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제안 방법
- 수행하였다. 200초 동안은 초기정렬 과정이 수행되고 초기정렬 과정이 끝니면 자동적으로 항법 모드로 전환되어 관성항법 알고리즘이 수행되도록 하였으며, 샘플링 주파수는 40Hz 를 사용하였다
- 개발 스트랩다운 관성항법시스템(SDINS)의 성능을 평가하기 위하여 3축 운동 시험대(3-axis motion table)를 사용한 정적시험(static test) 과차량을 이용한 궤적 차량 이동시험 (trajectory moving test)을 수행하였다.
- 모든 시험에서는 스트랩다운 관성항법 시스템에 사용된 관성항법센서의 조합을 두가지로 나뉘어 수행하였는데, 앞절에서 설명한 바와 같이 중급의 가속도계 (A-12)와 FOG를 사용한 경우는 SDINS-1 시스템이라고 정의하고, 저급의 가속도계 (CXL02LF3) 와 FOG 를 사용한 시스템은 SDINS-2 라고 명명하기로 한다.
- 모든 시험에서는 스트랩다운 관성항법 시스템에 사용된 관성항법센서의 조합을 두가지로 나뉘어 수행하였는데, 중급의 가속도계 (A-12) 와 FOG를 사용한 경우(SDINS-1)와 저급의 가속도계(CXL 02 LF3)와 FOG를 사용한 시스템 (SDINS-2) 에 대해서 시험이 수행되었다.
- 본 논문은 개발한 관성항법시스템 알고리즘을 이용하여 실제 관성항법센서를 이용한 시스템의 성능시험을 통해 스트랩다운 관성 항법 시스템의 성능을 해석하였으며 그 결과를 기술하였다. 성능해석 시험은 지상정지 시험과 차량을 이용한단 거리 주행시험으로 수행되었으며, 단거리 주행시험의 경우는 기준값을 비교하기 위하여 정확도 20mm급의 DGPS (Differential GPS)를 사용하여 관성 항법 시스템의 항법 결과를 평 가하였다.
- 본 연구는 KARI-TN-FCGD-1999-001 『스트랩다운 관성항법시스템 알고리즘 개발 (Development Algorithm for Strapdown Inertial Navigation System)j 기술 보고서 (1999년 9월 등록)에서 개발한 관성항법시스템 알고리즘을 이용하여 실제 관성항법 센서를 이용한 시스템의 성능시험을 통해 스트랩다운 관성항법시스템의 성능을 해석하였으며 그 결과를 기술하였다. 성능해석 시험은 지상정지 시험과 차량을 이용한 단거리 주행시험으로 수행되었으며, 단거리 주행시험의 경우는 기준값을 비교하기 위하여 정확도 2.
- 본 연구에서 사용되는 시험 자료 변환 및 저장시스템은 각각의 측정센서에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와 변환된 자료를 이용하여 관성항법 알고리즘을 처리하고 결과를 저장하는 항법컴퓨터로 구성되며, 항법 컴퓨터에는 16-bit 분해능(resolution) 의 최대 32 채널용 AD 컨버터가 장치되어 있다
- 기술하였다. 성능해석 시험은 지상정지 시험과 차량을 이용한 단거리 주행시험으로 수행되었으며, 단거리 주행시험의 경우는 기준값을 비교하기 위하여 정확도 2.0mm급의 20mm의 DGPS (Differential GPS)를 사용하여 관성항법시스템의 항법 결과를 평가하였다.
- 성능해석 시험은 지상정지 시험과 차량을 이용한단 거리 주행시험으로 수행되었으며, 단거리 주행시험의 경우는 기준값을 비교하기 위하여 정확도 20mm급의 DGPS (Differential GPS)를 사용하여 관성 항법 시스템의 항법 결과를 평 가하였다.
- 실제 관성항법시스템에서 데이터의 1 프레임 샘플링 주기는 PC의 Internal Clock을 이용하여결 정 하였으며 , 샘 플링 주파수(sampling frequency) 로 20, 25, 40, 50, 67, 100Hz를 선택하여 이용할 수 있도록 프로그램을 설계하였다.
