KR20190003916A - Inertial sensor unit caliberation method for navigation - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an inertial sensor calibration method for navigation, determining a driving section of a vehicle with improved open key and satellite sensitivity using a detailed map database to correct errors accumulated as time goes, and performing acceleration sensor calibration in real time with a weighting component using a ratio of NMEA speed information and an acceleration speed integration value in the section. Moreover, a gyro sensor is calibrated through tilt angle calculation and compensation matrix generation using the corrected acceleration sensor value. Accordingly, errors accumulated as time goes and mounting angle errors are corrected to reduce heading and distance errors so that dead reckoning (DR) performance can be improved.

Description

항법용 관성센서 캘리브레이션 방법{Inertial sensor unit caliberation method for navigation}[0001] The present invention relates to an inertial sensor unit caliberation method for navigation,

본 발명은 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 시간에 따라 누적되는 오차를 보정하기 위해 정밀지도 데이터베이스를 이용하여 개활지(open sky) 및 위성 감도가 좋은 차량의 주행 구간을 판단하고, 그 구간에서 NMEA 속도 정보와 가속도 센서 적분값의 비율을 이용한 가중치 성분으로 가속도 센서 캘리브레이션을 실시간으로 수행한다. 그 보정된 가속도 센서 값을 이용하여 틸트 각 연산 및 보상 매트릭스 생성을 통해 자이로 센서를 캘리브레이션하여 시간에 따라 누적되는 오차 및 장착각 오차를 보정함으로써 헤딩 및 거리 오차를 감소시켜 DR(Dead Reckoning) 성능을 개선하기 위한 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calibrating a navigation inertial sensor and, in order to correct an accumulated error over time, a traveling section of a vehicle having an open sky and a satellite sensitivity is determined using a precision map database, Acceleration sensor calibration is performed in real time as a weight component using ratio of NMEA speed information and acceleration sensor integration value. The gyro sensor is calibrated through the tilt angle calculation and the compensation matrix generation by using the corrected acceleration sensor value to correct the accumulated error and the mounting angle error over time, thereby reducing the heading and distance error, thereby improving the DR (Dead Reckoning) And more particularly, to a method for calibrating a navigation inertial sensor.

일반적으로 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 이용한 항법 시스템이 널리 사용되고 있다. 하지만, 이러한 항법 시스템은 GNSS 신호가 수신되지 않는 경우에 위치 정보를 알기 어렵기 때문에 관성센서를 이용하는 항법 시스템 또는 관성센서와 GNSS를 같이 이용하여 차량의 위치정보를 알아내는 항법 시스템이 개발되었다.In general, a navigation system using a Global Navigation Satellite System (GNSS) signal is widely used. However, since this navigation system does not know the position information when the GNSS signal is not received, a navigation system that uses the inertial sensor or the inertial sensor and the GNSS together to obtain the position information of the vehicle has been developed.

이러한 항법 시스템은 IMU(Inertial Measurement Unit)라 불리우는 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기반의 관성센서를 이용하여 이동체의 위치를 추정할 수 있다. 이러한 항법 시스템은 소정의 항법 계산 알고리즘을 이용하여 이동체의 위치정보를 알아내는데, 이때 위치 정보는 상기 IMU에 획득된 관성 데이터(예컨대, 가속도, 각속도 등)를 적분하여 원하는 물리량을 얻을 수 있다.This navigation system can estimate the position of a moving object by using an inertial sensor based on a MEMS (Microelectromechanical Systems) called an Inertial Measurement Unit (IMU). In this navigation system, the position information of the moving object is obtained using a predetermined navigation calculation algorithm. In this case, the position information can be obtained by integrating inertia data (e.g., acceleration, angular velocity, etc.) obtained in the IMU.

관성 항법 시스템은 차량의 자세, 속도, 위치의 정보를 계산하기 위해, 항법 계산 알고리즘(Navigation Algorithm)을 사용하는데, 상기 항법 계산 알고리즘은 동체 좌표계(Body Frame)의 관성측정장치(IMU)로 부터 출력되는 센서 출력 값을 이용한다. 3축 가속도계(Accelerometer)와 3축 자이로(Gyro)로 구성된 관성측정장치(IMU)의 좌표계는 차량의 동체 좌표계(Body frame)와 정확히 일치하도록 장착해야 한다는 가정이 깔려 있다.The inertial navigation system uses a navigation algorithm to calculate the information of the attitude, speed and position of the vehicle. The navigation calculation algorithm is used to calculate an output from the inertia measurement unit (IMU) of the body frame The sensor output value is used. The assumption is that the coordinate system of the inertial measurement unit (IMU), which consists of a three-axis accelerometer and a three-axis gyro, should be mounted exactly in line with the vehicle's body frame.

