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문제 정의
- GPS 방위각은 차량이 저속 운행 할 때 신뢰할 수 없으므로, DR 센서를 보정할 수 없다. 본 논문에서는 GPS 측정치를 기준센서로 이용할때 문제점을 극복하기 위해서 차량 움직임 정보를 기준으로 방위각 계산을 위해 이용하였다. 차량이 정지하거나 직선 운행하는 동안 자이로스코프 방위각은 0을 출력해야 하므로, 자이로스코프에서 계산된 방위각은 오차로 생각할 수 있다.
- 차량이 일정한 움직임으로 갖을 때, DR 센서는 일정한 값을 출력하므로, 이외에 값은 오차로 보고 DR 센서를 보정할 수 있다. 본 논문에서는 차량 움직임 정보를 이용한 GPS/DR 차량 항법 시스템 성능향상 기법을 제안하였다. DR 항법센서로 주행거리계(Odometer)와 자이로스코프를 사용하였다.
- 속도 필터는 GPS 속도와 주행거리계를 측정치로 하여 주행거리계의 환산계수 오차 추정을 목적으로 한다. 보정된 환산계수를 이용하여 속도가 계산된다.
제안 방법
- 즉, GPS 수신가능하고 3보다 작은 HDOP(HorizontalDilution of Precision)를 가지며, 속도가 20km/h 보다 크다는 조건을 추가하였다. GPS 방위각 변화율은 저속에서는 오차가 크므로 실험을 통해속도 임계치를 계산하였다. 그림 4는 차량이 정지해있다가 출발하는 순간에 주행거리계 속도와GPS 그리고 자이로스코프 방위각 변화율을 나타낸 것이다.
- 그림 17은 차량이 지하주차장 운행한 경우 추정된 위치해를 나타낸 것이다. GPS 신호가 더 오랫동안 차단되는 곳에서 성능을 평가하기 위해서 지하주차장에서 동일 궤적을 운행한 후 결과를 분석하였다. 차량은 지하주차장에서 약 400초 동안 사각궤적을 운행하였다.
- 차량 움직임 판단을 위해서 GPS 측정치와 DR 센서 데이터를 분석하고, 차량 움직임 정보를 이용하여 자이로스코프 오차를 보정 하였다. GPS 항법해의 상태와 차량의 움직임에 따라 시스템 상태방정식과 측정식을 유동적으로 변경되도록 구현하였다. 차량이 직진으로 운행할 때 방위각 필터의 측정치를 자이로스코프 방위각으로 계산할 수 있으므로, GPS 신호가 차단되어도 자이로스코프 바이어스 보정이가능하다.
- 차량이 정지 또는 직진 할 경우 바이어스 오차로 모델링 하였으며, 회전 할 경우 환산계수 오차로 모델링 하였다. 그 외 변동 구간에서는 방위각 오차로 모델링 하였다. 다음은 방위각 필터 상태방정식을 나타낸다
- 4장에서는 실제 주행데이터 처리를 통해서 제안된 기법을 검증하였다. 마지막으로, 결과를 정리하였다.
- 먼저, 직진 구간에서는 성능을 평가 하기 위해서 1600~1900초 동안 GPS 신호를 차단하고 결과 분석하였다. 직진 구간은 그림 1의 구역 3에 해당하는 부분이다.
- 이 장에서는 차량 주행 실험을 통해 제안된 알고리즘의 성능을 검증하였다. 먼저, 차량 주행 실험 환경에 대해서 설명하고, 직진, 회전 그리고 지하주차장에서 GPS/DR 통합 항법 결과를 나타내었다.
- 회전 구간에서 방위각 변화율은 다른 구간보다 큰 값을 갖는다. 본 논문에서는 데이터 분석을 통해 자이로스코프 방위각 변화율이 2 rad/s보다 클 때 회전으로 판단하였다. 그림 3은 차량이 회전할 때 주행거리계 속도와 자이로스코프 방위각 변화율을 나타낸 것이다.
