KR20060102016A

KR20060102016A - 차량 항법장치의 관성센서 교정장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060102016A
Application number: KR1020050023720A
Authority: KR
Inventors: 박상현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: KR100717300B1

Abstract

차량용 항법장치에서 GPS 신호의 음영지역을 주행하는 경우 관성센서 신호의 오차를 교정하여 측위 정보에 정확성을 제공하도록 하는 것으로,

주행 목적지가 설정된 후 차량의 주행이 개시되면 GPS로부터 위치, 속도, 방향각을 포함하는 항법정보를 취득하고, 관성센서로부터 차속, 주행거리, 방향각을 포함하는 정보를 취득하는 과정과, 차량의 이동에 따라 상기 GPS 신호의 음역지역인지를 판단하는 과정과, GPS 신호가 정상적으로 수신되는 상태이면 GPS 신호를 이용하여 관성센서의 측위 오차를 교정한 다음 GPS의 항법정보와 관성센서의 추측항법 정보를 혼합하여 측위 결과를 추출한 다음 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차의 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정과, 상기에서 GPS 신호의 수신이 불량한 상태이면 직전 맵 매칭 결과의 학습값을 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 과정과, 상기 오차 보정된 관성센서의 측위 정보를 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

항법장치, 관성센서, GPS, 오차교정

Description

차량 항법장치의 관성센서 교정장치 및 방법{A DEAD RECKONING SENSOR CORRECTION SYSTEM OF NAVIGATION SYSTEM ON VEHICLE AND METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 차량 항법장치에서 GPS 신호 음영지역에서의 측위 오차를 보이는 일 예시도이다.

도 2는 본 발명에 따라 관성센서의 교정 로직이 적용되는 차량 항법장치의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량 항법장치에서 관성센서 교정 수행에 대한 일 실시예의 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : GPS 수신부 102 : 관성센서

103 : 제어부 104 : 메모리부

105 : 표시부

본 발명은 차량용 항법장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 GPS 신호의 음영지역에서 관성센서 신호의 오차를 교정하여 측위 정보에 정확성을 제공하도록 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 선박이나 항공기 및 자동차 등 각종의 이동체들에는 현재 위치와 이동 속도를 확인하거나 이동 경로를 결정하기 위한 측위 시스템이 탑재되어 이용되고 있다.

이 측위 시스템은 복수개의 인공위성(Global Positioning System; 이하 GPS라 칭함.)으로부터 위도, 경도, 고도 등을 나타내는 전파를 수신하여 이동체의 현재 위치를 연산한 후 지도 정보를 통해 현재의 위치와 이동경로를 표시하여 준다.

즉, 측위 시스템을 차량에 적용한 차량 항법장치(네비게이션:Navigation)는 화면에 표시되는 지도상에 차량의 현재 위치, 이동 속도, 운전자가 주행 전에 설정한 경로, 목적지까지의 최적 경로, 주행된 경로 등 주행에 필요한 각종의 정보를 운전자에게 제공한다.

차량 항법장치는 차량의 현재 위치를 판정하기 위한 방법으로, 위성항법(Satellite Base Navigation)과 추측항법(Dead Reckoning Navigation)을 사용하고 있으며, 위성항법을 위해서는 GPS 수신기를 사용하고, 추측항법을 위해서는 관성센서(Dead-Reckoning Sensor)를 사용한다.

상기의 관성센서는 주행속도 및 주행거리를 추출하기 위한 주행거리계 센서와 주행 방향각을 추출하기 위한 자이로스코프(Gyroscope)로 구성되어, 차량의 속도 및 주행거리정보와 방향각 정보를 이용하여 초기 위치로부터 다음 순간까지의 이동거리에 대한 정보를 계산함으로써 차량의 현재 위치를 계산한다.

이는 외부의 정보없이 자체적인 정보를 이용한다는 장점이 있으나 이를 이용 하여 취득된 차량 위치는 동작시간이 길어짐에 따라 오차가 증가하게 되며, 위치측정의 오차가 사용한 시간에 따라 누적되는 특성을 갖고 있다.

따라서, 종래의 차량 항법장치에는 관성센서의 오차 누적 증가를 막기 위해 GPS로부터 취득된 위치로 관성센서를 초기화하는 방식을 적용함으로써, 동작시간이 길어짐에 따라 증가하는 오차를 GPS 오차 범위 이내로 제한하고 있다.

그러나, GPS 신호의 수신이 어려운 터널이나 빌딩 사이, 우거진 가로수 지역 등의 전파 음영지역을 주행하는 경우 관성센서의 오차를 교정하기 위한 위치정보를 GPS로부터 취득할 수 없는 관계로 관성센서의 오차를 GPS 오차 범위 이내로 제거할 수 없는 문제점이 발생한다.

