직인 거리와 엔코더에 의한 추정 거리가 상이한 값을 가지는 단점이 있다. 슬립은 미끄러운 바닥, 카펫, 문턱을 넘는 경우, 충돌에 의한 경우 등 다양한 원인으로 인하여 발생한다. However, the position estimation using the encoder has a disadvantage in that when the slip occurs due to the sliding of the bottom surface in contact with the driving wheel, the actual moving distance and the estimated distance by the encoder have different values. Slips occur for a variety of reasons, including slippery floors, carpets, thresholds, and collisions.

이와 같이 종래 기술에서의 위치측정 방법은 기본적으로 엔코더를 이용하여 바퀴의 회전각을 측정하고 측정된 바퀴 회전각과 주행 장치의 기구학을 통해 위치를 추정하는 방법이다.As described above, the position measuring method in the related art is basically a method of measuring a rotation angle of a wheel using an encoder and estimating a position through the measured wheel rotation angle and kinematics of the traveling device.

하지만, 이와 같은 엔코더를 이용하는 주행 장치들은 주행 환경이나 시스템 특성에 의한 누적 오차가 발생된다.However, driving devices using such encoders generate cumulative errors due to driving environment or system characteristics.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 확장형 칼만 필터 등과 같은 확률적인 오차 보정 방법과 절대 위치좌표를 계측할 수 있는 전역 위치측정 장치, 환경인지 방법 등을 이용하는 방법에 관해 많은 연구가 이루어졌다.In order to solve this problem, many studies have been conducted on the use of probabilistic error correction methods such as an extended Kalman filter, a global positioning device capable of measuring absolute position coordinates, and an environmental cognition method.

하지만, 확률적인 오차 보정을 하더라도 미끄러짐 현상과 같은 알지 못하는 에러는 보정될 수 없었으며, 전역 위치측정 장치를 이용하는 방법은 가격이 매우 높아지는 문제점을 가졌고, 환경인지 방법은 현 기술 상의 문제로 성능이 매우 낮았다.However, even if stochastic error correction, unknown errors such as slippage could not be corrected, and the method using the global positioning device had a problem that the price was very high. Low.

이에 INS(inertial navigation system)과 같은 관성 센서를 이용하여 바퀴의 미끄러짐 현상에 의한 오차를 보정하는 방법에 관한 연구들이 수행되었다.In this regard, studies have been conducted on a method of correcting errors caused by wheel slippage using an inertial sensor such as an inertial navigation system (INS).

하지만, INS는 기본적으로 가속도계(accelerometer)를 이용하여 중력 가속도를 계산하고 가속도를 2번 적분하여 위치를 구하게 되는데, 아주 작은 오차가 적분을 두 번 하는 동안 매우 커져 위치측정 오차가 매우 크게 발생되는 문제가 있었다.However, the INS basically calculates the acceleration of gravity using an accelerometer and integrates the acceleration twice to find the position, which causes a very large error during two integrations, resulting in very large positioning errors. There was.

이러한 문제를 해결하기 위해서 엔코더와 INS를 함께 사용하는 방법과 주행 장치의 등속도 운동과 가감속 운동을 구별하여 측정하는 방법, 주행 장치의 떨림(idling frequency)을 이용하여 INS 오차를 최소화하는 방법 등이 연구되어 성능이 향상되었지만 여전히 오차가 크게 누적되는 문제가 존재하였다.In order to solve this problem, a method of using an encoder and an INS together, a method of distinguishing and measuring the constant speed acceleration and deceleration motion of the traveling device, a method of minimizing the INS error using the idling frequency of the traveling device, etc. This research has improved the performance, but there is still a problem that a large accumulation of errors.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 주행 장치의 위치 측정 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 미끄러짐 현상과 같이 알 수 없는 오차에 의한 위치측정 오차를 엔코더와 자이로, 가속도계를 통해 보정하여 위치 오차를 최소화 할 수 있는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the position measurement method of the prior art traveling device, to minimize the position error by correcting the position measurement error due to an unknown error, such as a slip phenomenon through the encoder, gyro, accelerometer It is an object of the present invention to provide a positioning system and method for a traveling device which can be used.

본 발명은 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 의한 가중치 계산을 통해 각속도를 정확히 보정을 할 수 있도록 한 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a position measuring system and method for a traveling device that can accurately correct an angular velocity by calculating a weight of an encoder instantaneous change amount and two calculated angular velocity values.

본 발명은 보정된 각속도와 엔코더에 의한 선속도를 적합함수로 유전자 알고리즘을 사용하여 정확한 각속도와 선속도를 구하여 오차 누적이 심한 가속도계의 선속도와 각속도의 정밀도를 판단할 수 있도록 한 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention obtains the accurate angular velocity and linear velocity using a genetic algorithm with the corrected angular velocity and linear velocity by the encoder as a suitable function for the traveling device to determine the linear velocity and angular velocity accuracy of the accelerometer with high error accumulation. Its purpose is to provide a positioning system and method.

본 발명은 미끄러짐 현상이나 바퀴가 헛도는 현상을 판단할 수 있고 이를 이용하여 칼만 필터의 계측 모델을 동적으로 변경할 수 있어 주행 장치의 정확한 자세를 계산할 수 있도록 한 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention can determine the sliding phenomenon or the wheel turning phenomenon, it is possible to dynamically change the measurement model of the Kalman filter by using the position measurement system and method for the traveling device to calculate the exact attitude of the traveling device The purpose is to provide.

본 발명은 오차 공분산을 가변적으로 변경시킴으로써 칼만 필터의 가우시안 에러 공분산의 발산을 해결 할 수 있도록 한 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a positioning system and method for a traveling device capable of solving the divergence of Gaussian error covariance of a Kalman filter by varying the error covariance.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템은 구동 바퀴들의 회전각을 측정하는 엔코더들;회전 관성을 측정하는 자이로들;중력 가속도를 측정하는 가속도계들;상기 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 각속도와 자이로의 각속도를 이용하여 각속도를 보상하는 각속도 보상부;상기 보상된 각속도와 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 선속도를 이용하여 보상하는 선속도 보상부; 및 상기 계산된 각속도, 선속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도, 선속도를 이용해 자세를 보상하는 자세 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Positioning system for a traveling device according to the present invention for achieving the above object is encoders for measuring the rotation angle of the drive wheels; gyros for measuring the rotational inertia; accelerometers for measuring the acceleration of gravity; driving with the encoder An angular velocity compensator for compensating the angular velocity using the angular velocity calculated through the kinematics of the device and the gyro; a linear velocity compensator for compensating using the compensated angular velocity and the linear velocity calculated through the encoder and the kinematics of the traveling device; And a posture compensator for compensating a posture using the calculated angular velocity, linear velocity and linear velocity, and the angular velocity and linear velocity.

