KR20220081507A

KR20220081507A - 열차 위치 추적 장치

Info

Publication number: KR20220081507A
Application number: KR1020200171049A
Authority: KR
Inventors: 전성용; 손동성
Original assignee: 주식회사 에스유아이씨티
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-06-16
Also published as: KR102442965B1

Abstract

본 발명은 GPS 신호가 수신되지 않는 터널 등 음영지역에서 내부에 탑재된 6축 센서로부터 출력되는 가속도 센서의 3축 가속도 벡터 신호와 자이로 센서의 3축 각속도 신호를 이용하여 열차의 위치를 추적할 수 있는 열차 위치 추적 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 열차 위치 추적 장치는, MCU; 소정 시간 간격으로 3축 좌표의 가속도 벡터 신호를 출력하는 가속도 센서와, 3축 좌표의 각속도 신호를 출력하는 자이로 센서를 포함하는 6축 센서; 상기 MCU가 시스템 업그레이드 및 자가 진단 기능을 수행하도록 외부 제어기기와 연결되는 시리얼 통신 모듈; 및 현재 GPS 위치 정보를 수신하여 상기 MCU에 전달하는 GPS 리시버를 포함한다.

Description

열차 위치 추적 장치{TRAIN LOCATION TRACKING DEVICE}

본 발명은 열차 위치 추적 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS 신호가 수신되지 않은 터널지역에서 장치 평면과 중력 평면의 기울기를 보정한 기울기 보정치를 이용하여 열차의 위치를 추적할 수 있는 열차 위치 추적 장치에 관한 것이다.

열차 위치 추적은 역과 역 사이에서는 열차의 간격을 제어하기 위해, 그리고 역내에서는 열차의 진로를 제어하기 위해 요구되는 가장 중요한 정보로서, 철도와 같이 안전성과 신뢰성이 최우선으로 고려되는 상황에서는 열차에 탑재되는 이동무선국의 크기, 소비전력 그리고 비용 등과 같은 요소보다는 위치 추적의 정밀도가 가장 중요하며, 경량 전철과 같은 무인운전시스템에서는 각 철도차량의 위치를 정확히 파악하여야만 이를 유기적으로 제어하여 효율적인 운영이 가능하도록 되어 있다.

LTE-R(Long Term Evolution - Railway)는 국제 이동통신 표준단체인 3GPP에서 정의한 4세대 고속 데이터 이동 통신 규격인 LTE를 철도 운영에 적합하게 개발한 통신규격이며, 음성통신, 데이터, 영상전송, 열차 신호 제어 및 열차 위치 추적 등에 활용되고 있다. 국내에서는 세계 최초로 2015년부터 부산 지하철 1호선에 지난 30년간 사용하여 노후화된 VHF /TRS 기반 통신망을 LTE-R망으로 교체 구축하고 있으며, 국토교통부에서는 2025년까지 전국 철도 구간을 LTE-R로 교체할 계획을 공표하였고, 유럽 역시 2020년 상용화를 목표로 LTE-R 개발을 추진 중에 있다. 따라서 LTE-R은 이제 시작되는 사업에 해당하며, 향후 국내 및 세계 시장규모는 매우 크다고 할 수 있다.

한편, 종래 VHF /TRS 무선망에서 사용되었던 열차 위치 추적 방법은 선로의 일정 간격마다 설치된 위치 센서를 이용하였으며, 높은 정확도를 위해서는 위치 센서를 좁은 간격으로 촘촘하게 설치해야 하는바, 별도의 H/W구매, 인프라 구축 및 유지보수 비용이 많이 소비되는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 단점들을 극복할 수 있는 LTE-R기반의 열차 위치 추적 방법이 제안되었다.

현재 LTE-R 기반의 열차 위치 추적 방법은 기지국 중계기의 Cell ID 방법과 GPS(Global Positioning System) 방법이 사용되고 있다. 그러나 기지국 중계기의 Cell ID 방법은 셀 반경을 이용하므로 정확도가 매우 떨어지며, GPS 방법은 지하 터널이나 산악 및 계속 등과 같은 지역에서 위성과의 LOS(Line Of Sight) 환경이 확보되지 않을 경우 정상 동작이 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 종래 VHF /TRS 무선망의 열차 위치 추적 방법의 문제점을 해결할 수 있음과 동시에 현재 LTE-R 기반의 열차 위치 추적 방법인 기지국 중계기의 Cell ID 방법과 GPS(Global Positioning System) 방법의 문제점을 해결할 수 있는 새롭고 진보적인 열차 위치 추적 방법이 요구된다.