- 해준다. 이러한 목적을 위해 본 연구에서 사용된 세 가지 좌표계, 관성 좌표계 (inertial frame, O*x*y* z*) , 항법 좌표계(navigation frame, Oxyz) 및 동체 좌표계(body frame, P)을 그림 2에 도시하였다.
- 5km의 직사각형 순환도로를 주행하며 시험을 수행하였으며, 총 시험시간은 7분 정도가 소요되었다. 초기 200초 동안은 초기정렬 과정이 수행되고, 이후 자동적으로 항법모드로 전환되어 주행 과정 중의 자세 및 속도, 위치 정보를 계산하여 관성 항법 컴퓨터 에 저 장하였다.
- 탈착의 용이함을 위해 다음 그림 3과 같이 1축 FOG 3개와 1축 가속도계(A-12) 3개 및 3축 가속도계(CXL 02 LF3)를 장치할 수 있는 mounting 프레임을 제작하였다. 관성항법센서 중 자이로는 미국 KVH사의 1축 FOG (model noRA2100) 3개를 사용하였으며, 사용된 FOG는 1죽 interferometric 타입의 FOG로서 입력 전압은 DC +12V(+9 〜 +18V), 170mA 이 고 측정 범 위 ±100。/ s에 부합되는 아날로그 전압이 출력으로 제공된다.
대상 데이터
- AD 컨버터 보드와 자료처리 컴퓨터는 열악한 외부환경과 진동 및 중격에 견딜 수 있는 Industrial/Rugged PC로서 독일 Or Industrial Computer사의 제품을 사용하였다 (그림 4)
- 그림 5에 표시한 것처럼 사용되는 측정채널은 FOG에서 출력되는 각속도 3채널과 온도 3채널, A-12 가속도계 및 CXL02LF3 가속도계에서 각각의 가속도 6채널 및 외부온도 측정 1채널로 총 16채널을 사용하였다.
- 단거리 궤적 차량시험은 항공우주연구소내 약 1.5km의 직사각형 순환도로를 주행하며 시험을 수행하였으며, 총 시험시간은 7분 정도가 소요되었다. 초기 200초 동안은 초기정렬 과정이 수행되고, 이후 자동적으로 항법모드로 전환되어 주행 과정 중의 자세 및 속도, 위치 정보를 계산하여 관성 항법 컴퓨터 에 저 장하였다.
- 비교를 위한 참값으로는 정확도는 2.0cm 의 Differential GPS를 사용한 위치값을 사용하였고, 항공우주연구소내에 Differential GPS를 위한 기준 지상국을 설치하였으며, 기준국에서 측정한 값과 차량에서 측정한 GPS 자료를 후처리하여 사용하였다.
- 기존의 짐벌(gimbal)을 사용한 항법 시스템에 비해 스트랩다운 방식은 소형 및 경량화에 따른 전력감소와 가격인하 효과를 얻을 수 있으며 신뢰성이 높고 제작과 정비가 용이하다는 것이다. 스트랩다운 관성항법 구조는 크게 관성항법 센서 (Inertia Measurement Unit , IMU), 전자 유닛 (Electronic Unit, EU), 항법계산 컴퓨터 (Navigation Computer Unit, NCU)의 세 부분으로 나눌 수 있으며, 본 논문에서는 스트랩다운 관성 항법 시 스템 의 관성 항법 센서 로 Laser Gyro의 일종인 Fiber Optic Gyro (FOG)를 대상으로 하였다.
데이터처리
- 정지시험에서는 관성항법센서가 움직이지 않으므로 위치 및 속도의 참값이 0으로서 이 참값을 사용하여 오차를 파악할 수 있었으며, 차량 이동시험에서는 정확도 20mm 의 Differential GPS를 사용하여 위치의 참값을 구하고 결과를 비교하였다.
- 표 7에 DGPS 결과와 비교한 각 구간별 위치 오차의 평균값과 표준편차 값을 정리하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 자세계산에 있어서 쿼터니언 (quaternion, X )을 사용하였으며, 이 경우는 1개의 스칼라량과 3개의 벡터량으로 자세를 표현할 수 있으며, singularity 문제가 없고 자세 미분 방정식이 선형 방정식이며, 쿼터니언 처리를 위한 계산방식이 벡터 방식과 비슷하기 때문에 보다 효율적으로 자세를 표현할 수 있다.
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