그리고 상기 자세 보상부는,상기 엔코더와 자이로를 통해 보상된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하고 엔코더의 선속도 혹은 가속도계를 통해 계산된 선속도를 선택하는 것을 특징으로 한다.The posture compensator may be configured to compare the angular velocity compensated by the encoder and the gyro and the angular velocity calculated by the accelerometer, and select the linear velocity calculated by the encoder or the accelerometer.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템은 주행 장치의 구동부에 입력을 주는 구동 입력부;바퀴의 회전각을 구하기 위한 엔코더들;회전 관성을 통한 각속도를 계산하는 자이로들;중력 가속도를 통해 양 방향 가속도를 검출하는 가속도계들;상기 구동 입력부와 엔코더, 자이로들의 상태를 분석하여 주행 장치의 동작 여부를 판단하는 분석부;주행 장치가 동작하지 않고 있을 때에 자이로와 가속도계를 보정하는 자이로와 가속도계 보정부;상기 엔코더,자이로,가속도계들의 검출값을 이용하여 선속도 및 각속도를 계산하는 위치 측정값 계산부;상기 위치 측정값 계산부의 계산값을 이용하여 각속도를 보상하고 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보상하고, 주행 장치의 자세를 보상하는 위치 측정값 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A positioning system for a traveling device according to the present invention for achieving another object includes a drive input unit for inputting the driving unit of the traveling device; encoders for obtaining a rotation angle of the wheel; gyros for calculating the angular velocity through the rotational inertia; Accelerometer for detecting the acceleration in both directions through the acceleration of gravity; Analysis unit for determining the operation of the driving device by analyzing the state of the drive input unit, encoder, gyro; Compensating the gyro and accelerometer when the driving device is not in operation Gyroscope and accelerometer correction unit; Position measurement value calculation unit for calculating the linear velocity and angular velocity using the detection values of the encoder, gyro, accelerometer; Compensation of the angular velocity by using the calculated value of the position measurement value calculation unit And a position measurement value compensator for compensating the linear velocity using the compensating linear velocity and compensating the attitude of the traveling device. And that is characterized.

여기서, 상기 위치 측정값 계산부는,상기 엔코더들의 계측값과 주행 장치의 기구학을 통한 자세를 계산하는 제 1 선속도 계산부, 제 1 각속도 계산부와,상기 자이로를 통해 각속도를 계산 하는 제 3 각속도 계산부와,상기 가속도계의 기울기에 따라 가속도계를 보상하는 가속도계 보상부 및 가속도계 보상부에서 보상된 x축과 y축의 중력 가속도를 통한 제 2 선속도 계산부 및 제 3 각속도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the position measurement value calculation unit, a first linear velocity calculation unit for calculating the measured values of the encoders and the attitude through the kinematics of the traveling device, a first angular velocity calculator and a third angular velocity for calculating the angular velocity through the gyro And a second linear velocity calculator and a third angular velocity calculator through the gravitational acceleration of the x-axis and the y-axis compensated by the accelerometer compensator and the accelerometer compensator according to the slope of the accelerometer. do.

그리고 상기 위치 측정값 보상부는,상기 위치 측정값 계산부의 제 1 각속도 계산부에서 계산된 각속도와 제 3 각속도 계산부에서 계산된 각속도를 통해 각속도를 보상하는 각속도 보상부와,상기 위치 측정값 계산부의 제 1 선속도 계산부에서 계산된 선속도와 각속도 보상부를 통해 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보정하는 선속도 보상부와,상기 각속도 보상부의 각속도와 선속도 보상부의 선속도, 제 2선속도 계산부의 선속도, 제 2 각속도 계산부의 각속도를 이용하여 주행 장치의 자세를 보상하는 자세 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.And the position measurement value compensator, an angular velocity compensator for compensating the angular velocity based on the angular velocity calculated by the first angular velocity calculator and the angular velocity calculated by the third angular velocity calculator, and the position measured value calculator. A linear speed compensator for correcting the linear velocity using the linear speed calculated by the first linear velocity calculator and the angular velocity compensated by the angular velocity compensator, the angular velocity and the linear velocity compensator, and the second linear velocity And a posture compensator configured to compensate the posture of the driving apparatus using the linear speed of the calculator and the angular velocity of the second angular velocity calculator.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 방법은 바퀴의 회전각,각속도,중력 가속도를 검출하는 엔코더,자이로,가속도계를 갖는 주행 장치의 위치측정에 있어서, 상기 엔코더의 순간 변화량 크기에 따라 제 1 가중치를 계산하는 단계;상기 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 각속도와 자이로를 통해 계산된 각속도를 비교하여 제 2 가중치를 계산하는 단계;상기 제 1,2 가중치를 이용하여 각속도를 계산하는 단계;유전자 알고리즘을 통해 하나 이상의 구동 바퀴 회전값을 예측하는 단계;상기 예측된 구동 바퀴의 회전값을 통해 선속도를 계산하는 단계;상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하여 계측 모델을 선택하는 단계; 및 상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 이용하여 계측 에러 공분산을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Position measuring method for a traveling device according to the present invention for achieving another object is an encoder for detecting the rotation angle, angular velocity, gravity acceleration of the wheel, gyro, the position of the traveling device having an accelerometer, the instant of the encoder Calculating a first weight according to the magnitude of the change; calculating a second weight by comparing the angular velocity calculated through the gyro with the angular velocity calculated through the kinematics of the encoder and the traveling device; using the first and second weights Calculating an angular velocity by using a genetic algorithm; predicting at least one driving wheel rotation value; calculating a linear speed based on the predicted rotation value of the driving wheel; calculated using the first and second weights Selecting a measurement model by comparing the angular velocity calculated by the angular velocity and the accelerometer; And calculating a measurement error covariance using the angular velocity calculated by using the first and second weights and the angular velocity calculated by the accelerometer.

그리고 상기 구동 바퀴 회전값을 예측하는 단계는,상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 엔코더를 통해 계산된 선속도를 이용하여 하나 이상의 구동 바퀴 회전값을 예측하는 것을 특징으로 한다.The estimating of the driving wheel rotation value may include predicting one or more driving wheel rotation values using the angular velocity calculated using the first and second weights and the linear speed calculated using the encoder.

그리고 상기 계측 모델을 선택하는 단계는,상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하는 동적인 선택으로 칼만 필터의 계측 모델로 적용되는 것을 특징으로 한다.In the selecting of the measurement model, the angular velocity calculated using the first and second weights and the angular velocity calculated by the accelerometer may be applied to the measurement model of the Kalman filter.

그리고 상기 에러 공분산을 계산하는 단계에서,상기 선택된 계측 모델의 각속도

Figure pat00001
, 상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도
Figure pat00002
를 통해
Figure pat00003
를 계산하고, 시간 t를 이용하여 에러 공분산을
Figure pat00004
에 의해 산출하고, 여기서,
Figure pat00005
는 엔코더의 각속도 혹은 가속도계의 가속도이고,
Figure pat00006
의 k는 시간인 것을 특징으로 한다.And in the step of calculating the error covariance, the angular velocity of the selected measurement model
Figure pat00001
, The angular velocity calculated using the first and second weights
Figure pat00002
Through the
Figure pat00003
Calculate the error covariance using time t
Figure pat00004
Calculated by
Figure pat00005
Is the angular velocity of the encoder or the acceleration of the accelerometer,
Figure pat00006
K is time.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 방법은 바퀴의 회전각,각속도,중력 가속도를 검출하는 엔코더,자이로,가속도계를 갖는 주행 장치의 위치측정에 있어서, 상기 주행 장치가 주행하고 있지 않을 때에 각속도계와 자이로의 중심값을 보정하는 단계;상기 주행 장치가 주행하고 있을 때에 엔코더를 계측 받아 선속도와 각속도를 계산하는 단계;상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용하여 각속도를 계산하는 단계;상기 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 따라 가중치를 계산하는 단계;상기 계산된 가중치를 이용하여 각속도를 보정하는 단계;유전자 알고리즘을 통해 선속도를 보정하는 단계;상기 가속도계에서 x축과 y축의 각속도를 측정하고, 가속도계의 기울기에 따라 각속도 값을 보정하고, 보정된 각속도 값을 이용하여 선속도와 각속도를 계산하는 단계;상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용한 각속도와의 차이에 따라 칼만 필터의 계측 모델을 선택하는 단계;상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용한 각속도와의 차이에 따라 칼만 필터의 계측 에러 공분산 모델을 수정하는 단계; 및 자세를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Position measuring method for a traveling device according to the present invention for achieving another object is an encoder for detecting the rotation angle, angular velocity, gravity acceleration of the wheel, gyro, in the position measurement of the traveling device having an accelerometer, Compensating the center value of the angular speedometer and gyro when not driving; Computing the linear speed and the angular speed by measuring the encoder when the driving device is running; Using the Gyman and geomagnetic field using a Kalman filter Calculating an angular velocity according to the magnitude of the encoder instantaneous change and two calculated angular velocity values; correcting the angular velocity using the calculated weight; correcting the linear velocity through a genetic algorithm; Measure the angular velocity of the x-axis and y-axis in the accelerometer, correct the angular velocity value according to the inclination of the accelerometer, Calculating a linear velocity and an angular velocity using the corrected angular velocity value; selecting a measurement model of the Kalman filter according to the difference between the gyro and the geomagnetic field and the angular velocity using the Kalman filter; together with the gyro and the geomagnetic field Correcting the measurement error covariance model of the Kalman filter according to the difference with the angular velocity using the Kalman filter; And calculating a posture.

