KR20190003918A - 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법 - Google Patents

차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, GNSS 기반 추측항법 시스템은 회전구간에서 수신된 GNSS 정보를 이용하여 확장 칼만 필터로 자이로 센서의 스케일 펙터를 캘리브레이션을 하는 경우 회전구간에서 차속에 따라 회전반경이 달라지게 되어, 그로 인해 스케일 펙터 보정 오차가 누적되는 것을 방지하기 위하여 차속을 고려하여 가중치를 추출하고, 확장 칼만 필터에 적용함으로써 실시간으로 정확하게 자이로 센서를 보정할 수 있는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

Description

차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법{Sensor calibration method based on vehicle}
본 발명은 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, GNSS 기반 추측항법 시스템은 회전구간에서 수신된 GNSS 정보를 이용하여 확장 칼만 필터로 자이로 센서의 스케일 펙터를 캘리브레이션을 하는 경우 회전구간에서 차속에 따라 회전반경이 달라지게 되어, 그로 인해 스케일 펙터 보정 오차가 누적되는 것을 방지하기 위하여 차속을 고려하여 가중치를 추출하고, 확장 칼만 필터에 적용함으로써 실시간으로 정확하게 자이로 센서를 보정할 수 있는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 자이로 센서는 차량의 자세를 측정하는데 사용되거나, 내비게이션 시스템의 추측항법(Dead Reckoning)을 수행하기 위한 DR센서 중 하나로 사용된다.
이러한 차량용 자이로 센서를 포함하여 일반적인 모든 센서들에는 어느 정도의 오차가 존재할 수밖에 없기 때문에, 센서의 정밀한 측정값을 획득하기 위해 이러한 오차를 보정하는 것은 매우 중요한 과정이다.
종래 차량용 자이로 센서의 보정은 차량의 GPS 정보 이용해 획득한 차량의 진행방향(heading)을 미분하는 방식으로 수행되거나, GPS 정보를 이용해 계산된 차량의 위치와 추측항법을 통해 추측된 차량의 위치를 비교하는 방식으로 수행되었다. 그런데 자이로 센서의 보정 방식들에서 차량의 진행방향이나 차량 위치의 계산은 정확한 값을 계산하는 것이 어렵고 그 과정이 복잡하여 오차가 발생할 가능성이 크다는 문제점이 존재하였다.
또한, 추측항법을 수행하기 위해서는 지자기 센서, 차량의 바퀴 회전에 따른 펄스를 측정할 수 있는 센서 등을 별도로 구비하여야 한다는 문제점이 존재하였다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 대한민국 공개특허 제2016-0038320호의 '차량용 자이로 센서의 보정 장치 및 방법'은 도 1에 도시한 바와 같이 제어부는 먼저 차량의 각속도 및 차속을 측정하며(S200), 측정된 각속도가 기준값 이상인지 판단한다(S210). 측정된 각속도가 기준값 이상이었다면, 제어부 측정된 차속에 근거하여 차속의 변화가 제1범위 이내인지 판단하고(S220), 차속의 변화가 제1범위 이내였다면, 측정된 각속도에 근거하여 각속도의 변화가 제2범위 이내인지 판단하고(S230), 각속도의 변화가 제2범위 이내였다면, 제어부는 차량의 위치정보를 저장한다(S240).
그러나, 측정된 각속도가 기준값 이상이 아니었거나, 차속의 변화가 제1범위 이내가 아닌 경우 또는 상기 단계(S230)의 판단결과 각속도의 변화가 제2범위 이내가 아닌 경우, 제어부(100)는 저장된 차량의 위치정보가 3개 이상인지 확인한다(S250).
이후, 저장된 차량의 위치정보가 3개 이상이었다면, 제어부는 저장된 위치정보에 근거하여 차량의 선회 반경을 산출하며(S260), 산출된 차량의 선회 반경 및 차량의 차속에 근거하여 각속도 계산치를 산출한다(S270).
이후, 제어부는 산출된 각속도 계산치 및 자이로 센서를 통해 측정된 각속도를 비교하여 자이로 센서를 보정하며(S280), 저장된 차량의 위치정보가 3개 이상이 아니면 제어부는 저장된 위치정보를 초기화하며(S290), 차량의 각속도 및 차속 측정부터 다시 시작하도록 하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 기술은 차량의 위치 정보와 속도를 이용하여 각속도를 계산하며, 자이로 센서를 보정하기 위해서는 각속도를 지속적으로 산출하여야만하는 불편함이 있다.
또한, 이러한 자이로 센서를 포함하는 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.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 GNSS 기반 추측항법 시스템은 회전구간에서 수신된 GNSS 정보를 이용하여 확장 칼만필터로 자이로 센서의 스케일 펙터를 캘리브레이션을 하는 경우 회전구간에서 차속에 따라 회전반경이 달라지게 되어 그로 인해 스케일 펙터 보정 오차가 누적되는 것을 방지하기 위하여 차속을 고려하여 가중치를 추출하고, 확장 칼만필터에 적용함으로써 실시간으로 정확하게 자이로 센서를 보정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 있어서, 초기 캘리브레이션 단계; 데이터베이스로 저장된 차량 회전속도와 스케일 팩터에 의하여 가중치를 추출하는 가중치 추출단계; 상기 가중치를 확장 칼만필터에 적용하는 단계; 회전구간 차속이 임계값 이상인지 판단하여, 상기 회전구간 차속이 임계값 이상인 경우 상기 가중치를 이용한 자이로 센서의 스케일 팩터를 갱신하는 단계; 및 갱신된 상기 자이로 센서 스케일 팩터로 상기 자이로 센서를 보정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법은 GNSS 기반 추측항법 시스템은 회전구간에서 수신된 GNSS 정보를 이용하여 확장 칼만 필터로 자이로 센서의 스케일 펙터를 캘리브레이션을 하는 경우, 회전구간에서 차속에 따라 회전반경이 달라지게 되므로 스케일 펙터 보정 오차가 누적되는 것을 방지하기 위하여 차속을 고려하여 가중치를 추출하고, 확장 칼만 필터에 적용함으로써 실시간으로 정확하게 자이로 센서를 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 차량용 자이로 센서의 보정을 위한 순서도,
