KR100308572B1 - 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치 - Google Patents

Abstract

자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치가 개시된다. 차량에 부착된 GPS 수신기를 통해 적어도 3개 이상의 GPS위성으로부터 전파를 수신하여 GPS신호를 제공받고, 저역통과필터를 통해서 추출한 가속도계로부터의 경사각을 근거로 경사추출부를 통하여 추출한 경사각을 보정하고, 보정된 경사각을 근거로 상기 가속도신호를 중력 보상하여 차량속도를 추출하고, 방위각추출부로부터 출력되는 방위각을 3차원항법연산부에 제공하여 차량의 속도 및 차량의 위치를 계산하므로써 경사가 심한 도로에서 보다 정확하게 차량의 위치를 계산할 수 있다.

Description

자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치

본 발명은 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 주행 중에 도로 경사각의 변화를 검출할 수 있는 자이로와 경사각에 의한 중력의 영향을 검출할 수 있는 가속도계의 정보를 통합하여 도로 경사각 및 차량속도를 검출할 수 있는 경사각 및 차량속도 검출장치에 관한 것이다.

항공기와 선박은 2군데 이상의 전파 발신원으로부터 전파를 수신하여 수신된 전파의 도달 시간차, 위상차, 도플러 시프트 등에 의해 전파 발신원으로부터의 거리를 구하여 현재 위치를 알 수 있는 전파항법에 의해 넓은 하늘과 바다를 안전하게 항행하고 있다. 같은 이동체인 자동차도 지금 현재 지도상의 어디를 주행하고 있는 지를 알 수 있다는 것은 승객에 있어서의 오랜 꿈이었다.

이에 주행중인 자동차 위치를 검출하기 위해서는 우선, 주행 개시전의 자동차 위치를 지도 좌표계의 좌표점에 맞출 필요가 있다. 자동차 위치의 초기 설정은 지도 화면상에 나타나는 자동차 위치 마크를 수동 조작에 의해 현재 위치라고 생각되는 장소에 설정하는 방법 또는 현재 위치의 절대 위치를 나타내는 위도 및 경도의 신호를 자동차 밖으로 수신하여 자동적으로 실행하는 방법에 의해 좌표점이 맞춘다. 주행 중에는 일정 거리 또는 시간마다 주행거리와 주행방위를 계측하여 좌표점을 구한다. 주행거리의 계측은 ABS 등에 사용하는 차륜 회전 센서의 신호를 이용하는데, 진행 방위를 알기 위해서는 지자기센서, 자이로, GPS(Global Positioning System), 비콘 등의 센서를 이용한다.

일반적인 차량항법 기술은 차량이 2차원의 평면에서 주행하고 있다고 가정하고 차속도계와 방위각 자이로를 사용하여 차량의 위치를 계산한다.

도 1은 차속도계와 방위각 자이로를 이용한 차량의 위치를 계산하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, X축과 Y축의 2차원 평면상에 주행 초기점인 t의 시각에 X(t), Y(t) 점을 출발하는 경우에, t+1의 시각에 검출한 위치는 X(t+1)=X(t)+V(t)·sinψ(t), Y(t+1)=Y(t)+V(t)·cosψ(t)의 점에 도달한다.

그러나, 2차원 평면을 가정하여 차량항법 시스템을 구성하는 경우는 차량이 실제로 주행하는 도로의 경사각이 무시되므로 차량의 주행거리가 실제와 차이를 보인다. 또한 주행거리계를 이용하는 경우 차량항법 시스템의 장착이 어려우며 차량간의 타이어 크기 차이로 인하여 항법장치를 차량간에 이동하여 장착하기 어렵다는 단점이 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 차속계를 이용하지 않고, 비접촉센서인 가속계와 자이로만을 이용한 항법 시스템을 구성하기 위하여 가속계를 이용하여 차량의 속도를 계산하고, 경사각을 추출하기 위해 경사각 자이로의 출력을 적분하여 이용한다.

도 2는 가속도계와 경사각 자이로의 출력을 이용한 차량의 위치를 계산하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, X축, Y축, Z축의 3차원 평면상에 주행 초기점인 t의 시각에 X(t), Y(t) 점을 출발하는 경우, t+1의 시각에 검출한 차량의 위치는 상기 경사각 자이로에 의해 검출된 경사각변화율의 적분치가 계산되어 X(t+1)=X(t)+V(t)·sinψ(t)·cosθ(t), Y(t+1)=Y(t)+V(t)·cosψ(t)·cosθ(t)의 점에 도달한다.