이와 같은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.Such a positioning system and method for a traveling device according to the present invention has the following effects.

첫째, 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 의한 가중치 계산을 통해 각속도를 정확히 보정을 할 수 있다.First, the angular velocity can be accurately corrected by calculating the weight of the encoder instantaneous change amount and the calculated two angular velocity values.

둘째, 보정된 각속도와 엔코더에 의한 선속도를 적합함수로 유전자 알고리즘을 사용하여 정확한 각속도와 선속도를 구할 수 있다.Secondly, the corrected angular velocity and linear velocity can be obtained by using a genetic algorithm with the corrected angular velocity and linear velocity by encoder.

셋째, 오차 누적이 심한 가속도계의 선속도와 각속도의 정밀도를 판단할 수 있다.Third, it is possible to determine the accuracy of the linear speed and the angular velocity of the accelerometer with high error accumulation.

넷째, 미끄러짐 현상이나 바퀴가 헛도는 현상을 판단할 수 있고 이를 이용하여 칼만 필터의 계측 모델을 동적으로 변경할 수 있어 주행 장치의 정확한 자세를 계산할 수 있다.Fourth, it is possible to determine the phenomenon of slippage or wheel rotation, and use this to dynamically change the measurement model of the Kalman filter to calculate the exact attitude of the driving device.

다섯째, 오차 공분산을 가변적으로 변경시킴으로써 칼만 필터의 가우시안 에러 공분산의 발산을 해결 할 수 있다.Fifth, the variation of the Gaussian error covariance of the Kalman filter can be solved by changing the error covariance variably.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방향 주행 장치의 위치측정 시스템의 구성도
도 2는 전방향 주행 장치의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 구성 블록도
도 4는 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 위치측정 과정을 나타낸 구성도
1 is a block diagram of a position measuring system of a direction traveling device according to an embodiment of the present invention
2 is a block diagram of an omnidirectional traveling device
3 is a block diagram of a configuration of a positioning system for a traveling device according to the present invention;
Figure 4 is a block diagram showing a position measuring process of the position measuring system for a traveling device according to the present invention

이하, 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a positioning system and method for a traveling device according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The features and advantages of the positioning system and method for the traveling device according to the invention will become apparent from the detailed description of each embodiment below.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방향 주행 장치의 위치측정 시스템의 구성도이고, 도 2는 전방향 주행 장치의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a position measuring system of a direction traveling device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a configuration diagram of the omnidirectional traveling device.

본 발명은 미끄러짐 현상과 같이 알 수 없는 오차에 의한 위치측정 오차를 엔코더와 자이로, 가속도계를 통해 보정하여 위치 오차를 최소화 할 수 있도록 한 것이다.The present invention is to minimize the position error by correcting the position measurement error due to the unknown error, such as the slip phenomenon through the encoder and gyro, accelerometer.

본 발명의 실시예에 따른 전방향 주행 장치의 위치측정 시스템은 도 1 및 도 2에서와 같이 자율주행 장치에 부착된 4개의 구동부(1)와, 4개의 엔코더(2), 2개의 자이로와 지자계(3), 4개의 가속도계(4)로 구성된다.The position measuring system of the omnidirectional traveling device according to the embodiment of the present invention includes four driving units 1 attached to the autonomous driving device, four encoders 2, two gyros and a geomagnetism as shown in FIGS. 1 and 2. It consists of a system 3 and four accelerometers 4.

이와 같은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 상세 구성은 다음과 같다.Such a detailed configuration of the position measuring system for a traveling device according to the present invention is as follows.

도 3은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 구성 블록도이다.3 is a block diagram of a configuration of a positioning system for a traveling device according to the present invention.

먼저, 자율주행 장치의 구동부에 입력을 주는 구동 입력부(100)와, 바퀴의 회전각을 구하기 위한 하나 이상의 엔코더(2)와, 회전 관성을 통한 각속도를 계산하는 하나 이상의 자이로(3)와, 중력 가속도를 통해 양 방향 가속도를 검출하는 하나 이상의 가속도계(4)를 포함한다.First, the drive input unit 100 for inputting the drive unit of the autonomous driving device, at least one encoder (2) for obtaining the rotation angle of the wheel, at least one gyro (3) for calculating the angular velocity through the rotational inertia, gravity It includes one or more accelerometers (4) for detecting the acceleration in both directions through the acceleration.

그리고 하나 이상의 구동부의 입력부와 엔코더, 자이로의 상태를 분석하여 주행 장치의 동작 여부를 판단하는 분석부(101)와, 주행 장치가 동작하지 않고 있을 때에 자이로와 가속도계를 보정하는 자이로와 가속도계 보정부(102)를 포함한다.The analyzer 101 analyzes the state of the input unit, the encoder, and the gyro of the at least one driving unit to determine whether the driving device is in operation, and the gyro and accelerometer correction unit which corrects the gyro and the accelerometer when the driving device is not in operation. 102).

그리고 엔코더(2),자이로(3),가속도계(4)의 검출값을 이용하여 선속도 및 각속도를 계산하는 위치 측정값 계산부(200)와 위치 측정값 계산부(200)의 계산값을 이용하여 각속도를 보상하고 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보상하고, 주행 장치의 자세를 보상하는 위치 측정값 보상부(300)를 포함한다.Then, using the calculated values of the position measurement value calculation unit 200 and the position measurement value calculation unit 200 for calculating the linear velocity and the angular velocity using the detected values of the encoder 2, the gyro 3, and the accelerometer 4 Compensating the angular speed by using the compensated angular speed to compensate the linear speed, and the position measurement value compensation unit 300 for compensating the attitude of the traveling device.

여기서, 위치 측정값 계산부(200)는 엔코더(2)의 계측값과 주행 장치의 기구학을 통한 자세를 계산하는 제 1 선속도 계산부(103)와 제 1 각속도 계산부(104)와, 자이로(3)를 통해 각속도를 계산 하는 제 3 각속도 계산부(105)와, 가속도계(4)의 기울기에 따라 가속도계(4)를 보상하는 가속도계 보상부(108) 및 가속도계 보상부(108)에서 보상된 x축과 y축의 중력 가속도를 통한 제 2 선속도 계산부(109) 및 제 3 각속도 계산부(110)를 포함한다.Here, the position measurement value calculation unit 200 includes a first linear velocity calculation unit 103 and a first angular velocity calculation unit 104 for calculating a measured value of the encoder 2 and a posture through kinematics of the traveling device, and a gyro. Compensated by the third angular velocity calculation unit 105 and the accelerometer compensator 108 and the accelerometer compensator 108 for compensating the accelerometer 4 according to the inclination of the accelerometer 4 through (3). A second linear velocity calculation unit 109 and the third angular velocity calculation unit 110 through the gravitational acceleration of the x-axis and y-axis.