특허등록 10-0577972호 터널 안에서의 차량의 위치 추적시스템 및 그 제어방법 특허공개 10-2017-0141366호 열차 위치 추적 방법

본 발명은 GPS 신호가 수신되지 않는 터널 등 음영지역에서 내부에 탑재된 6축 센서로부터 출력되는 가속도 센서의 3축 가속도 벡터 신호와 자이로 센서의 3축 각속도 신호를 이용하여 열차의 위치를 추적할 수 있는 열차 위치 추적 장치를 제공함에 목적이 있다.

본 발명에 따른 열차 위치 추적 장치는, MCU; 소정 시간 간격으로 3축 좌표의 가속도 벡터 신호를 출력하는 가속도 센서와, 3축 좌표의 각속도 신호를 출력하는 자이로 센서를 포함하는 6축 센서; 상기 MCU가 시스템 업그레이드 및 자가 진단 기능을 수행하도록 외부 제어기기와 연결되는 시리얼 통신 모듈; 및 현재 GPS 위치 정보를 수신하여 상기 MCU에 전달하는 GPS 리시버를 포함한다.

바람직하게는, 상기 MCU는, 열차의 정지 상태에서 장치 평면을 설정하고, 중력 평면과 상기 장치 평면 사이의 기울기를 계산하는 열차 정지 단계; 상기 열차의 진행 상태에서 중력 축에 대한 보정 가속도를 계산하는 열차 진행 단계; 상기 열차가 경사진 상태로 진행 중일 때, 위도에 대한 기울기와 고도에 대한 경사각을 계산하는 열차 경사 진행 단계; 및 상기 열차가 GPS 위치 정보를 수신할 수 없는 상태로 진행 중일 때, 상기 3축 좌표의 각속도 신호를 이용하여 GPS 좌표를 추정하는 좌표 추정 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 열차 정지 단계는, GPS 위치 정보를 수신할 수 있는 지역에서 상기 열차가 정지된 상태일 때, 상기 장치의 상태 레벨을 초기 상태로 설정하는 단계; 상기 상태 레벨이 초기 상태인지 판단하는 단계; 상기 상태 레벨이 초기 상태이면, 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A 중 z1을 이용하여 중력축에 가까운 Z축을 장치 중력축으로 설정하고, 상기 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A 중 x1 가속도 벡터와, y1 가속도 벡터에 의해 형성되는 면을 장치 평면으로 설정하는 단계; 중력 평면에 대한 상기 장치 평면의 기울기를 X, Y, Z축 각각에 대하여 계산하여 기울기 보정치를 산출하는 단계; 및 상기 장치의 상태 레벨을 진행 상태로 설정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 열차 진행 단계는, 상기 장치의 상태 레벨이 진행 상태인지를 판단하는 단계; 상기 GPS Receiver에 수신되는 일련의 GPS 위치 정보를 이용하여 상기 열차가 진행하는지 판단하는 단계; 열차가 진행 상태로 판단되면, 상기 6축 센서로부터 수신되는 제1 각속도 신호(r1, q1, h1) 중 Z축에 대응하는 제1 H축 각속도를 자이로 센서의 회전각으로 선택하는 단계; 상기 장치 중력축인 Z축에 상기 장치 평면의 기울기 보정치를 적용하여 중력축 보정 가속도를 산출하는 단계; 상기 열차 이동시, 상기 6축 센서로부터의 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)에 상기 기울기 보정치를 반영하여 보정된 중력 평면을 계산하고, 상기 보정된 중력 평면을 기준으로 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)의 제2 X축 가속도 벡터(x2)와, 제2 Y축 가속도 벡터(y2)를 벡터합하여 전방 진행 축을 생성하는 단계; 및 상기 장치의 상태 레벨을 경사 상태로 설정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 열차 경사 진행 단계는, 상기 장치의 상태 레벨이 경사 상태인지를 판단하는 단계; 상기 경사 상태로 판단되면, 상기 자이로 회전각과, 상기 중력축 보정 가속도를 저장하는 단계; 상기 GPS 위치 정보를 이용하여 열차의 이동 속도가 소정의 기준치보다 크고, 위성의 갯수가 소정의 기준 갯수를 초과하는지를 판단하는 단계; 상기 열차의 이동 속도가 상기 기준치보다 크고, 상기 위성의 갯수가 상기 소정 갯수를 초과하면, 위도에 대한 기울기(

