KR20140042346A - 초기정렬 주행 시스템 - Google Patents

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Abstract

항법장치의 위치 보정을 위하기 위하여 초기 정렬을 정밀하게 하기 위한 초기정렬 주행 시스템이 개시된다. 이를 위하여, 본 발명은 3축 자이로 센서, 3축 가속도 센서, 각센서 및 온도 센서에서 측정된 각도, 속도 및, 자세값과 DGPS 보정 정보를 결합하여 DGINS의 위치, 속도, 각도 및자세 값을 산출하는 GDPS 수신기; 카메라를 이용하여 음영지역이 아닌 무인이동장치의 이동 경로에서 촬영된 임의의 두개의 제1 위치점을 찾고, 상기 음영 지역의 경계를 기점으로 촬영된 임의의 두개의 제2 위치점을 찾을 경우 상기 제1 위치점과 제2 위치점에서 차례로 초기 정렬하는 INS 센서; 및 상기 GDPS 수신기에서 산출된 값과 INS 센서의 초기 정렬에 의한 값을 이용하여 상기 항법장치의 위치정보를 동적 보정하는 항법 컴퓨터를 포함한다.
이에, 본 발명은 GPS 수신의 음역지역(장애물이 포함된 음영지역)이 많은 지역(GPS수신율 50%이내)에서도 무인이동장치의 자동 주행이 가능하고, GPS 이용 가능지역에는 저가형 DGPS 기준국을 이용함으로써 GPS의 보정 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

초기정렬 주행 시스템{SELF-ALIGNMENT DRIVING SYSTEM}
본 발명은 초기정렬 주행 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 항법장치의 위치 보정을 위하기 위하여 초기 정렬을 정밀하게 하기 위한 초기정렬 주행 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 지상항법장치는 관성항법 및위성항법장치로서 위치/자세/방위각/속도를 구하지만 정확한 위치자세 방향을 구하기 위해서는 고가의 센서와 정확도가 높은 GPS를 사용하였다.
여기서, 초기 정열을 위해 일정시간 GPS 이동 수단 또는 운전을 정지한 최종 시점에서 위치, 자세, 상태를 제어부 데이터에 저장하여 정열을 하는 방법이 일반적으로 사용되었다.
한편, 실외 항법 시장에서는 IMU/INS(Inertial Navigation System)/GPS/DGPS(Differential Global Positioning System) 기반의 IT기술이 융합된 관성/위성 융합항법장치로서 항공, 해양, 국방, 지상로봇 등에서 사용되는 자율 항법과 무인 시스템 및 인간의 안전이 필요한 기술로서 최근 수요가 급격히 확대되고 있는 실정이다.
이중에서도 신뢰성이 확보된 DGPS 시스템은 이용 범위와 고가의 가격으로 인하여 기술 융합에 제한을 받고 있는 것이 현실이다.
특히, 실외 항법은 주변 장애물에 의한 잦은 움직임으로 저가 IN S센서 효율은 짧은 시간에 오차가 급격히 증가하고 GPS 또한 이온층변화와 건물등과 같은 장애물의 음영으로 인하여 위치 정확도가 크게 떨어져 DGPS를 적용하여도 현실적인 정밀도 확보는 어려운 문제점이 있었다.
이를 극복하고자, 종래에는 DGPS/INS/Magnetic compass 통합 항법 알고리즘 개발과 DGPS/INS/Magnetic compass 통합 항법 알고리즘 개발이 다양하게 소개 되어 왔지만, 고가의(DGPS <1m미만, INS 1도/hr) 센서를 사용하여 운용되고 있어 저가의 수신기 개발 구성과 INS(5도~10도/hr) 저렴한 센서는 물리적 한계로 인하여 정밀 항법에 사용되는 것이 불가능하였다.