그러나 자이로만을 이용하여 도로의 경사각을 검출하고, 검출된 경사각 변화율을 적분하여 경사각을 계산하는 것은 자이로의 센서오차에 의한 오차가 크게 발생할 수 있다. 또한, 비접촉센서인 가속도계를 이용하여 차량의 속도를 구하고자 하는 경우 중력의 영향을 제거하기 위하여 정확한 경사각 정보가 필요하다.

이상 설명한 바와 같이, 종래의 차량항법 시스템은 경사각자이로로부터 얻어지는 경사각 변화율을 적분하여 경사각을 계산하는 것으로, 자이로의 특성에 따라 그 성능이 결정된다.

일반적으로 자이로의 바이어스 및 민감도 계수는 온도변화 등에 크게 영향을 받으므로 출력의 안정성이 저하되며, 도로에서 입력되는 외란 및 잡음의 영향으로 경사각의 오차가 커지게 된다. 이러한 경우 가속도계로부터 중력이 완전히 보상되지 않아 차량속도의 오차가 매우 커지게 된다는 단점이 있다. 차량속도의 오차가 시간에 따라 커지는 경우 차량의 위치 오차는 차량속도 오차의 적분으로 표현되므로 시간의 제곱에 비례하여 커지게 된다.

따라서 GPS신호를 자주 받기 어려운 도심이나 터널구간 또는 고가차도 아래 구간의 경우 이러한 위치 오차에 의하여 차량의 위치를 지도에 표시하거나 경로를 안내하기 어렵게 되는 문제가 있다.

이에, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 경사각과 방위각을 계측할 수 있는 자이로와 차량의 가속도를 계측할 수 있는 가속도계를 이용하여 차량의 속도 및 경사각을 계측할 수 있는 차량항법장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 차속도계와 방위각 자이로를 이용한 차량의 위치를 계산하기 위한 도면;

도 2는 가속도계와 경사각 자이로의 출력을 이용한 차량의 위치를 계산하기 위한 도면;

도 3은 본 발명에 의한 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도검출장치의 블록도; 그리고

도 4는 가속도계 출력에 있어서의 중력 보상 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가속도계 14 : 저역통과필터

20 : 경사각추출부 30 : 경사각예측부

40 : GPS수신기 50 : 차량속도추출부

60 : 방위각추출부 70 : 3차원항법연산부

t,θ : 경사각 Ψ : 방위각

f : 진행방향의 가속도

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은

차량의 경사각신호를 검출하기 위한 경사각추출부;

차량 진행방향의 방위각신호를 검출하기 위한 방위각추출부;

차량의 가속도신호를 검출하여 검출된 가속도신호로부터 중력의 반작용에 의한 가속도신호를 검출하기 위한 가속도추출부;

상기 중력의 반작용에 의한 가속도신호에 응답하여 상기 경사각신호를 보정하기 위한 경사각예측부;

상기 보정된 경사각신호에 응답하여 상기 가속도신호를 중력 보정하고, 상기 중력 보정된 가속도신호로부터 보상된 차량속도를 검출하기 위한 차량속도추출부; 그리고

상기 보상된 차량속도와 방위각을 제공받아 항법정보를 검출하기 위한 3차원항법연산부를 구비하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치를 제공한다.

상기한 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치에 의하면, 저역통과필터를 통해서 추출한 가속도계로부터의 경사각을 근거로 경사추출부를 통하여 추출한 경사각을 보정하고, 보정된 경사각을 근거로 상기 가속도신호를 중력 보상하여 차량속도를 추출하고, 상기 방위각추출부로부터 출력되는 방위각을 3차원항법연산부에 제공하여 차량의 속도 및 차량의 위치를 계산하므로써 경사가 심한 도로에서 보다 정확하게 차량의 위치를 계산할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명에 의한 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도검출장치의 블록도이다.

도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도검출장치는 가속도계(10), 저역통과필터(14), 경사각추출부(20), 경사각예측부(30), GPS수신기(40), 차량속도추출부(50), 방위각추출부(60), 그리고 3차원항법연산부(70)로 구성된다.

