ＧＰＳ 및 ＩＭＵ를 이용한 철도차량용 위치검측시스템 및 그 방법{LOCATION MEASUREMENT SYSTEM AND ITS METHOD FOR RAILROAD CAR USING GPS AND IMU}
본 발명은 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확한 위치 정보를 제공하는 GPS와 GPS가 동작하지 않는 범위에서도 정확한 가속도 정보를 제공하는 IMU를 통합하고 서로의 에러를 보정하여 고정밀 위치측정을 할 수 있도록 하는 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
철도의 운행에 있어서 정확한 위치측정은 매우 중요하다. 정확한 위치가 파악이 되어야 측정된 물리량이 의미가 있으며, 차량이나 선로의 고장 등이 발생한 정확한 위치 파악을 통해 해당 KP(킬로 정)에서 정확한 사고 원인 등을 밝혀낼 수 있다.
종래의 위치 계측 방법인 궤도회로는 좌우의 레일을 차축으로 단락시켜 차량의 존재를 검지하는 회로로서, 레일을 적당한 구간으로 나누어 각 구간마다 차량의 유무를 검지하여 신호와 경보기 등을 제어하는 것이다. 다시 말하면, 궤도를 통해 흐르는 전류가 열차가 진입함으로써, 통전이 되는 것을 확인하는 회로이다.
궤도는 열팽창 때문에 약 1.5Km 간격으로 끊어져 있다. 그래서 선로 양단에 각각 전압을 인가하면 전류가 흐르지 않다가 열차가 진입하게 되면, 열차 바퀴를 통해 통전이 되므로 열차가 이 궤도 구간 안에 있다는 것을 감지하게 된다. 그러나 궤도회로를 이용할 경우 열차가 1.5Km 내에 있다는 것은 알지만 궤도의 어느 위치에 있는지 정확히 알지 못하므로, 최대 1.5Km 의 오차를 포함하고 있다.
종래의 또 다른 위치 계측 방법인 타코메타는 자동차나 열차의 회전속도를 측정하는 장치이다. 고정밀 타코메타가 있으나, 열차 바퀴는 안쪽과 바깥쪽의 지름이 같지가 않고 바퀴의 안쪽으로 갈수록 지름이 작아지는 형태로 되어있기 때문에 열차가 움직일 때마다 바퀴의 접촉부분이 다르고 그에 따라서 바퀴 둘레 길이도 다르다.
따라서 고정밀 타코메타를 사용할지라도 바퀴 둘레의 길이가 항상 변하기 때문에 정밀한 측정이 어렵다.
상기와 같이 종래 기술에 의하면 가격 면에서는 저렴하나, 궤도회로의 경우 기본적으로 1.5Km의 오차를 갖고 있으며, 타코메타의 경우는 고정밀 타코메타를 사용하는 경우에도 바퀴 둘레의 길이에 따른 오차를 항상 가지고 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술상의 제반 사정을 감안하여 이를 해결하기 위한 것으로, 정확한 위치 정보를 제공하는 GPS와 GPS가 동작하지 않는 범위에서도 정확한 가속도 정보를 제공하는 IMU를 통합하고 서로의 에러를 보정하여 고정밀 위치측정을 할 수 있도록 된 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템 및 그 방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템은, 위성으로부터 수신되는 데이터를 토대로 철도차량의 위치 데이터를 규칙적인 간격으로 공급하는 GPS 수신기; 관성측정장치인 IMU; 상기 IMU에서 측정된 가속도를 교정하여 교정된 가속도를 구하고, 이를 이용하여 속도와 KP(킬로정)을 구하고, 상기의 GPS 수신기에서 수신한 위치신호로 KP를 보정하는 계산부; 및 상기의 교정된 가속도, 속도 및 KP를 저장하는 저장부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계산부는 IMU에서 측정된 가속도로부터 교정된 가속도를 구하기 위해 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계산부는 GPS 수신기에서 수신한 위치신호로 KP를 보정하기 위해서 순방향 에러보정 방식과 역방향 에러보정 방식을 혼용하여 합산한 후 평균값을 이용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 GPS 수신기에서 수신한 위치신호로 KP를 보정하는 