그리고 위치 측정값 보상부(300)는 제 1 각속도 계산부(104)에서 계산된 각속도와 제 3 각속도 계산부(105)에서 계산된 각속도를 통해 각속도를 보상하는 각속도 보상부(106)와, 제 1 선속도 계산부(103)에서 계산된 선속도와 각속도 보상부(106)를 통해 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보정하는 선속도 보상부(107)와, 각속도 보상부(106)의 각속도와 선속도 보상부(107)의 선속도, 제 2선속도 계산부(109)의 선속도, 제 2 각속도 계산부(110)의 각속도를 이용하여 주행 장치의 자세를 보상하는 자세 보상부(111)를 포함한다.The position measurement value compensator 300 includes an angular velocity compensator 106 for compensating the angular velocity based on the angular velocity calculated by the first angular velocity calculator 104 and the angular velocity calculated by the third angular velocity calculator 105, and The linear velocity compensator 107 for correcting the linear velocity using the linear velocity calculated by the linear velocity calculator 103 and the angular velocity compensated by the angular velocity compensator 106 and the angular velocity of the angular velocity compensator 106. And a posture compensator 111 for compensating a posture of the traveling device using the linear speed of the linear speed compensator 107, the linear speed of the second linear speed calculator 109, and the angular velocity of the second angular velocity calculator 110. ).

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템은 구동 입력부(100)에서 자율주행 장치의 구동부(1)에 입력을 주면 주행 장치가 작동을 하게 된다.In the position measuring system for the traveling device according to the present invention having such a configuration, when the driving input unit 100 inputs the driving unit 1 of the autonomous driving device, the traveling device operates.

주행 장치가 작동하게 되면, 바퀴의 회전각을 구하는 엔코더(2)와 회전 관성을 통한 각속도를 자이로(3)에서 계측하고 분석부(101)에서 주행 장치의 주행 여부를 분석하게 된다.When the traveling device is operated, the gyro 3 measures the angular velocity through the encoder 2 and the rotational inertia for obtaining the rotation angle of the wheel, and analyzes whether the traveling device is running in the analysis unit 101.

이때, 주행 장치가 주행하고 있지 않다고 분석부(101)에서 판단되면 자이로와 가속도계 보정부(102)에서 드래프트 오차를 해결하기 위해 자이로(3)와 가속도계(4)의 중심값을 계산하고 리셋을 시킨다.At this time, if the analysis unit 101 determines that the traveling device is not running, the gyro and accelerometer correction unit 102 calculates and resets the center value of the gyro 3 and the accelerometer 4 to solve the draft error. .

만약, 주행 장치의 주행이 시작되었다고 분석부(101)에서 판단되면 엔코더(2)와 자이로와 지자계(3), 가속도계(4)를 통해 위치측정을 시작한다.If it is determined by the analysis unit 101 that the driving of the traveling device is started, the position measurement is started through the encoder 2, the gyro, the geomagnetic field 3, and the accelerometer 4.

제 1 선속도 계산부(103)와 제 1 각속도 계산부(104)에서는 계측된 엔코더(2) 값과 주행 장치의 기구학을 통해 선속도와 각속도를 각각 계산한다.The first linear velocity calculating section 103 and the first angular velocity calculating section 104 calculate the linear velocity and the angular velocity through the measured encoder 2 value and the kinematics of the traveling device, respectively.

그리고 제 3 각속도 계산부(105)에서는 자이로(3) 혹은 자이로+지자계(3)의 센서융합을 통해 각속도를 계산한다.In addition, the third angular velocity calculator 105 calculates the angular velocity through sensor fusion of the gyro 3 or the gyro + earth magnetic field 3.

그리고 제 1 각속도 계산부(104)의 각속도와 제 3 각속도 계산부(105)의 각속도는 각속도 보상부(106)에서 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 따른 가중치에 따라 각속도를 보상한다.The angular velocity of the first angular velocity calculator 104 and the angular velocity of the third angular velocity calculator 105 compensate for the angular velocity according to the weight of the encoder instantaneous change amount and the calculated two angular velocity values in the angular velocity compensator 106. .

각속도 보상부(106)에서 보상된 각속도는 제 1선속도 계산부(103)의 선속도와 함께 선속도 보상부(107)에서 유전자 알고리즘의 적합 함수(fitness function)으로 사용하여 각 구동부의 최적 회전값을 예측하게 되고 선속도를 보상하게 된다.The angular velocity compensated by the angular velocity compensator 106 is used as the fitness function of the genetic algorithm in the linear velocity compensator 107 together with the linear velocity of the first linear velocity calculator 103. The value is predicted and the linear velocity is compensated.

가속도계(4)는 그 것의 기울기에 따른 보상을 가속계 보상부(108)에서 보상받게 되고, 보상된 가속도는 제 2 선속도 계산부(109)와 제 2 각속도 계산부(110)에서 선속도와 각속도를 각각 계산하게 된다.The accelerometer 4 is compensated by the accelerometer compensator 108 according to its slope, and the compensated acceleration is linear speed and angular velocity in the second linear velocity calculator 109 and the second angular velocity calculator 110. Will be calculated separately.

이때, 각속도 보상부(106)의 각속도와 제 2 각속도 계산부(110)의 각속도는 자세 보상부(111)에서 분석되어 칼만 필터(Kalman filter)의 계측 모델로 선택되고 주행 장치의 자세가 산출된다.At this time, the angular velocity of the angular velocity compensator 106 and the angular velocity of the second angular velocity calculator 110 are analyzed by the posture compensator 111 and selected as a measurement model of the Kalman filter, and the attitude of the traveling device is calculated. .

이와 같은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 주행 장치 위치 측정 방법은 다음과 같다.Such a driving device position measuring method of the position measuring system for a traveling device according to the present invention is as follows.

도 4는 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템의 위치측정 과정을 나타낸 구성도이다.4 is a block diagram illustrating a position measuring process of a position measuring system for a traveling device according to the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 주행 장치 위치 측정은 도 4에서와 같이, 엔코더(2)와 자이로(3)를 측정하여(S201) 주행 여부를 판단하고(S202) 주행을 하지 않고 있다고 판단되면 자이로(3)와 가속도계(4)를 중심값 보정하고 리셋하게 된다.(S203)As shown in FIG. 4, the driving apparatus position measurement according to the embodiment of the present invention measures the encoder 2 and the gyro 3 (S201), determines whether the vehicle is driven (S202), and if it is determined that the vehicle is not driven, the gyro ( 3) and the accelerometer 4 are corrected and reset (S203).

주행 여부 판단시에 주행이 시작되었다면, 구동부의 엔코더(2)에서 바퀴 회전 값을 측정하여(S204) 주행 장치의 기구학과 엔코더 값들을 통해 주행 장치의 선속도 계산(S205)과 주행 장치의 기구학과 엔코더 값들을 통해 주행 장치의 각속도 계산을 한다.(S206)If driving is started at the time of determining whether the vehicle is driven, the wheel rotation value is measured by the encoder 2 of the driving unit (S204), and the kinematics of the traveling device is calculated based on the encoder speeds (S205) and the kinematics of the traveling device. The angular velocity of the traveling device is calculated through the encoder values (S206).

일 실시예에 따른 주행 장치가 4개의 구동부를 가지므로 엔코더의 선속도 계산(S205)와 각속도 계산(S206)은 각각 수학식 1과 수학식 2와 같이 구해진다.Since the traveling device according to the exemplary embodiment has four driving units, the linear speed calculation S205 and the angular speed calculation S206 of the encoder are obtained as shown in Equations 1 and 2, respectively.

