KR20180045580A - 이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법 - Google Patents

이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS 신호와 가속도 정보를 이용하여 이동체의 위치 측정값을 보정하고 보정된 이동체의 위치 측정값을 이동체의 거동에 따라 추정된 위치 추정값을 통해 재보정함으로써 정확한 이동체의 상태정보를 획득할 수 있게 한 이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이동체에 설치된 GPS 수신기로부터 해당 이동체의 GPS 신호를 수신하는 단계; 상기 이동체에 설치된 가속도 센서로부터 측정된 상기 이동체의 가속도 정보를 수신하는 단계; 상기 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 수신된 가속도 정보를 융합하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 단계; 및 상기 이동체의 동적 거동에 따른 위치 추정값과 상기 보정된 위치 측정값의 오차를 이용하여 보정된 상기 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법이 제공된다.

Description

이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING SITUATION INFORMATION OF MOBILE BODY}
본 발명은 이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS 신호와 가속도 정보를 이용하여 이동체의 위치 측정값을 보정하고 보정된 이동체의 위치 측정값을 이동체의 거동에 따라 추정된 위치 추정값을 통해 재보정함으로써 정확한 이동체의 상태정보를 획득할 수 있게 한 이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
GPS(Gobal Positioning System)란, 미 국방성에서 자국의 군사목적을 위하여 개발한 것으로 지구상 어디에서나 기후에 구애받지 않고 표준좌표계에서의 위치, 속도, 시간 측정을 가능하게 해주는 인공위성을 이용한 첨단 항법 체계이다.
최근 GPS는 GIS(Geographic Information System)와 함께 사용되어 도로상황 등을 운전자에게 제공하고 있으며, 출발시점부터 목표지점까지의 거리, 소요시간, 도로 상황 등을 운전자에게 알려주어 편리하고 신속하게 목표지점까지 도달하도록 도와주고 있다. 일례로 차량에서 사용되는 네비게이션 시스템은 차량에 장착된 GPS 수신기로부터 얻은 위치정보를 이용하여 GPS 수신기의 이동경로를 GIS의 수치지도를 통해 시각화하여 보여줌으로써 운전자가 손쉽게 운전할 수 있도록 도와준다.
여기서, GPS 수신기를 통한 위치정보의 획득방법은 정확한 위치를 알고 있는 인공 위성에서 발사된 전파 즉, GPS 신호가 수신기까지 도달하는 소요시간을 관측함으로써 미지점의 위치를 구하는 방식이다.
이와 같은 GPS의 신호는 누구나 받을 수 있지만, 대기의 상태, 신호를 받은 위치의 환경에 따라 오차가 발생한다.
예컨대, GPS 수신기를 통해 얻게 되는 좌표값은 오차를 포함하고 있으며, 이러한 오차는 일반적으로 인공위성 시간 오차, 인공위성 위치 오차, 전리층과 대류층의 굴절, 잡음(Noise), 다중 경로(Multi Path) 등이 중요 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
특히, 다중 경로에 의한 오차는 GPS 위성으로부터 전송된 신호가 GPS 수신기에 아주 근접하여 국지적인 신호 반사에 의한 신호 지연이 발생됨으로 인해 나타난다.
이러한 GPS의 신호는 늦은 전송주기와 신호 교란으로 인해 실시간으로 정확한 위치 및 속도 등의 상태정보를 얻기 어려워 대안이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제1046286호(2011.06.28) "GPS와 가속도 센서를 통합한 위치보정장치 및 방법"
본 발명의 목적은, GPS 신호와 가속도 정보를 이용하여 이동체의 위치 측정값을 보정하고 보정된 이동체의 위치 측정값을 이동체의 거동에 따라 추정된 위치 추정값을 통해 재보정함으로써 정확한 이동체의 상태정보를 획득할 수 있게 한 이동체의 상태정보 분석 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이동체에 설치된 GPS 수신기로부터 해당 이동체의 GPS 신호를 수신하는 단계; 상기 이동체에 설치된 가속도 센서로부터 측정된 상기 이동체의 가속도 정보를 수신하는 단계; 상기 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 수신된 가속도 정보를 융합하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 단계; 및 상기 이동체의 동적 거동에 따른 위치 추정값과 상기 보정된 위치 측정값의 오차를 이용하여 보정된 상기 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법이 제공된다.
