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정밀 INS/GPS시스템을 위한 언센티드 칼만 필터 기반의 역방향 필터연구
The Unscented Kalman Filter Based Backward Filters for the Precise INS/GPS System 원문보기

한국지리정보학회지 = Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, v.13 no.2, 2010년, pp.157 - 167  

권재현 (서울시립대학교 공간정보공학과) ,  이종기 (오하이오주립대학교 토목환경공학 및 측지학과) ,  이지선 (서울시립대학교 공간정보공학과)

초록
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언센티드 칼만 필터 기반의 역방향 필터를 유도하고 시뮬레이션 테스트를 통하여 확장 칼만 필터, 언센티드 칼만 필터, 그리고 확장 칼만 스무더로부터의 위치결과와 비교 분석하였다. 시뮬레이션은 GPS의 수신환경이 극단적으로 좋지 않을 경우를 고려하여 $40m{\times}40m $ 의 공간에서 4개의 곡선 그리고 5개의 직선구간으로 이루어진 궤적에서 시작점과 끝점만을 기지점으로 가정하여 수행하였다. 실험 결과 스무더는 순방향 필터에 비하여 최대 위치 오차값이 약 8~9m 정도 크게 감소하는 결과를 보여주었다. 스무더의 경우 위치오차를 직선구간과 곡선구간으로 나누어 분석하였는데, 언센티드 칼만 스무더가 확장 칼만 스무더에 비하여 직선 구간에서는 최대 10cm, 곡선 구간에서는 최대 23cm 향상된 결과를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Unscented Kalman filter based backward filter is derived and the positions from extended Kalman filter, unscented Kalman filter, and extended Kalman smoother are compared and analyzed through a simulation test. Considering the poor GPS signal reception, the simulation is performed under the assumpti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Wan and Van der Merwe (2001)는 순방향 필터와 역방향 필터의 선형 결합을 이용한 이중 필터 스무딩 방법을 이용한 언센티드 칼만 스무더를 제안하였고, Shin(2005)은 이중 필터 스무딩 방법을 기반으로한 언센티드 칼만 역방향 필터를 MEMS INS/GPS 데이터 처리에 적용하였다. 그러나 Klass(2006) 와 Sarkka(2008)의 논문에서 이중 필터 방법과 RTS를 기반 방법이 유사한 결과를 보여주었으므로 본 논문에서는 좀 더 효율적인 RTS기반을 방법을 이용하기로 한다.
  • 다시 말해서, 추정의 시점까지의 관측치만을 이용하는 순방향 필터(Forward filter)와 역방향 필터(Backward filter)까지 적용하여 모든 사용 가능한 데이터를 이용하여 상태벡터를 추정하는 스무더(smoother)의 차이가 바로 그것이다. 즉, 순방향과 역방향 모두를 적용한 경우를 스무더라 하며, 본 연구에서는 순방향 필터의 결과와 역방향 필터까지 적용한 결과를 비교하는데 주안점을 두었다.

