[논문]MEMS IMU 기반 무인기 항법 시스템 설계와 성능 분석

김성철; 박지환; 홍진석; 송진우; 문정호

문제 정의

이를 극복하기 위해 서로 상반된 특성을 가지는 GPS와 관성항법 시스템을 결합한 항법 시스템 개발이 활발히 이뤄지고 있으며 최근에는 반도체 기술을 이용한 MEMS 기반의 초소형, 초경량, 저전력 관성 센서가 개발 판매 되고 있기때문에 이를 이용한 소형 항법 장치의 개발 필요성이 증가하고있다. 본 논문에서는 GPS, 관성센서를 결합하여 소형이면서 안정성과 정확성을 갖는 항법시스템을 개발하는 것을 목표로하고, 차량실험과 후처리를 통하여 성능분석을 하였다.
본 논문에서는 근접감시용 무인항공기에 적용되는 GPS/INS결합 항법 시스템을 개발하고, 차량에 탑재하여 성능 분석을 하였다. 무인 항공기에 탑재될 항법 시스템의 특성을 고려하여 작고 가벼운 MEMS 방식의 IMU를 선정하였고, IMU와 항법컴퓨터를 사용하여 스트랩다운(Strapdown) 관성항법시스템을 구성하였으며 이를 바탕으로 약결합(Loosely-coupled) 방식의 GPS/INS 통합시스템을 구현하였다.

제안 방법

GPS/INS 결합 항법 시스템의 성능을 차량실험을 통하여 분석하였다. 시스템을 탑재한 차량은 가산동에서 광명역까지 서부간선도로를 포함하는 왕복 약 24Km 정도의 거리를 가지는 코스를 주행하였고, 주행시간은 약 40분 정도 소요되었다.
GPS는 여러 가지 오차 요인과 신뢰성, 성능지수 등을 고려하여 Trimble 사의 Lassen IQ GPS Module을 선정하였다. 성능 사양은 표 1과 같다[5].
초기 600초 동안 개략정렬과 정밀정렬을 포함한 초기정렬을 수행한 후 시험을 수행하였으며, 주행과정중의 항법컴퓨터에 의해서 연산되는 위치, 속도, 자세 등의 정보는 시리얼 데이터 저장프로그램(Serial Logging Program)을 사용하여 기록하였다. 기준 시스템으로 사용한 BDS는 개발 시스템 바로 옆에 장착하였으며, 차량바닥에 고정할 수 있는 장착용 치구를 사용하여 장착 오차를 최소화 하였다.
무인 항공기에 탑재될 항법 시스템의 특성을 고려하여 작고 가벼운 MEMS 방식의 IMU를 선정하였고, IMU와 항법컴퓨터를 사용하여 스트랩다운(Strapdown) 관성항법시스템을 구성하였으며 이를 바탕으로 약결합(Loosely-coupled) 방식의 GPS/INS 통합시스템을 구현하였다. 구현한 GPS/INS 항법시스템은 자세각 오차 중피치각 오차가 0.
사용하였다. 센서 정보를 입력 받아 항법정보를 생성하기 위한 항법 알고리즘을 구현하고, 확장 SRAM 및 Flash memory를 이용해서 데이터를 처리한다.
약결합 방식을 이용한 GPS/INS 통합에서 GPS 수신기의 위치 정보인 위도, 경도, 고도를 측정치로 이용하여 관성항법을 보조한다. 약결합 방식은 강결합 방식에 비하여 필터 차수가 작고 측정 모델이 간단해진다는 장점이 있다[4].
차량실험 데이터를 GPS/INS 결합항법 성능을 분석하기 위해서 후처리를 하였다. 차량실험 출발 후 2950초부터 3010초까지 약 1분간 GPS 신호를 인위적으로 끊었으며, GPS신호가 양호할 때와 비교하여 오차를 구하였다.
후처리를 하였다. 차량실험 출발 후 2950초부터 3010초까지 약 1분간 GPS 신호를 인위적으로 끊었으며, GPS신호가 양호할 때와 비교하여 오차를 구하였다.
시스템을 탑재한 차량은 가산동에서 광명역까지 서부간선도로를 포함하는 왕복 약 24Km 정도의 거리를 가지는 코스를 주행하였고, 주행시간은 약 40분 정도 소요되었다. 초기 600초 동안 개략정렬과 정밀정렬을 포함한 초기정렬을 수행한 후 시험을 수행하였으며, 주행과정중의 항법컴퓨터에 의해서 연산되는 위치, 속도, 자세 등의 정보는 시리얼 데이터 저장프로그램(Serial Logging Program)을 사용하여 기록하였다. 기준 시스템으로 사용한 BDS는 개발 시스템 바로 옆에 장착하였으며, 차량바닥에 고정할 수 있는 장착용 치구를 사용하여 장착 오차를 최소화 하였다.