그러나, 차량에 장착된 관성측정장치(IMU)의 경우, 눈대중으로 대충 맞추거나 차량의 이동 및/또는 진동에 의해 동체좌표계와 센서 좌표계 사이에 틀어짐이 발생할 수 있으며, 이러한 틀어짐은 차량의 자세, 속도, 및/또는 위치의 정보를 계산하는데 오류 또는 부정확성을 가져온다.However, in the case of an inertial measurement unit (IMU) mounted on a vehicle, there is a possibility that there is a deviation between the body coordinate system and the sensor coordinate system due to a close coincidence in the snow or a movement and / or vibration of the vehicle. , ≪ / RTI > and / or location information.

이러한 오류 또는 부정확성을 개선하기 위한 기술로서는 대한민국 공개특허 제2011-0130775호의 '센서 프레임 캘리브레이션을 이용한 항법 시스템 및 그 제공방법'이 제안되었으며, 이를 도 1에 도시하였다.As a technique for improving such errors or inaccuracies, a navigation system using sensor frame calibration and a method for providing the same is proposed in Korean Patent Publication No. 2011-0130775, which is shown in FIG.

도 1(a)를 참조하면, 이동체의 동역학 상태가 평면상에 정지한 상태인 경우(S10) 원칙적으로 IMU에 포함된 가속도 센서의 출력값은 z축 방향으로만 존재하여야 한다. 하지만 센서 좌표계가 틀어진 경우, 리브레이션 모듈이 상기 IMU에 포함된 가속도 센서로부터 관성데이터를 수신하면(S11), 롤 각과 피치 각의 틀어짐 정보를 얻을 수 있다(S12).Referring to FIG. 1 (a), when the dynamic state of the moving object is stationary on a plane (S10), the output value of the acceleration sensor included in the IMU should exist only in the z-axis direction. However, if the sensor coordinate system is wrong, the revolving module receives the inertia data from the acceleration sensor included in the IMU (S11), and obtains roll angle and pitch angle deviation information (S12).

또한, 도 1(b)를 참조하면, 센서 프레임 캘리브레이션을 이용한 항법 시스템에서 요(yaw) 각에 대한 틀어짐 정보는 직선 주행을 수행하면서 얻을 수 있다. 즉, 차량의 동역학 상태가 직선 주행 상태인 경우(S21), 캘리브레이션 모듈은 GPS 모듈로부터 GPS 데이터를 수신하고, IMU로부터 관성데이터를 수신할 수 있다(S22). 수신된 GPS 데이터에서 속도를 미분하여 전방방향(x축 방향) 가속도를 구할 수 있다.In addition, referring to FIG. 1 (b), in the navigation system using the sensor frame calibration, the yaw angle information can be obtained while performing the straight running. That is, if the dynamic state of the vehicle is a straight running state (S21), the calibration module may receive GPS data from the GPS module and receive inertial data from the IMU (S22). The forward direction (x-axis direction) acceleration can be obtained by differentiating the speed from the received GPS data.

이러한 종래의 기술은 정지 상태와 직선주행 상태인 경우에 각각의 틀어짐 정보를 이용하여 센서 좌표계의 틀어짐을 캘리브레이션할 수 있어서 항법 시스템의 위치정보의 정확성을 높이고 이를 통해 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.This conventional technique can calibrate the deformation of the sensor coordinate system using the respective deformation information in the case of the stop state and the straight running state, thereby improving the accuracy of the position information of the navigation system and improving the overall performance thereof have.

그러나, 이러한 종래의 기술은 이동체인 차량의 정지 상태와 직선주행 상태인 경우를 감안하여 센서 좌표계의 틀어짐을 캘리브레이션함으로써, 저가의 관성센서를 사용하는 경우 고가의 관성센서를 사용하는 것보다 캘리브레이션의 주기를 빠르게 하여야 함에도 불구하고 차량의 정지 상태의 경우를 포함하여야만 캘리브레이션이 가능하다는 불편함이 존재한다.However, this conventional technique calibrates the shift of the sensor coordinate system in consideration of the case where the vehicle is in a stationary state and a straight running state as a moving vehicle, so that, when a low-cost inertial sensor is used, There is an inconvenience that calibration can be performed only when the vehicle is in a stopped state.

