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KR100480793B1 - 가속도 오차 보정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 관성항법 시스템 - Google Patents

가속도 오차 보정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 관성항법 시스템 Download PDF

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KR100480793B1
KR100480793B1 KR10-2003-0038682A KR20030038682A KR100480793B1 KR 100480793 B1 KR100480793 B1 KR 100480793B1 KR 20030038682 A KR20030038682 A KR 20030038682A KR 100480793 B1 KR100480793 B1 KR 100480793B1
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최은석
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Abstract

본 발명은 관성 항법 시스템에서 가속도 오차를 보정하는 가속도 오차 보정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 가속도 오차 보정 장치는, 시스템의 정지 구간의 가속도 정보를 일차 함수로 근사화하여 시스템이 정지한 동안의 가속도 오차를 계산하는 제 1 가속도 오차 계산부; 시스템의 정지 구간에서의 시스템의 속도 및 속도에 따른 가속도를 보정하는 영속도 보정부; 및 근사화된 정지구간의 가속도 오차를 이용하여 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 계산하고, 움직임 구간의 가속도 오차, 움직임 구간의 측정 가속도 값, 및 보정된 정지구간의 가속도를 이용하여 오차가 보정된 가속도를 출력하는 제 2 가속도 오차 계산부를 포함한다.

Description

가속도 오차 보정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 관성 항법 시스템{Method and apparatus for compensating the acceleration error and inertial navigation system using thereof}
본 발명은 가속도 오차를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 관성 항법 시스템에서 가속도 오차를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 이를 이용한 관성 항법 시스템 및 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법에 관한 것이다.
관성 센서로 3차원 공간에서 움직이는 물체의 위치와 자세를 측정하려면 3축 가속도 센서와 3축 자이로스코프를 사용해야 한다. 관성 항법 시스템의 자세는 자이로스코프가 측정한 각속도를 적분하는 형태의 미분방정식을 풀어서 구할 수 있고, 위치는 가속도 센서가 측정한 가속도에서 관성 항법 시스템의 자세를 고려하여 중력 성분을 제거하고, 시간에 대해 이중 적분을 계산하여 구할 수 있다. 이 때, 센서의 측정 오차에 의하여 관성 항법 시스템의 자세는 자이로스코프의 측정 오차에 대해 시간에 따라 비례하는 오차를 갖게 되어, 중력 성분을 제거한 가속도 또한 자이로스코프의 측정 오차에 대해 시간에 따라 비례하는 오차를 갖게 된다.
따라서, 위치는 가속도 센서의 측정 오차에 대해 시간의 제곱에 비례하고, 자이로스코프의 측정 오차에 대해 시간의 세제곱에 비례하는 오차를 갖게 된다. 이렇게 시간에 따라 급격하게 증가하는 오차 때문에 관성센서를 이용하여 장시간 동안 위치를 계산해 내는 것은 매우 어려운 일이다. 이를 위하여, 가속도 센서의 오차를 보정하는 방법과 자이로스코프의 오차를 보정하는 방법이 각각 공지되어 있는데, 본 발명은 가속도 센서의 오차를 보정하는 새로운 방법을 개시하며, 이하, 가속도 센서의 오차를 보정하는 종래의 기술에 관하여 설명한다.
관성 항법 시스템이 정지 상태에서 움직이고, 움직이는 상태에서 다시 정지하였다가 움직이는 과정을 반복하는 경우에는 영속도 갱신(zero velocity updates, ZUPTs 또는 ZVU라 표기함), 좌표 갱신(coordinate updates, CUPTs), 자세 갱신(orientation updates) 등의 방법이 센서의 오차를 보상하기 위해서 널리 이용되고 있다.
영속도 갱신(ZUPTs) 방법은 정지해 있다는 사실을 소정의 방법으로 알아내어 정지해 있는 순간의 속도를 영으로 재설정하는 것이고, 좌표 갱신 방법은 소정의 위치에 도달한 순간에 관성 항법 시스템에서 측정된 위치를 해당 위치로 재설정하는 것이며, 방향 갱신 방법은 소정의 자세를 취하는 순간에 관성 항법 시스템에서 측정된 자세를 해당 자세로 재설정하는 것이다. 이러한 방법들은 실시간으로 동작한다는 장점이 있지만, 특정한 순간에 대해서만 보정해 주므로 그 순간이 지나면 오차는 다시 증가하기 시작한다는 단점이 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 영속도 갱신(ZUPTs) 방법에 의하면, 관성 항법 시스템이 정지한 상태에서 속도 오차를 보정한 후에, 관성 항법 시스템이 다시 정지하여도 속도는 0 이 되지 않는다. 이는, 속도 오차는 보정후 다시 보정하기 전까지 시간에 따라 증가한다는 것을 의미한다.
