KR20170109646A - 단일 안테나에 기초한 ｇｎｓｓ―ｉｎｓ 차량 자세 결정 방법 - Google Patents

단일 안테나에 기초한 ｇｎｓｓ―ｉｎｓ 차량 자세 결정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 결정 방법에 있어서, GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착하는 단계; GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득하는 단계; 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 낮은 비용으로 단일 안테나 GNSS와 IMU/MEMS 센서를 결합함으로써, 농기계의 기구학 모델을 기반으로 자세와 방향이 결정된다. 이러한 방법은 IMU 자이로스코프의 단기간(short-term) 고정밀도와 GNSS 단일 안테나의 장기간(long-term) 높은 안정성의 장점을 결합하여, 자이로스코프를 사용할 때 발생하는 발산 현상을 방지하고 GNSS 자세 결정의 소음 수준을 감소시킨다. 그러므로, 자세 결정의 정확성은 여러 번 증가 될 수 있다.

Description

단일 안테나에 기초한 ＧＮＳＳ―ＩＮＳ 차량 자세 결정 방법
본 발명은 농기계 자동화 분야에 관한 것이며, 더 자세하게는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세를 결정하는 방법에 관한 것이다.
현대 기술의 발달과 생명 공학(biotechnology), GNSS 기술 및 정보 기술(information technology)의 진보와 더불어 우리는 정밀 농업(precision agriculture)의 출현으로 이끄는 농업에서 현대 기술의 폭 넓은 응용을 본다. 상기 정밀 농업의 핵심 캐리어로서 농기계 자동 운전 시스템(agricultural machinery automatic driving system)은 농업, 파종, 수정, 관개, 식생 보호, 수확 등 다양한 농업 작업에 중요하다.
농기계 자동 구동 시스템의 정확성을 향상시키기 위해서, 농업 차량 좌표의 항법 정확도, 헤딩 각도(heading angle) 및 자세 각도(attitude angle)를 측정 할 필요가 있으므로 이러한 측정 값은 가급적 정확해야 한다. 특히, GNSS 수신기가 장착 된 농기계가 현장에서 움직이는 경우, GNSS 수신 안테나는 토양으로부터 타이어에 불균일 한 힘이 가해 짐으로써 차체의 진동으로 인해 틸트(tilt) 된다. 결과로 GNSS 안테나는 차체 센트로이드(centroid)와 일치하지 않으므로 차체의 정확한 자세 각도와 헤딩 각도가 필요하다.
현재, 다중 안테나로 GNSS 자세를 측정하는 방법이 종종 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 비용이 높고, 안테나 수신 지연, 열악한 실시간 성능 및 설치의 어려움이 있다. 자세 결정을 위해 육상 항법 시스템(land navigation system)에 사용되는 아이엔에스(INS)에 관해서는, 높은 비용 등 때문에, 농기계의 자세 결정에 적용 할 수 없다.
농기계 자동화 분야의 상술 한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 하나의 안테나로 차량의 자세 결정을 실현할 수 있고, 상기한 자세 결정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법을 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예는 다음과 같은 기술적 해결 수단을 제공한다:
단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법으로서, 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법은:
상기 GNSS 안테나를 차량의 센트로이드 및 센터에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 상기 차량의 조향 축에 장착하는 단계;
상기 GNSS 안테나에 의해 상기 차량의 위치 및 속도를 획득하고, 상기 IMU 측정 유닛에 의해 상기 차량의 헤딩 각속도를 획득하는 단계;
가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계;
상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 MEMS 센서의 상기 IMU 측정 유닛이 상기 차량의 상기 조향 축에 고정되는 경우, 상기 IMU 측정 유닛의 3축 좌표는 상기 차량의 3축 좌표와 일치한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계는:
상기 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 상기 차량의 가속도는 0(zero)이며, 상기 차량의 롤(roll) 각도 및 피치(pitch) 각도는 상기 가속도계의 원리에 따라 정확하게 획득되고:
Figure pct00001
Figure pct00002
,
ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도이고;
Figure pct00003
는 상기 피치 각도이며;
Figure pct00004
는 상기 롤 각도이다;
상기 차량이 빠르게 주행하거나 심각하게 진동하는 경우, 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 조합에 의하여 상기 차량의 상기 자세 각도를 계산하기 위하여 상기 자이로스코프가 도입되고, 구체적 단계는 다음과 같다:
상기 롤 각도 및 상기 피치 각도의 조합 필터를 먼저 생성하는 단계를 포함하고, 상기 조합 필터는 구체적으로 다음과 같다:
Figure pct00005
,
추정되는 파라미터는 다음과 같다:
Figure pct00006
,
관찰 벡터는 다음과 같다:
Figure pct00007
,
여기서,
Figure pct00008
및
Figure pct00009
는 각각 상기 가속도계 및 상기 자이로스코프의 출력이고;
상태 변환 행렬은 다음과 같다:
Figure pct00010
,
관찰 디자인 행렬은 다음과 같다:
Figure pct00011
,
상기 파라미터에 기초하여 상기 차량의 상기 롤 각도 및 상기 피치 각도를 계산하고 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 조합에 의하여 상기 차량의 상기 자세 각도를 계산하는 단계는:
상기 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 상기 차량의 가속도는 0(zero)이며 상기 차량의 롤(roll) 각도 및 상기 피치(pitch) 각도는 상기 가속도계의 원리에 따라 정확하게 얻어지고:
Figure pct00012
Figure pct00013
,
ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도이고;
Figure pct00014
는 피치 각도이며;
Figure pct00015
는 롤 각도이며;
차량이 빠르게 주행하거나 심하게 진동하는 경우, 상기 가속도계와 상기 자이로 스코프의 조합에 의해 상기 자세 각도를 계산하기 위해 상기 자이로스코프가 도입되며, 구체적인 단계는 다음과 같다:
틸트 각도(상기 롤 각도 또는 상기 피치 각도) 및 틸트 각속도는 미분 관계에 있기 때문에 상기 시스템의 실제 틸트 각도
Figure pct00016
는 상태 벡터로 사용되고, 상기 자이로스코프의 일정한 편차 b는 상기 가속도계에 의해 추정되고, 상기 편차 b는 대응 상태 방정식 및 관찰 방정식을 얻기 위한 다른 상태 벡터로 사용되며:
Figure pct00017
Figure pct00018
Figure pct00019
는 상기 자이로스코프에 의해 출력되는 각속도이고, 상기 각속도는 고정 된 편차를 포함하고,
Figure pct00020
는 상기 가속도계에 의해 처리되는 각도 값이며,
Figure pct00021
는 상기 자이로스코프로부터의 측정 노이즈이며,
Figure pct00022
는 상기 가속도계로부터의 측정 노이즈이고,
Figure pct00023
는 상기 자이로스코프의 드리프트 오차이며,
Figure pct00024
및
Figure pct00025
는 상호 독립적이며, 상기 양자는 정규 분포를 만족하는 백색 노이즈로 가정되며; 상기 칼만 필터의 시스템 프로세스 노이즈의 공분산 행렬 Q와 측정 오차의 공분산 행렬 R이 설정되며, 상기 공분산 행렬 Q와 상기 공분산 행렬 R은 다음과 같다:
Figure pct00026
Figure pct00027
Figure pct00028
및
Figure pct00029
는 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 공분산이고;
Figure pct00030
는 상기 가속도계의 측정 노이즈이며;
상기 파라미터에 기초하여 상기 차량의 상기 롤 각도 및 상기 피치 각도를 계산하고 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계는:
상기 헤딩 각도는 동쪽 속도와 북쪽 속도를 계산하여 획득되는 단계를 포함하며, 상기 헤딩 각도의 식은:
Figure pct00031
,
Figure pct00032
는 상기 GNSS의 상기 헤딩 각도이고,
Figure pct00033
,
Figure pct00034
는 각각 상기 동쪽 속도와 상기 북쪽 속도이며;
상기 차량이 정지하거나 매우 낮은 속도로 움직이는 경우, Z축 자이로스코프와 GNSS의 조합을 도입하여, 상기 헤딩 각도를 정확히 계산하며, 시스템 방정식과 관찰 방정식은 다음과 같다:
Figure pct00035
Figure pct00036
Figure pct00037
는 GNSS에 의해 출력 된 헤딩 각도이고,
Figure pct00038
는 자이로스코프의 드리프트 오차이며,
Figure pct00039
는 헤딩 처리의 노이즈이며,
Figure pct00040
는 1차 마르코프 상관관계 시간이며;
선형화 후의 식은 다음과 같다:
Figure pct00041
Figure pct00042
차량이 움직이는 경우,
Figure pct00043
이고, 그렇지 않으면,
Figure pct00044
이 다.