가설 설정

  • 는 가우시안, 영평균, 백색 잡음 프로세스 형태의 관측치 잡음으로 공분산은 다음과 같이 정의 될 수 있다. 또한, 시스템과 관측치 잡음은 서로 상관관계가 없는 것으로 가정한다.
  • 오차 없는 IMU 데이터 셋의 생성을 위해서 매트랩 INSToolKitⓇ이 사용되었고, IMU 오차값 들을 추가하여 실제 데이터 셋과 유사한 자료(속도 및 각도 증분치)를 생성하였다. 실험에 있어 기준궤적으로 사용되는 GPS 데이터 셋은 백색 잡음만을 가지고 있다고 가정한 후 랜덤오차를 추가하여 생성되었다.
  • 본 논문에서는 RTS 방법을 적용한 언센티드 칼만필터의 역방향 필터 (언센티드 칼만 스무더, Unscented Kalman Smoother)를 유도하고, 시뮬레이션 테스트를 통하여 위치 오차를 확장 칼만 스무더 (Extended Kalman Smoother)의 결과와 비교 분석하였다. 이때 시뮬레이션에서는 GPS로부터의 신호단절과 동적 변화가 심하다고 가정하여 위치의 시작점과 끝점만을 안다고 가정한 후 자유항법(Free-navigation)에 의한 필터링을 수행하였다. 이는 INS/GPS 시스템의 운영환경이 극단적으로 좋지 않을 때를 가정한 것으로 이러한 환경에서 최적의 결과를 도출하는 필터를 적용하여야 한다는 논리에 기반한다.
  • 칼만 필터는 시스템과 관측 모델이 선형(linear)이며 가우시안(Gaussian) 분포를 가진 시스템의 필터링에 대한 해석해(analytic solution)를 제공한다. 칼만 필터는 사후 밀도 함수(posterior density function)를 가우시안(Gaussian) 확률 분포 함수로 가정하며, 사후 밀도 함수는 가우시안 확률 분포 함수의 두 매개변수(평균과 표준편차)로서 그 특성을 설명할 수 있다. 칼만 필터의 수학적 유도는 다수의 논문에 잘 정리되어 있으므로 (Kalman, 1960; Maybeck 1979; Welch and Bishop, 2001; Haykin, 2001), 본 논문에서는 간략히 요약 하여 서술한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
칼만 필터란 무엇인가? 칼만 필터는 외부 관측치를 기반으로 시간에 따라 시스템 상태(state)를 순환 추정 (recursive estimation)하는 방법이다(Kalman, 1960). 칼만 필터는 시스템과 관측 모델이 선형 (linear)이며 가우시안(Gaussian) 분포를 가진 시스템의 필터링에 대한 해석해(analytic solution)를 제공한다.
언센티드 변환이 파티클 필터와 비슷하다고 여겨지는 점은 무엇인가? 샘플(상태 벡터의 샘플 또는 상태 변수의 임의 생성값)을 사용한다는 점에서 언센티드 변환은 파티클 필터(Particle filter)와 비슷하다고 여겨질 수 있으나 언센티드 변환은 생성된 시그마 포인트(2nx + 1, nx는 상태 변수의 개 수)의 계산을 통해서 상태변수의 평균과 분산을 결정하는 것에 비해 파티클 필터는 샘플을 랜덤하게 생성한 후 생성된 샘플들의 임의 분포를 이용하여 상태변수의 평균과 분산을 계산하는 점이 다르다. 본 연구에서는 다양한 언센티드 변환 중에서 고차(high dimension) 상태 변수 계산 시 유용한 스케일 언센티드 변환(Scale Unscented Transformation, SUT)을 사용하였으며 다음과 같이 요약 될 수 있다(Julier et al.
GPS의 신호 단절(Signal Blocking)과 낮은 시간 해상도(Temporal Resolution) 문제를 해결하기 위해 사용하는 것은 무엇인가? GPS는 다양한 응용 분야에서 정밀 위치 정보를 제공해 왔으나 주위 환경에 따른 신호 단절(Signal Blocking)과 낮은 시간 해상도(Temporal Resolution) 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 자동 항법 장치인 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System, INS)과 결합하여 INS/GPS통합 시스템을 구성하며, 통합 시스템의 데이터를 처리하기 위해서 칼만 필터(Kalman Filter, 비선형 시스템의 경우는 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter)를 가장 많이 사용한다. 그러나 확장 칼만 필터는 테일러급수를 이용한 선형화 과정(Jacobian 행렬 생성 등)을 거친 후 급수의 1차항까지만을 사용하므로 시스템의 동적 변화가 높을 경우 위치 정보의 정확도 및 통합의 용이성이 떨어진다.
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참고문헌 (15)

  1. Anderson, B.D.O. and J.B. Moore. 1979. Optimal Filtering, Prentice Hall, New York, NY. 368pp. 

  2. Haykin, S. 2001. Kalman Filtering and Neural Networks. John Wiley & Sons, Inc., New York. 284pp. 

  3. Julier, S.J. and J.K. Uhlmann. 1997. A general method for approximating nonlinear transformations of probability distributions, Technical report, Department of Engineering Science, University of Oxford, Oxford, England. 27pp. 

  4. Julier, S.J., J.K. Uhlmann and H.F. Durrant-Whyte. 1995. A new approach for filtering nonlinear systems. Proc. of the American Control Conference, Seattle, WA, pp.1625-1632. 

  5. Julier, S.J., J.K. Uhlmann and H.F. Durrant-Whyte. 2000. A new approach for nonlinear transformations of means and covariances in filters and estimators. IEEE Transactions on Automatic Control 45(3):477-482. 

  6. Kalman, R.E. 1960. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems. Trans. of the ASME-Journal of Basic Engineering 82(D):35-45. 

  7. Klass, M., M. Briers, N. de Freitas, A. Doucet, S. Maskell and D. Lang. 2006. Fast particle smoothing: If I had a million particles, in Proc. ICML 2006, Pittsburgh, PA, pp.481-488. 

  8. Lee, J.K. and C. Jekeli. 2009. Improved Filter Strategies for Precise Unexploded Ordnance Geolocation using IMU/GPS integration, Journal of Navigation 62(3):365-382. 

  9. Maybeck, P. S. 1979. Stochastic models, estimation and control: Academic Press, New York. 423pp. 

  10. Rauch, H. E., F. Tung and C. T. Striebel. 1965. Maximum likelihood estimates of linear dynamic systems, AIAA J 3(2): 1445-1450. 

  11. Sarkka, S. 2008. Unscented Rauch -Tung -Striebel Smoother, Automatic Control, IEEE Transactions on, 53(3): 845-849. 

  12. Shin, E.H. 2005. Estimation Techniques for Low-Cost Inertial Navigation. Ph.D. Thesis, University of Calgary. UCGE Report 20219. 181pp. 

  13. Van der Merwe, R., A. Doucet, N. de Freitas and E. Wan. 2000. The unscented particle filter. Technical Report CUED/F-INFENG/TR 380, Engineering Department, Cambridge University, Cambridge, England. 

  14. Wan, E.A. and R. van Der Merwe. 2001. The unscented Kalman filter. Chapter 7 in: Simon Haykin (Ed.), Kalman Filtering and Neural Networks, John Wiley & Sons, New York. 50pp. 

  15. Welch, G. and G. Bishop. 2001. An Introduction to the Kalman Filter. Chapel Hill. SIGGRAPH. 16pp. 

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