)를 이용하여 위도에 대한 기울기 회전각(D)을 계산하는 단계; 상기 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 상기 자이로 센서의 회전각(R)의 차이가 소정 각도 이하인지 판단하는 단계; 상기 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 상기 자이로 센서의 회전각(R)의 차이 가 소정 각도 이하이면, 위도에 대한 현재기울기와 고도 경사각을 저장하는 단계; 및 상기 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태로 설정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 좌표 추정 단계는, 상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브 상태인지를 판단하는 단계; 상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브 상태로 판단되면, GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단하는 단계; 상기 GPS 위치 정보가 수신되면, 상기 위도에 대한 현재기울기와 상기 GPS 위치 정보에 기반한 위치 좌표를 저장하는 단계; 상기 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태로 설정하는 단계; 상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브가 아니면, 터널 상태인지를 판단하는 단계; 상기 장치의 상태 레벨이 터널 상태로 판단되면, 상기 GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단하는 단계; 상기 GPS 위치 정보가 수신되지 않으면, 상기 장치의 상태 레벨을 터널 상태로 설정하는 단계; 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)를 수학식 'tilt_new = 현재기울기(

) + 자이로 센서의 수평회전각(R)'을 이용하여 계산하고, 장치 수직면에 대한 고도 경사각(Incline angle_new)을 수학식 'Incline angle_new = 고도 경사각(

) + 자이로 센서의 상하회전각(q)'을 이용하여 계산하고, 열차의 속도(v_new)를 수학식 'v_new = GPS 위치 정보에 기반한 속도(v_GPS) + 중력축 보정 가속도(Compensated acceleration value) * t(=1)'을 이용하여 계산하는 단계; 및 상기 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)와 상기 열차의 속도(v_new)를 이용하여 GPS 상의 좌표를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 열차 위치 추적 장치에 따르면, GPS 신호가 수신되지 않는 터널 등 음영지역에서 내부에 탑재된 6축 센서로부터 출력되는 가속도 3축 벡터 신호와 자이로 3축 벡터 신호를 이용하여 열차의 위치를 추적하고, 열차가 터널을 통과하여 음영지역을 이탈하는 경우에 이를 GPS 신호와 연동함으로써 열차의 위치를 시임리스하게 추적할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적 장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적용 전처리값 획득 절차도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기울기에 대한 회전각 계산 그래프, 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적 흐름도이다.

이하의 도면, 상세한 설명 및 청구범위로부터 다른 기술적 특징들이 당업자에게 자명해 보일 것이다. 그 내용은 이해를 돕기 위한 다양한 특정 세부사항들을 포함하지만, 이들은 다만 예로서 간주되어야 한다. 따라서, 당업자라면 본 개시의 범주 및 개념에서 벗어나지 않은 상태로, 여기에서 설명한 다양한 실시예들에 대한 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 또한, 잘 알려진 기능들과 구조들에 대한 설명은 명확함과 간결함을 위해 생략될 수 있다.