- 방위각 변화가 2도가 되면 첫 번째 항은 두 번째 항보다 약 54배 크다. 본 논문에서는 위의 특성을 기반으로 차량 움직임에 따라 3가지로 방위각 오차를 모델링 하였다. 차량이 정지 또는 직진 할 경우 바이어스 오차로 모델링 하였으며, 회전 할 경우 환산계수 오차로 모델링 하였다.
- 출력의 변화를 보면 속도보다 방위각 변화율을 이용하는 경우 더 정확히 정지순간을 판단 가능함을 알 수 있다. 본 논문에서는 주행거리계 속도가 0 km/h 이고, 자이로스코프 방위각 변화율의 절대값이 0.1 rad/s보다 작은 경우 정지 구간으로 판단하였다.
- 실제 차량 주행실험 데이터를 이용하여 차량 움직임 판단 조건의 동작을 확인하였다. 그림 5는 실제 차량 주행 궤적을 나타내고 그림 6은 주행하는 동안 차량 움직임 판단 결과를 나타낸다.
- 회전하는 구간에서는 자이로스코프 오차 보정을 위해서 GPS 방위각 변화율이 필요하므로 GPS 측정치를 이용할 수 있는 조건을 추가하였다. 즉, GPS 수신가능하고 3보다 작은 HDOP(HorizontalDilution of Precision)를 가지며, 속도가 20km/h 보다 크다는 조건을 추가하였다. GPS 방위각 변화율은 저속에서는 오차가 크므로 실험을 통해속도 임계치를 계산하였다.
- 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위해서 직선과 회전구간에서 실제 GPS가 수신되는 구간에서 차단되었다고 설정하고 결과를 분석하였다. 지하주차장 주행 데이터를 이용하여 장시간 GPS가 차단되는 경우 성능을 평가하였다.
- GPS/DR 통합 항법시스템은 분산형(Cascade) 칼만필터 기법을 이용하여 약결합 방식으로 구성하였다. 차량 움직임 판단을 위해서 GPS 측정치와 DR 센서 데이터를 분석하고, 차량 움직임 정보를 이용하여 DR 센서 오차를 보정하였다. GPS 항법해의 상태와 차량의 움직임에 따라 시스템 상태방정식과 측정식을 유동적으로 변경하여 GPS/DR 통합 항법시스템의 성능을 향상시켰다.
- 본 논문에서는 차량 움직임 정보를 이용한 GPS/DR 차량 항법 시스템 성능향상 기법을 제안하였다. 차량 움직임 판단을 위해서 GPS 측정치와 DR 센서 데이터를 분석하고, 차량 움직임 정보를 이용하여 자이로스코프 오차를 보정 하였다. GPS 항법해의 상태와 차량의 움직임에 따라 시스템 상태방정식과 측정식을 유동적으로 변경되도록 구현하였다.
- 본 논문에서는 위의 특성을 기반으로 차량 움직임에 따라 3가지로 방위각 오차를 모델링 하였다. 차량이 정지 또는 직진 할 경우 바이어스 오차로 모델링 하였으며, 회전 할 경우 환산계수 오차로 모델링 하였다. 그 외 변동 구간에서는 방위각 오차로 모델링 하였다.
- 보정된 환산계수를 이용하여 속도가 계산된다. 환산계수 오차는 시간에 따라 급격히 변하지 않으므로 랜덤워크(Random Walk)로 모델링 하였다. 속도 필터의 상태방정식과 측정방정식은 다음과 같이 나타내어진다.
- GPS 측정치는 오차를 포함하고 있으므로 더 정확한 바이어스 오차를 추정 할 수 있다. 회전 구간과 변동 구간은 차량 움직임을 이용하여 기준 값을 구할 수 없으므로, GPS 측정치를 기준 값으로 하였다.
