KR20120098321A - Apparatus for correction of imu and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 자이로 모의 출력을 이용하여 관정 측정기를 교정하는 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present specification relates to a calibration apparatus and a method thereof, and more particularly, to a calibration apparatus and a method of calibrating an inertial measurement instrument using a gyro simulation output.
일반적으로, 관성 항법 장치는, 관성 측정기(Inertial Measurement Unit : IMU)를 통해 측정한 각속도와 가속도를 적분하여 자세, 속도 및, 위치를 계산하고 실시간으로 항법 정보를 제공하는 장치이다. 이러한, 관성 항법 장치에서 상기 관성 측정기의 오차는, 항법 오차를 유발하기 때문에, 상기 관성 측정기의 정밀한 교정 기법이 요구된다. 또한, 상기 관성 측정 장치의 교정 기법은, 가속도계 및 자이로에 포함된 오차를 추정하는 기법이다.In general, an inertial navigation device is a device that calculates attitude, velocity, and position by integrating angular velocity and acceleration measured through an inertial measurement unit (IMU) and provides navigation information in real time. In this inertial navigation system, the error of the inertial measurement device causes a navigation error, and therefore, a precise calibration technique of the inertial measurement device is required. In addition, the calibration technique of the inertial measurement apparatus is a technique for estimating errors included in an accelerometer and a gyro.
이러한 관성 측정기의 교정 기법에는 칼만 필터 등을 이용하는 신호 처리 방법이 있다.There is a signal processing method using a Kalman filter as a calibration technique of the inertial measuring instrument.
본 발명의 목적은, 자이로의 랜덤 오차 및 불감응 영역 등에 의해 발생되는 관성 측정기 교정 오차를 제거하는 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an inertial measuring device calibrating apparatus and a method for eliminating an inertial measuring device calibrating error caused by a random error of a gyro, an insensitive area, or the like.
본 발명의 다른 목적은, 가속도계 측정값을 이용하여 자이로 출력을 모의(simulate)하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하고, 상기 산출한 교정 계수를 적용하는 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to calibrate a gyro output using an accelerometer measurement value, to calculate a correction coefficient based on the simulated gyro output, and to apply the calculated correction coefficient and the calibration device of the inertial measuring instrument and To provide that method.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성 측정기의 교정 방법은, 운반체의 가속도와 각속도를 계산하는 단계; 및 상기 계산한 가속도와 각속도를 근거로 다위치 시험 A와 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하는 단계를 포함한다.The calibration method of the inertial measurement device according to the present invention for achieving the above object, the step of calculating the acceleration and the angular velocity of the carrier; And sequentially repeating the multi-position test A and the multi-position test B based on the calculated acceleration and angular velocity.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 반복 수행하는 단계는, 상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태인지 확인하는 단계; 상기 확인 결과, 상기 운반체가 정지 상태이면, 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하는 단계; 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하는 단계; 및 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the repeating step may include: when the multi-position test A is performed, checking whether the carrier is stationary; Estimating a DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurer based on the acceleration when the vehicle is in the stopped state; Simulating a gyro output based on the estimated DCM; And calculating a correction factor based on the simulated gyro output.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 DCM을 추정하는 단계는, 레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 DCM을 모델링하는 단계; 및 상기 가속도를 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법을 통해 상기 DCM을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, estimating the DCM may include modeling the DCM as a determinant having a rate table misalignment and the inertial measurement instrument mounting misalignment as independent variables; And estimating the DCM through a least squares estimation technique using the acceleration as a measured value.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 자이로 출력을 모의하는 단계는, 상기 추정한 DCM을 근거로 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 상기 관성 측정기의 동체 좌표계로 좌표 변환할 수 있다.As an example related to the present invention, in the simulating of the gyro output, the rotational angular velocity of the earth on the navigation coordinate system may be transformed into the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the estimated DCM.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정 계수를 산출하는 단계는, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 속도를 계산하는 단계; 및 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the calculating of the correction factor may include calculating a speed based on the simulated gyro output through a previously stored navigation algorithm; And calculating a correction factor based on the calculated speed and least squares estimation technique.