이를 개선하기 위하여 미국 특허 제 6,292,751호는 관성 항법 시스템이 움직이고 있는 동안의 가속도 오차를 보정할 수 있는 방법을 개시하였다. 이 방법에서는 가속도 오차가 일정하다고 가정하고, 움직이기 시작한 순간과 멈춘 순간의 속도가 0 이라는 조건을 만족하는 가속도 오차 값을 계산한다. 이 값을 측정된 가속도에서 뺀 후 이를 시간에 대해 이중 적분하여 위치를 구한다. 도 2 는 이러한 가속도 오차 보정에 의한 속도 오차를 보정하는 과정을 도시하였다.
도 2를 참조하면, 관성 항법 시스템은 시간 t1 에서 움직이기 시작하여 시간 t2 에서 정지한다. 이 방법은 움직이는 동안의 가속도 오차가 일정하다는 가정에서 출발하였고, 측정된 관성 항법 시스템의 가속도(A)를 도시한 도 2 의 (a)에서 이 가속도 오차를 점선으로 나타내었다. 가속도를 적분하면 속도를 구할 수 있는데, 일정하다고 가정한 가속도 오차는 측정된 관성 항법 시스템의 속도를 도시한 (b)에서 보듯이 1차 함수로 나타난다. 관성 항법 시스템이 움직이기 직전의 시간 t1 에서 속도가 0 이라는 사실을 알고 있으므로, 관성 항법 시스템의 시간 t1 에서의 속도를 (c)에서와 같이 0 으로 보정할 수 있고, 시간 t2 에서도 속도가 0 이므로 시간 구간 t1~t2 내에서 점선으로 나타난 속도 오차를 실선의 속도값으로부터 감산하여 (d) 와 같은 속도값을 얻을 수 있다. 이렇게 해서 얻은 보정된 속도를 적분하면 위치를 복원할 수 있으나, 이 방법은 시간에 따라 변하는 가속도 오차를 일정하다고 가정했으므로, 복원된 위치가 실제 위치와는 상당한 오차를 나타내는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가속도 센서가 포함하는 오차를 새로운 방식으로 모델링하여 보상하는 가속도 오차 보상 장치 및 방법, 및 이를 이용하여 보다 정확한 위치와 자세를 복원하는 관성 항법 시스템 및 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 가속도 오차 보정 장치는, 시스템의 정지 구간의 가속도 정보를 일차 함수로 근사화하여 시스템이 정지한 동안의 가속도 오차를 계산하는 제 1 가속도 오차 계산부; 시스템의 정지 구간에서의 시스템의 속도 및 속도에 따른 가속도를 보정하는 영속도 보정부; 및 근사화된 정지구간의 가속도 오차를 이용하여 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 계산하고, 움직임 구간의 가속도 오차, 움직임 구간의 측정 가속도 값, 및 보정된 정지구간의 가속도를 이용하여 오차가 보정된 가속도를 출력하는 제 2 가속도 오차 계산부를 포함한다.
또한, 전술한 가속도 오차 보정 장치의 제 2 가속도 오차 계산부는, 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것도 바람직하다.
또한, 전술한 가속도 오차 보정 장치의 제 2 가속도 오차 계산부는, 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수값 및 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수값을 이용하여, 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 관성 항법 시스템은, 시스템의 움직임 여부를 감지하여, 시스템의 정지구간 및 움직임 구간 정보를 출력하는 움직임 감지부; 정지 구간 및 움직임 구간에서의 시스템의 가속도를 측정하는 센서부; 정지 구간에서의 시스템의 측정 가속도를 이용하여, 시스템의 움직임 구간에서의 가속도 오차를 결정하고, 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 출력하는 오차 모델 결정부; 및 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 적분하여 시스템의 위치를 출력하는 위치 복원부를 포함한다.
