KR20160120467A - 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 레이더 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 2차원레이더에서 측정된 방위각을 차량내부의 차량 자세를 측정하는 항법장치(위성항법장치 및/또는 관성항법장치)를 이용하여 지면위에 있는 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정하는 방위각 보정 장치 및 방법에 대한 것이다.

Description

차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치 및 방법{Azimuth correction apparatus and method of 2-dimensional radar for vehicle}

본 발명은 차량용 레이더 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 2차원레이더에서 측정된 방위각을 차량내부의 차량 자세를 측정하는 항법장치(위성항법장치 및/또는 관성항법장치)를 이용하여 지면위에 있는 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정하는 방위각 보정 장치 및 방법에 대한 것이다.

차량용 레이더는 지능형 자동차 및/또는 국방 목적의 무인차량에 있어서 전천후(먼지, 안개, 연막 등) 환경에서 장애물 탐지 및 추적을 위해 필수적으로 소요되는 센서이다.

일반적으로 차량용 레이더는 차량 주행간에 노면위의 장애물을 탐지하여 충돌방지하기 위한 기능을 수행하기 목적을 가지고 있으며, 소형/경량화 되어야 하기 때문에, 고각방향의 정보는 획득하지 않고, 2차원 정보(거리와 방위각)만을 획득하는 레이더이다.

이와 같이 차량용 2차원 레이더를 장착한 차량이 평탄하지 않은 자갈길이나 야지를 주행하는 경우, 차량전방의 장애물은 고정되어 있더라도 차량의 자세변화에 따라 레이더에서 획득되는 2차원 정보(거리, 방위각)중 방위각은 차량의 요동에 따라 변화하게 된다.

즉, 장애물의 실제 방위각은 변화하지 않지만, 차량의 자세에 따라 방위각의 측정은 달라지는 문제점이 있다. 따라서, 차량의 자세변화에 따른 방위각 보정이 반드시 수행되어야 한다.

항공기나 선박 등에 탑재된 3차원 레이더의 경우, 안테나의 롤(roll), 요(yaw), 피치(pitch) 각도변화에 따른 방위각 및/또는 고각 보상을 위해 3차원 회전행렬을 이용한다.

하지만, 2차원 레이더의 경우, 고각방향의 정보가 획득되지 않으므로, 3차원 회전행렬을 이용한 보상을 사용하게 되면, 측정된 방위각보다 더 큰 오차를 발생하게 되는 단점이 있다.

1. 한국공개특허번호 제10-2013-0068399호 2. 한국등록특허번호 제101468963호

1. 윤주홍외, "저해상도 차량용 레이더를 이용한 장애물 너비 추정 기법" 대한전기학회, 2013년

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 2차원 레이더에서 측정된 방위각을 차량내부의 차량 자세를 측정하는 항법장치(위성항법장치 또는 관성항법장치)를 이용하여 지면위에 있는 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정할 수 있는 방위각 보정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 2차원 레이더에서 측정된 방위각을 차량내부의 차량 자세를 측정하는 항법장치를 이용하여 지면위에 있는 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정할 수 있는 방위각 보정 장치를 제공한다.

상기 방위각 보정 장치는,

장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리를 갖는 2차원 정보를 생성하는 차량용 레이더;

수신된 항법 정보를 토대로 차량의 좌우 경사각을 생성하는 항법부; 및

상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성하는 레이더 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 항법부는 상기 항법 정보를 GPS(Global Positioning System) 수신기 또는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로부터 수신하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 차량용 레이더는 차량용 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 측정 방위각은 수학식

(여기서,

이고, b=b'이며,

는 상기 항법부로부터 획득되는 좌우경사각이고,

는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 x축 방향 거리이고, b는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 y축 방향 거리이다)의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기

는 수학식

(여기서, r은 상기 차량용 레이더에 의해 상기 장애물과 차량까지의 거리이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.]