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정 계수는, 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및, 자이로 비정렬 오차를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the calibration coefficient may include an accelerometer bias, an accelerometer conversion factor error, an accelerometer misalignment error, a gyro conversion factor error, and a gyro misalignment error.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 확인 결과, 상기 운반체가 정지 상태가 아니면, 상기 관성 측정기로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, as a result of the checking, the vehicle may further include calculating a speed through a pre-stored navigation algorithm based on a gyro output output from the inertial measurement unit.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 반복 수행하는 단계는, 상기 다위치 시험 B를 수행할 때, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 가속도와 각속도를 속도 및 자세로 변환하는 단계; 및 상기 변환한 속도와 자세 및, 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the performing of the repetition may include: converting the acceleration and the angular velocity into a speed and a posture through a previously stored navigation algorithm when performing the multi-position test B; And estimating a gyro bias based on the transformed speed, attitude, and least squares estimation technique.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성 측정기의 교정 방법은, 운반체의 가속도와 각속도를 계산하는 단계; 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하는 단계; 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하는 단계; 및 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함한다.In addition, the calibration method of the inertial measurement device according to the present invention for achieving the above object, calculating the acceleration and the angular velocity of the carrier; Estimating a DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the acceleration; Simulating a gyro output based on the estimated DCM; And calculating a calibration coefficient based on the simulated gyro output.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성 측정기의 교정 장치는, 운반체의 가속도와 각속도를 계산하는 관성 측정기; 및 상기 관성 측정기로부터 계산한 가속도와 각속도를 근거로 다위치 시험 A와 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하는 교정부를 포함할 수 있다.In addition, the calibration device of the inertial measuring device according to the present invention for achieving the above object, the inertial measuring device for calculating the acceleration and the angular velocity of the carrier; And a calibration unit configured to repeatedly perform the multi-position test A and the multi-position test B based on the acceleration and the angular velocity calculated from the inertial measurement unit.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 관성 측정기는, 상기 운반체의 선형 가속도를 검출하고, 상기 검출한 선형 가속도를 근거로 상기 가속도를 출력하는 가속도계; 및 상기 운반체의 회전량을 검출하고, 상기 검출한 운반체의 회전량을 근거로 상기 각속도를 출력하는 자이로를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the inertial measurement unit may include an accelerometer that detects a linear acceleration of the carrier and outputs the acceleration based on the detected linear acceleration; And a gyro for detecting the rotation amount of the carrier and outputting the angular velocity based on the detected rotation amount of the carrier.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태이면, 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하고, 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출할 수 있다.As an example related to the present invention, when performing the multi-position test A, the calibration unit estimates DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the acceleration, when the vehicle is stationary. A gyro output can be simulated based on the estimated DCM, and a correction factor can be calculated based on the simulated gyro output.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 DCM을 모델링하고, 상기 가속도를 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법을 통해 상기 DCM을 추정할 수 있다.As an example related to the present invention, the calibrator may model DCM using a determinant having a rate table misalignment and an inertial measurement instrument mounting misalignment as independent variables, and use the acceleration as a measured value to perform the least square estimation method. DCM can be estimated.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 상기 추정한 DCM을 근거로 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 상기 관성 측정기의 동체 좌표계로 좌표 변환할 수 있다.As an example related to the present invention, the calibration unit may convert the rotational angular velocity of the earth on the navigation coordinate system into the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the estimated DCM.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 속도를 계산하고, 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 교정 계수를 산출할 수 있다.As an example related to the present invention, the calibration unit may calculate a speed based on the simulated gyro output through a pre-stored navigation algorithm, and calculate a calibration coefficient based on the calculated speed and least squares estimation technique. .