한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 가속도 오차 보정 방법은, (a) 정지 구간의 가속도 정보를 이용하여 시스템의 정지 구간에서의 측정 가속도 오차를 일차 함수로 근사화하는 단계; (b) 영속도 보정을 수행하여 정지 구간의 가속도를 보정하는 단계; (c) 근사화된 정지 구간의 측정 가속도 오차를 이용하여, 움직임 구간의 가속도 오차를 일차함수로 근사화하는 단계; 및 (d) 움직임 구간의 가속도 정보에서 움직임 구간의 가속도 오차를 감산하여, 가속도 오차가 보정된 움직임 구간의 가속도를 계산하는 단계를 포함한다.
또한, 전술한 가속도 오차 보정 방법의 (c) 단계는, 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 가속도 오차 보정 방법의 (c) 단계는, 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수값 및 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수값을 이용하여, 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것도 바람직하다.
한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법은, (a) 시스템의 가속도 정보, 및 가속도 정보에 따라서 결정된 시스템의 정지구간 및 움직임 구간 정보를 기록하는 단계; (b) 정지 구간의 가속도 정보를 이용하여 시스템의 정지 구간에서의 측정 가속도 오차를 일차 함수로 근사화하고, 영속도 보정을 수행하여 정지 구간의 가속도를 보정하는 단계; (c) 정지 구간의 측정 가속도 오차를 이용하여 움직임 구간의 가속도 오차를 일차함수로 근사화하고, 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 계산하는 단계; 및 (d) 보정된 정지 구간의 가속도 및 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 이용하여 시스템의 위치를 복원하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 보상 방법 및 이를 이용한 관성 항법 시스템을 설명한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 보상 방법을 이용한 관성 항법 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 관성 항법 시스템은 가속도 센서와 자이로스코프를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 센서부(310), 센서부(310)가 포함된 관성항법 시스템이 정지했는지를 판단하는 움직임 감지부(320), 가속도 센서 오차의 선형 모델을 결정하는 가속도 오차 모델 결정부(330), 그리고 이를 이용하여 보상된 가속도로부터 실제 관성 항법 시스템의 위치를 복원하는 위치 복원부(340)를 포함한다.
센서부(310)는 3축의 가속도를 측정하는 가속도 센서들과 3축의 각속도를 측정하는 자이로스코프로 구성되어 있다.
움직임 감지부(320)는 센서부(310)를 포함한 관성 항법 시스템이 정지했는지를 판단하는 부분으로서, 움직임 감지부(320)가 센서부(310)를 포함한 시스템의 움직임과 멈춤을 직접 제어하는 경우에는 단순히 시스템이 움직인 시간과 멈춘 시간을 출력하고, 시스템의 움직임이 외부 요인에 의해서 제어되는 경우에는 관성 센서의 측정치가 소정의 임계값보다 작으면 정지했다고 판단하고, 임계값보다 크면 움직임이 있다고 판단한다.
가속도 오차 모델 결정부(330)는 센서부(310)를 포함하는 시스템이 정지한 동안, 즉, 움직이기 전 및 움직임을 멈춘후의 가속도 정보를 기록하는 제 1 정보 기록부(331), 시스템의 정지 구간의 가속도를 선형 함수로 근사화하여 시스템이 정지한 동안의 가속도 오차를 계산하는 제 1 가속도 오차 계산부(335), 시스템의 정지 구간에서의 시스템의 속도 및 가속도를 보정하는 영속도 보정부(337), 시스템이 움직이는 동안의 가속도 정보를 기록하는 제 2 정보 기록부(333), 및 근사화된 정지구간의 가속도 오차, 보정된 정지구간의 영속도 및 움직임 구간의 측정 가속도 값을 이용하여 오차가 보상된 움직임 가속도를 계산하는 제 2 가속도 오차 계산부(339)를 포함한다.
위치 복원부(340)는 가속도 오차 모델 결정부(330)에 의해서 계산된, 오차가 보상된 가속도를 이중 적분하여 관성 항법 시스템의 위치를 복원한다.
도 4 는 상술한 센서부(310)에서 측정된 절대 좌표계에서의 가속도를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하여 본 발명의 이론적 배경을 먼저 설명한다.
본 발명은 가속도 오차를 일정한 상수로 밖에 모델링할 수 없는 종래기술의 한계를 극복하여 시스템이 움직이는 동안에 측정된 가속도 오차를 1차식으로 모델링할 수 있도록 조건을 추가적으로 제안한다.
종래에는 절대 좌표계에서의 측정 가속도를 A, 측정 가속도 오차를 d 로 나타낸다면, 절대 좌표계에서의 실제 가속도 는 다음의 수학식 1 과 같이 나타낼 수 있다.