본 발명의 일 측면에 따르면, MEMS 센서는 6축 MEMS 센서이다.
본 발명의 구현 이점은 다음과 같다:
본 발명의 단일 안테나 기반의 GNSS-INS 차량의 자세 결정 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다: GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착하는 단계; GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득하는 단계; 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 낮은 비용으로 단일 안테나 GNSS와 IMU/MEMS 센서를 결합함으로써, 농기계의 기구학 모델을 기반으로 자세와 방향이 결정된다. 이러한 방법은 IMU 자이로스코프의 단기간(short-term) 고정밀도와 GNSS 단일 안테나의 장기간(long-term) 높은 안정성의 장점을 결합하여, 자이로스코프를 사용할 때 발생하는 발산 현상을 방지하고 GNSS 자세 결정의 소음 수준을 감소시킨다. 그러므로 자세 결정의 정확성은 여러 번 증가 될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에서의 기술적 해결책은 본 발명의 실시 예들에서 첨부 된 도면을 참조하여 명확하고 완전하게 기술 될 것이다. 설명 된 실시 예는 단지 본 발명의 특정 실시 예에 불과하며 모든 것을 포괄하는 것은 명백하게 아니다. 본 발명의 실시 예들에 기초하여, 창조적인 노력없이 당업자에 의해 획득 된 다른 실시 예들은 모두 본 발명의 범위 내에 있다.
실시예 1
단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법으로서, 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법은:
단계 S1 : GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착한다.
단계 S1에서, 상기 GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, 상기 MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착하는 특정 구현은 다음과 같다: 상기 GNSS 안테나는 캐리어 차량의 위치와 속도를 정확하게 측정하기 위해 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착된다. MEMS 센서의 IMU 측정 유닛이 캐리어 차량에 고정되는 경우, IMU 측정 유닛의 3축 좌표는 차량의 3축 좌표와 일치한다. 동시에, IMU 측정 유닛은 차량의 휠이 조향 될 때 실시간으로 스티어링 되어야 한다. 즉, IMU 측정 장치가 차량의 축에 장착되어, IMU 측정 장치가 차량의 헤딩(heading) 각속도에 정확하고 민감하게 반응하여 IMU의 민감한 헤딩 정보가 GNSS에서 측정 된 헤딩 정보와 일치한다.
단계 S2 : GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득한다.
단계 S2에서, 차량의 위치 및 속도 정보는 GNSS 안테나에 의해 획득되고, 차량의 헤딩 각속도 정보는 IMU 측정 유닛에 의해 획득된다. 3+3 6축 통합 MEMS-IMU 센서는 차량의 헤딩 각속도 정보를 정확하게 얻기 위해 사용된다.
단계 S3 : 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 차량의 자세 각도를 계산한다.
단계 S3에서는, 가속도 센서와 자이로스코프의 조합에 의한 차량의 자세 각도를 산출하고, 구체적으로 다음 단계를 포함한다.
MEMS-IMU의 자이로스코프의 측정 정확도는 지구의 회전 각속도에 민감하지 않으므로, MEMS 시스템은 완전하게 자체 정렬될 수 없다. 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 차량의 가속도는 0(zero)이며 차량의 롤(roll) 각도 및 피치(pitch) 각도는 가속도계의 원리에 따라 정확하게 얻어진다.
Figure pct00045
Figure pct00046
.
위 식에서, ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도라고 한다;
Figure pct00047
는 피치 각도라고 한다; 및
Figure pct00048
는 롤 각도라고 한다.