또한, 상기 b는 수학식

에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보상 방위각은 수학식

에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일시예는, 차량용 레이더를 통해 장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리를 갖는 2차원 정보를 생성하는 단계; 항법부가 수신된 항법 정보를 토대로 차량의 좌우 경사각을 생성하는 단계; 및 레이더 처리부가 상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 항법 컴퓨터로부터 획득된 차량 자세 정보를 활용하여 방위각을 보다 정확하게 보정함으로써, 차량 전방의 장애물 위치를 정확하게 파악하여 충돌회피기능을 수행할 수 있도록 하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 2차원 레이더 방위각 보정 장치(100)의 구성 블록도이다.
도 2는 일반적으로 자갈, 노면의 굴곡 또는 과속 방지턱 등에 의해 차량의 좌우경사가

만큼 기울어진 형태를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 방위각 보정 장치(100)에 의해 획득되는 지면 x-y-z 좌표계와 좌우경사각

만큼 기울어져 발생한 x'-y'-z' 레이더 좌표계의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 측정 거리와 방위각의 기하학적 도해를 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정하는 과정을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시예는 항법 컴퓨터로부터 수신된 차량의 좌우 경사각을 활용하여 장애물의 실제 위치와 측정된 거리, 방위각을 기하학적 모델을 이용하여, 장애물의 방위각을 보정하는 방위각 보정 장치(도 1의 100)를 구현한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 2차원 레이더 방위각 보정 장치(100)의 구성 블록도이다. 도 1을 참조하면, 방위각 보정 장치(100)는, 장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리를 갖는 2차원 정보를 생성하는 차량용 레이더(110), 수신된 항법 정보를 토대로 차량의 좌우 경사각을 생성하는 항법부(130), 및 상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성하는 레이더 처리부(140), 및 이러한 위치 정보를 이용하여 차량의 경로를 제어하는 경로 제어부(150) 등을 포함하여 구성된다.

차량용 레이더(110)는 장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리 등을 갖는 2차원 정보를 생성한다. 이를 위해 차량용 레이더(110)는 차량의 충돌방지 및/또는 향상된 크루즈 기능 구현을 위해 차량 전방에 설치된다. 차량용 레이더(110)의 방위각 탐지범위는 일반적으로 약 20~30도 정도로써, 하나의 레이더만으로는 사각지대가 발생할 수 있으므로, 일반적으로 두 개 이상의 다중 레이더로 구성되나 하나의 레이더로도 가능하다.

이러한 차량용 레이더(110)는 차량용 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다.

항법부(130)는 GPS(Global Positioning System) 수신기(121) 및/또는 관성측정센서(IMU: Inertial Measurement Unit)(122)로부터 위치 정보, 속도 정보 등의 항법 정보를 이용하여 좌우 경사각 등의 정보를 생성한다.

GPS 수신기(121)는 GPS 위성(미도시)으로부터 GPS 신호를 수신하여 차량의 위치 정보를 생성한다.

관성측정센서(122)는 차량의 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)의 3개 축이 어떻게 움직이는지를 체크하여 차량의 속도 변화를 지속적으로 측정한다. 또한, 관성측정센서(122)는 GPS 신호가 감지되지 않는 터널이나 지하에서도 일정시간 동안 차량의 위치를 계산하여 위치 정보를 생성한다. 차량 정보를 입체적으로 수집하기 위해 이러한 관성측정센서(122)에 3축 가속도 센서, 자이로 센서 등이 구비될 수 있다.

레이더 처리부(140)는 차량용 레이더(110)로부터 2차원 정보(측정 방위각 및 거리의 정보를 포함함)를 수신하고, 항법부(130)로부터 상기 좌우 경사각을 획득한다. 이후, 이들을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 차량용 레이더(110)에 의해 생성된 측정 방위각을 보상한다. 또한, 레이더 처리부(140)는 이러한 보상에 따라 장애물의 실제 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성한다.

경로 제어부(150)는 이러한 장애물의 위치정보를 이용하여 차량의 주행 경로를 설정하는 기능을 수행한다.

도 2는 일반적으로 자갈, 노면의 굴곡 또는 과속 방지턱 등에 의해 차량의 좌우경사가

만큼 기울어진 형태를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 차량(200)이 도로 지면(210)을 주행중 차량(200)의 바퀴(220)가 장애물(201)을 접촉하게 되면 좌우 경사가

(230)만큼 기울어진 형태를 띠게 된다. 장애물로는 자갈, 노면의 굴곡 또는 과속 방지턱 등이 될 수 있다.

이 경우, 거리정보는 차량의 요동에 의해서 변화하지 않지만, 방위각은 실제 장애물의 방위각이 아닌 차량의 기울어짐으로 인해 틀어진 방위각이 측정된다.