방법은, 시간 t0 에서 t0 + Δt 까지 순방향 에러 보정 방식을 적용하는 단계; 시간 t0 + Δt 에서 t0 까지 역방향 에러 보정 방식을 적용하는 단계; 및 상기 순방향 에러 보정 방식과 역방향 에러 보정 방식을 혼용하여 합산한 후 평균값을 구하는 단계; 를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템 및 그 방법에 의하면, 고속철도차량에서 정확한 위치 정보를 제공하는 GPS와 GPS가 동작하지 않는 범위에서도 정확한 가속도 정보를 제공하는 IMU를 통합하여 서로의 에러를 보정함으로써, 주행 중인 열차의 정확한 위치를 측정할 수 있다. 또한, 차량에 탑재할 수 있는 소형 시스템이므로, 유지 보수 측면에서 손쉬운 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템의 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템의 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 가속도 교정부의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 GPS 위치신호를 기준으로 IMU 신호의 에러를 보정하기 위해 순방향 에러 보정 방식과 역방향 에러 보정 방식을 나타내는 예시도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
철도 차량에 탑재되는 GPS와 IMU로 구성된 위치검측시스템의 기본적인 알고리즘은 낮은 샘플링 주파수 위치 신호에 대해서 장점을 갖고 있는 GPS를 기본적인 절대 좌표로 삼고, 높은 샘플링 주파수 위치 신호에 대해서 신뢰성을 갖고 있는 IMU로 GPS의 단점을 보완하는 것이다.
주행 시, IMU는 위치 측정의 큰 장점을 가지고 있으나, 이동 시간이 길어짐에 따라 오차가 증가하는 단점을 GPS의 정확한 저주파 위치 신호로 보정하는 것이다. 반면, GPS가 수신되지 않는 부분인 터널이나 기타 산악지역에서는, IMU의 신호로 보정할 수가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템의 예시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 GPS 수신기(10), IMU(20), 가속도와 속도 및 KP(킬로 정)을 계산하는 계산부(100), 및 가속도, 속도 그리고 KP 를 저장하는 저장부(30)로 구성되어 있다.
상기 계산부(100)는 IMU(20)에서 측정된 가속도를 온도센서를 이용하여 교정하고, 교정된 가속도를 적분하여 속도를 구하며, 속도를 적분하여 KP(킬로 정)를 구한다. 또한 상기 GPS 수신기(10)에서 수신한 위치신호를 이용하여 KP를 보정하는 기능을 수행한다.
상기 저장부(30)는 계산부(100)에서 계산된 가속도, 속도, 및 KP를 저장하는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 GPS 및 IMU 를 이용한 철도차량용 위치검측시스템의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 GPS 수신기(10), IMU(20), 저장부(30) 와 계산부(100)로 구성된다.
상기 계산부(100)는 가속도 교정부(110), 속도계산부(120), KP계산부(130), 및 KP보정부(140)로 구성된다. IMU(20)에서 측정한 가속도는 온도에 따른 오차를 가지고 있기 때문에 상기 가속도 교정부(110)에는 IMU(20)에서 측정한 가속도의 오차를 교정하기 위해 온도센서를 구비하고 있다. 속도계산부(120)는 상기 가속도 교정부(110)에서 교정된 가속도를 적분하여 속도를 구하며, KP계산부(130)는 아래와 같이 속도를 적분하여 KP를 구하게 된다.
KP f = ∫v dt + KP i KP보정부(140)에서는 GPS 수신기(10)를 이용하여 수신한 위치신호로 상기의 KP를 보정한다. 보정방식은 순방향 에러보정 방식과 역방향 에러보정 방식을 혼용하여 합산한 후 평균값을 이용한다.