이하의 상세한 설명을 수행하기 전에, 이 특허 문서 전체에 걸쳐 사용된 소정 단어들과 어구들의 정의를 설명하는 것이 바람직하다. "연결(결합)한다"는 말과 그 파생어들은 둘 이상의 구성요소들이 서로 물리적 접촉 상태에 있는지 그렇지 않든지, 그들 간의 어떤 직접적이거나 간접적인 통신을 일컫는다. "전송한다", "수신한다", 그리고 "통신한다" 라는 용어들뿐 아니라 그 파생어들은 직간접적 통신 모두를 포함한다. "포함하다" 및 "구비한다"는 용어들 및 그 파생어들은 제한 없는 포함을 의미한다. "또는"이라는 말은 '및/또는'을 의미하는 포괄적인 말이다 "~와 관련된다" 및 그 파생어들은 포함한다, ~ 안에 포함된다, ~와 상호 연결한다, 내포한다, ~안에 내포된다, ~에/와 연결한다, ~에/와 결합한다, ~와 통신할 수 있다, ~와 협력한다, 개재한다, 나란히 놓는다, ~에 근사하다, ~에 속박된다, 가진다, ~의 특성을 가진다, ~와 관계를 가진다는 등의 의미이다. "제어기(컨트롤러)"라는 용어는 적어도 한 동작을 제어하는 어떤 장치, 시스템, 또는 그 일부를 의미한다. 그러한 제어기는 하드웨어나 하드웨어와 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 어떤 특정 제어기와 관련된 기능은 국지적이든 원격으로든 중앙 집중되거나 분산될 수 있다. "적어도 하나의~"라는 말은 항목들의 리스트와 함께 사용될 때, 나열된 항목들 중 하나 이상의 서로 다른 조합들이 사용될 수 있고, 그 리스트 내 오직 한 항목만이 필요로 될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나"는 (1) 적어도 한 A를 포함하거나, (2) 적어도 한 B를 포함하거나, (3) 적어도 한 A 및 적어도 한 B를 포함하는 것 모두를 나타낼 수 있다. 단수형은 관련 문맥이 명백히 다른 것을 지시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다는 것을 알아야 한다. 따라서, 예컨대 "구성요소 표면"이라는 언급은 그러한 표면들 중 하나 이상에 대한 언급을 포함한다.

본 개시의 다양한 실시예들 안에서 사용되는 "제1", "제2" 등과 같은 표현들은 순서나 중요도와는 관계없이 다양한 구성요소들을 수식할 수 있으며, 해당 구성요소들을 한정하는 것이 아니다. 상기 표현들은 단지 한 구성요소를 다른 구성요소들과 구분하기 위한 목적으로 사용된다. 예를 들어, 제1사용자 장치와 제2사용자 장치는 그 장치들 모두가 사용자 장치들이기는 하지만 서로 상이한 사용자 장치들임을 나타낸다. 예를 들어 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않고, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있다.

한 구성요소(가령, 제1구성요소)가 다른 구성요소(가령, 제2구성요소)와 "(동작 또는 통신 가능하게) 결합 및/또는 연결된다"고 언급될 경우, 이는 한 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되거나, 한 구성요소가 다른 구성요소에 또 다른 구성요소(가령, 제3구성요소)를 통해 간접적으로 연결된다고 해석될 수 있다. 이와 달리, 어떤 구성요소(가령, 제1구성요소)가 다른 구성요소(가령, 제2구성요소)와 "직접적으로 연결되거나" "직접적으로 결합된다"고 언급되면, 다른 구성요소(가령, 제3의 구성요소)가 그들 사이에 삽입되지 않는다.

여기 사용된 바와 같이, "~하는 것으로 구성(또는 설정)된다"라는 표현은 "~에 적합하다", "~하는 기능을 가진다", "~ 하도록 설계된다", "~ 하도록 적응된다", "~ 하는 것으로 만들어진다", "~할 수 있다"와 같은 표현들과 혼용하여 사용될 수 있다. "~ 하도록 구성된다"는 표현이 하드웨어적으로 반드시 "~하도록 특별하게 설계된다"는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 이와 달리, 일부 상황에서, "~ 구성된 장치"라는 표현은 그 장치가 다른 장치들이나 구성요소들과 함께 "~ 할 수 있다"는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B, 및 C를 수행하도록 적응된(구성된) 프로세서"라는 표현은 해당 동작들만을 수행하는 전용 프로세서(가령, 임베디드 프로세서)나 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행하여 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(가령, 중앙처리유닛(CPU)나 애플리케이션 프로세서(AP))를 의미할 수 있다.

또한, 이하에 기술되는 다양한 기능들은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들에 의해 구현되거나 지원될 수 있으며, 그 프로그램들 각각은 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드로 구성되고 컴퓨터 판독가능 매체에서 실시된다. "애플리케이션" 및 "프로그램"이라는 용어는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어 성분, 명령어 집합, 절차, 함수, 객체, 클래스, 인스턴스, 관련 데이터, 또는 적합한 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드의 구현에 적합한 그들의 일부를 일컫는다. "컴퓨터 판독가능 프로그램 코드"라는 말은 소스 코드, 객체 코드, 및 실행 코드를 포함하는 모든 타입의 컴퓨터 코드를 포함한다. "컴퓨터 판독가능 매체"라는 말은 ROM(read only memory), RAM(random access memory), 하드 디스크 드라이브, 컴팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 또는 어떤 다른 유형의 메모리와 같이, 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 모든 유형의 매체를 포함한다. "비일시적" 컴퓨터 판독가능 매체는 일시적인 전기 또는 기타 신호들을 전송하는 유선, 무선, 광학, 또는 기타 통신 링크들을 배제한다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는 데이터가 영구적으로 저장될 수 있는 매체, 및 재기록 가능 광학 디스크나 삭제가능 메모리 장치와 같이 데이터가 저장되고 나중에 덮어 씌어질 수 있는 매체를 포함한다.