도 3은 도 1에 도시된 방위각 보정 장치(100)에 의해 획득되는 x-y-z 지면 좌표계와 좌우경사각

(230)만큼 기울어져 발생한 x'-y'-z' 레이더 좌표계의 개념도이다. 도 3을 참조하면, y축과 y'축은 동일하나, x' 및 z'축은 좌우경사각

에 의해 이동된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 측정 거리와 방위각의 기하학적 도해를 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 실제 장애물 위치(410)는 거리 r과 방위각

위치에 있다. 그런데, 차량이 좌측 방향 또는 우측 방향으로

각도(230)만큼 기울어진 경우, 차량용 레이더(도 1의 110)로부터 측정되는 거리정보는 동일하나, 방위각은

(440)로 측정된다.

따라서, 측정되는 거리(r)와 측정 방위각(

), 그리고 항법부(도 1의 130)로부터 획득되는 좌우경사각

(230)을 활용하여, 장애물(201)의 실제 방위각

을 구한다.

먼저, x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물 좌표값 (a,b,0)와 x'-y'-z' 레이더 좌표계에서의 레이더상 장애물 좌표값 (a',b',c')의 관계는 다음 수학식과 같이 회전행렬을 통해 구해진다.

여기서,

는 항법부(도 1의 130)로부터 획득되는 좌우경사각이고,

는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 x축 방향 거리이고, b는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 y축 방향 거리이고, c는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 z축 방향 거리로서, 장애물은 지면위에 있기 때문에 c = 0 이다.

따라서, 위 수학식을 풀면 다음과 같다.

또한, 측정된 측정 방위각

은 x'-y'-z' 레이더 좌표계에서의 x'-y' 평면에서 표적(즉 장애물)의 방위각으로 아래 식과 같이 표현된다.

그리고 측정되는 거리

은 아래 식과 같다.

위 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 a, b값을 구하면 아래와 같다.

최종적으로, 좌우경사각

을 고려한 보상된 보상 방위각

은 다음식과 같다.

본 발명은 거리 r, 방위각

, 그리고 좌우경사각

를 측정하여 실제 방위각(위에서는 보상 방위각으로 표현)

를 알아내는 방법을 제시한다. 따라서, 거리 r, 실제 방위각

을 알면 표적의 위치를 정확히 알 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 장애물의 방위각을 차량의 자세에 따라 정확하게 보정하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 차량이 주행하는 중 차량용 레이더(도 1의 110)를 통해 장애물(도 2의 201)을 측정하여 측정 방위각 및/또는 거리를 갖는 2차원 정보를 생성 획득한다(단계 S510,S520).

이후, 항법부(도 1의 130)가 수신된 항법 정보를 토대로 차량의 자세 정보에 따라 좌우 경사각을 생성한다(단계 S530).

좌우 경사각이 생성되면, 레이더 처리부(도 1의 140)가 상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성한다(단계 S540,S550).

이후, 이러한 위치 정보를 이용하여 차량의 제어를 수행한다.

100: 방위각 보정 장치
110: 차량용 레이더
121: GPS(Global Positioning System)
122: IMU(Inertial Measurement Unit)
130: 항법부
140: 레이더 처리부
150: 경로 제어부

Claims (6)

1. 장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리를 갖는 2차원 정보를 생성하는 차량용 레이더;
   수신된 항법 정보를 토대로 차량의 좌우 경사각을 생성하는 항법부; 및
   상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성하는 레이더 처리부;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 항법부는 상기 항법 정보를 GPS(Global Positioning System) 수신기 또는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 측정 방위각은 수학식

   

   (여기서,

   

   이고, b=b'이며,

   

   는 상기 항법부로부터 획득되는 좌우경사각이고,

   

   는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 x축 방향 거리이고, b는 x-y-z 지면 좌표계에서의 지면위에 있는 장애물의 y축 방향 거리이다)의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기

   

   는 수학식

   

   (여기서, r은 상기 차량용 레이더에 의해 상기 장애물과 차량까지의 거리이다)에 의해 산출되고,
   상기 b는 수학식

   

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 보상 방위각은 수학식

   

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 장치.
   
6. 차량용 레이더를 통해 장애물을 측정하여 측정 방위각 및 거리를 갖는 2차원 정보를 생성하는 단계;
   항법부가 수신된 항법 정보를 토대로 차량의 좌우 경사각을 생성하는 단계; 및
   레이더 처리부가 상기 좌우 경사각을 이용하여 차량의 자세정보에 따른 상기 측정 방위각을 보상하여 상기 장애물의 보상 방위각을 산출하여 상기 장애물의 위치정보를 생성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 2차원 레이더의 방위각 보정 방법.

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