KR20150012839A - 이동체의 전자세 예측 방법 및 이를 이용한 전자세 예측 장치 - Google Patents

이동체의 전자세 예측 방법 및 이를 이용한 전자세 예측 장치 Download PDF

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KR20150012839A
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Abstract

본 발명은 이동체의 전자세 예측 장치에 있어서, 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서, 이동체의 X축 방향의 각속도를 측정하는 X축 자이로 센서, 이동체의 Y축 방향의 각속도를 측정하고 X축 자이로 센서와 상이한 Y축 자이로 센서, 이동체의 Z축 방향의 각속도를 측정하고 Y축 자이로 센서와 동일한 종류의 Z축 자이로 센서, 및 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부를 포함하고, 계산부는 이동체의 주행면과 Y축 자이로 센서 및 Z축 자이로 센서의 측정값에 기초하여 피치 각 및 요 각을 보정하여 이동체의 전자세를 예측하는 전자세 예측 장치에 관한 것이다.

Description

이동체의 전자세 예측 방법 및 이를 이용한 전자세 예측 장치{A method for attitude reference system of moving unit and an apparatus using the same}
본 발명은 이동체의 전자세를 예측 하는 방법 및 이를 이용하는 전자세 예측 장치에 관한 것이다.
관성 센서를 이용하여 로봇이나 차량, 또는 항공기 등의 이동체의 자세를 측정하는 장치를 AHRS(Attitude Heading Reference System)라고 한다. 대부분의 AHRS는 가속도계(accelerometer)와 자이로(gyro), 지자계(magnetometer)를 이용하여 자세를 계산한다. 자이로는 동체의 각속도를 측정하는 센서이고, 가속도계는 동체의 가속도를 측정하는 센서이며, 지자계는 지구 자기장을 측정하는 센서로 별도의 추가적인 장비를 필요로 하지 않고 AHRS 하나만으로 독립적인 자세계산이 가능하다. 기존의 관성 센서에서 자세를 계산하는 방법은 자이로를 이용하여 각속도를 적분하여 롤 각(roll), 피치 각(pitch), 요 각(yaw)을 계산하는 방식으로 구성된다. 그러나 자세 계산을 수행하게 되면 자이로 출력에 존재하는 오차가 적분을 통하여 누적되어 자세 오차가 발산하는 결과를 가져온다. 이 때 가속도계 센서 출력을 이용하여 롤 각, 피치 각은 칼만 필터 등을 통해 어느 정도 보상이 가능하지만 요 각은 가속도계로 계산할 수 없기 때문에 자이로만을 이용하여 계산하게 되며, 이로 인해 요 각은 시간이 흐르면 항상 발산하게 된다. 그래서 요 각 출력이 중요한 경우에는 지자계 센서가 자북을 탐지하여 자이로의 요 각 계산을 보상해 준다. 그러나 선박의 표면과 같이 철 재질의 표면을 주행하는 이동체의 경우에는 선체 재질로 인해 자력을 탐지하는 지자계 센서는 많은 오차를 포함하게 된다. 따라서, 이동체의 요 각을 정확히 표현할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 주변 환경에 의해 지자계 센서에 많은 오차를 포함하는 경우 보다 정확한 요 각을 계산하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 선박 표면을 주행하는 이동체의 전자세를 보다 정확하게 예측하기 위해 선박 표면의 측면과 밑면을 주행하는 경우 피치 각 및 요 각을 보정하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 이동체의 전자세 예측 장치에 있어서, 상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서; 상기 이동체의 X축 방향의 각속도를 측정하는 X축 자이로 센서; 상기 이동체의 Y축 방향의 각속도를 측정하고 상기 X축 자이로 센서와 상이한 Y축 자이로 센서; 상기 이동체의 Z축 방향의 각속도를 측정하고 상기 Y축 자이로 센서와 동일한 종류의 Z축 자이로 센서; 및 상기 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부; 를 포함하고, 상기 계산부는 상기 이동체의 주행면과 상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 측정값에 기초하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하여 상기 이동체의 전자세를 예측하는 전자세 예측 장치일 수 있다.
또한, 상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로인 전자세 예측 장치일 수 있다.
또한, 상기 계산부는 상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 전자세 예측 장치일 수 있다.
또한, 상기 이동체의 주행면이 선체의 측면인 경우, 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치일 수 있다.
또한, 상기 이동체의 주행면이 선체의 밑면인 경우, 상기 Y축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동체의 전자세 예측 방법에 있어서, 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 이용하여 상기 이동체에 가해지는 가속도와 각속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 가속도 정보와 각속도 정보에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각, 요 각을 계산하는 단계; 상기 롤 각에 기초하여 상기 이동체의 위치를 판단하고 상기 이동체의 위치와 상기 3축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계; 를 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.
또한, 상기 자이로 센서의 Y축 자이로 센서 및 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로 센서인 전자세 예측 방법일 수 있다.
또한, 상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 단계; 를 더 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.
또한, 상기 보정하는 단계는 상기 롤 각이 90도, 180도 또는 270도인 경우,