차량이 빠르게 주행하거나 심각하게 진동하는 경우, 다른 방향에서 가속도의 영향으로 인해 위 식을 사용하여 자세 각도를 계산할 수 없다. 따라서 가속도계와 자이로스코프를 결합하여 계산을 수행하기 위해 자이로스코프가 도입되며 구체적인 단계는 다음과 같다:
롤 각도 및 피치 각도의 조합 필터를 먼저 생성하면, 조합 필터는 구체적으로 다음과 같다:
Figure pct00049
.
추정되는 파라미터는 다음과 같다:
Figure pct00050
.
관찰 벡터(observation vector)는 다음과 같다.
Figure pct00051
.
여기서,
Figure pct00052
및
Figure pct00053
는 각각 가속도계 및 자이로스코프의 출력이다.
상태 변환 행렬(state transition matrix)은 다음과 같다.
Figure pct00054
.
관찰 디자인 행렬(observation design matrix)은 다음과 같다:
Figure pct00055
.
상기 파라미터에 기초하여 차량의 롤 각도 및 피치 각도를 계산하여 획득한다.
단계 S4 : 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 차량의 헤딩 각도를 계산한다.
단계 S4에서, 차량의 헤딩 각도는 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 계산되며, 구체적으로 다음과 같다:
단일 안테나에 의한 GNSS 자세 결정은 주로 GNSS 속도를 사용하며, 차량의 헤딩 각도는 동쪽 속도와 북쪽 속도를 계산하여 획득하며, 구체적으로는 다음과 같다:
Figure pct00056
.
위 식에서 GNSS의 헤딩 각도라고 기재되는 것은 각각 동쪽 속도와 북쪽 속도다.
실제 적용에서 GNSS 헤딩 각도는 GNSS 수신기에서 출력 된 NMEA 문장에서 직접 추출 할 수 있다. 그러나 차량이 정지하거나 매우 낮은 속도로 움직이는 경우, 수치 값은 수학적으로 불안정하며, 속도 측정 오차는 실제 속도 값을 압도 할 수 있다.
헤딩의 정확도를 개선하기 위하여, Z축 자이로스코프와 GNSS의 조합이 도입된다. 자이로스코프는 캐리어 좌표계의 Z축을 따라 장착된다. 시스템 방정식과 관찰 방정식은 다음과 같다:
Figure pct00057
Figure pct00058
.
위 식에서,
Figure pct00059
는 GNSS에 의해 출력 된 헤딩 각도이고,
Figure pct00060
는 자이로스코프의 드리프트 오차라고 하고,
Figure pct00061
는 헤딩 처리의 노이즈라고 하며,
Figure pct00062
는 1차 마르코프 상관관계 시간(first-order Markov correlation time)이라고 한다.
선형화(linearization) 후의 식은 다음과 같다:
Figure pct00063
Figure pct00064
.
차량이 움직이는 경우,
Figure pct00065
이고, 그렇지 않으면,
Figure pct00066
이다.
마지막으로, 단일 안테나를 기반으로 한 GNSS-INS 차량의 자세 결정은 차량의 자세 각도와 헤딩 각도를 계산함으로써 실현된다.
본 발명의 단일 안테나 기반의 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다: GNSS 안테나를 차량의 센트로이드 및 중심에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축에 장착하는 단계; GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득하는 단계; 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 낮은 비용으로 단일 안테나 GNSS와 IMU/MEMS 센서를 결합함으로써, 농기계의 기구학 모델을 기반으로 자세와 방향이 결정된다. 이러한 방법은 IMU 자이로스코프의 단기간(short-term) 고정밀도와 GNSS 단일 안테나의 장기간(long-term) 높은 안정성의 장점을 결합하여, 자이로스코프를 사용할 때 발생하는 발산 현상을 방지하고 GNSS 자세 결정의 소음 수준을 감소시킨다. 그러므로, 자세 결정의 정확성은 여러 번 증가 될 수 있다. IMU 센서는 본 실시 예에서 설명 된 자세 결정 방법에서 사용되며, 헤딩 각도 오차는 0.2°미만이고, 피치 각도 오차 및 롤 각도 오차는 0.08°미만이다. 실제 응용에서는 3+3 6축 통합 IMU 센서가 사용된다. 3+3 6축 통합 IMU 센서는 크기가 작고 가볍고 비용이 효율적이며, 모듈 방식으로 설계되어 농기계 보조 주행 제어 시스템에 쉽게 통합 될 수 있다.
