센서 장착오차를 고려한 차량용 INS/GPS/NHC 복합항법시스템 :INS/GPS/NHC Integrated Navigation System Considering the Sensor Mounting Error for Land Vehicles

채명석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 채명석 (경일대학교, 경일대학교 일반대학원)

지도교수: 조성윤

발행연도: 2022

저작권: 경일대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2022

차량 항법을 위한 IMU 장착 위치를 고려한 개선된 INS/GPS/NHC 복합항법시스템

채명석 , 권재욱 , 조의연 외 1명 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 2022.06 학술대회자료

IMU 장착 위치에 따른 Lever arm을 고려한 차량용 INS/GPS/NHC 복합항법시스템

채명석 , 권재욱 , 조의연 외 1명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2022.06 학술대회자료

센서 장착오차를 고려한 차량용 INS/GPS/NHC 복합항법시스템

채명석 IT융복합학과 2022.01 학위논문

2021

CKF 기반 상태 확장을 통해 IMU 의 장착 비정렬을 보상하는 차량용 복합항법시스템

채명석 , 조성윤 제어로봇시스템학회 논문지 2021.12 학술저널

IMU 장착오차를 고려한 열차용 INS/GPS/NHC 복합항법시스템

채명석 , 조성윤 , 신경호 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 2021.06 학술대회자료

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차량의 항법정보를 위해 INS(Inertial Navigation System)를 사용할 수 있다. 그러나 INS 단독으로 사용하기에는 시간에 따른 오차 증가를 막을 수 없다. 따라서 INS의 단점을 보완하기 위해 GPS(Global Positioning System)와 결합하는 INS/GPS 복합항법시스템을 구성할 수 있다. INS와 GPS는 상호보완적인 특성을 지니고 있기 때문에 안정적인 항법 정보를 제공할 수 있다. 그러나 도로환경에서는 터널, 도심/산악지역 등 GPS 음영지역이 많이 존재한다. 이때는 측정치 갱신 없이 pure INS로 동작하기 때문에 오차가 점점 증가한다. 이 문제를 해결하기 위해 INS/GPS 복합항법시스템에서 차량의 운동특성인 NHC(Non Holonomic Constrain) 정보를 측정치로 활용하여 INS/GPS/NHC 복합항법시스템을 구성할 수 있다. 이는 추가적인 센서 없이 항법 정확도를 향상시키는 방법이다. NHC는 Slip이나 점프현상이 없는 정상적인 상황에서 동체 좌표계 상의 y축과 z축의 속도는 0이라는 정보이다. 기존에는 차량의 동체 좌표계와 IMU(Inertial Measurement Unit)의 센서 좌표계는 일치하다고 가정하고 NHC를 사용했다. 그러나 실제로는 차량에 IMU를 장착하는 과정에서 동체 좌표계와 센서 좌표계는 장착 비정렬로 인해 일치하지 않게 된다. 이 경우 센서 좌표계에서는 NHC 조건이 성립하지 않게 되기 때문에 NHC 정보를 사용하게 되면 오히려 항법정보의 정확도는 떨어지게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 IMU의 장착 비정렬을 정확하게 추정/보상 해주어야 하며, NHC 정보를 정확히 활용하기 위해 IMU의 장착 비정렬을 고려한 결합필터를 설계하여야 한다.
본 논문에서는 제안하는 결합필터는 상태변수에 y축과 z축 장착 비정렬을 추가하였으며, INS의 비선형성을 고려하여 EKF(Extended Kalman Filter)기반으로 결합필터를 설계한다. 그리고 장착 비정렬의 추정 성능 및 항법정보의 정확도를 분석하기 위해 NHC와 GPS의 측정치 사용방법에 따라 Case를 구분하여 Monte Calro 시뮬레이션 기반으로 분석한다. 그리고 차량 실험을 통해 제안하는 방법인 IMU의 장착 비정렬을 고려한 INS/GPS/NHC 복합항법시스템이 기존에 사용하던 장착 비정렬을 고려하지 않은 복합항법시스템 보다 항법결과가 우수하다는 것을 검증한다.

INS (Inertial Navigation System) can be used for vehicle navigation informatio n. However, using INS alone cannot prevent an increase in error over time. Therefore, an INS/GPS integrated navigation system combined with a GPS (Global Positioning System) can be configured to make up for the shortcomings of the INS. Since INS and GPS have complementary characteristics, they can provide stable navigation information. However, in the road environment, there are many GPS shaded areas such as tunnels and urban /mountain areas. At this time, the error increases more and more because it operates with pure INS without updating the measured value. In order to solve this problem, the INS/GPS/NHC integrated navigation system can be configured by utilizing the NHC(Non Holonomic Constrain) information. This is a way to improve navigation accuracy without additional sensors. NHC is information that the velocity of the y-axis and z-axis on the fuselage coordinate system is zero in a normal situation without slip or jump phenomenon. In the past, NHC was used on the assumption that the body coordinate system of the vehicle and the sensor coordinate system of the IMU(Inertial Measurement Unit) match. However, in reality, in the process of mounting the IMU on the vehicle, the fuselage coordinate system and the sensor coordinate system do not match due to the mounting misalignment. In this case, since the NHC condition is not satisfied in the sensor coordinate system, the accuracy of the navigation information is rather lowered when the NHC information is used. To solve this problem, IMU mounting misalignment must be accurately estimated/compensated, and a coupling filter that considers IMU mounting misalignment must be designed to accurately utilize NHC information.
In this paper, the proposed coupling filter adds y-axis and z-axis mounting misalignment to the state variables, and designs an EKF(Extended Kalman Filter)-based coupling filter in consideration of the nonlinearity of INS. Then, in order to analyze the estimated performance of mounting misalignment and the accuracy of navigation information, Cases are divided according to the usage of NHC and GPS measurements and analyzed based on Monte Calro simulation. And it proves that the INS/GPS/NHC integrated navigation system that considers the mounting misalignment of the IMU, which is a method proposed through vehicle experiments, has better navigation results than the conventional integrated navigation system that does not consider the mounting misalignment.

#vehicular navigation system #INS/GPS/NHC #mounting error #EKF

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 1
2. 문제 정의 및 논문의 기여도 2
3. 논문의 구성 3
Ⅱ. 항법시스템 5
1. 좌표계 정의 5
2. INS 알고리즘 7
1) 자세 계산 9
2) 속도 및 위치 계산 12
3. GPS 14
4. INS/GPS 복합항법시스템 16
1) 칼만 필터 18
2) 약결합 및 강결합 20
Ⅲ. IMU 장착 비정렬을 고려한 INS/GPS/NHC 복합항법시스템 21
1. NHC 23
1) 지상 차량의 일반적인 NHC 23
2) 일반적인 NHC 측정치 모델링 23
2. IMU의 장착 비정렬 26
1) IMU의 장착 비정렬 정의 26
2) 제안하는 NHC 측정치 행렬 28
3. IMU의 장착 비정렬을 고려한 결합필터 설계 29
1) INS의 오차 모델 29
2) EKF기반 결합필터 설계 32
Ⅳ. 시뮬레이션 분석 및 실험 결과 37
1. Monte-Carlo 시뮬레이션 분석 37
1) 장착 비정렬 오차 없는 경우 15차 모델 39
2) 장착 비정렬 오차 있는 경우 15차 모델 43
3) 장착 비정렬 오차를 추정하는 경우 17차 모델 45
2. 실험 결과 54
Ⅴ. 결론 61
참고문헌 62
(Abstract) 64

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