1. 한국특허등록 : 10-0915121호, 출원일자 : 2008년 12월 18일, 발명의 명칭 : 위성항법보정시스템을 이용한 무인이동체 및 그 유도방법. 2. 한국특허등록 : 10-0389704호, 출원일자 : 2000년 06월 19일, 발명의 명칭 : ＧＰＳ와 ＩＮＳ를 탑재하여 연속 측위가 가능한 이동통신 단말기 및 그 측위방법. 3. 한국특허등록 : 10-1080831호, 출원일자 : 2009년 09월 02일, 발명의 명칭 : 지상항법장치에서의 방위각 정보 제공방법. 4. 한국특허등록 : 10-1183866호, 출원일자 : 2011년 04월 20일, 발명의 명칭 : ＧＰＳ／ＩＮＳ／영상ＡＴ를 통합한 실시간 위치／자세 결정 장치 및 방법.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저가의 INS 센서를 통한 고정밀 지상항법을 하기 위하여 동적 선형 각정열에 기반을 둔 주기적인 초기정열 기법을 적용하여 항법의 정밀성을 높일 수 있는 초기정렬 주행 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 <1m DGPS가 가능한 GPS수신기와 이동 DGPS 기준국에 기반하고, GPS 음영으로 INS에 의존할때는 동적 정밀보정의 항법과 GPS/INS신뢰도가 떨어질때는 주기적인 초기정열 기법(영상 랜드마크 라인트레이싱 보정)을 적용하여 실외 항법에서 문제가 되고 있는 INS의 초기정열과 오차보정을 하는 초기정렬 주행 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 저가형 INS센서는 물리적특성의 기본오차성분을 가지고 있기 때문에 일정시간이 지나면 위치자세속도 정보에 대한 오차가 급격히 증가하여 실외환경의 장애물 밀집 지역에서 정밀주행 활용은 적용하기 어렵던 것을 해결하기 위한 초기정렬 주행 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 관점에 따르면, DGPS 이동 기준국으로부터 방송되는 보정 정보를 이용하여 기준점을 측지하고, 상기 기준점을 통해 수신된 GPS에 대한 오류를 산출하여 DGPS 보정 정보를 생성하는 이동 DGPS 기준국; 3축 자이로 센서, 3축 가속도 센서, 각센서 및 온도 센서에서 측정된 각도, 속도 및, 자세값과 상기 DGPS 보정 정보를 결합하여 DGINS의 위치, 속도, 각도 및자세 값을 산출하는 GDPS 수신기; 카메라를 이용하여 음영지역이 아닌 무인이동장치의 이동 경로에서 촬영된 임의의 두개의 제1 위치점을 찾고, 상기 음영 지역의 경계를 기점으로 촬영된 임의의 두개의 제2 위치점을 찾을 경우 상기 제1 위치점과 제2 위치점에서 차례로 초기 정렬하는 INS 센서; 및 상기 GDPS 수신기에서 산출된 값과 INS 센서의 초기 정렬에 의한 값을 이용하여 상기 항법장치의 위치정보를 동적 보정하는 항법 컴퓨터;를 포함하는 초기정렬 주행 시스템이 제공된다.