다른 소정 단어들 및 어구들에 대한 정의가 이 특허 문서 전체에 걸쳐 제공된다. 당업자는 대부분의 경우들은 아니어도 많은 경우, 그러한 정의들이 그렇게 정의된 단어들 및 어구들의 이전뿐 아니라 이후 사용에도 적용된다는 것을 알 수 있을 것이다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

여기에서 사용되는 용어들은 다만 본 개시의 특정 실시예들을 설명할 목적을 위한 것으로, 다른 실시예들의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 다르게 정의되지 않는다면, 기술 및/또는 과학 용어들을 포함하여 여기에 사용되는 모든 용어들은 본 개시가 속하는 기술 분야의 숙련자들이 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전 안에서 정의되는 것과 같은 용어들은 본 개시 안에서 명확하게 정의되지 않는다면, 관련 기술 분야에서의 정황적 의미들과 같은 의미들을 가지는 것으로 해석되어야 하며, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다. 일부의 경우, 본 개시에서 정의되는 용어들조차도 본 개시의 다양한 실시예들을 배제하도록 해석되어서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적 장치의 블록 구성도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적 장치는 MCU(110), 6축 센서(120), Serial 통신 모듈(130), 및 GPS Receiver(140)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '모듈' 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.

6축 센서(120)는 가속도 센서와 자이로 센서로 이루어지고, 가속도 센서는 3축 (X, Y, Z) 좌표의 가속도 벡터 신호를, 자이로 센서는 3축 (R, Q, H) 좌표의 각속도 신호를 100ms 마다 출력하고, MCU(110)는 순차적으로 출력되는 10개의 데이터 신호를 평균하여 1sec마다 평균값을 계산한다.

Serial 통신 모듈(130)은 MCU(110)에 외부 제어기기를 연결하여 시스템 업그레이드, 자가 진단 기능이 수행되도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, Serial 통신 모듈(130)은 RS-232(Recommended Standard 232), RS-422(Recommended Standard 422), RS-485(Recommended Standard 485)를 지원할 수 있다.

GPS Receiver(140)은 1sec마다 수신되는 열차 위치 추적 장치(100)의 현재 GPS 위치정보를 MCU(110)에 출력한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적용 전처리값 획득 절차도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적용 전처리값 획득 절차는 다음과 같다.

GPS 위치 정보를 수신할 수 있는 지역에서 열차가 정지된 상태일 때, MCU(110)는 열차 위치 추적 장치(이하, '장치'라 한다)의 상태 레벨을 초기 상태로 설정한다(S101). 즉, 열차 정지시 GPS Receiver(140)로부터 GPS 좌표값1(x1, y1)GPS 과, 6축 센서(120)로부터 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A와 제1 각속도 신호(r1, q1, h1)

를 획득한다. 여기서, 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A는 가속도 벡터값이고, 제1 각속도 신호(r1, q1, h1)

는 각속도 벡터값이다.

이후, MCU(110)는 장치의 상태 레벨이 초기 상태인지 판단하고(S103), 초기 상태이면, MCU(110)는 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A 중 z1을 이용하여 중력축에 가까운 Z축을 장치 중력축으로 설정하고, x1 가속도 벡터와, y1 가속도 벡터에 의해 형성되는 면을 장치 평면(PlaneD)으로 설정한다(S105). 여기서, 장치 중력축이라 함은 열차의 소정 위치에 배치된 장치의 중력축을 의미하고, 장치 평면이라 함은 장치 중력축과 직교 방향의 평면을 의미한다.

MCU(110)는 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A에서의 제1 X축 가속도 벡터(x1), 제1 Y축 가속도 벡터(y1), 및 제1 Z축 가속도 벡터(z1)를 벡터합 하고, 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A의 벡터합에 직교하는 평면을 중력 평면(PlaneG)으로 설정한다. 여기서, 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A의 벡터합은 실제 중력축을 의미하고, 중력 평면(PlaneG)은 가상의 평면이다.