이에 따라 GPS의 음영지역에서는 관성센서의 위치 오차가 증가하게 되어 차량 항법장치는 주행 경로의 이탈 또는 도로 이탈과 같은 판정을 하게 되어, 불필요한 경고음의 송출이 반복되어지게 된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 차량 항법장치가 장착된 차량이 "A" 지점에서 남산 1호 터널을 화살표 방향으로 진행하는 경우 터널의 입구측에서는 실제의 차량 위치 정보와 측위한 차량의 위치 정보가 동일 내지 근사한 위치로 추출된다.

그러나, 차량이 "B" 지점으로의 이동에 따라 터널 내부로 진입하게 되는 경우 GPS 신호의 수신이 불량하게 되며, 이에 따라 자이로스코프 및 주행거리계 센서로 이루어지는 관성센서의 오차를 보상할 수 없게 된다.

이때, 차량 항법장치는 관성센서만의 정보를 이용하여 추즉항법을 수행하여 주행 경로의 정보를 제공하게 되는데, GPS신호에 의한 오차 보상이 이루어지지 않 게 됨에 따라 관성센서의 오차는 시간이 경과함에 따라 누적되어 증가된다.

그러므로, 터널의 출구 지점에서는 실제 차량의 위치 정보와 측위한 차량의 위치 정보에는 △L 만큼의 오차가 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 차량 항법장치가 장착된 차량이 터널 등과 같은 GPS 신호의 음영지역을 주행하게 되는 경우 관성센서 신호의 오차를 GPS 신호의 오차 범위 이내로 보정하여 측위 정보에 정확성을 제공하도록 한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 GPS 신호의 음영지역에서 관성센서 신호의 오차 보정을 맵 매칭(Map Matching)된 위치정보(주행거리정보)와 주행 방향에 대한 정보와, 디지털 지도의 도로 링크(Link)정보, 디지털 지도의 도로 링크 각(Angle) 정보, 디지털 지도의 도로 링크 종별정보를 이용하도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 GPS 위성으로부터 항법정보를 수신하며, 수신 감도(상태)를 판정하는 GPS 수신부와; 주행 속도 및 주행거리를 추출하기 위한 주행거리계 센서와 방향각을 추출하기 위한 자이로스코프로 구성되어, 차량의 속도정보와 방향각 정보를 취득하는 관성센서와; 디지털 지도가 데이터 베이스로 저장되는 메모리부와; GPS 수신부를 통해 취득되는 항법정보와 관성센서에서 취득되는 추측 항법정보를 이용하여 디지털 지도의 맵 매칭을 통해 목적지까지의 경로 안내를 제공하며, GPS 신호의 수신 음영지역을 주행시에 맵 매칭된 결과의 학습 보정치를 이용하여 상기 관성센서의 오차를 보정하는 제어부 및; 상기 제어부에서 맵 매칭된 주행 경로를 디지털 지도로 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 주행 목적지가 설정된 후 차량의 주행이 개시되면 GPS로부터 위치, 속도, 방향각을 포함하는 항법정보를 취득하고, 관성센서로부터 차속, 주행거리, 방향각을 포함하는 정보를 취득하는 과정과; 차량의 이동에 따라 상기 GPS 신호의 음역지역인지를 판단하는 과정과; GPS 신호가 정상적으로 수신되는 상태이면 GPS 신호를 이용하여 관성센서의 측위 오차를 교정한 다음 GPS의 항법정보와 관성센서의 추측항법 정보를 혼합하여 측위 결과를 추출한 다음 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차의 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정과; 상기에서 GPS 신호의 수신이 불량한 상태이면 직전 맵 매칭 결과의 학습값을 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 과정과; 상기 오차 보정된 관성센서의 측위 정보를 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 관성센서 교정 로직이 적용되는 차량 항벙장치는 GPS 수신부(101)와 관성센서(102), 제어부(103), 메모리부(104) 및 표시부(105)를 포함하여 구성된다.

GPS 수신부(101)를 안테나(ANT)을 통해 GPS 위성으로부터 위치, 속도, 진행방향 등에 대한 항법정보를 수신하며, 수신 감도(상태)의 정보를 포함하여 수신된 항법정보를 제어부(103)에 인가한다.

관성센서(102)는 주행 속도 및 주행거리를 추출하기 위한 주행거리계 센서와 방향각을 추출하기 위한 자이로스코프로 구성되어, 차량의 속도정보와 방향각 정보를 취득하여, 제어부(103)로 하여금 초기 위치로부터 다음 순간까지의 이동거리에 대한 정보를 계산함으로써 차량의 현재 위치를 계산하는 추측항법이 제공될 수 있도록 한다.