그러나 실제 가속도 오차는 수학식 1 과 같이 일정하지 않고, 수 초 내의 시간에 대해서는 직선적으로 변화하는 것을 실험을 통해 관찰하였다. 도 4 에서 나타낸 세 개의 곡선은 각각 x, y, z축의 절대 좌표계에서의 측정 가속도이고, 시스템이 2초에서 움직이기 시작하여 8초에서 정지한 경우이다. 관성 항법 시스템 이론에 의하면 관성 센서 시스템이 측정한 3축의 가속도와 3축의 각속도로부터 절대 좌표계에서의 가속도를 계산하려면 적분 과정이 필요하다. 이 때문에 완전히 정지한 상태에서도 절대 좌표계의 가속도에는 오차가 누적된다. 도 4 의 0~2초 구간과 8~10초 구간은 시스템이 정지하였음에도 불구하고 절대 좌표계에서의 가속도 곡선이 0 이 아님을 보여준다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 정지 구간의 가속도 오차가 일정하지 않고 선형적으로 증가 또는 감소하고 있음을 알 수 있으나, 시스템이 움직이는 구간의 가속도 오차는 어떠한 형태로 변하는지 알 수 없는데, 이 오차를 n 차의 다항식으로 모델링하기 위해서는 n+1개의 계수를 결정해야 한다. 이를 위해서는 n+1개의 조건식을 구하여야 하는데 직관적으로 알고 있는 조건은 멈춘 동안의 속도가 0 이라는 것뿐이다. 따라서, 본 발명에서는 추가적인 조건을 제안함으로서 절대좌표계에서의 가속도 센서의 측정 오차를 at+b의 1차식으로 모델링하여 실제 가속도 와 측정 가속도 A간의 관계를 다음의 수학식 2 와 같이 표현하여 보다 실제 가속도에 근사화된 가속도를 구하는 방법을 제안한다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 보상 방법을 설명하는 흐름도이고, 도 6 은 각 단계에서 측정되고 보정된 가속도를 도시하는 도면이다. 도 5 및 도 6 을 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 방법을 설명한다.
본 발명의 관성 항법 시스템이 동작되면, 센서부(310)에 포함된 가속도 센서에서 감지된 3축의 가속도 및 움직임 감지부(320)에서 감지된 움직임 정보가 제 1 정보 기록부(331) 및 제 2 정보 기록부(333)로 각각 입력된다.
제 1 정보 기록부(331)는 움직임 감지부(320)에서 시스템이 정지하고 있다고 감지한 시간 구간에 대해서 센서부(310)로부터 입력된 3축의 가속도를 기록하고, 기록된 가속도 정보를 제 1 가속도 오차 계산부(335) 및 영속도 보정부(337)로 출력한다. 한편, 제 2 정보 기록부(333)는 움직임 감지부(320)에서 시스템이 움직이고 있다고 감지한 시간 구간(t1<t<t2)에 대해서 센서부(310)로부터 입력된 3축의 가속도를 기록하고, 기록된 가속도 정보를 제 2 가속도 오차 계산부(339)로 출력한다(S510).
제 1 가속도 오차 계산부(335)는 시스템이 움직이기 이전의 시간 구간(0<t<t1)에 기록된 가속도 값들에 선형회귀(linear regression) 방법을 적용하여 도 6 의 (a) 에 도시된 바와 같이, 측정된 가속도 값들을 선형 근사화한 직선 a1t+b1 을 구한다. 마찬가지로, 제 1 가속도 오차 계산부(335)는 시스템이 멈춘 시간 구간 (t>t2)에 기록된 가속도 값들에 대해서도 선형회귀(linear regression) 방법을 적용하여 도 6 의 (a) 에 도시된 바와 같이, 측정된 가속도 값들을 선형 근사화한 직선 a2t+b2 을 구한다. 각 정지 구간에서의 가속도가 근사화된 직선은 제 2 가속도 오차 계산부(339)로 출력된다(S520).
또한, 영속도 보정부(337)는 제 1 정보 기록부(331)로부터 입력된 정지 구간의 속도에 대해서 영속도 보정을 수행한다. 즉, 상술한 바와 같이, 시스템의 정지 구간(0<t<t1 및 t>t2)에서 시스템의 속도는 0 이 된다는 것을 직관적으로 알 수 있고, 따라서, 정지 구간에서의 가속도도 0 이 된다는 것을 직관적으로 알 수 있으므로, 영속도 보정부(337)는 도 6의 (a) 에 도시된 시스템의 정지 구간에서의 가속도를 각각 0 으로 보정하고, 보정된 가속도 정보를 제 2 오차 가속도 계산부로 출력한다(S530).
