무향 칼만 필터를 이용한 무인 운송체의 자세 추정

Attitude Estimation of Unmanned Vehicles Using Unscented Kalman Filter

본 논문은 저가형 AHRS(: Attitude Heading Reference System)센서를 이용하여 무인 운송체(Unmanned vehicle)의 자세를 무향 칼만 필터 (Unscented Kalman filter)통해 추정하는 방법을 제안한다. 측정된 가속도와 지구자기장 값을 이용하여 UKF의 보정 단계에서 사용될 자세를 계산한다. 롤 (roll)과 피치 (pitch)는 가속도로부터 구해지며 요 (yaw)는 지구 자기장을 이용하여 연산한다. 이때 사용되는 지구자기장 측정값은 강철 효과(hard-iron effect)와 연철 효과(soft-iron effect)에 의해 쉽게 왜곡되기 때문에 계산된 요의 불확실성이 롤이나 피치의 불확실성에 비하여 크다. 본 논문은 이러한 불확실성을 줄이기 위하여 측정된 지구자기장에 포함된 편차성분을 추정하고 보정하여 더 정밀한 요값을 구한다. 제안된 방법을 수조에서의 무인 운송체 항법 실험을 통하여 검증하였다. 실험결과, 자세 추정 성능이 개선되고 이에 따라 위치 추정 성능도 개선됨을 확인하였다.

The paper describes an application of unscented Kalman filter(UKF) for attitude estimation of an unmanned vehicle(UV), which is equipped with a low-cost attitude heading reference system (AHRS). The roll, pitch and yaw required at the correction stage of the UKF are calculated from the measurements of acceleration and geomagnetic field. The roll and pitch are attributed to the measurement of acceleration, while yaw is calculated from the geomagnetic field measurement. Since the measurement of geomagnetic field is vulnerable to distortion by hard-iron and soft-iron effects, the calculated yaw has more uncertainty than the calculated roll and pitch. To reduce the uncertainty of geomagnetic field measurement, the proposed method estimates bias in the geomagnetic field measurement and compensates for the bias for more accurate calculation of yaw. The proposed method is verified through navigation experiments of a UV in a test pool. The results show that the proposed method yields more accurate attitude estimation; thus, it results more accurate location estimation.