제어부(103)는 GPS 수신부(101)를 통해 취득되는 항법정보와 관성센서(102)에서 취득되는 추측 항법정보를 이용하여 디지털 지도의 맵 매칭을 통해 목적지까지의 경로 안내를 제공하며, GPS 신호의 수신이 불량한 터널 등의 음영지역을 주행하는 경우 맵 매칭된 결과를 이용하여 학습한 보정치를 이용하여 관성센서의 오차를 보정한다.

상기 GPS 신호의 음영지역에서 관성센서 신호의 오차 보정은 맵 매칭된 결과의 학습값 이외에 디지털 지도의 도로 링크 정보, 디지털 지도의 도로 링크 각 정보, 디지털 지도의 도로 링크 종별정보를 이용하여 보정한다.

메모리부(104)는 디지털 지도의 정보가 데이터 베이스로 저장되어 주행경로의 안내시에 맵 매칭이 제공되도록 하고, GPS 신호의 음역지역에서 맵 매칭 결과를 이용하여 추출되는 관성센서의 오차 보정치를 학습값으로 저장한다.

표시부(105)는 상기 제어부(103)에서 맵 매칭된 경로를 디지털 지도로 표시하여 목적지까지의 경로 안내 서비스를 제공한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에서 관선센서의 오차를 보정하는 동작에 대하여 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

출발지에서 목적지의 정보를 설정한 후 경로 안내 서비스를 시작함과 동시에 주행을 개시하게 되면 GPS 수신부(101)는 안테나(ANT)을 통해 GPS 위성으로부터 위치, 속도, 진행방향 등에 대한 항법정보를 취득한 다음 GPS 위성과의 수신 감도(상태)의 정보를 포함하여 수신된 항법정보를 제어부(103)에 인가한다.

또한, 자이로스코프 및 주행거리계 센서로 구성되는 관성센서(102)는 차량의 주행속도 및 주행거리의 정보와 방향각 정보를 취득하여 제어부(103)에 인가한다.

이때, 제어부(103)는 GPS 신호의 수신 상태가 항법정보를 안정적으로 취득할 수 있는 상태로 양호한지를 판정한다(S103).

상기 S103의 판정 결과 터널이나 빌딩 숲 사이의 주행 우거운 가로수 주변 등의 주행으로 인하여 GPS 신호의 수신이 불량한 상태로 판정되면 직전 주행에서 맵 매칭 결과를 이용하여 학습한 보정값을 적용하여 GPS 신호의 수신 불능에 따른 관성센서(102)의 오차를 보정한다(S104).

상기 관성센서(102)의 오차 보정에서 자이로스코프의 스케일 펙터(Scale Factor ; S_G) 교정은 하기의 수학식 1의 적용에 의해 수행되고, 주행거리계 센서의 스케일 펙터(S_o)의 교정은 하기의 수학식 1의 적용에 의해 수행된다.

상기의 수학식 1에서

는 자이로스코프의 측정값(아날로그 전압값)이고,

는 자이로스코프의 영속도 측정값이며, △t 는 자이로스코프의 측정 시간차이고, △φ는 맵 매칭된 주행 방향각 정보 또는 도로의 링크 각 정보이다.

상기의 수학식 2에서 m_p 는 주행거리계 센서의 측정값(디지털 펄스의 개수)이고, D 는 맵 매칭된 위치의 주행거리이다.

상기한 수학식 1 및 수학식 2의 적용을 통해 GPS신호의 음역지역에서의 관성센서(102) 오차 보정이 이루어지면, 보정된 관성센서(102)의 정보를 적용하여 현재의 위치와 방향각을 추출하는 추측항법을 수행한다(S106).

이후, 메모리부(104)에 저장되어 있는 디지털 지도 데이터에 상기 추측항법을 추출한 현재의 위치 및 방향각을 맵 매칭한 다음(S106) 맵 매칭에 대한 결과의 학습값을 메모리부(104)에 저장하여 보정값으로 사용될 수 있도록 한다(S107).

상기 메모리부(104)에 저장되는 관성센서(102) 보정을 위한 학습값은 맵 매칭된 결과값으로 주행위치, 주행거리, 방향각의 정보와, 맵 매칭된 도로 링크 정보와 도로 링크 각 정보, 도로 링크 종별 정보를 포함한다.

그리고, 상기 디지털 지도 데이터에 맵 매칭된 현재의 위치 정보에 대하여 표시부(105)를 통해 지도상에 실차 위치 정보를 표시함으로써, 운전자에게 경로 안내에서 현재의 위치를 지시하여 준다(S108).

또한, 상기 S103의 판단에서 GPS 신호가 양호한 상태로 판정되면 제어부(103)는 수신되는 GPS 신호를 이용하여 관성센서(102)의 오차를 보정하고(S109), 보정된 관성센서(102)의 정보를 이용하여 현재의 차량 위치 및 방향각을 추출하는 추측항법을 수행한다(S110).