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정 계수는, 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및, 자이로 비정렬 오차를 포함할 수 있다.As an example related to the present invention, the calibration coefficient may include an accelerometer bias, an accelerometer conversion factor error, an accelerometer misalignment error, a gyro conversion factor error, and a gyro misalignment error.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태가 아니면, 상기 관성 측정기로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도를 계산할 수 있다.As an example related to the present invention, when performing the multi-position test A, the calibrator may calculate a speed through a previously stored navigation algorithm based on a gyro output output from the inertial measurement unit when the vehicle is not stationary. Can be.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 교정부는, 상기 다위치 시험 B를 수행할 때, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 가속도와 각속도를 속도 및 자세로 변환하고, 상기 변환한 속도와 자세 및, 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정할 수 있다.As an example related to the present invention, when performing the multi-position test B, the calibration unit converts the acceleration and angular velocity into a speed and a posture through a pre-stored navigation algorithm, and converts the converted speed, posture, and least squares. Gyro bias can be estimated based on the estimation technique.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성 측정기의 교정 장치는, 운반체의 가속도와 각속도를 계산하는 관성 측정기; 및 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하고, 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 교정부를 포함할 수 있다.In addition, the calibration device of the inertial measuring device according to the present invention for achieving the above object, the inertial measuring device for calculating the acceleration and the angular velocity of the carrier; And a calibration unit for estimating DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit, simulating a gyro output based on the estimated DCM, and calculating a calibration coefficient based on the simulated gyro output. can do.
본 발명의 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법은, 자이로의 랜덤 오차 및 불감응 영역 등에 의해 발생되는 관성 측정기 교정 오차를 제거함으로써, 관성 측정기의 교정 정확도를 향상시킬 수 있다.The calibration device and method of the inertial measurement device according to the embodiment of the present invention can improve the calibration accuracy of the inertial measurement device by eliminating the inertia measuring device calibration error caused by a random error of the gyro and an insensitive area.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 장치 및 그 방법은, 가속도계 측정값을 이용하여 자이로 출력을 모의하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하고, 상기 산출한 교정 계수를 적용함으로써, 관성 측정기의 교정 오차를 제거할 수 있다.In addition, the calibration apparatus and method of the inertial measurement apparatus according to the embodiment of the present invention, by using the accelerometer measurement value to simulate the gyro output, calculate the calibration coefficients based on the simulated gyro output, the calculated correction coefficient By applying, it is possible to eliminate the calibration error of the inertial measurement.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도계 바이어스, 가속도계의 환산계수 오차, 가속도계의 비정렬 오차, 자이로의 환산계수 오차 및, 자이로의 비정렬 오차를 보상하기 위한 다위치 시험 순서의 예를 나타낸 도이다.
도 3은 자이로 바이어스를 보상하기 위한 다위치 시험 순서의 예를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 종래 기술과 본 발명가의 속도 오차 관계를 나타낸 도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a calibration device for an inertial measurement device according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates an example of a multi-position test sequence for compensating an accelerometer bias, an accelerometer conversion factor error, an accelerometer misalignment error, a gyro conversion error, and a gyro misalignment error according to an embodiment of the present invention. It is also.