제 2 가속도 오차 계산부(339)는 입력된 정지 구간의 근사화된 가속도 오차 a1t+b1 및 a2t+b2를 이용하여 움직임 구간의 가속도 오차(at+b)를 근사화하는데, 근사화된 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기(a)를 먼저 결정하고, 그 후, 상수 b를 결정한다(S540).
먼저, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따라 움직임 구간의 근사화된 가속도 오차를 결정하는 방법을 설명한다.
제 1 실시예에서, 제 2 가속도 오차 계산부(339)는 정지 구간의 근사화된 가속도 오차의 기울기를 이용하여 절대좌표계에서 근사화된 가속도 오차(at+b)의 기울기를 다음의 수학식 3 에 따라서 결정한다.
수학식 3 과 같이 정지 구간에서의 가속도 오차의 기울기들의 평균을 구함으로써 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것은 관성 항법 시스템에서 측정된 가속도 오차는 연속적으로 변화될 것이라는 직관에 기초한다.
한편, 시간 t1과 t2에서 관성 항법 시스템은 속도가 0인 상태이므로 도 6 에 도시된 실제 측정가속도에서 오차를 보정한 실제 가속도 를 t1에서 t2까지 적분하면 0이 되어야 한다는 다음의 수학식 4 에 기재된 조건에서, 상수 b를 구할 수 있다.
수학식 4를 상수 b 에 관하여 정리하면 다음의 수학식 5를 얻는다.
상술한 수학식 3 및 수학식 5 에 의해서 구해진 움직임 구간(t1<t<t2)의 가속도 오차 at+b를, 영속도 보정된 가속도(A')의 곡선과 함께 도 5의 (b)에 도시하였다.
제 2 가속도 오차 계산부(339)는 다음의 수학식 6을 이용하여 제 2 정보 기록부(333)로부터 입력된 움직임 구간동안의 가속도에서, 계산된 가속도 오차 at+b를 감산하여 절대 좌표계에서의 보정된 가속도 A''를 구한다.
도 6 의 (c) 는 영속도 보정 및 움직임 구간에서의 가속도 오차가 보정이 수행된 가속도를 도시하였다.
한편, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 제 2 가속도 오차 계산부(339)는 가속도 오차의 기울기(a)를 구함에 있어서, 상술한 수학식 3을 이용하는 대신에 시간 t1 및 t2 에서의 가속도 오차값인 a1t1+b1 및 a2t 2+b2를 이용한다. 구체적으로, 제 2 가속도 오차 계산부(339)는 다음의 수학식 7을 이용하여 근사화된 가속도 오차 직선의 기울기(a)를 구할 수 있다.
제 2 실시예의 전술한 가속도 오차 직선의 기울기(a)를 구하는 방법을 제외한 다른 과정은 전술한 제 1 실시예와 동일하다.
한편, 제 2 가속도 오차 계산부(339)로부터 오차가 보정된 가속도(A")를 입력받은 위치 복원부(340)는 다음의 수학식 8 과 같이 가속도 (A")에 이중 적분을 수행하여 관성 항법 시스템의 위치 P를 복원한다.
도 7a 및 도 7b 는 종래기술에 따른 관성 항법 시스템을 이용한 필기 복원 장치와 본 발명의 가속도 오차 보상 방법이 구현된 관성 항법 시스템을 이용한 필기 복원 장치의 성능을 비교한 도면이다.
도 7a 는 필기 복원 장치를 이용하여 허공에 동일한 원을 4번 그렸을 때, 종래기술에 의해서 복원된 위치 궤적을 상단에, 본 발명에 의해서 복원된 위치 궤적을 하단에 각각 도시하였다. 도 7a를 참조하면, 본 발명에 의해서 복원된 원의 궤적이 종래 기술에 의해서 복원된 원의 궤적보다 겹침이 더 많은 향상된 성능을 나타냄을 알 수 있다.