이후, 상기 GPS에서 수신되는 현재의 위치 및 방향각 정보와 관성센서(102)에서 추출되는 현재의 위치 및 방향각 정보를 혼합 적용하여 현재의 위치 정보 및 방향각을 추출한 다음(S111), 메모리부(104)에 저장되어 있는 디지털 지도 데이터에 상기 혼합 적용을 통해 추출한 현재의 위치 및 방향각을 맵 매칭한다(S106).

그리고, 맵 매칭에 대한 결과의 학습값을 메모리부(104)에 저장하여 보정값으로 사용될 수 있도록 하며(S107), 디지털 지도 데이터에 맵 매칭된 현재의 위치 정보에 대하여 표시부(105)를 통해 지도상에 실차 위치 정보를 표시함으로써, 운전자에게 경로 안내에서 현재의 위치를 지시하여 준다(S108).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 차량 항법장치에서 관성센서의 오차 교정에 대하여 GPS 신호의 음영지역까지 확대함으로써, 차량 항법장치의 측위 정확성과 신뢰성을 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 별도의 측위센서 추가 또는 고성능 측위센서의 교체없이 GPS 신호의 수신불량으로 발생되는 측위 오차를 개선하여 시스템의 제작원가를 절감하여 생산원가를 향상시킨다.

Claims

GPS 위성으로부터 항법정보를 수신하며, 수신 감도(상태)를 판정하는 GPS 수신부와;

주행 속도 및 주행거리를 추출하기 위한 주행거리계 센서와 방향각을 추출하기 위한 자이로스코프로 구성되어, 차량의 속도정보와 방향각 정보를 취득하는 관성센서와;

디지털 지도가 데이터 베이스로 저장되는 메모리부와;

GPS 수신부를 통해 취득되는 항법정보와 관성센서에서 취득되는 추측 항법정보를 이용하여 디지털 지도의 맵 매칭을 통해 목적지까지의 경로 안내를 제공하며, GPS 신호의 수신 음영지역을 주행시에 맵 매칭된 결과의 학습 보정치를 이용하여 상기 관성센서의 오차를 보정하는 제어부 및;

상기 제어부에서 맵 매칭된 주행 경로를 디지털 지도로 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 GPS 신호의 음영지역 주행시 맵 매칭된 디지털 지도의 도로 링크 정보를 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 GPS 신호의 음영지역 주행시 맵 매칭된 디지털 지도의 도로 링크 각 정보를 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 GPS 신호의 음영지역 주행시 맵 매칭된 디지털 지도의 도로 링크 종별 정보를 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 GPS 신호의 음영지역 주행시 관성센서의 오차 보정치를 상기 메모리부에 학습값으로 저장하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정장치.
주행 목적지가 설정된 후 차량의 주행이 개시되면 GPS로부터 위치, 속도, 방향각을 포함하는 항법정보를 취득하고, 관성센서로부터 차속, 주행거리, 방향각을 포함하는 정보를 취득하는 과정과;

차량의 이동에 따라 상기 GPS 신호의 음역지역인지를 판단하는 과정과;

GPS 신호가 정상적으로 수신되는 상태이면 GPS 신호를 이용하여 관성센서의 측위 오차를 교정한 다음 GPS의 항법정보와 관성센서의 추측항법 정보를 혼합하여 측위 결과를 추출한 다음 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차의 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정과;

상기에서 GPS 신호의 수신이 불량한 상태이면 직전 맵 매칭 결과의 학습값을 이용하여 관성센서의 오차를 보정하는 과정과;

상기 오차 보정된 관성센서의 측위 정보를 디지털 지도에 맵 매칭하여 그 결과를 학습값으로 저장함과 동시에 표시부를 통해 실차 위치를 지시하는 경로 안내를 제공하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정방법.
제6항에 있어서,

상기 관성센서의 오차 보정에서 자이로스코프의 스케일 펙터(S_G) 교정은 하기의 수학식 3의 적용으로 수행하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정방법.

상기에서
는 자이로스코프의 측정값(아날로그 전압값)이고,

는 자이로스코프의 영속도 측정값이며,

△t 는 자이로스코프의 측정 시간차이고,

△φ는 맵 매칭된 주행 방향각 정보 또는 도로의 링크 각 정보이다.
제6항에 있어서,

상기 관성센서의 오차보정에서 주행거리계 센서의 스케일 펙터(S_o)의 교정은 하기의 수학식 4의 적용에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정방법.

상기에서
는 주행거리계 센서의 측정값(디지털 펄스의 개수)이고,

D 는 맵 매칭된 위치의 주행거리이다.
제6항에 있어서,

상기 관성센서의 오차보정은 맵 매칭된 디지털 지도의 도로 링크 정보, 도로 링크 각 정보, 도로 링크 종별 정보를 이용하는 것을 특징으로 하는 차량 항법장치의 관성센서 교정방법.