여기서, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 이동 DGPS 기준국은, 상기 무인이동장치에 대한 이동 경로 스케쥴을 관리하고, 상기 경로 스케쥴에 따라 상기 카메라가 상기 제1 위치점과 제2 위치점을 찾을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 저가형 INS(5~10도/Hr)와 DGINS의 융합에 의해 근거리(Local) GPS 수신의 음역지역(장애물이 포함된 음영지역)이 많은 지역(GPS수신율 50%이내)에서도 무인이동장치의 자동 주행이 가능하고, GPS 이용 가능지역에는 저가형 DGPS 기준국을 이용함으로써 GPS의 보정 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 동적 환경의 DGPS의 활용 효율과 저가형 GINS 효율에 주기적 초기정열 기법이 더해짐으로써 근거리 구간에서의 정밀(100cm~50cm) 오차 보정이 이루어져 무인이동장치의 주행 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기정렬 주행 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기정렬 주행 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초기정렬 주행 시스템(100)은 랜딩 마킹 추적기(111)와 항법장치(112)를 구비한 통합항법장치(110), 카메라(101)에서 촬영된 영상을 디지털 처리하는 영상 처리부(121)와 근접센서부(122), 항법 컴퓨터(123)와 각종 오차를 측정하는 센서부(124)와 DGPS 수신기(125) 등을 구비하는 DGINS 통합항법장치(120) 및 이동 DGPS 기준국(130)을 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 통합항법장치(110)는 위치자세속도 정보를 기반으로 운용되지만 무인이동장치(미도시)가 기동시 센서의 초기 정열과 주기적인 정열이 이루어지지 않으면 센서 오류가 누적되어 정확한 임무수행이 어렵기 때문에 센서에 대한 초기화 작업을 수행한다.
이를 위하여, 통합항법장치(110)에 구비된 랜딩 마킹 추적기(111)는 INS 센서 등을 구비한다. 상기 INS 센서는 카메라(101)를 이용하여 음영지역이 아닌 무인이동장치의 이동 경로에서 촬영된 임의의 두개의 제1 위치점, 예컨대 P1, P2 위치점을 추적하고, 상기 음영 지역의 경계를 기점으로 촬영된 임의의 두개의 제2 위치점, 예컨대 P3, P4의 위치점을 추적할 경우 상기 제1 위치점과 제2 위치점에서 차례로 초기 정렬을 수행한다. 이러한 제1 위치점과 제2 위치점은 모두 동적좌표이다.
통상, GPS 효율은 시간주기별로 변화되므로 G1의 위치정확도 확률과 DGPS 보정에 다른 정확도를 갖는 IMU 센서의 주행 오차 변화율을 산출하게 되면 GPS/DGPS Local 지역에서의 수신 확율과 보정치에 대한 <1m 신뢰도를 50% 가정하고 INS 센서의 오차를 5도/hr를 기준으로 융합 하였을 때 센서가 오차범위를 벗어날 확률구간에서 GPS 수신환경이 양호한 동적 측지 P1과 P2의 위치점이 위치 동기화되고, 두점의 각정열을 통한 센서의 초기화가 주기적으로 이루어지면, 근거리(Local)지역에서의 무인이동체의 신뢰 구관을 확보할 수 있다.
이러한 DGINS 초기정열 향상을 위한 동적 랜드마크 선형기법이 신뢰구관별 적용하여 그동안 지역 실외 무인주행 기술적 한계를 증명하고 저가의 INS 센서를 활용이 가능하게 되었다. 통합항법장치(110)에 구비된 항법장치(112)는 통상적으로 널리 알려진 지상항법장치이다. 이는 한국특허등록 제1080831호 등에서 기재되어 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 DGINS 통합항법장치(120)에 구비된 근접센서부(122)는 주행 경로상에 있는 장애물을 인식하여 처리하기 위한 센서이다. 상기 DGINS 통합항법장치(120)는 항법장치(112)의 위치/속도/자세/각도 정보 히스토리와 주행정보를 관리하고 초기정열을 위한 랜드마크 라인트레이싱 영상항법장치에서 추적된 초기정열 위치에서 항법장치(112)의 오차에 대한 정보를 분석하여 제공하고 항법장치(112)의 위치정보를 초기정열 시킨다.
반면, 본 발명에 따른 DGINS 통합항법장치(120)에 구비된 항법 컴퓨터(123)는 이후에 설명될 DGPS 수신기(125)에서 산출된 값과 INS 센서의 초기 정렬에 의한 값을 이용하여 상기 항법장치의 위치정보를 동적 보정한다.