3 is a diagram illustrating an example of a multi-position test sequence for compensating gyro bias.
4 is a flowchart illustrating a calibration method of an inertial measurement device according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a speed error relationship between the prior art and the inventor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or corresponding components will be denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 장치의 구성을 나타낸 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 관성 측정기의 교정 장치(10)는, 관성 측정기(100) 및, 교정부(200)로 구성한다. 도 1에 도시한 관성 측정기의 교정 장치(10)의 구성 요소가 모두 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시한 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 관성 측정기의 교정 장치(10)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 관성 측정기의 교정 장치(10)가 구현될 수도 있다.1 is a block diagram showing a configuration of a calibration device for an inertial measurement device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
또한, 본 발명의 관성 측정기의 교정 장치에 포함된 교정부(200)는, 하나의 모듈 형태로 구성되어, 상기 관성 측정기(100) 내에 포함되도록 구성할 수도 있다.In addition, the
상기 관성 측정기(100)는, 가속도계와 자이로(또는, 자이로스코프)를 포함한다. 이때, 상기 가속도계와 자이로스코프는, 각 축(일 예로, X축, Y축, Z축)당 하나씩 설치된다.The
또한, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 가속도계는, 운반체(vehicle)의 선형 가속도를 검출하고, 상기 검출한 선형 가속도를 근거로 가속도를 출력한다. 또한, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 자이로스코프는, 상기 운반체의 회전량을 검출하고, 상기 검출한 운반체의 회전량을 근거로 각속도를 출력한다.In addition, the accelerometer included in the
상기 교정부(또는, 보정부)(200)는, 추정된 값을 근거로 상기 관성 측정기(100)의 오차값을 보상(또는, 교정)한다.The correction unit (or correction unit) 200 compensates (or corrects) an error value of the
즉, 상기 교정부(200)는, 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및 자이로 비정렬 오차를 보상하기 위한 다위치 시험 A와 자이로 바이어스를 추정하기 위한 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하여, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 센서(일 예로, 가속도계와 자이로) 오차의 수렴값을 구한다. 도 2와 도 3은 각각 다위치 시험 A와 B에서 상기 관성 측정기(100)의 자세를 정의한 도이다. 즉, 상기 도 2는 상기 오차 요소 중에서 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및 자이로 비정렬 오차를 보상하기 위한 다위치 시험 A의 예이고, 상기 도 3은 자이로 바이어스를 보상하기 위한 다위치 시험 B의 예이다.That is, the
또한, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 A에 대해서, 상기 운반체가 정지 상태(또는, 레이트 테이블(rate table)이 정지 상태)인지 여부를 확인하여, 상기 운반체가 정지 상태인 경우, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 가속도계로부터 출력된 가속도를 측정값으로 사용(또는, 설정)하여, 항법 좌표계와 상기 관성 측정기(100) 동체 좌표계 사이의 DCM(directional cosine matrix : 방향 코사인 행렬)을 추정한다. 즉, 상기 교정부(200)는, 상기 DCM을 상기 레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기(100) 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 모델링하고, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 가속도계의 출력(또는, 상기 가속도)을 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법(least square estimation method)으로 상기 DCM을 추정한다.In addition, the
그리고 상기 교정부(200)는, 상기 추정한 DCM을 이용하여 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 상기 관성 측정기(100)의 동체 좌표계로 좌표 변환하여 자이로 출력을 모의(simulate)한다.The
그리고 상기 교정부(200)는, 상기 모의한 자이로 출력을 이용하여 교정 계수를 산출한다. 즉, 상기 교정부(200)는, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 미리 저장한 항법 알고리즘을 이용하여 속도를 계산한다. 또한, 상기 교정부(200)는, 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 이용하여 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및 자이로 비정렬 오차를 포함하는 상기 교정 계수를 산출한다.The
이와 같이, 상기 DCM 추정 시 사용하는 상기 가속도계의 출력은 교정을 통해 바이어스, 환산 계수 오차들 및, 비정렬 오차들이 보상된 값이기 때문에, 상기 가속도계의 출력을 이용한 자이로 출력 모의는 매우 정확한 값이다. 따라서, 불규칙한 잡음과 교정 오차가 포함된 실제 자이로 출력 대신 모의 자이로 출력을 적용하여, 교정 정확도를 개선할 수 있다.As described above, since the output of the accelerometer used in the DCM estimation is compensated for bias, conversion coefficient errors, and misalignment errors through calibration, the gyro output simulation using the accelerometer output is a very accurate value. Therefore, by applying a simulated gyro output instead of the actual gyro output that contains irregular noise and calibration error, it is possible to improve the calibration accuracy.