또한, 이러한 관성센서에 의한 차량의 위치 오차는 운전자가 직접 차량을 운전하는 경우에는 무시될 수준의 위치 오차에 해당되지만, 운전자가 아닌 자율주행이 가능한 차량인 경우에는 위치 오차에 의하여 심각한 상황을 초래할 수 있다.In addition, the position error of the vehicle caused by the inertial sensor corresponds to a position error that is negligible when the driver directly drives the vehicle. However, in the case of a vehicle capable of autonomous driving other than the driver, the position error causes a serious situation .

상기와 같은 종래 기술의 불편함을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 캘리브레이션된 가속도 센서 값을 틸트 각 연산 및 보상 매트릭스 생성을 통해 자이로 센서를 캘리브레이션함으로써 시간에 따라 누적되는 오차 및 장착 각 오차를 보정함으로써 헤딩 및 거리 오차를 감소시켜 DR(Dead Reckoning) 성능을 개선하기 위한 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned inconveniences of the prior art, the present invention has been developed to calibrate the gyro sensor by calibrating the calibrated acceleration sensor value through a tilt angle calculation and a compensation matrix generation, thereby correcting errors accumulated in time and mounting angle errors The objective is to improve the DR (Dead Reckoning) performance by reducing heading and distance error.

또한, 본 발명은 시간에 따라 누적되는 오차를 보정하기 위해 정밀지도 데이터베이스를 이용하여 개활지(open sky) 및 위성 감도가 좋은 차량의 주행 구간을 판단하고, 그 구간에서 NMEA(National Marine Electronics Association) 속도 정보와 가속도 센서 적분값의 비율을 이용한 가중치 성분으로 가속도 센서 캘리브레이션을 실시간으로 수행하기 위한 또 다른 목적이 있다.In order to correct accumulated errors over time, the present invention uses a precise map database to determine a running section of a vehicle having a good open sky and a high satellite sensitivity, and a NMEA (National Marine Electronics Association) speed Another object of the present invention is to perform acceleration sensor calibration in real time as a weight component using a ratio of information and an acceleration sensor integral value.

본 발명의 상기 목적은 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법에 있어서, GNSS에서 수신된 위치정보를 이용한 차량의 속도정보에 의하여 가속도 센서를 캘리브레이션하는 가속도 센서 캘리브레이션 단계; 상기 가속도 센서값을 이용한 틸트 각 연산단계; 상기 틸트 각을 이용하여 보상 매트릭스를 생성하는 단계; 및 자이로 센서를 캘리브레이션 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법에 의해 달성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of calibrating an inertial sensor for navigation, the method comprising: an acceleration sensor calibration step of calibrating an acceleration sensor based on vehicle speed information using position information received from a GNSS; A tilt angle calculating step using the acceleration sensor value; Generating a compensation matrix using the tilt angle; And a step of calibrating the gyro sensor. ≪ IMAGE >

따라서, 본 발명의 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법은 캘리브레이션된 가속도 센서 값을 틸트 각 연산 및 보상 매트릭스 생성을 통해 자이로 센서를 캘리브레이션함으로써 시간에 따라 누적되는 오차 및 장착 각 오차를 보정함으로써 헤딩 및 거리 오차를 감소시켜 DR(Dead Reckoning) 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the inertial sensor calibration method of the present invention calibrates the gyro sensor by calibrating the calibrated acceleration sensor value through the tilt angle calculation and the compensation matrix generation, thereby correcting the accumulated error and the mounting angle error over time, And the DR (Dead Reckoning) performance can be improved.

또한, 본 발명은 정밀지도 데이터베이스를 이용하여 개활지 및 위성 감도가 좋은 차량의 주행 구간을 판단하여, 그 구간에서 NMEA 속도 정보와 가속도 센서 적분값의 비율을 이용한 가중치 성분으로 가속도 센서 캘리브레이션을 실시간으로 수행할 수 있는 또 다른 효과가 있다.In addition, the present invention uses a precise map database to determine a running section of a vehicle having good open and satellite sensitivity, and performs acceleration sensor calibration in real time as a weight component using the ratio of the NMEA speed information and the acceleration sensor integral value in the section There is another effect you can do.