상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계; 를 포함하는 전자세 예측 방법일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주변 환경에 의해 지자계 센서에 많은 오차가 포함되는 경우 보다 정확한 요 각을 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박 표면을 주행하는 이동체가 선박의 측면과 밑면을 주행하는 경우 피치 각 및 요 각을 보정하여 보다 정확한 이동체의 전자세를 예측할 수 있다.
도 1은 동체의 전자세를 표현하기 위한 롤 각, 피치 각, 요 각을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 센서로 측정한 요 각과 실제 자세와의 오차를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 광 섬유 자이로를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 오차 보상 값과 실제 드리프트 값을 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체의 주행 경로를 예시적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
본 발명은 관성 센서와 고정밀 광섬유 자이로를 이용한 이동체의 전자세 예측 방법 및 예측 장치에 관한 것이다. 본 명세서에서 이동체는 로봇일 수 있고 특히 선박의 표면을 주행하면서 선박 표면을 청소하는 청소 로봇일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 방법은 선박의 표면을 주행하는 로봇의 전자세를 예측하기 위한 것으로 설명하고 있으나, 주변 환경이 지자계 센서의 오차를 많이 유발시키는 환경이라면 적용될 수 있을 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
도 1은 이동체의 전자세를 표현하기 위해 사용되는 오일러각을 나타낸 것이다. 고정 좌표계의 X축을 기준으로 회전한 정도를 롤(roll,
Figure pat00001
), Y축을 기준으로 회전한 정도를 피치(pitch,
Figure pat00002
), Z축을 기준으로 회전한 정도를 요(yaw,
Figure pat00003
)로 표현한다. 오일러각을 이용하는 방법은 동체 좌표계에서 표현한 고정 좌표계와 동체 좌표계 사이의 회전 각속도와 오일러각의 미분치 사이의 관계를 이용하여 좌표 변환에 필요한 롤, 피치, 요를 계산하고, 이들 세 각을 이용하여 좌표변환 행렬을 구성한다. 이에 대해서는 후에 상세히 서술할 것이다.
도 2는 일반적으로 사용되는 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit, IMU)를 통해 측정한 결과를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 것처럼 각속도를 적분하여 위치를 예측하는 과정을 통해 적분 상수로 인한 오차가 누적되어 자세 오차가 발산하게 된다. 도 2에서 적분으로 인한 오차에 의해 측정값이 발산하는 것을 볼 수 있다. 또한, 요 각을 보상하기 위한 지자계 센서는 주변 환경에 따라 오차를 많이 포함하게 되면 전자세를 정확하게 예측할 수 없게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 광 섬유 자이로(Fiber Optic Gyro, FOG)를 나타낸 것이다. 사냑(Sagnac)효과로 알려져 있는 광학 현상을 이용하여 광섬유를 구성한 자이로인데 단일모드 광섬유 속을 역으로 도는 2개의 광속을 간섭하게 하는 것이 그 원리이다. 코일의 반지름을 R, 단일모드 광섬유의 길이를 L, 매질 중의 빛의 파장을
Figure pat00004
, 빛의 속도를
Figure pat00005
라고 하면, 간섭무늬의 이동량
Figure pat00006
는
Figure pat00007
가 된다. 따라서, 간섭무늬 이동량
Figure pat00008
를 측정하면 물체의 각속도
Figure pat00009
를 구할 수 있고, 광로가 코일 모양으로 감긴 광섬유로 구성되어 있기 때문에
Figure pat00010
을 크게 할 수 있어서 고정밀, 고감도의 각속도 측정을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치(100)를 나타낸 것이다. X축, Y축, Z축의 3축 가속도를 측정하는 가속도계 센서(120, 140, 160)와 X축, Y축, Z축의 3축 각속도를 측정하는 자이로들(130, 150, 170)을 포함할 수 있다. 여기서, Y축, Z축의 각속도를 측정하는 자이로들(150, 170)은 광 섬유 자이로일 수 있다. 그리고 계산부(180)는 가속도 센서와 자이로가 측정한 결과를 이용하여 전자세 예측에 필요한 계산을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치는 지자계 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
먼저 계산부(180)는 로봇의 자세각 중에서 롤 각, 피치 각은 3축의 가속도 정보와 3축의 각속도 정보를 칼만 필터를 사용하여 계산한다. 칼만 필터에 의해 계산된 롤 각, 피치 각은 누적된 오차가 발생하지 않으며, 센서의 성능에 따라 동적인 환경에서 -2~2도 정도의 오차범위를 갖는 성능을 발휘한다. 다음으로는 요 각을 구하기 위한 방법을 설명한다. 요 각을 추출하기 위한 방법으로는 동역학에서 각속도를 오일러각으로 변환하는 행렬을 사용하는 방법과 쿼터니언을 이용한 적분 방법, 그리고 회전 행렬을 이용한 적분 방법이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 방법에서는 아래 수학식1 내지 수학식 5를 사용하여 요 각을 추출한다. 수학식 1은 각각 X축으로
Figure pat00011
, Y축으로
Figure pat00012
, Z축으로
Figure pat00013
만큼 회전했을 때의 회전 행렬을 나타낸 것이고, 수학식 2는 X축->Y축->Z축 순으로 회전 했을 때 고정 좌표계에서 동체 좌표계로의 변환 행렬을 나타낸 것이다. 수학식 2의 현재 회전 행렬과 수학식 3의 각속도의 변화율의 회전행렬을 구하여 곱하여(수학식4) 적분하는 방법으로 요각을 추출할 수 있다. 이 때 사용되는 Y축 및 Z축의 각속도는 광 섬유 자이로들(150, 170)에서 보다 정확하게 측정된 각속도를 사용하며, X축의 각속도는 롤 각의 변화로 계산한다. 이렇게 되면 보다 정밀한 각속도 측정값을 사용하기 때문에 요 각에 대한 출력이 보다 정밀해 진다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016

Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치에서도 bias에 따른 오차와 센서 자세 및 적분 오차는 포함될 수밖에 없다. 따라서, 위의 오차를 보상할 필요가 있다. 센서는 현재의 위도에서 발생하는 지구자전각속도를 포함하며, 그 값은 센서의 자세에 따라 변하게 된다. 아래 수학식 6과 수학식 7은 위도에 따라 측정한 센서의 자세에 따른 드리프트(drift)량을 계산하는 것이다.
Figure pat00021
Figure pat00022
도 5는 실제 센서의 드리프트량을 측정한 것과 위의 수식을 이용하여 계산한 양을 나타낸 것이다. 도 6에서 보는 바와 같이 실제 센서의 드리프트량과 이론적으로 계산한 값은 매우 비슷하므로 이를 이용하여 오차를 보상할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치를 포함하는 선박 청소 로봇의 주행을 예시적으로 나타낸 것이다. 선박 청소 로봇의 경우 선박 표면 전체를 주행하지만 주로 선박의 측면부와 밑면부에 부착되어 주행을 하게 된다. 선박의 선수부와 선미부는 곡률이 다소 존재하지만 대부분의 측면부와 밑면부는 수직 및 수평으로 된 평면이 존재하고 이 곳에서는 도 6의 (a), (b)와 같이 주행한다. (a)는 측면부, (b)는 밑면부를 주행하는 것을 나타낸 것이다. 측면부와 밑면부에서는 로봇의 롤 각이 90도, 180도, 270도 등의 값을 갖게 되어 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 예측 장치의 측정값과 동역학식의 오일러각-각속도와의 관계를 사용하여 발산하는 오차를 보정할 수 있다.
로봇이 선체 측면부에 위치하는 경우에는 롤 각이 90도 또는 270도의 값을 가지므로 Z축 자이로는 고정 좌표계를 기준으로 할 때 Y축의 각속도 값을 측정하게 된다. 따라서, Z축 자이로의 측정값을 이용하여 피치 각을 보정할 수 있다.
또한, 선체 밑면부에서는 롤 각이 0도 또는 180도가 되므로 Y축 자이로는 고정 좌표계를 기준으로 할 때 Y축의 각속도 값을 측정하게 된다. 따라서, Y축 자이로의 측정값을 이용하여 피치 각을 보정할 수 있다.
이러한 방법을 사용하여 보정을 하게 되면 보다 나은 요 각을 추출할 수 있다. 아래 수학식은 상술한 방법을 이용하여 자세각을 보정하는 것을 나타낸다.
Figure pat00023
Figure pat00024
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 전자세 예측 장치
120, 140, 160: 가속도 센서
130, 150, 170: 자이로
180: 계산부