상기 가속도계(10)는 차량의 가속도를 검출하여 상기 저역통과필터(14) 및 차속도추출부(50)에 각각 제공한다.

본 발명에 의한 가속도계와 자이로를 이용하여 차량의 속도를 결정하기 위해서는 경사각정보를 이용하여 중력의 영향을 제거하여야 한다.

도 4는 가속도계 출력에 있어서의 중력 보상 개념도이다.

도 4와 같이 경사진 도로에서 차량이 진행방향의 가속도 f로 운동하는 경우, 상기 가속도계(10)는 차량의 진행방향 가속도 f이외에도 중력의 반작용에 의한 가속도 g·sint를 검출하므로, 상기 가속도계(10)의 출력은 하기하는 수식 1과 같이 계산된다.

y=f+g⋅sint

여기서 g는 중력가속도이며, t는 도로의 경사각이다. 따라서 차량의 진행방향 가속도 f를 계산하기 위하여는 도로의 경사각 t의 결정이 필요하며, 경사각이 결정된 후 차량의 실제 가속도 f는 하기하는 수식 2와 같다. 이 과정을 중력보상이라 한다.

f=y-g⋅sint

보다 상세히는 상기 가속도계(10)는 차량의 진행방향에 의한 가속도 f와 중력의 반작용에 의한 가속도 g·sint를 포함하는 가속도 y를 검출하고, 상기 검출된 가속도 y를 상기 저역통과필터(14) 및 차속도추출부(50)에 제공한다.

또한 상기 저역통과필터(14)는 가속도계(10)로부터 검출된 가속도를 제공받아 저역필터링한 후 저역필터링된 가속도신호를 경사각예측부(30)에 제공한다. 이때 상기 중력의 반작용에 의한 가속도 g·sint는 상기 차량의 진행방향에 의한 가속도 f에 비해 상대적으로 저주파대역에 존재하므로 저역통과필터(14)를 통과하므로써 중력의 반작용에 의한 가속도 g·sint만이 검출된다.

상기 경사각추출부(20)는 경사각자이로(22)와 제1 적분기(24)로 구성되어 차량의 경사각을 검출하여 상기 경사각예측부(30)에 제공한다. 보다 상세히는 상기 경사각자이로(22)는 차량의 경사각변화율을 검출하여 검출된 경사각변화율을 상기 제1 적분기(24)에 제공하고, 상기 제1 적분기(24)는 상기 경사각자이로(22)로부터 경사각변화율을 제공받아 적분 연산하여 도로의 경사각을 검출하고, 검출된 도로의 경사각을 상기 경사각예측부(50)에 제공한다. 이때 경사각의 초기값을 계산하는 과정이 매우 중요하며, 초기 경사각은 출발 직전 차량이 정지한 상태에서 중력을 이용하여 하기하는 식 3과 같이 계산된다. 식 3의 과정은 차량이 정지한 경우에 항상 수행될 수 있다.

상기 경사각예측부(30)는 상기 GPS 수신기(40)로부터 측위데이터를 제공받고, 상기 도로의 경사각 및 가속도를 제공받아 보정된 경사각을 상기 차속도추출부(50)에 제공한다.

바람직하게 본 발명에서는 상기 경사각예측부(30)를 칼만 필터(Kalman filter)로 구성하여, 저역통과필터(14)를 통과한 가속도계(10)의 출력을 상기 칼만 필터의 측정치로 이용하여 경사각자이로(22)로부터 얻어진 경사각 정보의 오차를 예측하는 방법을 제시한다.

상기 칼만 필터의 설계시 경사각 정보를 위치, 속도, 방위각과 함께 칼만 필터의 상태변수로 설정하여 동시에 예측할 수도 있으며, 경사각 정보만을 독립적으로 상태변수로 취하여 예측할 수도 있다. 경사각 정보만을 상태변수로 취하는 경우 경사각 오차 δt는 하기하는 수식 6과 같은 이산 미분방정식으로 모델링한다.

δt(k+1)=δt(k)+ω(k)

여기서 공정잡음 ω(k) 는 경사각자이로의 잡음이다.

한편, 저역통과필터(14)를 통과한 가속도계(10)의 출력으로부터 얻어지는 경사각을 t_a(k)라 하며, 칼만 필터의 측정치 z는 다음과 같이 얻어진다.

z(k)=t(k)-t_a(k)=δt(k)+v(k)

여기서 측정잡음 v(k)는 상기 저역통과필터(14)를 통과한 가속도계(10)의 출력으로부터 얻어지는 경사각 정보의 오차이다.