또한, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 A에 대해서, 상기 운반체가 정지 상태인지 여부를 확인하여, 상기 운반체가 정지 상태가 아닌 경우, 상기 관성 측정기(100)로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도를 계산한다.In addition, the
또한, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 B에 대해서, 상기 다위치 시험 A로부터 추정된 오차들을 보상한 뒤, 최소 제곱 추정 기법(least square estimation method)을 이용하여 자이로 바이어스를 추정한다. 즉, 상기 교정부(200)는, 상기 관성 측정기(100)로부터 출력된 가속도와 각속도를 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도 및 자세로 변환하고, 상기 변환한 속도 및 자세로부터 센서 오차 추정을 위한 가관측성을 확보하기 위해 레이트 테이블을 이용하여 다위치 시험 B를 수행하여 자이로 바이어스(gyro bias)를 추정한다. 이처럼, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 B에 대해서, 상기 변환한 속도와 자세 및, 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정한다.In addition, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관성 측정기의 교정 방법을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a calibration method of an inertial measurement device according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 관성 측정기(100)는, 가속도계와 자이로스코프를 각각 이용하여 운반체의 가속도와 각속도를 계산하여 출력한다. 즉, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 가속도계는, 상기 운반체의 선형 가속도를 검출하고, 상기 검출한 선형 가속도를 근거로 가속도를 출력(예를 들어, )한다. 또한, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 자이로스코프는, 상기 운반체의 회전량을 검출하고, 상기 검출한 운반체의 회전량을 근거로 각속도를 출력(예를 들어, )한다(S110).First, the
이후, 교정부(200)는, 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및 자이로 비정렬 오차를 보상하기 위한 다위치 시험 A와, 자이로 바이어스를 추정하기 위한 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하여, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 센서(일 예로, 가속도계와 자이로스코프) 오차의 수렴값을 구한다.Then, the
즉, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 A에 대해서, 상기 운반체가 정지 상태(또는, 레이트 테이블이 정지 상태)인지 여부를 확인한다(S120).That is, the
상기 확인 결과, 상기 운반체가 정지 상태인 경우, 상기 교정부(200)는, 상기 관성 측정기(100)로부터 출력된 가속도를 측정값으로 사용(또는, 설정)하여, 항법 좌표계와 상기 관성 측정기(100)의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정한다. 즉, 상기 교정부(200)는, 상기 DCM을 상기 레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기(100) 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 모델링하고, 상기 관성 측정기(100)에 포함된 가속도계의 출력(상기 가속도)을 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법으로 상기 DCM을 추정한다.As a result of the check, when the carrier is in a stopped state, the
예를 들어, 상기 교정부(200)는, 아래 기재되는 수학식들을 통해, 상기 DCM을 추정한다. 일반적으로, 정지 상태에서 자이로 참 출력 값은 상기 관성 측정기(100)의 자세에 따라 분배되는 지구 자전 각속도 값이다. 따라서, 항법 좌표계와 동체 좌표계에 분배되는 지구 자전 각속도의 관계식은 아래 수학식 1과 같다.For example, the
여기서, 는, 동체 좌표계의 지구 자전 각속도이고, 은 항법 좌표계와 관성 측정기(100) 동체 좌표계(B)의 DCM이고, 은 항법 좌표계의 지구 자전 각속도이다. 또한, 는 레이트 테이블(T)과 동체 좌표계(B)의 DCM이고, 은 2축 레이트 테이블의 각운동 자세를 나타내는 DCM이고, 은 항법 좌표계와 레이트 테이블 초기 자세 사이의 DCM이다. 이때, 상기 , 및 은 각각 아래 수학식 2 내지 수학식 4와 같다.here, Is the global rotational angular velocity of the fuselage coordinate system, Is the DCM of the navigation coordinate system and the
상기 수학식 1에서 결정되지 않은 값은, MX, MY, MZ, TX, TY, TZ이며, TZ를 제외한 비정렬각은 가속도계를 이용하여 다음과 같이 측정할 수 있다. 상기 다위치 시험 A에서 가속도계 출력은 아래 수학식 5와 같이 모델링할 수 있다.The value not determined in
상기 수학식 2 내지 수학식 4를 상기 수학식 5에 대입하고, 각 정지 상태에서 레이트 테이블의 각위치를 대입한 뒤, 최소 제곱 추정 기법을 이용하여 정리하면 아래 수학식 6 및 수학식 7을 얻는다.Substituting
여기서, 는, 세트(j)(j=I~IV)와 각위치(k)(k=1~3)의 i축 가속도계 출력의 평균값이다. 상기 수학식 6을 통해 비정렬각 MX, MY, MZ, TX, TY을 매우 높은 정밀도로 구할 수 있다. 이는, 가속도계의 바이어스, 환산계수, 비정렬 값이 보상된 가속도계 출력을 통해 측정된 비정렬 값이기 때문이다. 레이트 테이블의 헤딩축(Z축) 비정렬인 TZ는 자이로 바이어스 추정 시퀀스 식으로부터 유도할 수 있다. 즉, 자이로 바이어스 추정식을 다시 쓰면 다음 수학식과 같다.here, Is the average value of the i-axis accelerometer output of the set j (j = I to IV) and the angular position k (k = 1 to 3). Through Equation 6, the misalignment angles M X , M Y , M Z , T X , and T Y can be obtained with very high precision. This is because the bias, conversion coefficient, and misalignment value of the accelerometer are the misalignment values measured through the compensated accelerometer output. T Z, which is the head axis (Z-axis) misalignment of the rate table, can be derived from the gyro bias estimation sequence equation. That is, the gyro bias estimation equation is rewritten as the following equation.