도 2는 회전구간에서의 차속에 따른 회전 반경 변화 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법의 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 초기 캘리브레이션 방법의 순서도이다.
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.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 회전구간에서의 차속에 따른 회전 반경 변화 설명이다. 도 2에 도시한 바과 같이 차량이 교차로 등에서 회전하는 경우 차속에 따라 차량의 회전 반경이 달라지며, 이러한 차량의 회전 반경 차이로 인하여 순간적으로 변하는 자이로 센서 값이 달라져 센서 보정 오차가 발생되게 된다.
예를 들어, 교차로에서 좌회전하는 경우 차속이 증가하면 가속성분으로 인해 차량의 주행반경이 길어져 θ2 반경이 아닌 θ1 반경으로 주행하게 된다. 이와 반대로 차속이 감소하면 차량의 주행반경이 짧아져 θ2 반경으로 주행하게 된다.
이 경우, 차량의 회전 속도에 상관없이 좌회전하는 것이므로 자이로 센서의 출력값은 90도가 되지만 차량의 회전 속도에 따라 순간 변하는 자이로 센서 값은 차이가 나타나게 되며 그 센서 값이 확장 칼만 필터로 입력되어 보정 오차를 발생시키게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법의 순서도이다. 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법은 GNSS 정보와 자이로 센서 정보가 입력되어 초기 캘리브레이션(Init Calibrication)이 수행된다(S100).
이러한 초기 캘리브레이션은 자이로 센서 스케일 팩터 값의 평균값을 연산하고, 이로 센서 스케일 팩터 값과 차량 회전속도와의 관계를 데이터베이스로 저장한다.
이후, 데이터베이스로 저장된 차량 회전속도와 스케일 팩터에 의하여 가중치(weighting factor)를 추출하며(S101), 가중치 추출은 데이터베이스에 저장된 상기 스케일 팩터값과 차량의 회전구간 차속 관계에서 회전구간 차속 최대값과 최소값에 대응하는 자이로 센서 스케일 팩터간 증가비율을 계산하고, 증가비율에 의하여 회전구간 차속에 대응하는 가중치를 추출한다.
이와 같이 추출된 가중치는 확장 칼만 필터에 적용되며(S102), 확장 칼만 필터는 GNSS 정보, 자이로 센서 출력값, 가중치 정보를 이용하여 차량의 위치 정보 및 자이로 센서를 보정하도록 한다.
이후, 차량의 회전구간 차속이 임계값 이상인지 판단하여(S103), 회전구간 차속이 임계값 이상인 경우 가중치를 이용하여 자이로 센서의 스케일 팩터를 갱신한다(S105).
이 경우, 스케일 팩터의 갱신은 차량의 회전구간 차속 최소값에 해당하는 자이로 센서 스케일 팩터와 최대값에 해당하는 자이로 스케일 팩터를 이용하여 연산된 가중치로 회전구간 차속에서 임계값을 뺀 만큼의 가중치를 적용하여 자이로 센서의 스케일 팩터를 보정하도록 한다.
이를 예시하면, 임계값이 20km/h이고 회전구간에서의 차속이 40km/h라면 차속 최저값의 자이로 스케일 팩터와 차속 최대값의 자이로 스케일 팩터를 이용하여 연산된 가중치로 차속에서 임계값인 20km/h를 뺀 20km/h만큼의 가중치를 적용하여 자이로 센서의 스케일 팩터를 보장하도록 한다.
이후, 보정된 자이로 센서 스케일 팩터를 사용하여 자이로 센서를 보정ㅎ하며(S106), 회전구간 차속이 임계값 미만인 경우(S103), 이전에 저장되어 있는 자이로 센서 스케일 팩터로 자이로 센서를 보정한다(S104).
도 4는 본 발명에 따른 초기 캘리브레이션 방법의 순서도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본원 발명의 초기 캘리브레이션(S100) 과정은 GNSS 신뢰성, 회전구간 차속 및 회전각도가 임계값 이상인지 판단하며(S110 내지 S112), GNSS 신뢰성, 회전구간 차속 및 회전각도가 임계값 이상인 경우, 자이로 센서 스케일 팩터를 연산하여 저장한다(S113).
여기서, GNSS 신뢰성은 위성수, 위성 신호의 신호 잡음 비율, 수평/수직/위치 정밀도 저하율, 수평 위치 오차를 포함하는 NMEA 프로토콜 정보를 이용하여 판단한다.
이후, 저장된 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 이상인지를 판단하고(S114), 저장된 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우에는 자이로 센서 스케일 팩터의 평균값을 연산(S116)한 후 자이로 센서 스케일 팩터 값과 차량 회전속도와의 관계를 데이터베이스로 저장한다(S117).
그러나, 저장된 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 미만인 경우 회전구간 차속의 임계값을 변경하여 캘리브레이션을 반복하도록 한다.
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.