MCU(110)는 중력 평면(PlaneG)에 대한 장치 평면(PlaneD)의 기울기(tilt)를X, Y, Z축 각각에 대하여 계산하여 기울기 보정치(tilt compensation value)를 산출한다(S107).

이후, MCU(110)는 장치의 상태 레벨을 진행 상태(Forward)로 설정하고(S109), 상태 레벨 판단 단계로 복귀한다.

MCU(110)는 장치의 상태 레벨이 진행 상태인지를 판단하고(S201), GPS Receiver(140)에 수신되는 일련의 GPS 위치 정보를 이용하여 열차가 진행하는지 판단한다(S203). 예컨대, 열차의 진행 속도가 5m/s보다 크면 열차가 진행하는 것으로 판단한다. 진행 상태로 판단되면, 6축 센서(120)로부터 수신되는 제1 각속도 신호(r1, q1, h1)

중 Z축에 대응하는 제1 H축 각속도(h1)를 선택하여 자이로 센서의 회전각(R)을 얻는다(S205).

MCU(110)는 장치 중력축인 Z축에 장치 평면(PlaneD)의 기울기 보정치(tilt compensation value)를 적용하여 중력축 보정 가속도(Compensated acceleration value)를 산출한다(S207).

이후, MCU(110)는 열차 이동시, GPS Receiver(140)로부터 GPS 좌표값2 (x2, y2)GPS를, 그리고 6축 센서(120)로부터 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A와 제2 각속도 신호(r2, q2, h2)

를 획득하고, MCU(110)는 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)에 기울기 보정치(tilt compensation value)를 반영하여 보정된 중력 평면(Compensated plane of gravity)을 계산한다. MCU(110)는 보정된 중력 평면(Compensated plane of gravity)을 기준으로 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)의 제2 X축 가속도 벡터(x2)와, 제2 Y축 가속도 벡터(y2)를 벡터합하여 전방 진행 축(Forward direction axis)을 생성한다(S209).

이후, MCU(110)는 장치의 상태 레벨을 경사 상태(Incline)로 설정하고(S211), 상태 레벨 판단 단계로 복귀한다.

MCU(110)는 장치의 상태 레벨이 경사 상태인지를 판단하고(S301), 경사 상태로 판단되면, 단계 S205에서 획득한 자이로 회전각(R)과, 단계 S207에서 산출한 중력축 보정 가속도(Compensated acceleration value)를 저장한다(S303).

일련의 GPS 위치 정보를 이용하여 열차의 이동 속도가 5m/s보다 크고, 위성의 갯수가 10개를 초과하는지를 판단한다(S305). 열차의 이동 속도가 5m/s보다 크고, 위성의 갯수가 10개를 초과하는지를 판단되면, 위도에 대한 기울기(

)를 이용하여 회전각(D)을 계산한다. 구체적으로, 도 3을 이용하여 설명하면, 위도에 대한 직전 기울기(

)와 위도에 대한 현재 기울기(

)의 차이인 위도에 대한 기울기 회전각(D)을 산출한다(S307).

위도에 대한 기울기 회전각(D)과 자이로 센서의 회전각(R)의 차이가 5도 이하인지 판단하고(S309), 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 자이로 센서의 회전각(R)의 차이가 5도 이하이면 위도에 대한 현재기울기(

)와 고도 경사각(

)을 저장하고, 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 자이로 센서의 회전각(R)의 차이가 5도를 넘어서면 상태 레벨 판단 단계로 복귀한다(S311). 여기서, 고도 경사각(

)은 수학식 2와 같이 산출한다.

이후, MCU(110)는 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태(Normal_Drive)로 설정하고(S313), 상태 레벨 판단 단계로 복귀한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열차 위치 추적 흐름도이다.

MCU(110)는 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브 상태인지를 판단하고(S401), 노말 드라이브 상태로 판단되면, GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단한다(S403).

GPS 위치 정보가 수신되면, 단계 S311에서 저장한 위도에 대한 현재기울기(

)와 GPS 위치 정보에 기반한 위치 좌표(P)를 저장한다(S405). 한편, GPS 위치 정보가 수신되지 않으면, 단계 S505로 이행한다.

이후, MCU(110)는 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태(Normal_Drive)로 설정하고(S407), 상태 레벨 판단 전 단계로 복귀한다.