실용적인 응용 프로그램에서는 틸트(tilt) 센서를 사용하여 IMU 센서를 대체하여 자세 결정 솔루션을 얻을 수 있다.
실시예 2
단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법으로서, 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법은:
단계 S1 : GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착한다.
단계 S1에서, 상기 GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, 상기 MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착하는 특정 구현은 다음과 같다: 상기 GNSS 안테나는 캐리어 차량의 위치와 속도를 정확하게 측정하기 위해 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착된다. MEMS 센서의 IMU 측정 유닛이 캐리어 차량에 고정되는 경우, IMU 측정 유닛의 3축 좌표는 차량의 3축 좌표와 일치한다. 동시에, IMU 측정 유닛은 차량의 휠이 조향 될 때 실시간으로 스티어링 되어야 한다. 즉, IMU 측정 장치가 차량의 축에 장착되어, IMU 측정 장치가 차량의 헤딩(heading) 각속도에 정확하고 민감하게 반응하여 IMU의 민감한 헤딩 정보가 GNSS에서 측정 된 헤딩 정보와 일치한다.
단계 S2 : GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득한다.
단계 S2에서, 차량의 위치 및 속도 정보는 GNSS 안테나에 의해 획득되고, 차량의 헤딩 각속도 정보는 IMU 측정 유닛에 의해 획득된다. 3+3 6축 통합 MEMS-IMU 센서는 차량의 헤딩 각속도 정보를 정확하게 얻기 위해 사용된다.
단계 S3 : 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 차량의 자세 각도를 계산한다.
단계 S3에서는, 가속도 센서와 자이로스코프의 조합에 의한 차량의 자세 각도를 산출하고, 구체적으로 다음 단계를 포함한다:
MEMS-IMU의 자이로스코프의 측정 정확도는 지구의 회전 각속도에 민감하지 않으므로, MEMS 시스템은 완전하게 자체 정렬될 수 없다. 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 차량의 가속도는 0(zero)이며 차량의 롤(roll) 각도 및 피치(pitch) 각도는 가속도계의 원리에 따라 정확하게 얻어진다:
Figure pct00067
Figure pct00068
위 식에서, ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도라고 한다;
Figure pct00069
는 피치 각도라고 한다; 및
Figure pct00070
는 롤 각도라고 한다.
차량이 빠르게 주행하거나 심각하게 진동하는 경우, 다른 방향에서 가속도의 영향으로 인해 위 식을 사용하여 자세 각도를 계산할 수 없다. 따라서 가속도계와 자이로스코프를 결합하여 계산을 수행하기 위해 자이로스코프가 도입되며 구체적인 단계는 다음과 같다:
틸트 각도(롤 각도 또는 피치 각도) 및 틸트 각속도는 미분 관계에 있기 때문에 시스템의 실제 틸트 각도
Figure pct00071
는 상태 벡터로 사용될 수 있다. 자이로스코프의 일정한 편차 b는 가속도계에 의해 추정되고, 편차 b는 대응 상태 방정식 및 관찰 방정식을 얻기 위한 다른 상태 벡터로 사용된다:
Figure pct00072
Figure pct00073
위 식에서,
Figure pct00074
는 자이로스코프에 의해 출력되는 각속도로 지칭되고, 상기 각속도는 고정 된 편차를 포함하고,
Figure pct00075
는 가속도계에 의해 처리되는 각도 값으로 지칭되며,
Figure pct00076
는 자이로스코프로부터의 측정 노이즈로 지칭되며,
Figure pct00077
는 가속도계로부터의 측정 노이즈로 지칭되며,
Figure pct00078
는 자이로스코프의 드리프트 오차로 지칭되며,
Figure pct00079
및
Figure pct00080
는 상호 독립적이며, 양자는 정규 분포를 만족하는 백색 노이즈로 가정된다. 동시에, 칼만 필터의 시스템 프로세스 노이즈의 공분산 행렬 Q와 측정 오차의 공분산 행렬 R이 설정되며, 식은 다음과 같다:
Figure pct00081
Figure pct00082
위 식에서
Figure pct00083
및
Figure pct00084
는 각각 가속도계와 자이로스코프의 공분산이다;
Figure pct00085
는 가속도계의 측정 노이즈이다.
