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GPS 음영 지역 극복을 위한 INS/초음파 속도계 결합 항법 시스템 설계
An Integrated Navigation System Combining INS and Ultrasonic-Speedometer to Overcome GPS-denied Area 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.3 = no.96, 2019년, pp.228 - 236  

최부성 (한국항공대학교 항공전자정보공학과) ,  유원재 (한국항공대학교 항공전자정보공학과) ,  김라우 (한국항공대학교 항공전자정보공학과) ,  이유담 (한국항공대학교 항공전자정보공학과) ,  이형근 (한국항공대학교 항공전자정보공학과)

초록
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최근 도심지, 터널, 지하도 등과 같이 위성항법시스템 (GPS; global positioning system) 신호 수신이 어려운 환경에서 안정적으로 정확한 위치 해를 획득하기 위한 다중센서 결합 기법들이 활발하게 연구되고 있다. GPS 음영 지역에서의 위치 정확도를 개선하기 위하여 본 논문에서는 초음파의 전파 특성을 활용하여 동체의 전방 속도를 추정할 수 있는 저가의 초음파 속도계(ultrasonic-speedometer)를 설계하였고, 이를 활용하여 관성항법시스템 (INS; inertial navigation system)과 효율적으로 결합하는 INS/초음파 속도계 결합 항법 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템의 성능을 분석하기 위해 차량 탑재 실험을 수행하였다. 실험결과에 의하면 저가의 MEMS IMU (micro electro mechanical systems inertial measurement unit)를 활용하고 GPS 신호가 10초 이상 가용하지 않는 경우에도 제안된 INS/ 초음파 속도계 결합 항법 시스템은 위치 정보 정확도의 열화를 효과적으로 제한할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, multi-sensor integration techniques have been actively studied to obtain reliable and accurate navigation solution in GPS (Global Positioning System)-denied harsh environments such as urban canyons, tunnels, and underground roads. In this paper, we propose a low-cost ultrasonic-speedometer...

주제어

표/그림 (17)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 저가 초음파 센서의 장점을 활용하여 속도계를 설계하고 GPS 음영구간에서 INS의 속도를 보정하여 항법 정확도의 급격한 열화를 방지할 수 있는 INS/초음파 속도계 결합 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 두 종류의 실험을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 초음파의 전파 특성을 활용하여 동체의 전진 방향 속도를 추정할 수 있는 초음파 속도계 (ultrasonic speedometer)를 제안하였다. 기존의 연구에서 초음파 센서는 주로 초음파의 반사 특성을 활용하여 타 물체까지의 거리를 측정하거나 물체의 인식 용도로 사용되어 왔다.
  • 기존의 연구에서 초음파 센서는 주로 초음파의 반사 특성을 활용하여 타 물체까지의 거리를 측정하거나 물체의 인식 용도로 사용되어 왔다. 이와는 달리 본 논문에서는 마주 보는 초음파 송신 센서와 수신 센서 사이에서 전파되는 초음파의 전파속도를 활용하여 센서가 장착된 동체의 속도를 추정하는 속도계를 제안하였다. 제안된 속도계는 저가의 초음파 센서를 활용하며 주변 환경의 영향을 덜 받는다는 측면에서 장점이 있다.

가설 설정

  • 동체의 속도가 빨라지면 역풍의 세기도 증가하므로 초음파의 전파속도는 감소한다. 이때, 바람 이외의 환경 요인인 온도, 습도 등은 일정하다고 가정하였다. 이를 기반으로, 추가적으로 측정 잡음과 환산 계수를 고려하면 초음파의 전파속도를 활용하여 동체의 전진 방향 속력을 추정할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GPS (global positioning system)란? GPS (global positioning system)는 항법위성에서 송신된 신호를 수신하여 매 시점 위치 해를 구하므로 오차가 누적되지 않는 특성을 가지는 전파 항법 시스템이다. 반면, 항법 신호의 수신이 어려운 환경에서는 주변 환경에 강인하면서 동적 특성이 좋은 INS (inertial navigation system)를 함께 활용해야 한다[1].
INS의 단점은 무엇인가? INS는 관성 측정 장치로부터 얻어지는 3축 가속도와 3축 각속도를 활용하여 동체의 자세, 속도 및 위치를 추정한다. 반면, 속도 및 위치를 계산하는 과정에서 적분 연산을 수행하므로 시간에 따라 오차가 누적되는 단점이 있다. 또한, 저가형 MEMS IMU (micro electro mechanical systems inertial measurement unit)는 낮은 성능으로 인해 독자적으로 활용 시에 항법해의 오차가 급격하게 증가한다.
항법 신호의 수신이 어려운 환경에서 사용되는 장치는 무엇인가? GPS (global positioning system)는 항법위성에서 송신된 신호를 수신하여 매 시점 위치 해를 구하므로 오차가 누적되지 않는 특성을 가지는 전파 항법 시스템이다. 반면, 항법 신호의 수신이 어려운 환경에서는 주변 환경에 강인하면서 동적 특성이 좋은 INS (inertial navigation system)를 함께 활용해야 한다[1]. INS는 관성 측정 장치로부터 얻어지는 3축 가속도와 3축 각속도를 활용하여 동체의 자세, 속도 및 위치를 추정한다.
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