단계 S401에서, MCU(110)는 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브가 아니면, 터널 상태인지를 판단한다(S501).

장치의 상태 레벨이 터널 상태로 판단되면, MCU(110)는 GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단하고(S503), 터널 상태가 아니라고 판단되면, 단계 S101로 회귀한다.

GPS 위치 정보가 수신되지 않으면, MCU(110)는 장치의 상태 레벨을 터널 상태로 설정한다(S505).

이후, 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new), 장치 수직면에 대한 고도 경사각(Incline angle_new), 및 열차의 속도(v_new)를 계산한다(S507).

여기서, 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)는 수학식 3과 같다.

한편, 장치 수직면에 대한 고도 경사각(Incline angle_new)은 단계 S311에서 저장된 고도 경사각(

)과 자이로 센서의 상하회전각(q)을 가산하여 계산하는바, 수학식 4와 같다.

마지막으로, 열차의 속도(v_new)는 GPS 위치 정보에 기반한 현재 속도(v_GPS)와 단계 S303에서 저장한 중력축 보정 가속도(Compensated acceleration value)를 이용하여 계산하는바, 수학식 5와 같다.

여기서, 가속도를 1초마다 가산하면, 속도이므로 수학식 5와 같다.

이후, 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)와 열차의 속도(v_new)를 이용하여 GPS 상의 좌표를 계산한다(S509).

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 MCU(160) 자체로 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(미도시)에 저장되고, MCU(160)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(미도시)는 내부 메모리나 외부 메모리를 포함할 수 있다. 내부 메모리는 예를 들어 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static RAM), SDRAM(synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 내부 메모리(232)는 또한, OTPROM(onetime programmable read only memory), PROM(programmable ROM), EPROM(erasable and programmable ROM), EEPROM(electrically erasable and programmable ROM), 플래쉬 메모리(가령, NAND 플래쉬 메모리나 NOR 플래쉬 메모리), 하드 드라이브, 또는 SSD(solid state drive) 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 외부 메모리는 플래시 드라이브(flash drive), 예를 들면, CF(compact flash), SD(secure digital), Micro-SD, Mini-SD, xD(extreme digital), 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 외부 메모리는 다양한 인터페이스를 통하여 장치(100)와 기능적으로 및/또는 물리적으로 연결될 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