상기 파라미터에 기초하여 차량의 롤 각도 및 피치 각도를 계산하여 획득한다.
단계 S4 : 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 차량의 헤딩 각도를 계산한다.
단계 S4에서, 차량의 헤딩 방향은 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 계산되며, 구체적으로는 다음을 포함한다:
단일 안테나에 의한 GNSS 자세 결정은 주로 GNSS 속도를 사용하며, 차량의 헤딩 각도는 동쪽 속도와 북쪽 속도를 계산하여 획득되며, 구체적으로는 다음과 같다:
Figure pct00086
.
위 식에서,
Figure pct00087
는 GNSS의 헤딩 각도라고 지칭되고,
Figure pct00088
,
Figure pct00089
는 각각 동쪽 속도와 북쪽 속도라고 지칭된다.
실제 적용에서 GNSS 헤딩 각도는 GNSS 수신기에서 출력 된 NMEA 문장에서 직접 추출 할 수 있다. 그러나 차량이 정지하거나 매우 낮은 속도로 움직이는 경우, 수치 값은 수학적으로 불안정하며, 속도 측정 오차는 실제 속도 값을 압도 할 수 있다.
헤딩의 정확도를 개선하기 위하여, Z축 자이로스코프와 GNSS의 조합이 도입되었다. 자이로스코프는 캐리어 좌표계의 Z축을 따라 장착된다. 시스템 방정식과 관찰 방정식은 다음과 같다:
Figure pct00090
Figure pct00091
위 식에서,
Figure pct00092
는 GNSS에 의해 출력 된 헤딩 각도라고 하고,
Figure pct00093
는 자이로스코프의 드리프트 오차라고 하며,
Figure pct00094
는 헤딩 처리의 노이즈라고 하며,
Figure pct00095
는 1차 마르코프 상관관계 시간(first-order Markov correlation time)이라고 한다.
선형화(linearization) 후의 식은 다음과 같다:
Figure pct00096
Figure pct00097
차량이 움직이는 경우,
Figure pct00098
이고, 그렇지 않으면,
Figure pct00099
이다.
마지막으로, 단일 안테나를 기반으로 한 GNSS-INS 차량의 자세 결정은 차량의 자세 각도와 헤딩 각도를 계산함으로써 실현된다.
본 발명의 단일 안테나 기반의 GNSS-INS 차량의 자세 판정 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다: GNSS 안테나를 차량의 센트로이드 및 중심에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축에 장착하는 단계; GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득하는 단계; 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 저비용으로 단일 안테나 GNSS와 IMU / MEMS 센서를 결합함으로써, 농기계의 기구학 모델을 기반으로 자세와 방향이 결정된다. 이러한 방법은 IMU 자이로스코프의 단기간(short-term) 고정밀도와 GNSS 단일 안테나의 장기간(long-term) 높은 안정성의 장점을 결합하여, 자이로스코프를 사용할 때 발생하는 발산 현상을 방지하고 GNSS 자세 결정의 소음 수준을 감소시킨다. 그러므로, 자세 결정의 정확성은 여러 번 증가 될 수 있다. IMU 센서는 본 실시 예에서 설명 된 자세 결정 방법에서 사용되며, 헤딩 각도 오차는 0.2°미만이고, 피치 각도 오차 및 롤 각도 오차는 0.08°미만이다. 실제 응용에서는 3+3 6축 통합 IMU 센서가 사용된다. 3+3 6축 통합 IMU 센서는 크기가 작고 가볍고 비용이 효율적이며, 모듈 방식으로 설계되어 농기계 보조 주행 제어 시스템에 쉽게 통합 될 수 있다.
실용적인 응용 프로그램에서는 기울기(tilt) 센서를 사용하여 IMU 센서를 대체하여 자세 결정 솔루션을 얻을 수 있다.