- 그림을 보면 차량이동일한 방향으로 2번 회전하였으며, 방위각 변화율이 크게 나타남을 알 수 있다. 회전하는 구간에서는 자이로스코프 오차 보정을 위해서 GPS 방위각 변화율이 필요하므로 GPS 측정치를 이용할 수 있는 조건을 추가하였다. 즉, GPS 수신가능하고 3보다 작은 HDOP(HorizontalDilution of Precision)를 가지며, 속도가 20km/h 보다 크다는 조건을 추가하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 차량 움직임 정보를 이용한 GPS/DR 차량 항법 시스템 성능향상 기법을 제안하였다. DR 항법센서로 주행거리계(Odometer)와 자이로스코프를 사용하였다. GPS/DR 통합 항법시스템은 분산형(Cascade) 칼만필터 기법을 이용하여 약결합 방식으로 구성하였다.
- GPS/DR 통합 항법시스템은 GPS 수신기와 주행거리계 그리고 자이로스코프로 구성되어있다. GPS 수신기는 일반 적인 차량항법에 많이 이용되는 SiRF사의 SiRFstarIII GSC3e/LP 모델을 사용하였다. SiRFstarIII는 ARM7TDMI CPU와 20 개의 추적채널을 갖고 있다.
- 아래의 표 2에 주행거리계의 특성을 나타내었다. 자이로스코프는 EPSON TOYOCOM사의 SV-8000CB를 사용하였고, 표 3에 특성을 나타내었다.
- GPS 신호가 더 오랫동안 차단되는 곳에서 성능을 평가하기 위해서 지하주차장에서 동일 궤적을 운행한 후 결과를 분석하였다. 차량은 지하주차장에서 약 400초 동안 사각궤적을 운행하였다. 그림을 보면 보정한 경우 더 일정한 모양을 갖는 것을 알 수 있다.
데이터처리
- 주행 실험을 결과 차량 움직임 정보를 이용하여 센서 오차를 보정한 경우 그렇지 않은 경우보다 위치와 방위각 오차가 작음을 확인하였다. 위 결과로부터 차량움직임 정보를 이용한 GPS/DR 항법 시스템이 성능을 검증하였다.
- 먼저, 차량 주행 실험 궤적은 그림 1과 같다. 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위해서 직선과 회전구간에서 실제 GPS가 수신되는 구간에서 차단되었다고 설정하고 결과를 분석하였다. 지하주차장 주행 데이터를 이용하여 장시간 GPS가 차단되는 경우 성능을 평가하였다.
이론/모형
- DR 항법센서로 주행거리계(Odometer)와 자이로스코프를 사용하였다. GPS/DR 통합 항법시스템은 분산형(Cascade) 칼만필터 기법을 이용하여 약결합 방식으로 구성하였다. 차량 움직임 판단을 위해서 GPS 측정치와 DR 센서 데이터를 분석하고, 차량 움직임 정보를 이용하여 DR 센서 오차를 보정하였다.
성능/효과
- 차량 움직임 판단을 위해서 GPS 측정치와 DR 센서 데이터를 분석하고, 차량 움직임 정보를 이용하여 DR 센서 오차를 보정하였다. GPS 항법해의 상태와 차량의 움직임에 따라 시스템 상태방정식과 측정식을 유동적으로 변경하여 GPS/DR 통합 항법시스템의 성능을 향상시켰다.
- 흰색 선은 차량 궤적을 나타내고, 파란색 점과 노란색 점은 그리고 빨간색 점은 각각 직진과 회전 그리고 정지 구간을 나타낸다. 결과를 보면 차량 움직임에 잘 판단하는 것을 확인 할 수 있다.
- 5 rad/s이내에서 변화하고 있음을 알 수 있다. 본 논문에서는 주행거리계 속도가0 km/h보다 크고, 방위각 변화율이 0.5 rad/s보다 작을 때 직진 구간으로 판단하였다.
- 또한 GPS 방위각 보다 더 작은 측정잡음을 가지므로 더 정확한 오차추정이 가능하다. 주행 실험을 결과 차량 움직임 정보를 이용하여 센서 오차를 보정한 경우 그렇지 않은 경우보다 위치와 방위각 오차가 작음을 확인하였다. 위 결과로부터 차량움직임 정보를 이용한 GPS/DR 항법 시스템이 성능을 검증하였다.
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