실시간 Cycle Slip 검출과 보상을 통한 강건한 의사위성/초저가 IMU 결합 실내 항법 시스템

Abstract

GNSS를 통한 항법이 활성화 되면서 GNSS 항법이 불가능한 실내에서의 항법에 대한 필요성 역시 증가하고 있다. 하지만 실내 환경의 경우 항법을 수행함에 있어 방해가 되는 요소들이 많기 때문에 아직 확실하다고 할 수 있는 실내항법시스템은 개발되어 있지 않다. 이에 따라 원활한 실내 항법 시스템을 개발하기 위해 현재 RFID, Wi-Fi, Visual Sensor, IMU 그리고 의사위성 등 다양한 방식의 연구들이 진행되고 있다. 그 중 높은 정확도의 위치결과를 얻을 수 있는 의사위성 반송파 신호와 저가의 IMU 그리고 Magnetometer의 결합을 통해 실내 항법을 시도하였던 연구가 존재하였다. 하지만 이 경우 반송파의 사이클 슬립 발생 문제가 남아 있었기 때문에 항법에는 제한이 있었다. 또 다른 연구로는 실외에서 GPS와 IMU의 결합을 통해 사이클 슬립을 검출 및 보상한 연구가 있었다. 이는 실외환경에서 진행된 연구로써 1 사이클 단위의 슬립 만 검출 가능하였다. 그런데 실내환경에서는 사이클 슬립 발생률이 더 높아 하프 사이클 단위의 슬립까지도 자주 발생하기 때문에 실내항법에서는 이를 그대로 적용할 수 없었다. 본 연구에서는 위의 두 문제를 다음과 같은 방법으로 해결하였다. 먼저 의사위성과 초저가 IMU의 결합을 통해 사이클 슬립을 검출 및 보상해 줌으로써 의사위성 시스템에 남아있던 문제점인 사이클 슬립 발생 문제를 해결하고자 하였다. 또한 실내환경에서는 사이클 슬립의 발생률이 높기 때문에 하프 사이클 단위의 슬립 역시 자주 발생하게 되므로 사이클 슬립 검출 및 보상을 하프 사이클 단위까지 해줌으로써 이를 해결하고자 하였다. 최근 스마트 폰의 발달로 인해 스마트폰을 활용하여 수행할 수 있는 작업들의 기술적 수준과 활용범위가 모두 증가하고 있다. 이에 따라 궁극적으로는 스마트 폰 내에서 이 모든 작업이 수행되는 실내 항법을 개발하는 것이 목표이다. 그 과정의 일환으로 스마트 폰에 내장된 초저가 IMU를 의사위성/IMU 결합에 사용하였고 초저가 IMU를 사용하기 위한 센서 모델링을 수행하였으며 데이터에 존재하는 이상 문제 등을 처리하였다. 결과적으로 의사위성 단독 대비 의사위성/초저가 IMU 결합항법의 위치 정확도는 30%정도 향상되었으며 하프 사이클 슬립 검출에 있어서는 threshold를 0.5 half cycle 로 설정하였을 경우 false alarm과 miss detection의 발생 확률이 〖10〗^(-8) 수준이었다. 이 결과를 확인하기 위해 KOBUKI`로봇과 스마트 폰을 이용하여 실시간 항법을 구현하였으며 실시간으로 하프 사이클 단위의 슬립들을 임의로 발생시키더라도 검출 및 보상되어 항법과 제어가 잘 유지되는 것을 확인하였다.