본 발명을 구현하는 이점이 제공된다: 본 발명의 단일 안테나 기반의 GNSS-INS 차량의 자세 결정 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다: GNSS 안테나를 차량의 센트로이드(centroid) 및 센터(center)에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 차량의 조향 축(steering shaft)에 장착하는 단계; GNSS 안테나에 의해 차량의 위치 및 속도 정보를 획득하고, IMU 측정 유닛에 의해 차량의 헤딩 각속도 정보를 획득하는 단계; 가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 낮은 비용으로 단일 안테나 GNSS와 IMU/MEMS 센서를 결합함으로써, 농기계의 기구학 모델을 기반으로 자세와 방향이 결정된다. 이러한 방법은 IMU 자이로스코프의 단기간(short-term) 고정밀도와 GNSS 단일 안테나의 장기간(long-term) 높은 안정성의 장점을 결합하여, 자이로스코프를 사용할 때 발생하는 발산 현상을 방지하고 GNSS 자세 결정의 소음 수준을 감소시킨다. 그러므로, 자세 결정의 정확성은 여러 번 증가 될 수 있다. IMU 센서는 본 실시 예에서 설명 된 자세 결정 방법에서 사용되며, 헤딩 각도 오차는 0.2°미만이고, 피치 각도 오차 및 롤 각도 오차는 0.08°미만이다. 실제 응용에서는 3+3 6축 통합 IMU 센서가 사용된다. 3+3 6축 통합 IMU 센서는 크기가 작고 가볍고 비용이 효율적이며, 모듈 방식으로 설계되어 농기계 보조 주행 제어 시스템에 쉽게 통합 될 수 있다.
상기 설명은 단지 본 발명의 특정 실시 예와 관련이 있지만, 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 본 발명의 범위 내에서의 다양한 수정 또는 치환이 본 발명의 범위 내에 있어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세를 결정하는 방법으로서:
    상기 GNSS 안테나를 차량의 센트로이드 및 센터에 장착하고, MEMS 센서의 IMU 측정 유닛을 상기 차량의 조향 축에 장착하는 단계;
    상기 GNSS 안테나에 의해 상기 차량의 위치 및 속도를 획득하고, 상기 IMU 측정 유닛에 의해 상기 차량의 헤딩 각속도를 획득하는 단계;
    가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계; 및
    상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 센서의 상기 IMU 측정 유닛이 상기 차량의 상기 조향 축에 고정되는 경우, 상기 IMU 측정 유닛의 3축 좌표는 상기 차량의 3축 좌표와 일치하는 것을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    가속도계와 자이로스코프의 조합에 의해 상기 차량의 자세 각도를 계산하는 단계는: 상기 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 상기 차량의 가속도는 0(zero)이며, 상기 차량의 롤(roll) 각도 및 피치(pitch) 각도는 상기 가속도계의 원리에 따라 정확하게 획득되고,
    Figure pct00100

    Figure pct00101
    ,
    ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도이고;
    Figure pct00102
    는 상기 피치 각도이며; 및
    Figure pct00103
    는 상기 롤 각도이다;
    상기 차량이 빠르게 주행하거나 심각하게 진동하는 경우, 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 조합에 의하여 상기 차량의 상기 자세 각도를 계산하기 위하여 상기 자이로스코프가 도입되고, 구체적 단계는 다음과 같다:
    상기 롤 각도 및 상기 피치 각도의 조합 필터를 먼저 생성하는 단계를 포함하고, 상기 조합 필터는 구체적으로 다음과 같다:
    Figure pct00104
    ,
    추정되는 파라미터는 다음과 같다:
    Figure pct00105
    ,
    관찰 벡터는 다음과 같다:
    Figure pct00106
    ,
    여기서,
    Figure pct00107
    및
    Figure pct00108
    는 각각 상기 가속도계 및 상기 자이로스코프의 출력이고; 상태 변환 행렬은 다음과 같다:
    Figure pct00109
    ,
    관찰 디자인 행렬은 다음과 같다:
    Figure pct00110
    ,