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

수학식 1에서

Figure pat00009
는 바퀴의 지름을 의미하며, 수학식 2에서
Figure pat00011
는 각각 주행 장치의 중심으로부터 엔코더의 x축과 y축의 거리를 의미한다.In Equation 1
Figure pat00009
Denotes the diameter of the wheel, and
Figure pat00011
Denotes the distance of the encoder x-axis and y-axis from the center of the traveling device, respectively.

다음으로, 자이로 2개의 각속도 측정(S207)과 지자계의 방위각 측정(S208)을 하게 되고, 이를 통해 각속도와 방위각이 계산되고 이들은 칼만 필터를 통해 각속도 계산 센서 융합하게 되어 각속도를 계산하게 된다.(S209)Next, two gyro angular velocity measurements (S207) and azimuth angle measurements (S208) of the earth's magnetic field are calculated, through which angular velocities and azimuth angles are calculated, and these are fused with angular velocity calculation sensors through Kalman filters to calculate angular velocities. S209)

자이로 또는 자이로와 지자계의 센서융합(S207)(S209)을 통해 각속도가 계산되면, 엔코더의 순간 변화량 크기에 따라 가중치를 계산하게 된다.(S210)When the angular velocity is calculated through the gyro or the sensor fusion of the gyro and the geomagnetic field (S207) (S209), the weight is calculated according to the magnitude of the instantaneous change amount of the encoder.

이는, 엔코더(2)의 순간 변화량이 급격하게 커지면 미끄러짐 현상이 일어날 확률이 크게 되기 때문에 이를 이용하여 자이로의 각속도(S209)와 엔코더의 각속도의 가중치를 결정하도록 하는 것이다.(S206)This is to determine the weight of the gyro's angular velocity (S209) and the encoder's angular velocity by using the gyro, since the probability of slippage is increased when the instantaneous change in the encoder 2 increases rapidly.

즉, 자이로(3)는 드래프트 현상으로 오차가 누적되기 때문에 짧은 시간 동안의 계측 정밀도는 높지만 누적될수록 정밀도가 크게 낮아지는 문제를 가지기 때문에 지자계와의 센서융합(S209) 단계를 통해 누적 오차를 최소화하고 미끄러짐과 같은 알 수 없는 오차가 없을 때에는 엔코더(2)의 정밀도가 매우 높기 때문에 한 번 더 각속도 오차를 줄이도록 하기 위해서 이다.That is, since the gyro 3 accumulates an error due to a draft phenomenon, the measurement accuracy is high for a short time, but the accuracy is lowered as it accumulates. Therefore, the cumulative error is minimized through the sensor fusion step with the geomagnetic field (S209). When there is no unknown error such as slipping, the encoder 2 has a very high precision, so that the angular velocity error is reduced once more.

엔코더의 순간 변화량 크기

Figure pat00012
에 따른 가중치 계산(S210)은 주행 장치의 시스템과 연관을 가지게 되고 다음과 같이 계산되어진다.Encoder's Instantaneous Variation Size
Figure pat00012
According to the weight calculation (S210) is associated with the system of the traveling device is calculated as follows.

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 수학식3에서

Figure pat00014
은 엔코더의 순간 변화량 크기에 따른 가중치(S210)을 의미하고,
Figure pat00015
는 바퀴의 회전각을 의미한다.In Equation 3
Figure pat00014
Denotes a weight (S210) according to the magnitude of the instantaneous change amount of the encoder,
Figure pat00015
Means the angle of rotation of the wheel.

본 발명의 일 실시예에 따른 주행 장치는 4개의 구동 바퀴와 100ms 반응속도, 20cm의 바퀴 지름, 480pulse의 엔코더 분해능 갖는다.The driving apparatus according to an embodiment of the present invention has four driving wheels, a response speed of 100 ms, a wheel diameter of 20 cm, and an encoder resolution of 480 pulse.

이때, 순간 변화량 크기에 따른 가중치

Figure pat00016
는 현재
Figure pat00017
시간에서
Figure pat00018
시간까지를 비교하여 최소 변화량
Figure pat00019
과 최대 변화량
Figure pat00020
은 각각 0.65cm/s, 1.95cm/s로 하는 것이 바람직하다.At this time, the weight according to the magnitude of the instantaneous change amount
Figure pat00016
Is currently
Figure pat00017
In time
Figure pat00018
Minimum change by comparing time
Figure pat00019
And maximum change
Figure pat00020
Is preferably 0.65 cm / s and 1.95 cm / s, respectively.

최소 변화량과 최대 변화량은 주행 장치의 질량 부피, 구동부 특성 등의 영향을 많이 받기 때문에 최소 변화량과 최대 변화량은 여러조건의 시뮬레이션을 통해 최적의 값을 찾는 것이 바람직하다.Since the minimum change amount and the maximum change amount are influenced by the mass volume of the driving device and the driving part characteristics, it is desirable to find the optimal value through the simulation of the various conditions.

또한, 구동 바퀴의 개수만큼 가중치를 구하게 되고 구동 바퀴 개수로 나뉘어 사용한다.In addition, the weight is obtained by the number of driving wheels and divided by the number of driving wheels.

다음으로, 계산된 2개의 각속도 값에 따라 가중치 계산(S211)은 엔코더의 각속도(S206)와 자이로의 각속도(S209)를 비교하여 알 수 없는 에러에 의한 오차가 크게 발생될 수 있는 엔코더의 각속도(S206)를 찾아내기 위한 것이다.Next, according to the calculated two angular velocity values, the weight calculation S211 compares the angular velocity S206 of the encoder and the angular velocity S209 of the gyro, so that an error due to an unknown error may be largely generated. S206).

이는, 엔코더의 각속도(S206)와 자이로의 각속도(S209) 차를 구하여 그에 따라 가중치

Figure pat00021
를 구하는 것이고 이는 다음과 같이 구해진다.It obtains the difference between the angular velocity (S206) of the encoder and the angular velocity (S209) of the gyro and weights accordingly.
Figure pat00021
Is obtained as

Figure pat00022
Figure pat00022

상기 수학식4에서

Figure pat00023
는 계산된 2개의 각속도 값에 따라 가중치(S211)를 의미하고,
Figure pat00024
Figure pat00025
는 각각 엔코더의 각속도(S206)과 자이로의 각속도(S209)를 나타낸다.In Equation 4
Figure pat00023
Denotes a weight S211 according to the calculated two angular velocity values,
Figure pat00024
Wow
Figure pat00025
Denotes the angular velocity S206 of the encoder and the angular velocity S209 of the gyro, respectively.

본 발명에 따른 주행 장치는 100ms의 반응속도와 평균 주행 속도가 10cm/s를 가질 때에

Figure pat00026
Figure pat00027
는 각각 0.5°/s과 1.2°/s로 두었다.The traveling device according to the present invention has a response speed of 100 ms and an average running speed of 10 cm / s.
Figure pat00026
and
Figure pat00027
Were set at 0.5 ° / s and 1.2 ° / s, respectively.

상기에서와 같이, 자이로(3)는 드래프트 현상으로 오차 누적이 있어 시간이 지나면 오차가 크게 누적되지만 외란에 영향이 거의 없기 때문에 짧은 시간 동안의 계측은 정밀도가 높다. As described above, the gyro 3 is a draft phenomenon, and the error accumulates, and the error accumulates greatly over time, but the measurement for a short time is highly accurate because there is little influence on disturbance.

이는, 작은 시간 동안에 계측 받은 엔코더의 각속도(S206)와 자이로의 각속도(S209)의 차이가 많이 나지 않는다면 정밀도가 높은 엔코더(2)가 알 수 없는 오차를 받지 않아 더 높은 정밀도를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. This means that if the difference between the measured angular velocity (S206) and the gyro angular velocity (S209) of the encoder is small for a small time, the high-precision encoder (2) does not receive an unknown error and has higher precision. have.