한편, 도 7b 는 필기 복원 장치를 이용하여 허공에 sait 라는 단어를 그렸을 때, 종래기술에 의해서 복원된 위치 궤적을 상단에, 본 발명에 의해서 복원된 위치 궤적을 하단에 각각 도시하였다. 도 7b를 참조하면, 본 발명에 의해서 복원된 원의 궤적이 종래 기술에 의해서 복원된 원의 궤적보다 더 sait 의 필기체에 가깝다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 종래의 가속도 오차를 상수로만 보정하는 한계를 극복하고, 실제 가속도 오차에 보다 유사하게 모델링함으로써, 관성 항법 시스템에서 필연적으로 존재하는 가속도 오차를 종래의 방법보다 효과적으로 제거함으로써, 정확한 3차원 움직임의 위치 및 자세를 복원할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 관성 항법 시스템에서의 영속도 보정 방법을 설명하는 도면이다.
도 2 는 종래기술에 따른 가속도 오차 보정에 의한 속도 오차를 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 보상 방법을 이용한 관성 항법 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4 는 도 3에 도시된 센서부(310)에서 측정된 절대 좌표계에서의 가속도를 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가속도 오차 보상 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6 은 도 5 에 도시된 각 단계에서 측정되고 보정된 가속도를 도시하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b 는 종래기술에 따른 관성 항법 시스템을 이용한 필기 복원 장치와 본 발명의 가속도 오차 보상 방법이 구현된 관성 항법 시스템을 이용한 필기 복원 장치의 성능을 비교한 도면이다.

Claims (29)

  1. 시스템의 움직임 여부를 감지하여, 상기 시스템의 정지구간 및 움직임 구간 정보를 출력하는 움직임 감지부;
    상기 정지 구간 및 상기 움직임 구간에서의 시스템의 가속도를 측정하는 센서부;
    상기 정지 구간에서의 시스템의 측정 가속도를 이용하여, 상기 시스템의 움직임 구간에서의 가속도 오차를 결정하고, 상기 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 출력하는 오차 모델 결정부; 및
    상기 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 적분하여 상기 시스템의 위치를 출력하는 위치 복원부를 포함하는 관성 항법 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    상기 정지 구간에서의 시스템의 측정 가속도 오차 및 상기 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 기울기와 절편을 포함하는 일차 함수로 근사화하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    상기 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 상기 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    상기 제 1 일차 함수의 기울기 및 상기 제 2 이차 함수의 기울기의 평균값을 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기로 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    상기 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수의 값 및 상기 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수의 값을 이용하여, 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    상기 제 1 일차 함수값과 상기 제 2 일차 함수값간의 차를 상기 시스템이 움직인 시간 구간으로 나누어 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 모델링한 일차 함수의 절편은, 상기 시스템의 움직임 구간동안, 측정된 가속도에서 상기 가속도 오차를 감산한 결과를 적분한 값이 0 이라는 조건으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 오차 모델 결정부는
    시스템의 정지 구간의 가속도 정보를 일차 함수로 근사화하여 시스템이 정지한 동안의 가속도 오차를 계산하는 제 1 가속도 오차 계산부;
    시스템의 정지 구간에서의 시스템의 속도 및 상기 속도에 따른 가속도를 보정하는 영속도 보정부; 및
    근사화된 정지구간의 가속도 오차를 이용하여 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 계산하고, 상기 움직임 구간의 가속도 오차, 움직임 구간의 측정 가속도 값, 및 상기 보정된 정지구간의 가속도를 이용하여 오차가 보정된 가속도를 출력하는 제 2 가속도 오차 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 움직임 감지부는
    상기 센서부에서 측정된 가속도가 소정의 임계값 이상인 시간 구간을 상기 시스템 움직임 구간으로 출력하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템.
  10. 시스템의 정지 구간 및 움직임 구간 정보, 및 상기 각 구간에서의 측정 가속도 정보를 입력받아 가속도 오차를 보정하는 가속도 오차 보정 장치로서,
    시스템의 정지 구간의 가속도 정보를 일차 함수로 근사화하여 시스템이 정지한 동안의 가속도 오차를 계산하는 제 1 가속도 오차 계산부;
    시스템의 정지 구간에서의 시스템의 속도 및 상기 속도에 따른 가속도를 보정하는 영속도 보정부; 및
    근사화된 정지구간의 가속도 오차를 이용하여 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 계산하고, 상기 움직임 구간의 가속도 오차, 움직임 구간의 측정 가속도 값, 및 상기 보정된 정지구간의 가속도를 이용하여 오차가 보정된 가속도를 출력하는 제 2 가속도 오차 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 가속도 오차 계산부는
    상기 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 상기 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 가속도 오차 계산부는
    상기 제 1 일차 함수의 기울기 및 상기 제 2 일차 함수의 기울기의 평균값을 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기로 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 가속도 오차 계산부는
    상기 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수값 및 상기 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수값을 이용하여, 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 가속도 오차 계산부
    상기 제 1 일차 함수값과 상기 제 2 일차함수 값간의 차를 상기 시스템이 움직인 시간 구간으로 나누어 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 가속도 오차 계산부는
    상기 움직임 구간의 측정 가속도 값에서 상기 움직임 구간의 가속도 오차를 감산하여, 오차가 보정된 움직임 구간의 가속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 모델링한 일차 함수의 절편은, 상기 시스템의 움직임 구간동안, 측정된 가속도에서 상기 가속도 오차를 감산한 결과를 적분한 값이 0 이 된다는 조건으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 장치.