이때, 위치 정보의 동적 보정은 예컨대 P1의 위치점에서 P2의 위치점의 이동 정보를 통해 진북 각정열을 하기위한 준비를 시키고 일정 속도로 P1의 위치점에서 P2의 위치점으로 이동되었을 때 현재의 항법장치(112)의 신호와 비교하여 현재의 오차 오차성분을 보정하는 보정 변수를 산출한다. 이를 통해, 무인이동장체의 이동 속도에 대한 가속도 센서 보정, P1, P2의 위치점에서의 진북정열, 자세정열 위치정열을 P2 위치점과 동기를 맞추어 초기정열 시킨다.
이와 같이, 항법 컴퓨터(123)에서 실질적으로 주기적인 초기정열 기법(영상 랜드마크 라인트레이싱 보정)이 이루어진다.
한편, DGINS 통합항법장치(120)에 구비된 DGPS 수신기(125)는 RF Unit에서 수신되는 DGPS 보정 정보를 통해 GPS 수신에 대한 DGPS 보정에 의한 값을 출력한다. 이때, DGPS 보정 정보는 이후에 설명될 이동 DGPS 기준국(130)으로부터 제공받아 DGPS 보정에 의한 값을 출력한 후 앞서 설명한 바와 같이 항법 컴퓨터(123)로 전달되어 활용된다.
또한, 본 발명에 따른 DGPS 수신기(125)는 3축 자이로 센서, 3축 가속도 센서, 각센서 및 온도 센서(124)에서 측정된 각도, 속도 및, 자세값과 상기 DGPS 보정 정보를 결합하여 DGINS의 위치, 속도, 각도 및 자세 값을 산출한다. 이는 통상적으로 널리 알려져 있으며, 산출된 결과는 DGINS 통합항법장치(120)에 구비된 항법 컴퓨터(123)로 전달된다.
마직막으로, 본 발명에 따른 이동 DGPS 기준국(130)은 자체 DGPS Beacon 수신기를 내장하여 정부 기준국(미도시)에서 방송하는 보정 정보를 기설정된 시간, 예컨대 3시간 이내 수신하여 독자적인 측지점을 측지하고 측지된 기준점을 통해 수신된 GPS 정보의 위성오차, 이온층, 대류권, 멀티패스 및 GPS 수신 오류를 산출하여 DGPS 보정 정보를 생성한다. 생성된 DGPS 보정 정보는 RF 통신으로 방송되고, 방송된 DGPS 보정 정보는 RF Unit에서 수신하여 앞서 설명한 DGPS 수신기(125)에서 <1m 이내의 보정된 위치정보를 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 이동 DGPS 기준국(130)은 관제 기능을 포함하고 있어 무인이동장치의 주행경로스케쥴을 등록하고 안전 모니터링과 긴급정지 명령, 충돌방지, 이동차량을 여러대 관리할수 있도록 다중관제하는 역할을 한다.
한편, 초기정열을 위한 랜드마크 P1의 위치점, P2의 위치점 또는 P3의 위치점, P4의 위치점과 같이 두 개의 측지된 지점을 3~5m 간격으로 좌표 선영라인이 그려지고, 임의의 Pn 위치점을 찾게되면, 본 발명에 따른 이동 DGPS 기준국(130)은 미리 알고 있는 Pn에 대한 정보를 항법 컴퓨터(123)로 전달하게 됨으로써, 앞서 설명한 바와 같이 항법 컴퓨터(123)에서 항법장치(112)의 초기정열시킨다.
이때, 카메라(101)와 수직 동기가 일치되면 상기 항법 컴퓨터(112)는 항법장치(112)의 초기정열 임무를 수행하여 INS 센서의 동적인 오차보정을 시작하게 됨으로써 무인이동장치의 정밀한 항법 주행이 이루어지게된다.
이로써, P1과 P2의 이동 선형라인으로 현재의 모든 센서는 진북정열이 어려워 장기 주행에 따른 누적 오차를 가지고 있는데 본 선형 라인을 일정속도로 라인트레이싱 하여 이미 알고 있는 P1과 P2의 각정열을 통해 항법장치(112)의 진북정열이 초기화 된다면 그동안 초기정열로 어려움을 겪던 센서 오류를 해결할수 있었다.