하지만, 엔코더의 각속도(S206)와 자이로의 각속도(S209)의 차가 크다면 엔코더는 알 수 없는 오차에 의해 정밀도가 낮다는 것을 알 수 있다.However, if the difference between the angular velocity S206 of the encoder and the angular velocity S209 of the gyro is large, it can be seen that the encoder has low precision due to an unknown error.

가중치를 통해 각속도 계산(S212)는 엔코더의 순간 변화량 크기에 따른 가중치

Figure pat00028
(S210)와 계산된 2개의 각속도 값에 따른 가중치
Figure pat00029
(S211) 계산되게 되면 다음 식과 같이 구한다.The angular velocity calculation (S212) is based on the weighted weight according to the magnitude of the instantaneous change amount of the encoder.
Figure pat00028
(S210) and the weight according to the calculated two angular velocity values
Figure pat00029
(S211) Once calculated, it is obtained as follows.

Figure pat00030
Figure pat00030

다음으로, 유전자 알고리즘(genetic algorithm: GA)을 통해 바퀴의 최적 회전 값을 예측(S213) 단계는 가중치를 통해 계산된 각속도(S212)와 엔코더의 선속도(S205)를 이용하게 된다.Next, the step of predicting the optimal rotation value of the wheel through the genetic algorithm (GA) (S213) step is to use the angular velocity (S212) and the linear velocity (S205) of the encoder calculated by the weight.

이는 엔코더의 각속도(S206)가 틀려진다는 것은 선속도(S205)가 잘못되었다는 것을 의미하기 때문에 최적 기법인 유전자 알고리즘을 이용하여 선속도를 예측하는 것이다.This means that the angular velocity (S206) of the encoder is wrong, which means that the linear velocity (S205) is wrong. Therefore, the linear velocity is predicted using a genetic algorithm, which is an optimal technique.

유전자 알고리즘은 자연 진화의 과정을 관찰하여 개발된 최적화 알고리즘으로, 이진 스트링으로 코딩된 집단(population)으로 구성되고 유전자 연산자인 교배(crossover)와 돌연변이(mutation)를 이용해 재생산(reproduction)을 통해 최적의 해를 찾는 최적 기법이다.Genetic algorithms are optimization algorithms developed by observing the course of natural evolution, consisting of populations encoded in binary strings, and optimized by reproduction using genetic operators, crossover and mutation. The best way to find the solution.

여기서, 유전자 알고리즘을 통해 바퀴의 최적 회전 값을 예측(S213) 단계에서 유전자 알고리즘의 집단은 구동 바퀴의 회전각이 되고 적합 함수(fitness function)은 다음과 같다.Here, in the step of predicting the optimal rotation value of the wheel through the genetic algorithm (S213), the group of genetic algorithms is the rotation angle of the driving wheel and the fitness function is as follows.

Figure pat00031
Figure pat00031

집단 개수(population size)와 생산 개수(generation size)는 상기 가중치에서 계산된 가중치를 이용하여 가변적으로 선택되도록 한다.Population size and generation size can be variably selected using the weights calculated from the weights.

유전자 알고리즘에 의해 구동 바퀴의 최적 회전값을 예측(S213)을 하게 되면 예측된 바퀴 회전값과 주행 장치의 기구학을 통해 주행 장치의 선속도를 계산하게 된다.(S214)When the optimal rotation value of the driving wheel is predicted by the genetic algorithm (S213), the linear speed of the driving device is calculated through the predicted wheel rotation value and the kinematics of the driving device (S214).

하지만, 유전자 알고리즘을 이용한다고 하더라도 적합 함수(S213)에 포함된 엔코더의 선속도(S205)는 알 수 없는 오차에 의해 크게 손상되어있을 수도 있기 때문에 가속도계의 정보를 통해 한 번더 보정하게 된다.However, even when the genetic algorithm is used, since the linear speed S205 of the encoder included in the fitting function S213 may be largely damaged by an unknown error, the information of the accelerometer is further corrected.

즉, 가속도계의 x축과 y축의 각속도 측정(S125)에서 가속도계를 측정하고 그것들의 기울기에 따른 각속도 값 보정(S216)을 통해 선속도와 각속도 계산(S217)을 구하게 된다.That is, the accelerometer is measured in the angular velocity measurement (S125) of the x and y axes of the accelerometer, and the linear velocity and the angular velocity calculation (S217) are obtained through the angular velocity value correction (S216) according to their inclination.

가속도계의 x축과 y축의 각속도 측정(S125)은 다음과 같이 적분하여 속도를 구할 수 있다.The angular velocity measurement (S125) of the x-axis and y-axis of the accelerometer may be integrated to obtain a speed as follows.

Figure pat00032
Figure pat00032

상기 수학식7에서

Figure pat00033
Figure pat00034
는 각각 가속도계의 x축의 가속도와 y축의 가속도를 나타낸다.In Equation 7
Figure pat00033
Wow
Figure pat00034
Denotes the acceleration of the x-axis and the acceleration of the y-axis of the accelerometer, respectively.

하지만, 적분을 한 번하여 속도를 구하고 두 번을 통해 위치를 계산하는 가속도계는 차체가 기울어져 있을 때 계속 오차 누적되는 문제가 발생된다. 이 문제를 해결하기 위하여 기울기에 따른 각속도 값 보정을 통해 각속도 값을 보정한다.(S216)However, the accelerometer, which calculates the position by integrating once and calculates the position by two times, has a problem that the error accumulates continuously when the body is inclined. In order to solve this problem, the angular velocity value is corrected by correcting the angular velocity value according to the slope.

보정된 각속도 값을 통해 선속도

Figure pat00035
와 각속도
Figure pat00036
계산은 다음과 같이 구해진다.(S217)Linear velocity through calibrated angular velocity value
Figure pat00035
And angular velocity
Figure pat00036
The calculation is obtained as follows (S217).

Figure pat00037
Figure pat00037

여기서, 가장 신뢰도가 높은 즉, 정밀도가 가장 높은 것은 자이로의 각속도 (S209)이므로 가속계의 선속도(S217)를 사용할 것인지 엔코더의 선속도(S214)를 사용할 것인지의 판단을 자이로의 각속도(S209)를 기준으로 한다.(S218)Here, since the most reliable, that is, the highest precision is the angular velocity (S209) of the gyro, it is determined whether to use the linear velocity (S217) of the accelerometer or the linear velocity (S214) of the encoder. (S218)

이때, 더욱 정밀한 위치측정을 위해 칼만 필터를 이용하게 된다.In this case, the Kalman filter is used for more accurate position measurement.

만약, 자이로의 각속도(S209)와 엔코더의 각속도(S206)의 차가 자이로의 각속도(S209)와 가속도계의 각속도(S217)보다 더 작다면(S218), 칼만 필터의 계측 모델(process model)로 자이로의 각속도(S209)와 엔코더의 각속도(S206)로 선택(S219) 되고, 자이로의 각속도(S209)와 엔코더의 각속도(S206)의 차에 따라 계측 에러 공분산(process error covariance)을 구하여 칼만 필터를 통해 자세를 추정(S223)하게 된다.(S223)If the difference between the gyro's angular velocity (S209) and the encoder's angular velocity (S206) is smaller than the gyro's angular velocity (S209) and the accelerometer's angular velocity (S217) (S218), the Kalman filter's process model (process model) It is selected by the angular velocity (S209) and the angular velocity (S206) of the encoder (S219), and the measurement error covariance is obtained according to the difference between the angular velocity (S209) of the gyro and the angular velocity (S206) of the encoder. It is estimated (S223).