상기한 수식 6과 수식 7과 같이 모델링된 시스템에 칼만 필터를 적용하여 경사각 오차를 실시간으로 예측할 수 있게 된다. 이와같은 칼만 필터는 고주파 신호와 저주파신호의 통합에 유리하며, 도로의 경사각의 변화추이 및 순간적인 변화를 모두 감지할 수 있게 된다.

상기 GPS 수신기(40)는 적어도 3개 이상의 GPS위성으로부터 전파를 수신하여 측위데이터를 상기 경사각예측부(30) 및 3차원항법연산부(70)에 제공한다. 이때 상기 GPS위성 각각에는 고정밀도의 시계가 탑재되어 있어 전파 발사 시각신호가 발신됨에 따라 GPS 수신기(40)측에서는 탑재된 시계에 의해 전파의 수신시각을 알 수 있으므로 전파 도달 소요 시간을 알 수 있다. 이렇게 하여 3개의 위성으로부터 전파 도달 소요 시간을 측정하여 각각 전파의 전반 속도인 약 30만㎞/s로 나눈 값이 GPS 위성과 자동차와의 거리가 된다.

상기 방위각추출부(60)는 방위각자이로(62)와 제2 적분기(64)로 구성되어 차량의 방위각을 검출하여 상기 3차원항법연산부(70)에 제공한다. 보다 상세히는 상기 방위각자이로(62)는 차량의 방위각변화율을 검출하여 검출된 방위각변화율을 상기 제2적분기(64)에 제공하고, 또한 상기 제2 적분기(64)는 상기 방위각자이로(62)로부터 방위각변화율을 제공받아 적분 연산하여 차량의 방위각을 검출하고, 검출된 차량의 방위각을 상기 3차원항법연산부(70)에 제공한다.

상기 차량속도추출부(50)는 상기 경사각예측부(30)로부터 제공되는 보정된 경사각에 응답하여 상기 가속도를 중력 보정하고, 상기 중력보정된 가속도로부터 보상된 차량속도를 검출하여 검출된 차량속도를 상기 3차원연산부(70)에 제공한다.

보다 상세히는 상기 차량속도추출부(50)는 중력보상부(52) 및 제3 적분기(54)로 구성된다.

상기 중력보상부(52)는 상기 경사각예측부(30)로부터 출력되는 보정된 경사각을 근거로 상기 가속도계(10)로부터 출력되는 가속도의 중력을 보상하고, 상기 중력 보상된 가속도를 상기 제3 적분기(54)에 제공한다.

상기 제3 적분기(54)는 상기 중력보상기(52)로부터 제공되는 중력 보상된 가속도를 적분 연산하여 차량속도를 검출하고, 검출된 차량속도를 상기 3차원항법연산부(70)에 제공한다.

상기 3차원연산부(70)는 상기 GPS 수신기(40)로부터 측위데이터를 제공받고, 상기 차량속도와 방위각을 제공받아 항법정보를 출력한다.

상기한 내용은 GPS수신이 불가능한 도심지역이나 터널을 통과할 때에도 이용할 수 있으며, 또한 GPS수신이 가능한 지역에서도 GPS 속도 정보를 함께 이용하여 보다 정밀한 속도 및 경사각 정보를 얻을 수 있다.

상기에서는 차량의 주행중 GPS속도 정보와 함께 가속도계와 자이로를 이용하여 도로의 경사각 및 차량의 속도를 보다 정밀하게 검출하였으나, 차량의 출발전이나 정지한 경우에는 상기 가속도계의 출력만을 이용하여 도로의 경사각을 계산할 수 있다.