한편, 주행 경로는 실외 무인차량 또는 로봇과 같은 무인이동장치의 이동경로임과 동시에 가상 주행 라인으로서 실제 존재하지 않치만 이동 DGPS 기준국(130)에 구비된 관제장치에서 이동경로에 대한 주행 계획이 설정되어 무인이동장치가 움직이게 된다.
여기서, 통상 GPS 음영지역으로 무인이동장치가 움직일때 개활지에서 위성의 배치가 고르게 확보 되어 있을 경우에만 정확한 위치를 알수 있다. 그러나 주변에 건물이 있고 나무, 장애물이 있을 경우 수신되는 위성변화가 잦고 위성이 보였다 안보였다하는 안각이 생기면 위치 정보가 급격히 변화 하여 매우큰 오차가 발생하는 특성을 가지고 있다. 이러한 오차정보를 INS에 그대로 융합하게되면 정확한 위치정보를 산출할수 없기 때문에 GPS 음영지역에 대한 정밀주행은 사실상 어렵다.
그러나, 이상에서 설명된 본 발명에 따른 초기정렬 주행 시스템(100)은 음영지역도 GPS 음영지역이 없는곳에서 초기정열을 수행하고 신뢰성이 보장되는 위치까지 이동시킨후 P3, P4와 같은 위치에서 초기정열이 이루어지도록 한다면 INS 센서에 의해 무인화된 오류의 문제점을 모두 해결할수 있기 때문에 안전하고 신뢰성이 보장되는 장점을 제공하게 되는 것이다.
이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
본 발명은 음영지역과 비음영 지역을 포함한 정해진 주행 경로를 따라 주행하는 무인로봇 무인자동차, 경계로봇 및 장애이동차와 같은 무인이동장치에 적용되어 활용 가능하다.
100 : 초기정렬 주행 시스템 101 : 카메라
110 : 통합항법장치 111 : 랜딩 마킹 추적기
112 : 항법장치 120 : DGINS 통합항법장치
121 : 영상 처리부 122 : 근접센서부
123 : 항법 컴퓨터 124 ; 센서부
125 : DGPS 수신기 130 : 이동 DGPS 기준국

Claims (2)

  1. DGPS 이동 기준국으로부터 방송되는 보정 정보를 이용하여 기준점을 측지하고, 상기 기준점을 통해 수신된 GPS에 대한 오류를 산출하여 DGPS 보정 정보를 생성하는 이동 DGPS 기준국;
    3축 자이로 센서, 3축 가속도 센서, 각센서 및 온도 센서에서 측정된 각도, 속도 및, 자세값과 상기 DGPS 보정 정보를 결합하여 DGINS의 위치, 속도, 각도 및자세 값을 산출하는 GDPS 수신기;
    카메라를 이용하여 음영지역이 아닌 무인이동장치의 이동 경로에서 촬영된 임의의 두개의 제1 위치점을 찾고, 상기 음영 지역의 경계를 기점으로 촬영된 임의의 두개의 제2 위치점을 찾을 경우 상기 제1 위치점과 제2 위치점에서 차례로 초기 정렬하는 INS 센서; 및
    상기 GDPS 수신기에서 산출된 값과 INS 센서의 초기 정렬에 의한 값을 이용하여 상기 항법장치의 위치정보를 동적 보정하는 항법 컴퓨터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초기정렬 주행 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이동 DGPS 기준국은,
    상기 무인이동장치에 대한 이동 경로 스케쥴을 관리하고, 상기 경로 스케쥴에 따라 상기 카메라가 상기 제1 위치점과 제2 위치점을 찾는 것을 특징으로 하는 초기정렬 주행 시스템.
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