그렇지 않다면, 칼만 필터의 계측 모델로 자이로의 각속도(S209)와 가속도계의 가속도(S217)로 선택(S219) 되고, 자이로의 각속도(S209)와 가속도계의 각속도(S217)의 차에 따라 계측 에러 공분산(process error covariance)을 구하여 칼만 필터를 통해 자세를 추정하게 된다.(S223)Otherwise, the measurement model of the Kalman filter is selected as the gyro's angular velocity (S209) and the accelerometer's acceleration (S217), and the measurement error covariance (S217) depends on the difference between the gyro's angular velocity (S209) and the accelerometer's angular velocity (S217). process error covariance) to estimate posture through a Kalman filter (S223).

이때, 계측 에러 공분산

Figure pat00038
은 다음과 같이 구한다.(S220)(S222)At this time, measurement error covariance
Figure pat00038
Is obtained as follows. (S220) (S222)

Figure pat00039
Figure pat00039

상기 수학식9에서 는 엔코더의 각속도(S206) 혹은 가속도계의 가속도(S217)가 될 수 있고,

Figure pat00041
의 k는 시간을 나타낸다.In Equation 9 May be the angular velocity (S206) of the encoder or the acceleration (S217) of the accelerometer,
Figure pat00041
K represents time.

이는, a가 1보다 작거나 같을 때에 R가 고정되고 1보다 크고 k가 커짐에 따라 R의 값은 작아진다.This is because when R is less than or equal to 1, R is fixed and as R is greater than 1 and k is larger, the value of R becomes smaller.

다음으로 칼만 필터를 통해 자세 추정 단계는 선택된 계측 모델(S218)의 계산된 선속도와 각속도를 계측모델로 두고, 관측 모델을 후부(posterior) 선속도와 각속도로 두어 자세를 추정하게 된다.(S223)Next, the posture estimating step using the Kalman filter estimates the attitude by using the calculated linear velocity and the angular velocity of the selected measurement model S218 as the measurement model and the observation model as the posterior linear velocity and angular velocity. )

이와 같은 본 발명에 따른 주행 장치를 위한 위치측정 시스템 및 방법은 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 의한 가중치 계산을 통해 각속도를 정확히 보정을 할 수 있다.The position measuring system and method for a traveling device according to the present invention can accurately correct the angular velocity through the weight calculation based on the magnitude of the encoder instantaneous change amount and the calculated two angular velocity values.

또한, 보정된 각속도와 엔코더에 의한 선속도를 적합함수로 유전자 알고리즘을 사용하여 정확한 각속도와 선속도를 구하여 오차 누적이 심한 가속도계의 선속도와 각속도의 정밀도를 판단할 수 있다. 따라서, 미끄러짐 현상이나 바퀴가 헛도는 현상을 판단할 수 있고 이를 이용하여 칼만 필터의 계측 모델을 동적으로 변경할 수 있어 주행 장치의 정확한 자세를 계산할 수 있다.In addition, the corrected angular velocity and linear velocity by encoder can be used to determine the exact angular velocity and linear velocity using genetic algorithms to determine the linear velocity and angular velocity accuracy of accelerometers with high error accumulation. Therefore, it is possible to determine the phenomenon of slippage or wheel rotation and use this to dynamically change the measurement model of the Kalman filter, thereby calculating the correct posture of the traveling device.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention as described above.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It is therefore to be understood that the specified embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description and that all such differences falling within the scope of equivalents thereof are intended to be embraced therein It should be interpreted.

100. 구동 입력부 101.분석부
102. 자이로와 가속도계 보정부 200. 위치측정값 계산부
300. 위치측정값 보상부
100. Drive input 101. Analysis unit
102. Gyro and accelerometer correction unit 200. Position measurement value calculation unit
300. Position measurement value compensator

Claims (10)