Claims (9)

  1. 이동체의 전자세 예측 장치에 있어서,
    상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하는 가속도 센서;
    상기 이동체의 X축, Y축, Z축 방향의 각속도를 측정하는 자이로 센서; 및
    상기 이동체의 가속도 측정 결과와 각속도 측정 결과에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각 및 요 각을 계산하는 계산부;
    를 포함하고,
    상기 계산부는 상기 이동체의 주행면과 상기 Y축 자이로 센서 또는 상기 Z축 자이로 센서의 측정값 중 어느 하나 이상에 기초하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하여 상기 이동체의 전자세를 예측하는 전자세 예측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서는 광 섬유 자이로인 전자세 예측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계산부는
    상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 전자세 예측 장치.
  4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동체의 주행면이 선체의 측면인 경우,
    상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치.
  5. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동체의 주행면이 선체의 밑면인 경우,
    상기 Y축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 전자세 예측 장치.
  6. 이동체의 전자세 예측 방법에 있어서,
    3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 이용하여 상기 이동체에 가해지는 가속도와 각속도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 가속도 정보와 각속도 정보에 기초하여 상기 이동체의 롤 각, 피치 각, 요 각을 계산하는 단계; 및
    상기 롤 각에 기초하여 상기 이동체의 위치를 판단하고 상기 이동체의 위치와 상기 3축 자이로 센서의 Y축 자이로 센서와 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계;
    를 포함하는 전자세 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는
    상기 3축 자이로 센서의 광 섬유 자이로 센서로 구성된 Y축 자이로 센서와 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 보정하는 단계;
    를 포함하는 전자세 예측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이동체가 위치한 위도, 지구자전각속도 및 센서의 자세에 기초하여 상기 계산한 롤 각, 피치 각 및 요 각을 보상하는 단계;
    를 더 포함하는 전자세 예측 방법.
  9. 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는
    상기 롤 각이 90도, 180도 또는 270도인 경우,
    상기 Y축 자이로 센서 및 상기 Z축 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 피치 각 및 상기 요 각을 보정하는 단계;
    를 포함하는 전자세 예측 방법.
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