상기 수행하는 단계는 상기 수신된 가속도 정보의 누적 오차를 제어하기 위하여 상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호에 포함된 위치와 상기 가속도 정보의 추정된 위치의 오차가 일정범위 안에 들어오면 상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호를 상기 이동체의 위치 추정값으로 처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 방법은 상기 수행하는 단계 이전에, 상기 이동체에 설치된 자이로 센서로부터 해당 이동체의 진행 방향 또는 자세 정보를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 수행하는 단계는 상기 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 수신된 해당 이동체의 진행 방향 또는 자세 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행할 수 있다.
상기 획득하는 단계는 상기 이동체의 거동에 설정되어 있는 운동 방정식을 이용하여 해당 이동체의 x축 방향의 위치, y축 방향의 위치, x축 방향의 롤, z축 방향의 헤딩각도, 롤에 대한 속도, x축 방향의 속도, y축 방향의 속도 및 z축 방향의 속도를 포함하는 상기 위치 추정값을 산출할 수 있다.
상기 획득하는 단계는 상기 위치 측정값과 상기 위치 추정값의 오차를 계산하고, 그 오차에 업데이트되는 게인을 적용시켜 상기 이동체의 상태정보를 획득할 수 있다.
상기 미리 설정된 게인은 칼만필터의 게인일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이동체에 설치된 GPS 수신기 및 해당 이동체에 설치된 가속도 센서를 이용하여 이동체의 상태정보를 분석하는 이동체의 상태정보 분석 장치로서, 상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 가속도 센서로부터 수신된 가속도 정보를 융합하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 위치 추종부와, 상기 위치 추종부에 의해 보정된 상기 이동체의 위치 측정값과 상기 이동체의 동적 거동에 따른 위치 추정값의 오차를 이용하여 보정된 상기 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 장치가 제공된다.
상기 제어부는 칼만필터를 사용하여 상기 위치 측정값과 상기 위치 추정값간의 오차를 보정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 GPS 신호와 가속도 정보를 이용하여 이동체의 위치 측정값을 보정하고 보정된 이동체의 위치 측정값을 이동체의 거동에 따라 추정된 위치 추정값을 통해 재보정함으로써 정확한 이동체의 상태정보를 획득할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 GPS 신호의 불안정한 요소를 저가의 가속도 센서로 보완할 수 있고, 각종 이동하는 물체의 위치, 속도, 자세정보를 얻어 센서정보의 신뢰성 확보와 정밀성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치를 설명하기 위한 도면, 그리고
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치의 분석방법을 설명하기 위한 동작 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치는 GPS 위성으로부터 이동체의 GPS 신호를 수신하는 GPS 수신기(10)와, 이동체의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서(15)와, GPS 수신기(10)의 GPS 신호와 가속도 센서(15)의 가속도정보를 이용하여 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 위치 추종부(20)와, 위치 추종부(20)에 의해 보정된 이동체의 위치 측정값과 이동체의 거동에 따른 운동방정식을 이용하여 계산된 위치 추정값과의 오차를 보정하여 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 제어부(30)를 포함하여 구성된다.
이동체는 선박 뿐만 아니라, 미사일 등의 이동물체이다.
GPS 수신기(10)는 GPS 위성으로부터 수신받은 현재 위치와 시간을 위치 추종부(20)로 보낸다.
가속도 센서(15)는 3축 방향, 즉 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향의 가속도를 측정하고, 측정된 가속도를 위치 추종부(20)로 보낸다. 가속도 센서(15)에 의해 측정된 가속도를 통해 시간 변화에 따른 위치/자세정보를 획득할 수 있다.
가속도 센서(15)는 저가로, 정확도를 향상시킬 수 있도록 이동체에 복수개 설치되는 것이 바람직하다.