따라서, 상기 수학식 8과 수학식 9로부터 항법 좌표계와 동체 좌표계 사이의 비정렬 각을 아래 수학식 10과 같이 얻을 수 있다.Accordingly, the misalignment angle between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system can be obtained from Equations 8 and 9 as shown in
상기 TZ 값은 자이로 출력을 이용하여 구하는 값이므로, 랜덤 워크(random walk)가 큰 중급 자이로의 경우 추정 정밀도가 저하된다. 따라서, 상기 TZ 값은 레이트 테이블 설치 후 고정되는 값이므로, 고급 자이로를 이용하여 추정하는 것이 바람직하다(S130).Since the T Z value is a value obtained by using a gyro output, the estimation accuracy is degraded in the case of an intermediate gyro having a large random walk. Therefore, since the T Z value is a fixed value after installing the rate table, it is preferable to estimate it using an advanced gyro (S130).
이후, 상기 교정부(200)는, 상기 추정된 DCM을 근거로 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 관성 측정기(100)의 동체 좌표계로 좌표 변환하여 자이로 출력을 모의한다.Thereafter, the
예를 들어, 상기 교정부(200)는, 상기 수학식 2 내지 수학식 4와, 수학식 6, 수학식 7 및, 수학식 10을 상기 수학식 1에 대입하여 정리하면, 아래 수학식 11과 같은, 동체 좌표계로 투영된 지구 자전 각속도 추정값()을 얻는다.For example, when the
여기서, WX, WY, WZ는 정지 상태 자이로의 예상 출력 값이다(S140).Here, W X , W Y , and W Z are expected output values of the stationary gyro (S140).
이후, 상기 교정부(200)는, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 이용하여 속도를 계산한다(S150).Thereafter, the
이후, 상기 교정부(200)는, 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 교정 계수를 산출한다.Thereafter, the
즉, 상기 교정부(200)는, 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 이용하여 가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및, 자이로 비정렬 오차를 포함하는 상기 교정 계수를 산출(또는, 추정)한다(S160).That is, the
또한, 상기 교정부(200)는, 상기 확인 결과(상기 S120 단계에서의 확인 결과), 상기 운반체가 정지 상태가 아닌 경우, 즉 상기 운반체가 회전 상태인 경우, 상기 관성 측정기(100)로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 상기 미리 저장된 항법 알고리즘을 이용하여 속도를 계산한다.In addition, the
즉, 상기 교정부(200)는, 상기 확인 결과(상기 S120 단계에서의 확인 결과), 상기 운반체가 회전 상태인 경우(또는, 상기 운반체가 정지 상태가 아닌 경우), 상기 관성 측정기(100)로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 상기 미리 저장된 항법 알고리즘을 이용하여 속도를 계산한다(S170).That is, the
이후, 상기 교정부(200)는, 상기 다위치 시험 B에 대해서, 미리 저장된 항법 알고리즘을 이용하여 상기 관성 측정기(100)로부터 출력된 가속도와 각속도를 속도 및 자세로 변환한다(S180).Subsequently, the
이후, 상기 교정부(200)는, 상기 변환한 속도와 자세 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정한다(S190).Thereafter, the
이와 같이, 상기 교정부(200)는, 상기 S120 단계 내지 상기 S190 단계를 반복적으로 수행하여, 상기 관성 측정기(100)의 오차 수렴값을 구한다.As such, the
도 5는 본 발명에서 제안한 모의 자이로 출력을 적용한 결과를 나타낸 도로서, 해석을 통해 종래 방식(다위치 시험 A에서 정지 및 회전 시, 관성 측정기로부터 출력되는 자이로 출력을 이용하는 방식)과 비교한 결과이다. 종래 방식(검은색)은 불규칙 잡음으로 인해 속도 오차가 크게 발생하며 반면에, 본 발명에서 제안한 모의 자이로 출력을 적용한 경우(빨간색)에는 속도 오차의 크기가 상당히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 모의 자이로 출력을 적용하여 관성 측정기의 교정 정밀도를 향상시킬 수 있다.5 is a diagram showing the results of applying the simulated gyro output proposed in the present invention, which is compared with the conventional method (method of using the gyro output output from the inertial measurement device during stop and rotation in the multi-position test A) through analysis. . In the conventional method (black), a large speed error occurs due to irregular noise, whereas the size of the speed error is significantly reduced when the simulation gyro output proposed in the present invention is applied (red). Therefore, by applying the simulation gyro output proposed in the present invention can improve the calibration accuracy of the inertial measuring instrument.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
10: 관성 측정기의 교정 장치 100: 관성 측정기
200: 교정부10: calibration device of inertial measurement unit 100: inertial measurement unit
200: correction part
Claims (19)
상기 계산한 가속도와 각속도를 근거로 다위치 시험 A와 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.Calculating acceleration and angular velocity of the vehicle; And
And repeating the multi-position test A and the multi-position test B sequentially based on the calculated acceleration and angular velocity.