  17. (a) 시스템의 가속도 정보, 및 상기 가속도 정보에 따라서 결정된 상기 시스템의 정지구간 및 움직임 구간 정보를 기록하는 단계;
    (b) 상기 정지 구간의 가속도 정보를 이용하여 상기 시스템의 정지 구간에서의 측정 가속도 오차를 일차 함수로 근사화하고, 영속도 보정을 수행하여 상기 정지 구간의 가속도를 보정하는 단계;
    (c) 상기 정지 구간의 측정 가속도 오차를 이용하여 상기 움직임 구간의 가속도 오차를 일차함수로 근사화하고, 상기 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 보정된 정지 구간의 가속도 및 상기 가속도 오차를 보정한 움직임 구간의 가속도를 이용하여 상기 시스템의 위치를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 상기 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 제 1 일차 함수의 기울기 및 상기 제 2 이차 함수의 기울기의 평균값을 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기로 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 장치.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수의 값 및 상기 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수의 값을 이용하여, 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 시스템의 움직임 구간동안, 측정된 가속도에서 상기 가속도 오차를 감산한 결과를 적분한 값이 0 이라는 조건으로부터, 상기 움직임 구간에서의 시스템의 가속도 오차를 모델링한 일차 함수의 절편을 계산하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    상기 시스템의 가속도가 소정의 임계값 이상인 시간 구간을 상기 시스템 움직임 구간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항의 관성 항법 시스템의 위치 복원 방법을 컴퓨터에서 판독할 수 있고 실행시킬 수 있는 프로그램 코드로 기록한 기록매체.
  24. 시스템의 정지 구간 및 움직임 구간 정보, 및 상기 각 구간에서의 측정 가속도 정보를 이용하여 시스템의 가속도 오차를 보정하는 방법으로서,
    (a) 정지 구간의 가속도 정보를 이용하여 상기 시스템의 정지 구간에서의 측정 가속도 오차를 일차 함수로 근사화하는 단계;
    (b) 영속도 보정을 수행하여 정지 구간의 가속도를 보정하는 단계;
    (c) 상기 근사화된 정지 구간의 측정 가속도 오차를 이용하여, 움직임 구간의 가속도 오차를 일차함수로 근사화하는 단계; 및
    (d) 움직임 구간의 가속도 정보에서 상기 움직임 구간의 가속도 오차를 감산하여, 가속도 오차가 보정된 움직임 구간의 가속도를 계산하는 단계를 포함하는 가속도 오차 보정 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 움직임 구간 이전의 정지구간의 가속도 오차를 근사화한 제 1 일차 함수 및 상기 움직임 구간 이후의 정지구간의 가속도를 근사화한 제 2 일차 함수의 기울기를 이용하여 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 제 1 일차 함수의 기울기 및 상기 제 2 일차 함수의 기울기의 평균값을 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기로 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 시스템이 정지 상태에서 움직임 상태로 변경되는 순간의 제 1 일차 함수값 및 상기 시스템이 움직임 상태에서 정지 상태로 변경되는 순간의 제 2 일차 함수값을 이용하여, 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 제 1 일차 함수값과 상기 제 2 일차함수 값간의 차를 상기 시스템이 움직인 시간 구간으로 나누어 상기 움직임 구간의 가속도 오차의 기울기를 결정하는 것을 특징으로 하는 가속도 오차 보정 방법.
  29. 제 24 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항의 가속도 오차 보정 방법을 컴퓨터에서 판독할 수 있고 실행시킬 수 있는 프로그램 코드로 기록한 기록매체.
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