위치 추종부(20)는 GPS 수신기(10)와 가속도 센서(15)로부터 측정된 값을 이용하여 센서값의 융합을 위한 보정을 하여 이동체의 위치 측정값에 대한 위치, 속도, 가속도 정보를 구한다. 위치 측정값은 GPS 신호와 IMU 센서(미도시)를 통해 보정된 측정값일 수 있다.
이러한 위치 추종부(20)는 이동체의 거동에 설정되어 있는 운동 방정식을 이용하여 해당 이동체의 x축 방향의 위치, y축 방향의 위치, x축 방향의 롤, z축 방향의 헤딩각도, 롤에 대한 속도, x축 방향의 속도, y축 방향의 속도 및 z축 방향의 속도를 포함하는 상기 위치 추정값을 산출할 수 있다.
위치 추종부(20)는 가속도 센서(15)의 누적 오차를 제어하기 위해 GPS 신호와 추정된 가속도 센서의 위치의 오차가 일정 범위안에 들어올 때 위치 추정값을 GPS 신호로 처리하여 센서의 누적 오차를 없앨 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치는 진행방향이나 자세정보를 획득하기 위해 자이로 센서(17)를 추가할 수 있다.
자이로 센서(17)로부터 감지된 진행방향이나 자세정보를 수신한 위치 추종부(20)는 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 추가할 수 있다.
제어부(30)는 이동체의 동적 거동과 확률적인 오차를 이용하여 위치 추정값을 계산한다. 위치 추정값은 다수의 확률론적 샘플링을 통해 센서의 오차/오류 또는 정밀도에 대한 보완을 할 수 있다.
동적 모델을 통한 위치 추정값은 아래의 수학식 1을 통하여 추정될 수 있으나, 이동체의 특성에 따라 적용되는 운동방정식이 다를 수 있다.
Figure pat00001
여기서, A는 시스템 모델링을 통해서 얻어지는 이동체 matrix, B는 시스템 모델링을 통해서 얻어지는 제어입력 matrix, u는 제어입력변수(예를 들면, x축 방향으로 힘, Y 방향으로의 힘, 모멘트와 같은 제어명령), W는 시스템 모델링의 오차이다.
제어부(30)는 위치 추종부(20)에 의해 보정된 이동체의 위치 측정값과 이동체의 거동에 따라 계산된 이동체의 위치 추정값간의 오차를 이용하여 이동체의 위치, 속도 및 방향 정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 보정한다.
더 설명하면 제어부(30)는 이동체의 위치 측정값(zm), 이동체의 위치 추정값(zh) 및 게인(K)을 하기의 수학식 2에 대입시켜 이동체의 상태정보(xk)를 계산한다. 이때, 게인(gain)은 칼만필터의 게인으로 한정하고 있으나, 다른 필터를 사용할 수 있다. 이와 같은 게인은 위치 측정값 또는 위치 추정값을 신뢰할지에 대한 게인으로 업데이트된다. 게인은 수학식 3에 의해 계산된다.
Figure pat00002
여기서, k는 time step이다.
Figure pat00003
여기서, P는 위치 추정값의 정확성에 대한 척도이고, H는 시스템 모델링을 통해서 얻어지는 출력 매트리스이고, HT는 H의 전치행렬값이며, R은 GPS 신호 및 가속도 정보에 포함된 노이즈를 모델링한 값이다.
이와 같은 이동체의 상태정보 분석 장치를 이용하여 이동체의 상태정보를 분석하는 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치의 분석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 이동체의 상태정보 분석 장치는 초기 이동체의 자세를 설정한다(S11).
이후, 이동체의 상태정보 분석 장치에 포함된 위치 추종부(20)는 GPS 수신기(10)로부터 수신된 GPS 신호를 수신(S12)하고, 가속도 센서(15)로부터 측정된 가속도 정보를 수신(S14)하며, 자이로센서(17)로부터 측정된 자세정보를 수신(S16)한다.