대상 데이터

개발한 항법 시스템을 시험, 평가하기 위해 기준장비로 사용한 BDS는 Novatel사에서 RLG 타입의 HG1700 센서를 사용한 제품이다. 표 2는 BDS의 성능 사양을 나타낸다[6].
개발한 항법 시스템의 하드웨어는 관성항법장치(INS)와 위성항법 장치(GPS), 센서들로부터 출력된 측정값들을 이용하여 여러 가지 수치계산을 수행하는 항법컴퓨터로 구성되어 있다. 그리고, 개발한 항법시스템을 시험, 평가하기 위한 기준시스템으로 Novatel 사의 BDS를 사용하였다.
본 논문에 사용되는 각종 센서들의 측정값을 받아서 자료변환 및 연산 수행을 하는 항법 컴퓨터는 ARM9 Core의 32 bit RISC칩을 사용하였다. 센서 정보를 입력 받아 항법정보를 생성하기 위한 항법 알고리즘을 구현하고, 확장 SRAM 및 Flash memory를 이용해서 데이터를 처리한다.
시스템을 탑재한 차량은 가산동에서 광명역까지 서부간선도로를 포함하는 왕복 약 24Km 정도의 거리를 가지는 코스를 주행하였고, 주행시간은 약 40분 정도 소요되었다. 초기 600초 동안 개략정렬과 정밀정렬을 포함한 초기정렬을 수행한 후 시험을 수행하였으며, 주행과정중의 항법컴퓨터에 의해서 연산되는 위치, 속도, 자세 등의 정보는 시리얼 데이터 저장프로그램(Serial Logging Program)을 사용하여 기록하였다.

데이터처리

개발한 항법시스템의 항법 성능을 시험, 평가하기 위해서 차량 실험을 통한 성능 분석을 하였다.

이론/모형

있다. 그리고, 개발한 항법시스템을 시험, 평가하기 위한 기준시스템으로 Novatel 사의 BDS를 사용하였다.

성능/효과

위의 그림듷에서 초기 장착 바이어스 성분 등욯 볼 수있으며, 확대한 결과 두 시스템 사이의 시각동기화가 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있었다. 자세각 오차를 구하기 위해서 그림 11과 같이 장착 바이어스 성분과 시각 동기화를 보정하였고, 그 결과 그림 12와 같은 피치각 오차성분을 구할 수 있었다.
후처리 결과 위치는 1분 동안 약 100m 정도의 오차를 보이고, 속도는 약 5 m/s 정도의 오차 수준을 보였다.

후속연구

34도 정도 나타났으며 이로 인해무인항공기용 항법시스템에 적용이 가능 할 것으로 예상 된다. 또한 이를 보완하기 위해 추후 비행시험이 수행될 예정이고, ADM(Air Data Mod니le)과 자력계를 추가하여 개발한 GPS/INS 결합 항법 시스템에 연동시킬 예정이다.

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