110: MCU
120: 6축 센서
130: Serial 통신 모듈
140: GPS Receiver

Claims

MCU;
소정 시간 간격으로 3축 좌표의 가속도 벡터 신호를 출력하는 가속도 센서와, 3축 좌표의 각속도 신호를 출력하는 자이로 센서를 포함하는 6축 센서;
상기 MCU가 시스템 업그레이드 및 자가 진단 기능을 수행하도록 외부 제어기기와 연결되는 시리얼 통신 모듈; 및
현재 GPS 위치 정보를 수신하여 상기 MCU에 전달하는 GPS 리시버
를 포함하는 열차 위치 추적 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 MCU는,
열차의 정지 상태에서 장치 평면을 설정하고, 중력 평면과 상기 장치 평면 사이의 기울기를 계산하는 열차 정지 단계;
상기 열차의 진행 상태에서 중력 축에 대한 보정 가속도를 계산하는 열차 진행 단계;
상기 열차가 경사진 상태로 진행 중일 때, 위도에 대한 기울기와 고도에 대한 경사각을 계산하는 열차 경사 진행 단계; 및
상기 열차가 GPS 위치 정보를 수신할 수 없는 상태로 진행 중일 때, 상기 3축 좌표의 각속도 신호를 이용하여 GPS 좌표를 추정하는 좌표 추정 단계
를 수행하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 추적 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 열차 정지 단계는,
GPS 위치 정보를 수신할 수 있는 지역에서 상기 열차가 정지된 상태일 때, 상기 장치의 상태 레벨을 초기 상태로 설정하는 단계;
상기 상태 레벨이 초기 상태인지 판단하는 단계;
상기 상태 레벨이 초기 상태이면, 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A 중 z1을 이용하여 중력축에 가까운 Z축을 장치 중력축으로 설정하고, 상기 제1 가속도 벡터 신호(x1, y1, z1)A 중 x1 가속도 벡터와, y1 가속도 벡터에 의해 형성되는 면을 장치 평면으로 설정하는 단계;
중력 평면에 대한 상기 장치 평면의 기울기를 X, Y, Z축 각각에 대하여 계산하여 기울기 보정치를 산출하는 단계; 및
상기 장치의 상태 레벨을 진행 상태로 설정하는 단계
를 포함하는 열차 위치 추적 장치.
청구항 3에 있어서,상기 열차 진행 단계는,
상기 장치의 상태 레벨이 진행 상태인지를 판단하는 단계;
상기 GPS Receiver에 수신되는 일련의 GPS 위치 정보를 이용하여 상기 열차가 진행하는지 판단하는 단계;
열차가 진행 상태로 판단되면, 상기 6축 센서로부터 수신되는 제1 각속도 신호(r1, q1, h1) 중 Z축에 대응하는 제1 H축 각속도를 자이로 센서의 회전각으로 선택하는 단계;
상기 장치 중력축인 Z축에 상기 장치 평면의 기울기 보정치를 적용하여 중력축 보정 가속도를 산출하는 단계;
상기 열차 이동시, 상기 6축 센서로부터의 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)에 상기 기울기 보정치를 반영하여 보정된 중력 평면을 계산하고, 상기 보정된 중력 평면을 기준으로 제2 가속도 벡터 신호(x2, y2, z2)A 중 제2 가속도 평면 벡터 신호(x2, y2)의 제2 X축 가속도 벡터(x2)와, 제2 Y축 가속도 벡터(y2)를 벡터합하여 전방 진행 축을 생성하는 단계; 및
상기 장치의 상태 레벨을 경사 상태로 설정하는 단계
를 포함하는 열차 위치 추적 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 열차 경사 진행 단계는,
상기 장치의 상태 레벨이 경사 상태인지를 판단하는 단계;
상기 경사 상태로 판단되면, 상기 자이로 회전각과, 상기 중력축 보정 가속도를 저장하는 단계;
상기 GPS 위치 정보를 이용하여 열차의 이동 속도가 소정의 기준치보다 크고, 위성의 갯수가 소정의 기준 갯수를 초과하는지를 판단하는 단계;
상기 열차의 이동 속도가 상기 기준치보다 크고, 상기 위성의 갯수가 상기 소정 갯수를 초과하면, 위도에 대한 기울기(
)를 이용하여 위도에 대한 기울기 회전각(D)을 계산하는 단계;
상기 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 상기 자이로 센서의 회전각(R)의 차이가 소정 각도 이하인지 판단하는 단계;
상기 위도에 대한 기울기 회전각(D)과 상기 자이로 센서의 회전각(R)의 차이 가 소정 각도 이하이면, 위도에 대한 현재기울기와 고도 경사각을 저장하는 단계; 및
상기 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태로 설정하는 단계
를 포함하는 열차 위치 추적 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 좌표 추정 단계는,
상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브 상태인지를 판단하는 단계;
상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브 상태로 판단되면, GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단하는 단계;
상기 GPS 위치 정보가 수신되면, 상기 위도에 대한 현재기울기와 상기 GPS 위치 정보에 기반한 위치 좌표를 저장하는 단계;
상기 장치의 상태 레벨을 노말 드라이브 상태로 설정하는 단계;
상기 장치의 상태 레벨이 노말 드라이브가 아니면, 터널 상태인지를 판단하는 단계;
상기 장치의 상태 레벨이 터널 상태로 판단되면, 상기 GPS 위치 정보가 수신되는지를 판단하는 단계;
상기 GPS 위치 정보가 수신되지 않으면, 상기 장치의 상태 레벨을 터널 상태로 설정하는 단계;
장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)를 수학식 'tilt_new = 현재기울기(
) + 자이로 센서의 수평회전각(R)'을 이용하여 계산하고, 장치 수직면에 대한 고도 경사각(Incline angle_new)을 수학식 'Incline angle_new = 고도 경사각(
) + 자이로 센서의 상하회전각(q)'을 이용하여 계산하고, 열차의 속도(v_new)를 수학식 'v_new = GPS 위치 정보에 기반한 속도(v_GPS) + 중력축 보정 가속도(Compensated acceleration value) * t(=1)'을 이용하여 계산하는 단계; 및
상기 장치 수평면에 대한 기울기(tilt_new)와 상기 열차의 속도(v_new)를 이용하여 GPS 상의 좌표를 계산하는 단계
를 포함하는 열차 위치 추적 장치.