Claims (9)

  1. 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법에 있어서,
    초기 캘리브레이션 단계;
    데이터베이스로 저장된 차량 회전속도와 스케일 팩터에 의하여 가중치를 추출하는 가중치 추출단계;
    상기 가중치를 확장 칼만필터에 적용하는 단계;
    회전구간 차속이 임계값 이상인지 판단하여, 상기 회전구간 차속이 임계값 이상인 경우 상기 가중치를 이용한 자이로 센서의 스케일 팩터를 갱신하는 단계; 및
    갱신된 상기 자이로 센서 스케일 팩터로 상기 자이로 센서를 보정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기 캘리브레이션 단계는 자이로 센서 스케일 팩터값의 평균값을 연산하고, 상기 자이로 센서 스케일 팩터값과 차량 회전속도와의 관계를 데이터베이스로 저장하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초기 캘리브레이션 단계는,
    GNSS 신뢰성, 회전구간 차속 및 회전각도가 임계값 이상인지 판단하는 단계;
    GNSS 신뢰성, 회전구간 차속 및 회전각도가 임계값 이상인 경우 자이로 센서 스케일 팩터를 연산하여 저장하는 단계;
    저장된 상기 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 이상인지를 판단하는 단계; 및
    상기 저장된 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 이상인 경우, 자이로 센서 스케일 팩터의 평균값을 연산하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 GNSS 신뢰성은 위성수, 위성 신호의 신호 잡음 비율, 수평/수직/위치 정밀도 저하율, 수평 위치 오차를 포함하는 NMEA 프로토콜 정보를 이용하여 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가중치 추출은 데이터베이스에 저장된 상기 스케일 팩터값과 상기 회전구간 차속 관계에서 상기 회전구간 차속 최대값과 최소값에 대응하는 상기 자이로 센서 스케일 팩터간 증가비율을 계산하고, 상기 증가비율에 의하여 상기 회전구간 차속에 대응하는 상기 가중치를 추출하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전구간 차속이 임계값 미만인 경우 이전에 저장되어 있는 상기 자이로 센서 스케일 팩터로 상기 자이로 센서를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    저장된 상기 스케일 팩터의 갯수가 미리 설정된 일정 값 미만인 경우 상기 회전구간 차속의 임계값을 변경하여 캘리브레이션을 반복하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 확장 칼만필터는 GNSS 정보, 자이로 센서 출력값, 상기 가중치 정보를 이용하여 차량의 위치 정보 및 상기 자이로 센서를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 회전구간 차속 최소값에 해당하는 상기 자이로 센서 스케일 팩터와 최대값에 해당하는 상기 자이로 스케일 팩터를 이용하여 연산된 상기 가중치로 상기 회전구간 차속에서 상기 임계값을 뺀 만큼의 상기 가중치를 적용하여 상기 자이로 센서의 스케일 팩터를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법.
KR1020170083914A 2017-06-30 2017-06-30 차량 속도 기반 자이로 센서 캘리브레이션 방법 KR20190003918A (ko)

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