주행 장치의 위치측정을 위한 시스템에 있어서,
구동 바퀴들의 회전각을 측정하는 엔코더들;
회전 관성을 측정하는 자이로들;
중력 가속도를 측정하는 가속도계들;
상기 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 각속도와 자이로의 각속도를 이용하여 각속도를 보상하는 각속도 보상부;
상기 보상된 각속도와 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 선속도를 이용하여 보상하는 선속도 보상부; 및 상기 계산된 각속도, 선속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도, 선속도를 이용해 자세를 보상하는 자세 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템.
In the system for the positioning of the traveling device,
Encoders for measuring the rotation angle of the drive wheels;
Gyros for measuring rotational inertia;
Accelerometers that measure gravity acceleration;
An angular velocity compensation unit configured to compensate the angular velocity by using the angular velocity and the angular velocity calculated by the kinematics of the encoder and the traveling device;
A linear speed compensating unit for compensating by using the compensated angular velocity and the linear velocity calculated through the kinematics of the encoder and the traveling device; And a posture compensator for compensating a posture using the calculated angular velocity, linear velocity, and the angular velocity and linear velocity calculated by the accelerometer.
제 1 항에 있어서, 상기 자세 보상부는,
상기 엔코더와 자이로를 통해 보상된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하고 엔코더의 선속도 혹은 가속도계를 통해 계산된 선속도를 선택하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템.
The method of claim 1, wherein the posture compensator,
The angular velocity compensated by the encoder and the gyro is compared with the angular velocity calculated by the accelerometer, and the linear velocity of the encoder or the linear velocity calculated by the accelerometer is selected.
주행 장치의 위치측정을 위한 시스템에 있어서,
주행 장치의 구동부에 입력을 주는 구동 입력부;
바퀴의 회전각을 구하기 위한 엔코더들;
회전 관성을 통한 각속도를 계산하는 자이로들;
중력 가속도를 통해 양 방향 가속도를 검출하는 가속도계들;
상기 구동 입력부와 엔코더, 자이로들의 상태를 분석하여 주행 장치의 동작 여부를 판단하는 분석부;
주행 장치가 동작하지 않고 있을 때에 자이로와 가속도계를 보정하는 자이로와 가속도계 보정부;
상기 엔코더,자이로,가속도계들의 검출값을 이용하여 선속도 및 각속도를 계산하는 위치 측정값 계산부;
상기 위치 측정값 계산부의 계산값을 이용하여 각속도를 보상하고 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보상하고, 주행 장치의 자세를 보상하는 위치 측정값 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템.
In the system for the positioning of the traveling device,
A drive input unit for inputting a drive unit of the traveling device;
Encoders for obtaining a rotation angle of a wheel;
Gyros for calculating angular velocity through rotational inertia;
Accelerometers that detect bidirectional acceleration through gravity acceleration;
An analyzer configured to analyze the driving input unit, the encoder, and the gyros to determine whether the driving device is operated;
A gyro and accelerometer corrector for correcting the gyro and the accelerometer when the traveling device is not operating;
A position measurement value calculator for calculating a linear velocity and an angular velocity using the detected values of the encoder, gyro and accelerometers;
And a position measurement value compensator for compensating the angular velocity using the calculated value of the position measurement value calculator and compensating the linear speed using the compensated angular velocity, and compensating the attitude of the traveling device. Positioning system.
제 3 항에 있어서, 상기 위치 측정값 계산부는,
상기 엔코더들의 계측값과 주행 장치의 기구학을 통한 자세를 계산하는 제 1 선속도 계산부, 제 1 각속도 계산부와,
상기 자이로를 통해 각속도를 계산 하는 제 3 각속도 계산부와,
상기 가속도계의 기울기에 따라 가속도계를 보상하는 가속도계 보상부 및 가속도계 보상부에서 보상된 x축과 y축의 중력 가속도를 통한 제 2 선속도 계산부 및 제 3 각속도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템.
The method of claim 3, wherein the position measurement value calculation unit,
A first linear velocity calculation unit and a first angular velocity calculation unit calculating a measured value of the encoders and a posture through kinematics of the traveling device;
A third angular velocity calculator configured to calculate an angular velocity through the gyro;
And a second linear velocity calculator and a third angular velocity calculator through gravity acceleration of the x-axis and the y-axis compensated by the accelerometer compensator and the accelerometer compensator. Positioning system.
제 3 항에 있어서, 상기 위치 측정값 보상부는,
상기 위치 측정값 계산부의 제 1 각속도 계산부에서 계산된 각속도와 제 3 각속도 계산부에서 계산된 각속도를 통해 각속도를 보상하는 각속도 보상부와,
상기 위치 측정값 계산부의 제 1 선속도 계산부에서 계산된 선속도와 각속도 보상부를 통해 보상된 각속도를 이용하여 선속도를 보정하는 선속도 보상부와,
상기 각속도 보상부의 각속도와 선속도 보상부의 선속도, 제 2선속도 계산부의 선속도, 제 2 각속도 계산부의 각속도를 이용하여 주행 장치의 자세를 보상하는 자세 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 시스템.
The method of claim 3, wherein the position measurement value compensation unit,
An angular velocity compensator for compensating the angular velocity through the angular velocity calculated by the first angular velocity calculator and the angular velocity calculated by the third angular velocity calculator;
A linear velocity compensator for correcting the linear velocity by using the linear velocity calculated by the first linear velocity calculator and the angular velocity compensated by the angular velocity compensator;
And a posture compensator configured to compensate a posture of the traveling device by using the angular velocity compensating unit, the linear velocity compensating unit linear speed, the second linear velocity calculating unit linear speed, and the second angular velocity calculating unit angular velocity. Positioning system.
바퀴의 회전각,각속도,중력 가속도를 검출하는 엔코더,자이로,가속도계를 갖는 주행 장치의 위치측정에 있어서,
상기 엔코더의 순간 변화량 크기에 따라 제 1 가중치를 계산하는 단계;
상기 엔코더와 주행 장치의 기구학을 통해 계산된 각속도와 자이로를 통해 계산된 각속도를 비교하여 제 2 가중치를 계산하는 단계;
상기 제 1,2 가중치를 이용하여 각속도를 계산하는 단계;
유전자 알고리즘을 통해 하나 이상의 구동 바퀴 회전값을 예측하는 단계;
상기 예측된 구동 바퀴의 회전값을 통해 선속도를 계산하는 단계;
상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하여 계측 모델을 선택하는 단계; 및 상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 이용하여 계측 에러 공분산을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 방법.
In the position measurement of a traveling device having an encoder, a gyro and an accelerometer for detecting the rotation angle, the angular velocity and the gravity acceleration of the wheel,
Calculating a first weight value according to the magnitude of the instantaneous change amount of the encoder;
Calculating a second weight by comparing the angular velocity calculated by the kinematics of the encoder and the driving device with the angular velocity calculated by the gyro;
Calculating an angular velocity using the first and second weights;
Predicting one or more drive wheel rotation values through a genetic algorithm;
Calculating a linear velocity based on the predicted rotation of the driving wheel;
Selecting a measurement model by comparing the angular velocity calculated using the first and second weights with the angular velocity calculated by an accelerometer; And calculating a measurement error covariance using the angular velocity calculated by using the first and second weights and the angular velocity calculated by the accelerometer.
제 6 항에 있어서, 상기 구동 바퀴 회전값을 예측하는 단계는,
상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 엔코더를 통해 계산된 선속도를 이용하여 하나 이상의 구동 바퀴 회전값을 예측하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 방법.
The method of claim 6, wherein predicting the driving wheel rotation value comprises:
And predicting at least one driving wheel rotation value using the angular velocity calculated using the first and second weights and the linear velocity calculated using the encoder.
제 6 항에 있어서, 상기 계측 모델을 선택하는 단계는,
상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도와 가속도계를 통해 계산된 각속도를 비교하는 동적인 선택으로 칼만 필터의 계측 모델로 적용되는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 방법.
The method of claim 6, wherein selecting the metrology model comprises:
And a dynamic model for comparing the angular velocity calculated by using the first and second weights with the angular velocity calculated by the accelerometer.
제 6 항에 있어서, 상기 에러 공분산을 계산하는 단계에서,
상기 선택된 계측 모델의 각속도
Figure pat00042
, 상기 제 1,2 가중치를 이용하여 계산된 각속도
Figure pat00043
를 통해
Figure pat00044
를 계산하고, 시간 t를 이용하여 에러 공분산을
Figure pat00045
에 의해 산출하고,
여기서,
Figure pat00046
는 엔코더의 각속도 혹은 가속도계의 가속도이고,
Figure pat00047
의 k는 시간인 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 방법.
7. The method of claim 6, wherein in calculating the error covariance:
Angular velocity of the selected measurement model
Figure pat00042
, The angular velocity calculated using the first and second weights
Figure pat00043
Through the
Figure pat00044
Calculate the error covariance using time t
Figure pat00045
Calculated by
here,
Figure pat00046
Is the angular velocity of the encoder or the acceleration of the accelerometer,
Figure pat00047
K is time.
바퀴의 회전각,각속도,중력 가속도를 검출하는 엔코더,자이로,가속도계를 갖는 주행 장치의 위치측정에 있어서,
상기 주행 장치가 주행하고 있지 않을 때에 각속도계와 자이로의 중심값을 보정하는 단계;
상기 주행 장치가 주행하고 있을 때에 엔코더를 계측 받아 선속도와 각속도를 계산하는 단계;
상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용하여 각속도를 계산하는 단계;
상기 엔코더 순간 변화량 크기와 계산된 2개의 각속도 값에 따라 가중치를 계산하는 단계;
상기 계산된 가중치를 이용하여 각속도를 보정하는 단계;
유전자 알고리즘을 통해 선속도를 보정하는 단계;
상기 가속도계에서 x축과 y축의 각속도를 측정하고, 가속도계의 기울기에 따라 각속도 값을 보정하고, 보정된 각속도 값을 이용하여 선속도와 각속도를 계산하는 단계;
상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용한 각속도와의 차이에 따라 칼만 필터의 계측 모델을 선택하는 단계;
상기 자이로,지자계와 함께 칼만 필터를 이용한 각속도와의 차이에 따라 칼만 필터의 계측 에러 공분산 모델을 수정하는 단계; 및 자세를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 장치를 위한 위치측정 방법.
In the position measurement of a traveling device having an encoder, a gyro and an accelerometer for detecting the rotation angle, the angular velocity and the gravity acceleration of the wheel,
Correcting the center value of the angular speedometer and gyro when the traveling device is not running;
Calculating a linear velocity and an angular velocity by measuring an encoder when the traveling apparatus is traveling;
Calculating an angular velocity using a Kalman filter together with the gyro and a geomagnetic field;
Calculating a weight according to the magnitude of the encoder instantaneous change amount and the calculated two angular velocity values;
Correcting the angular velocity using the calculated weights;
Correcting the linear velocity through a genetic algorithm;
Measuring the angular velocities of the x and y axes in the accelerometer, correcting the angular velocity values according to the inclination of the accelerometer, and calculating linear and angular velocities using the corrected angular velocity values;
Selecting a measurement model of the Kalman filter according to the difference between the gyro and the angular velocity using the Kalman filter together with the geomagnetic field;
Modifying the measurement error covariance model of the Kalman filter according to the gyro and the angular velocity using the Kalman filter together with the geomagnetic field; And calculating a posture.
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