도 1은 종래의 기술에 따른 센서 프레임 캘리브레이션을 이용한 항법 시스템 제공방법의 개요도,
도 2는 본 발명에 따른 자이로 센서 캘리브레이션 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 가속도 센서 캘리브레이션 순서도이다.
1 is a schematic diagram of a method for providing a navigation system using a sensor frame calibration according to a conventional technique,
2 is a flowchart of a gyro sensor calibration according to the present invention,
3 is a flowchart of acceleration sensor calibration according to the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른자이로 센서 캘리브레이션 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법은 GNSS에서 수신된 위치정보를 이용한 차량의 속도정보에 의하여 가속도 센서를 캘리브레이션 하며(S100), 캘리브레이션 된 가속도 센서 값을 이용하여 틸트 각을 연산한다(S102).2 is a gyro sensor calibration flowchart according to the present invention. As shown in FIG. 2, the navigation inertial sensor calibration method of the present invention calibrates an acceleration sensor based on vehicle speed information using position information received from a GNSS (S100), and then, using the calibrated acceleration sensor value, (S102).

여기서, 틸트 각은 관성센서의 장착 각을 의미하며 피치(pitch)와 롤(roll) 값을 의미하며, 다음의 [식 1]로 표현이 가능하다.Here, the tilt angle means the mounting angle of the inertial sensor, which means pitch and roll values, and can be expressed by the following expression (1).

[식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, Ax1, Ay1, Az1는 가속도 센서 값이다.Here, Ax1, Ay1, Az1 are acceleration sensor values.

이후, 연산된 틸트 각을 이용하여 [식 2]의 보상 매트릭스를 생성하여(S103), 이러한 보상 매트릭스를 이용하여 자이로 센서를 캘리브레이션 한다(S104).Then, the compensation matrix of [Equation 2] is generated using the calculated tilt angle (S103), and the gyro sensor is calibrated using this compensation matrix (S104).

[식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, θ : : Pitch, φ : Roll, 가속도 센서 값 : (Ax1, Ay1, Az1), 보상매트릭스 : Ctilt이다.Here, θ: Pitch, φ: Roll, acceleration sensor values: (Ax1, Ay1, Az1), and compensation matrix: Ctilt.

도 3은 본 발명에 따른 가속도 센서 캘리브레이션 순서도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가속도 센서 캘리브레이션(S100)은 GNSS 수신기에 수신된 NMEA 속도정보와 상기 가속도 센서의 속도를 정보를 비교하여 가중치 정보를 추출하여 저장한다(S202).3 is a flowchart of acceleration sensor calibration according to the present invention. 3, the acceleration sensor calibration S100 extracts and stores weight information by comparing the NMEA speed information received by the GNSS receiver with the speed information of the acceleration sensor (S202).

이러한 가중치 정보는 NMEA 속도 정보를 기준값으로 하여 가속도 센서의 가속도 데이터 적분 정보와의 상대비율에 의하여 산출된다.The weighting information is calculated based on the relative ratio of acceleration data integration information of the acceleration sensor to the NMEA speed information as a reference value.

이후 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 임계값 이상인지 판단하여(S203), 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 상기 임계값 이상인 경우 가중치 정보를 평균하여 가중치 평균값을 산출한다(S204).If the number of weight information is greater than or equal to the preset threshold value, the weight information is averaged to calculate a weighted average value (S204).

여기서, 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 상기 임계값 이하인 경우에는 표본의 갯수 부족으로 인하여 평균 산출 오차가 발생하며, 이를 개선하기 위하여 정밀지도 데이터베이스를 이용하여(S101) 가중치 정보를 추가로 추출하여 가속도 센서 캘리브레이션을 수행하며(S100), 추가로 추출되는 가중치 정보는 정밀지도 데이터베이스에서 개활지 및 GNSS 수신 감도가 양호한 가중치 추출 지역을 판단하여 추출된다.Here, if the number of weight information is less than or equal to the preset threshold value, an average calculation error occurs due to the insufficient number of samples. To improve this, the weight information is further extracted (S101) Sensor calibration is performed (S100), and weight information extracted further is extracted by determining a weight extraction area having a good open space and good GNSS reception sensitivity in the accurate map database.