    상기 파라미터에 기초하여 상기 차량의 상기 롤 각도 및 상기 피치 각도를 계산하고 획득하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 조합에 의하여 상기 차량의 상기 자세 각도를 계산하는 단계는:
    상기 차량이 정지 상태이거나 등속 운동을 하는 경우, 상기 차량의 가속도는 0(zero)이며 상기 차량의 롤(roll) 각도 및 상기 피치(pitch) 각도는 상기 가속도계의 원리에 따라 정확하게 얻어지고,
    Figure pct00111

    Figure pct00112
    ,
    ax, ay는 캐리어 좌표계의 x축 및 y축의 가속도이고;
    Figure pct00113
    는 피치 각도이며;
    Figure pct00114
    는 롤 각도이며;
    차량이 빠르게 주행하거나 심하게 진동하는 경우, 상기 가속도계와 상기 자이로 스코프의 조합에 의해 상기 자세 각도를 계산하기 위해 상기 자이로스코프가 도입되며, 구체적인 단계는 다음과 같다:
    틸트 각도(상기 롤 각도 또는 상기 피치 각도) 및 틸트 각속도는 미분 관계에 있기 때문에 상기 시스템의 실제 틸트 각도
    Figure pct00115
    는 상태 벡터로 사용되고, 상기 자이로스코프의 일정한 편차 b는 상기 가속도계에 의해 추정되고, 상기 편차 b는 대응 상태 방정식 및 관찰 방정식을 얻기 위한 다른 상태 벡터로 사용되며:
    Figure pct00116

    Figure pct00117

    Figure pct00118
    는 상기 자이로스코프에 의해 출력되는 각속도이고, 상기 각속도는 고정 된 편차를 포함하고,
    Figure pct00119
    는 상기 가속도계에 의해 처리되는 각도 값이며,
    Figure pct00120
    는 상기 자이로스코프로부터의 측정 노이즈이며,
    Figure pct00121
    는 상기 가속도계로부터의 측정 노이즈이고,
    Figure pct00122
    는 상기 자이로스코프의 드리프트 오차이며,
    Figure pct00123
    및
    Figure pct00124
    는 상호 독립적이며, 상기 양자는 정규 분포를 만족하는 백색 노이즈로 가정되며;
    상기 칼만 필터의 시스템 프로세스 노이즈의 공분산 행렬 Q와 측정 오차의 공분산 행렬 R을 설정하는 단계를 포함하고, 상기 공분산 행렬 Q와 상기 공분산 행렬 R은 다음과 같다:
    Figure pct00125

    Figure pct00126

    Figure pct00127
    및
    Figure pct00128
    는 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 공분산이고;
    Figure pct00129
    는 상기 가속도계의 측정 노이즈이며;
    상기 파라미터에 기초하여 상기 차량의 상기 롤 각도 및 상기 피치 각도를 계산하고 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    상기 차량의 위치, 속도 및 헤딩 각속도에 기초하여 상기 차량의 헤딩 각도를 계산하는 단계는:
    상기 헤딩 각도는 동쪽 속도와 북쪽 속도를 계산하여 획득되는 단계를 포함하며, 상기 헤딩 각도의 식은:
    Figure pct00130
    ,
    Figure pct00131
    는 상기 GNSS의 상기 헤딩 각도이고,
    Figure pct00132
    ,
    Figure pct00133
    는 각각 상기 동쪽 속도와 상기 북쪽 속도이며;
    상기 차량이 정지하거나 매우 낮은 속도로 움직이는 경우, Z축 자이로스코프와 GNSS의 조합을 도입하여, 상기 헤딩 각도를 정확히 계산하며, 시스템 방정식과 관찰 방정식은 다음과 같다:
    Figure pct00134

    Figure pct00135

    Figure pct00136
    는 GNSS에 의해 출력 된 헤딩 각도이고,
    Figure pct00137
    는 자이로스코프의 드리프트 오차이며,
    Figure pct00138
    는 헤딩 처리의 노이즈이며,
    Figure pct00139
    는 1차 마르코프 상관관계 시간이며;
    선형화 후의 식은 다음과 같다:
    Figure pct00140

    Figure pct00141

    차량이 움직이는 경우,
    Figure pct00142
    이고, 그렇지 않으면,
    Figure pct00143
    이 되는 것을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 MEMS 센서는 6축 MEMS 센서인 것을 특징으로 하는 단일 안테나에 기초한 GNSS-INS 차량 자세 결정 방법.
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