보다 상세히는 자이로는 그 특성상 외력이 가해지지 않는 한 검출신호는 존재하지 않으므로 차량의 출발전이나 정지한 경우에는 상기 경사각자이로 및 방위각자이로를 통해서는 경사각변화율 및 방위각변화율은 계측되지 않는다. 그러나, 상기 가속도계로부터는 진행방향가속도와 중력의 반작용에 의한 가속도가 상기한 수식 1과 같이 검출되므로 상기한 수식 3에서 언급한 바와 같이 도로의 경사각 t는 계산할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서 도로의 경사각정보를 구하기 위하여 경사각자이로(22) 대신에 경사각센서를 이용할 수 있다. 이때 상기 경사각자이로는 경사각변화율을 검출하여 검출된 경사각변화율을 적분하므로써 도로의 경사각을 검출하는 반면, 경사각센서는 도로의 경사각을 직접적으로 감지할 수 있으므로 감지된 도로의 경사각을 상기 경사각예측부(30)에 제공하여 가속도계 출력 중의 중력성분을 제거하여 정확한 차량의 속도를 구할 수 있다. 이 또한 저역통과필터를 통과시킨 가속도계 출력을 함께 이용하여 보다 정밀한 경사각 정보를 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예로서 차량의 위치를 지도 위에 위치시키는 지도매칭법과 연계하여 도로 위의 중요지점의 경사각 정보를 계산하여 계산된 경사각 정보를 네비게이션 ECU(electronic control unit) 등에 저장한 후 자주 쓰이는 지도 정보에 추가하여 이용할 수 있다. 특히 경사가 심한 지역 등의 경사각 정보가 중요하며, 반복실험을 통하여 얻어진 중요지점의 경사각 정보를 저장하여 기존의 2차원 항법만을 수행하는 경우에도 도로의 경사각에 의한 거리 오차를 줄일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 일정 범위 내의 오차를 갖는 가속도계로부터의 경사각정보를 이용하여 자이로의 오차에 의해 누적되는 경사각 오차의 발산을 막을 수 있다.

또한 도로의 경사각을 고려하여 차량의 위치를 계산하므로 심한 경사로에서 보다 정확한 차량의 위치를 계산할 수 있다.

또한 GPS가 수신되지 않은 지하도로, 다리 아래 등의 구간에서도 차량의 속도 및 도로의 경사각을 보다 정확하게 계산할 수 있다.

또한 차량의 속도 측정시 주행거리계를 이용할 필요가 없으므로 차량에 직접 배선할 필요가 없으며, 간단하게 탈착을 할 수 있으므로 이동성이 우수하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 차량의 경사각 변화율을 적분하여 차량의 경사각신호로 출력하기 위한 경사각추출수단(20); 차량의 방위각 변화율을 적분하여 차량 진행방향의 방위각신호로 출력하기 위한 방위각추출수단(60); 차량의 가속도신호를 검출하기 위한 가속도계(10); 상기 가속도신호로부터 중력의 반작용에 의한 저주파 가속도성분만을 추출하기 위한 저역통과필터(14); 칼만 필터로 구성되어, 상기 저역통과필터를 통과한 도로의 절대 경사각에 대응되는 상기 저주파 가속도성분을 상기 칼만 필터의 측정치로 이용하여, 상기 경사각추출수단으로부터 얻어진 경사각 정보의 오차를 실시간으로 예측하여 보정된 경사각신호를 생성하기 위한 경사각예측수단(30); 상기 보정된 경사각신호에 응답하여 상기 가속도신호를 중력 보정하고, 상기 중력 보정된 가속도신호로부터 보상된 차량속도를 산출하기 위한 차량속도추출수단(50); 그리고 상기 보상된 차량속도와 상기 방위각을 제공받아 차량의 속도와 위치에 관한 항법정보를 계산하기 위한 3차원항법연산수단(70)을 구비하는 것을 특징으로 하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 경사각추출수단은 차량의 경사각변화율을 검출하기 위한 경사각자이로; 그리고 상기 경사각변화율을 적분 연산하여 도로의 경사각을 검출하기 위한 제1 적분기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 방위각 추출수단은 차량의 방위각변화율을 검출하기 위한 방위각자이로; 그리고 상기 방위각변화율을 적분 연산하여 방위각을 검출하기 위한 제2 적분기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치.
4. 제1항에 있어서, 차량의 출발전이나 정지한 경우에는 상기 가속도계의 출력만을 이용하여 도로의 경사각을 계산하는 것을 특징으로 하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 차량속도추출수단은 상기 경사각예측수단으로부터 출력되는 보정된 경사각에 응답하여 상기 가속도추출수단으로부터 출력되는 가속도의 중력을 보상하기 위한 중력보상수단; 그리고 상기 중력 보상된 가속도신호를 적분 연산하여 차량속도를 검출하기 위한 제3 적분기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로와 가속도계를 이용한 경사각 및 차량속도 검출장치.