여기서, 가중치 추출 지역은 직진 주행시간이 임계값 이상인 고속도로 또는 교량인 것이 더욱 바람직하다.Here, it is more preferable that the weight extraction area is a highway or a bridge having a straight running time equal to or greater than a threshold value.

이후, 산출된 가중치 정보 평균값에 의하여 가속도 센서의 스케일을 보정하여(S205), 가속도 센서 스케일 오차로 인해 발생할 수 있는 거리 오차를 감소시키는 것이 가능하게 된다.Thereafter, the scale of the acceleration sensor is corrected based on the calculated weight information average value (S205), thereby reducing the distance error that may occur due to the acceleration sensor scale error.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.

Claims (7)

항법용 관성센서 캘리브레이션 방법에 있어서,
GNSS에서 수신된 위치정보를 이용한 차량의 속도정보에 의하여 가속도 센서를 캘리브레이션하는 가속도 센서 캘리브레이션 단계;
상기 가속도 센서값을 이용한 틸트 각 연산단계;
상기 틸트 각을 이용하여 보상 매트릭스를 생성하는 단계;
자이로 센서를 캘리브레이션 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법.
A navigation inertial sensor calibration method comprising:
An acceleration sensor calibration step of calibrating the acceleration sensor based on the vehicle speed information using the position information received from the GNSS;
A tilt angle calculating step using the acceleration sensor value;
Generating a compensation matrix using the tilt angle;
And calibrating the gyro sensor. ≪ Desc / Clms Page number 20 >
제1항에 있어서,
상기 가속도 센서 캘리브레이션 단계는
GNSS 수신기에 수신된 NMEA 속도정보와 상기 가속도 센서의 속도를 정보를 비교하여 가중치 정보를 추출하여 저장하는 가중치 추출 및 저장 단계;
상기 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 임계값 이상인지 판단하는 단계;
상기 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 상기 임계값 이상인 경우 상기 가중치 정보를 평균하는 평균값 산출단계; 및
산출된 상기 평균값에 의하여 상기 가속도 센서의 스케일을 보정하는 스케일 보정 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 관성센서 캘리브레이션 방법.
The method according to claim 1,
The acceleration sensor calibration step
A weight extracting and storing step of extracting and storing weight information by comparing information of the NMEA speed information received by the GNSS receiver and the speed of the acceleration sensor;
Determining whether the number of the weight information is equal to or greater than a preset threshold value;
Averaging the weight information when the number of weight information is equal to or greater than a predetermined threshold; And
And a scale correction step of correcting the scale of the acceleration sensor based on the calculated average value.
제2항에 있어서,
상기 가중치 정보는 상기 NMEA 속도 정보를 기준값으로 하여 상기 가속도 센서의 가속도 데이터 적분 정보와의 상대비율에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the weight information is calculated by a ratio of the NMEA speed information to acceleration data integration information of the acceleration sensor using the NMEA speed information as a reference value.
제3항에 있어서,
상기 가중치 정보의 갯수가 미리 설정한 상기 임계값 이하인 경우 정밀지도 데이터베이스를 이용하여 가중치 정보를 추가로 추출하는 것을 특징으로 하는 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법.
The method of claim 3,
Wherein the weight information is further extracted using the precision map database when the number of weight information is less than or equal to the preset threshold value.
제4항에 있어서,
추가로 추출되는 상기 가중치 정보는 상기 정밀지도 데이터베이스에서 개활지 및 GNSS 수신 감도가 양호한 가중치 추출 지역을 판단하여 추출되는 것을 특징으로 하는 관성센서 캘리브레이션 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the weight information extracted further is extracted from the precise map database by determining a weight extraction area having good open coverage and good GNSS reception sensitivity.
제5항에 있어서,
상기 가중치 추출 지역은 직진 주행시간이 임계값 이상인 고속도로 또는 교량인 것을 특징으로 하는 관성센서 캘리브레이션 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the weight extraction area is a highway or a bridge having a straight running time equal to or greater than a threshold value.
제1항에 있어서,
상기 틸트 각은 피치 값 및 롤 값인 것을 특징으로 하는 관성센서 캘리브레이션 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the tilt angle is a pitch value and a roll value.
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