도 3은 본 발명에 따른 가속도 교정부의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 가속도 교정부(110)는 온도센서(113)을 구비하며, 상기의 온도센서(113)는 IMU의 온도에 따른 오차를 보정하는 기능을 수행한다.
가속도의 보정을 위해 Gain K(112)가 있으며, 온도의 변화에 따른 Gain H(115) 를 피드백을 통해 사용한다. 대부분의 IMU에 대해서 온도에 따른 바이어스(bias)가 나와있다. 가령, 0.2m/s 2 /degree 등의 바이어스가 있기 때문에 온도가 변할 때마다 변화량에 온도에 대한 바이어스를 곱하면 Gain H(115)를 구할 수 있으며, 이를 Negative Feedback을 통해 사용하게 된다.
측정된 가속도(111)는 IMU를 이용하여 측정한 가속도의 초기값이며, 이를 온도에 따라 정확한 값으로 보정을 한 것이 가속도a(114)가 된다.
도 4는 본 발명에 따른 GPS 위치신호를 기준으로 IMU 신호의 에러를 보정하기 위해 순방향 에러 보정 방식과 역방향 에러 보정 방식을 나타내는 예시도. 도 4를 참조하면, (A)와 같이 기존의 순방향 에러 보정 방식은 시간 t0+Δt에서, (C)만큼의 에러를 갖는다. 시간 t0+Δt에서 GPS 신호를 수신하면 (C)만큼의 에러를 0으로 강제적으로 세팅하여 보정하게 된다.
이러한 순방향 에러 보정 방식은 시간 t0+Δt에서는 GPS 신호에 대한 IMU 신호의 에러가 0으로 보정이 되지만, 시간 t0와 시간 t0+Δt 사이의 t1에서는 에러를 보정할 수가 없다.
가령, 시간 t0에서의 GPS 신호에 대한 IMU 신호의 에러가 (D)일 경우, 선형적으로 시간 t1일 때의 에러를 (E)로서 구할 수 있다. 그러나, 보통 GPS의 데이터 처리 속도는 수 Hz이고, IMU의 데이터 처리 속도는 수 kHz이기 때문에, GPS 신호를 받는 주기인 Δt 안에, 많은 IMU 데이터가 기록된다.
따라서, 본 발명에서는 시간 t0+Δt에서 시간 t0까지 -Δt만큼 역으로 에러 곡선을 그려서, 역방향 에러 보정 방식을 적용함으로써 두 곡선의 합산을 평균하면, 시간 t1에서 (F)만큼 에러를 줄일 수 있다. 그리고, 시간 t0와 시간 t0+Δt 사이 Δt만큼의 시간 동안, 많은 순방향 에러 보정 곡선과 역방향 에러 보정 곡선을 서로 중첩시키면 에러를 크게 줄일 수 있다.
시간 t0일 때의 에러 값과 시간 t0+Δt일 때의 에러 값이 동일하지 않으므로, 두 곡선은 대칭이 아니다. IMU는 가속도 신호를 다루는 장비이므로, 가속도를 두 번 적분하면 이동거리가 나타나며, 위치 측정을 할 경우 에러가 이차 함수의 꼴로 나타나므로, 순방향 에러 보정 방식과 역방향 에러 보정 방식을 혼용하여 합산 후 평균을 취하면 GPS 신호에 대한 IMU 신호의 에러를 크게 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고속철도차량에서 정확한 위치 정보를 제공하는 GPS와 GPS가 동작하지 않는 범위에서도 정확한 가속도 정보를 제공하는 IMU를 통합하여 서로의 에러를 보정함으로써, 주행 중인 열차의 정확한 위치를 측정할 수 있다.
본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.
10: GPS 수신기, 20: IMU
30: 저장부, 100: 계산부
110: 가속도 교정부, 111: 측정된 가속도
112: Gain K, 113: 온도센서
114: 가속도a, 115: Gain H
120: 속도계산부, 130: KP계산부
140: KP보정부 |