상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태인지 확인하는 단계;
상기 확인 결과, 상기 운반체가 정지 상태이면, 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하는 단계;
상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하는 단계; 및
상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 1, wherein performing the repetition is repeated.
When performing the multi-position test A, checking whether the vehicle is stationary;
Estimating a DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurer based on the acceleration when the vehicle is in the stopped state;
Simulating a gyro output based on the estimated DCM; And
And calculating a correction coefficient based on the simulated gyro output.
레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 DCM을 모델링하는 단계; 및
상기 가속도를 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법을 통해 상기 DCM을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 2, wherein estimating the DCM,
Modeling DCM as a determinant having a rate table misalignment and the inertia meter mounting misalignment as independent variables; And
Estimating the DCM through a least squares estimation technique using the acceleration as a measured value.
상기 추정한 DCM을 근거로 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 상기 관성 측정기의 동체 좌표계로 좌표 변환하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 2, wherein simulating the gyro output comprises:
And a coordinate transformation of the rotational angular velocity of the earth on the navigation coordinate system into the fuselage coordinate system of the inertial measurement system based on the estimated DCM.
미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 속도를 계산하는 단계; 및
상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 2, wherein the calculating of the correction coefficients comprises:
Calculating a speed based on the simulated gyro output through a prestored navigation algorithm; And
And calculating a correction factor based on the calculated velocity and least squares estimation technique.
가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및, 자이로 비정렬 오차를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 5, wherein the correction coefficient is,
A method for calibrating an inertial measurement device comprising an accelerometer bias, an accelerometer conversion factor error, an accelerometer misalignment error, a gyro conversion error, and a gyro misalignment error.
상기 확인 결과, 상기 운반체가 정지 상태가 아니면, 상기 관성 측정기로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 2,
And if the vehicle is not in a stationary state, calculating the speed through a previously stored navigation algorithm based on a gyro output output from the inertial measurement unit.
상기 다위치 시험 B를 수행할 때, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 가속도와 각속도를 속도 및 자세로 변환하는 단계; 및
상기 변환한 속도와 자세 및, 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.The method of claim 1, wherein performing the repetition is repeated.
When performing the multi-position test B, converting the acceleration and angular velocity into speed and attitude through a pre-stored navigation algorithm; And
Estimating a gyro bias based on the converted velocity, attitude, and least squares estimation technique.
상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하는 단계;
상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하는 단계; 및
상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 방법.Calculating acceleration and angular velocity of the vehicle;
Estimating a DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the acceleration;
Simulating a gyro output based on the estimated DCM; And
And calculating a correction coefficient based on the simulated gyro output.
상기 관성 측정기로부터 계산한 가속도와 각속도를 근거로 다위치 시험 A와 다위치 시험 B를 순차적으로 반복 수행하는 교정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.An inertial measurement device for calculating acceleration and angular velocity of the vehicle; And
And a calibration unit configured to repeatedly perform the multi-position test A and the multi-position test B based on the acceleration and the angular velocity calculated from the inertia measuring device.