위치 추종부(20)는 수신된 GPS 신호, 가속도 정보 및 자세정보를 이용하여 이동체의 측정값에 대한 보정을 수행한다(S17). 위치 추종부(20)는 GPS 수신기(10)로부터 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 가속도 정보에 기반하여 추종된 위치정보간의 오차가 일정범위 안에 있으면 GPS 신호를 이동체의 위치 측정값으로 하고, 일정범위를 벗어나는 경우의 가속도 정보에 기반하여 추종된 위치정보를 반영하여 이동체의 위치 측정값을 보정한다.
이동체의 상태정보 분석 장치에 포함된 제어부(30)는 초기 이동체의 자세 설정에 기반하여 이동체의 동적 거동에 따른 이동체의 위치 추정값을 계산한다(S13).
상술된 S13 단계는 후술하는 S19 단계 이전에 수행되면 구현 가능하다.
제어부(30)는 상술된 S17 단계에서 보정된 위치 측정값과 상술된 S13 단계에서 계산된 위치 추정값을 이용하여 위치 측정값과 위치 추정값간의 오차를 계산한다(S19).
제어부(30)는 위치 측정값과 위치 추정값간의 오차와 업데이트된 게인을 상술된 수학식 2에 적용시켜 이동체의 상태정보를 획득한다(S21).
이와 같이 이동체의 GPS 신호와 이동체의 가속도정보, 나아가 이동체의 자세정보를 반영하여 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하고 보정된 위치 측정값과 이동체의 거동에 따른 위치 추정값간의 오차를 통해 재보정을 함으로써 실시간으로 이동체의 상태정보를 정확하게 획득할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : GPS 수신기 15 : 가속도 센서
17 : 자이로 센서 20 : 위치 추종부
30 : 제어부

Claims (8)

  1. 이동체에 설치된 GPS 수신기로부터 해당 이동체의 GPS 신호를 수신하는 단계;
    상기 이동체에 설치된 가속도 센서로부터 측정된 상기 이동체의 가속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 수신된 가속도 정보를 융합하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 단계; 및
    상기 이동체의 동적 거동에 따른 위치 추정값과 상기 보정된 위치 측정값의 오차를 이용하여 보정된 상기 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수행하는 단계는
    상기 수신된 가속도 정보의 누적 오차를 제어하기 위하여 상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호에 포함된 위치와 상기 가속도 정보의 추정된 위치의 오차가 일정범위 안에 들어오면 상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호를 상기 이동체의 위치 추정값으로 처리하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수행하는 단계 이전에,
    상기 이동체에 설치된 자이로 센서로부터 해당 이동체의 진행 방향 또는 자세 정보를 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수행하는 단계는 상기 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 수신된 해당 이동체의 진행 방향 또는 자세 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 획득하는 단계는 상기 이동체의 거동에 설정되어 있는 운동 방정식을 이용하여 해당 이동체의 x축 방향의 위치, y축 방향의 위치, x축 방향의 롤, z축 방향의 헤딩각도, 롤에 대한 속도, x축 방향의 속도, y축 방향의 속도 및 z축 방향의 속도를 포함하는 상기 위치 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 획득하는 단계는 상기 위치 측정값과 상기 위치 추정값의 오차를 계산하고, 그 오차에 업데이트되는 게인을 적용시켜 상기 이동체의 상태정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 게인은 칼만필터의 게인인 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 방법.
  7. 이동체에 설치된 GPS 수신기 및 해당 이동체에 설치된 가속도 센서를 이용하여 이동체의 상태정보를 분석하는 이동체의 상태정보 분석 장치로서,
    상기 GPS 수신기로부터 수신된 GPS 신호에 포함된 위치정보와 상기 가속도 센서로부터 수신된 가속도 정보를 융합하여 상기 이동체의 위치 측정값에 대한 보정을 수행하는 위치 추종부와,
    상기 위치 추종부에 의해 보정된 상기 이동체의 위치 측정값과 상기 이동체의 동적 거동에 따른 위치 추정값의 오차를 이용하여 보정된 상기 이동체의 위치, 속도 및 방향정보 중 적어도 하나를 포함하는 상태정보를 획득하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는 칼만필터를 사용하여 상기 위치 측정값과 상기 위치 추정값간의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 이동체의 상태정보 분석 장치.
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