상기 운반체의 선형 가속도를 검출하고, 상기 검출한 선형 가속도를 근거로 상기 가속도를 출력하는 가속도계; 및
상기 운반체의 회전량을 검출하고, 상기 검출한 운반체의 회전량을 근거로 상기 각속도를 출력하는 자이로를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 10, wherein the inertial measurement unit,
An accelerometer which detects linear acceleration of the carrier and outputs the acceleration based on the detected linear acceleration; And
And a gyro for detecting the rotation amount of the carrier and outputting the angular velocity based on the detected rotation amount of the carrier.
상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태이면, 상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하고, 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 10, wherein the correction unit,
When performing the multi-position test A, if the vehicle is stationary, estimate the DCM between the navigation coordinate system and the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the acceleration, simulate the gyro output based on the estimated DCM, And a calibration coefficient is calculated based on the simulated gyro output.
레이트 테이블 비정렬과 상기 관성 측정기 장착 비정렬을 독립 변수로 갖는 행렬식으로 DCM을 모델링하고, 상기 가속도를 측정값으로 사용하여 최소 제곱 추정 기법을 통해 상기 DCM을 추정하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 12, wherein the correction unit,
A DCM is modeled using a determinant having a rate table misalignment and an inertial meter mounted misalignment as independent variables, and the DCM is estimated through a least squares estimation technique using the acceleration as a measured value. Device.
상기 추정한 DCM을 근거로 항법 좌표계 상의 지구 자전 각속도를 상기 관성 측정기의 동체 좌표계로 좌표 변환하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 12, wherein the correction unit,
And a coordinate transformation of the earth rotational angular velocity on the navigation coordinate system to the fuselage coordinate system of the inertial measurement unit based on the estimated DCM.
미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 속도를 계산하고, 상기 계산한 속도 및 최소 제곱 추정 기법을 근거로 교정 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 12, wherein the correction unit,
And a calibration coefficient is calculated based on the simulated gyro output using a pre-stored navigation algorithm, and a calibration coefficient is calculated based on the calculated speed and least squares estimation technique.
가속도계 바이어스, 가속도계 환산계수 오차, 가속도계 비정렬 오차, 자이로 환산계수 오차 및, 자이로 비정렬 오차를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 15, wherein the correction coefficient,
And an accelerometer bias, an accelerometer conversion factor error, an accelerometer misalignment error, a gyro conversion error, and a gyro misalignment error.
상기 다위치 시험 A를 수행할 때, 상기 운반체가 정지 상태가 아니면, 상기 관성 측정기로부터 출력되는 자이로 출력을 근거로 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 10, wherein the correction unit,
When performing the multi-position test A, if the carrier is not in a stationary state, the device for calibrating the inertial measurement device, characterized in that for calculating the speed through a pre-stored navigation algorithm based on the gyro output from the inertial measurement.
상기 다위치 시험 B를 수행할 때, 미리 저장된 항법 알고리즘을 통해 상기 가속도와 각속도를 속도 및 자세로 변환하고, 상기 변환한 속도와 자세 및, 최소 제곱 추정 기법을 근거로 자이로 바이어스를 추정하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.The method of claim 10, wherein the correction unit,
When performing the multi-position test B, the acceleration and the angular velocity is converted into a speed and a posture through a pre-stored navigation algorithm, and the gyro bias is estimated based on the converted speed, the posture, and the least squares estimation technique. Calibration device of inertial measuring instrument.
상기 가속도를 근거로 항법 좌표계와 관성 측정기의 동체 좌표계 사이의 DCM을 추정하고, 상기 추정한 DCM을 근거로 자이로 출력을 모의하고, 상기 모의한 자이로 출력을 근거로 교정 계수를 산출하는 교정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정기의 교정 장치.An inertial measurement device for calculating acceleration and angular velocity of the vehicle; And
A calibration unit for estimating DCM between the navigation coordinate system and the body coordinate system of the inertial measurement unit, simulating a gyro output based on the estimated DCM, and calculating a calibration coefficient based on the simulated gyro output. Calibration device for inertial measurement, characterized in that.
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