표제지
목차
ABSTRACT 13
제1장 서론 15
제1절 연구 배경 및 동향 15
제2절 연구 내용 17
제2장 항법 이론 19
제1절 좌표계 정의 19
1. 지구 중심 고정 좌표계 (Earth-Centered Earth-Fixed Frame) 19
2. 항법 좌표계 (Navigation Frame) 19
3. 센서 좌표계 (Body Frame) 20
제2절 자세 표현 및 좌표 변환 21
1. 방향 코사인 행렬 (Direction Cosine Matrix, DCM) 21
2. 오일러 각 (Euler Angle) 24
3. 쿼터니언 (Quaternion) 29
제3절 최소 제곱법 (Least Square) 36
1. 선형 회귀 (Linear Regression) 36
2. 일반화된 최소 제곱 (General Least Square) 38
제4절 칼만 필터 (Kalman Filter) 41
1. 알고리즘 (Algorithm) 41
2. 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter) 44
제3장 다중 교류 자기장을 활용한 3차원 항법 46
제1절 MPS (Magnetic Positioning System) 46
1. 알고리즘 소개 46
2. 하드웨어 설계 및 검증 51
제2절 항법 실험을 통한 MPS 검증 및 성능 분석 56
1. MPS 검증 실험 구성 56
2. 1층 정사각형 궤적 (1st Floor Square Path)[이미지참조] 58
3. 1층 모래시계 궤적 (1st Floor Sandglass Path)[이미지참조] 62
4. 2층 정사각형 궤적 (2nd Floor Square Path)[이미지참조] 65
5. 2층 모래시계 궤적 (2nd Floor Sandglass Path)[이미지참조] 68
6. 자유 궤적 (Free Path) 71
제3절 GRAM EKF (GREKF 1D +MPS 2D) 75
1. GREKF (Geometry based Range integrated EKF) 75
2. 선형화 모델 (Linearization of INS Model) 77
3. Range/INS/MPS 결합 모델 82
제4장 GRAM EKF 항법 실험 및 결과 86
제1절 지상 실험 (Ground Experiments) 86
1. 지상 실험 구성 86
2. 첫 번째 지상 실험 결과 (1st Ground Experimental Results)[이미지참조] 90
3. 두 번째 지상 실험 결과 (2nd Ground Experimental Results)[이미지참조] 94
4. 세 번째 지상 실험 결과 (3rd Ground Experimental Results)[이미지참조] 98
5. 넷 번째 지상 실험 결과 (4th Ground Experimental Results)[이미지참조] 102
6. 다섯 번째 지상 실험 결과 (5th Ground Experimental Results)[이미지참조] 106
7. 여섯 번째 지상 실험 결과 (6th Ground Experimental Results)[이미지참조] 110
제2절 비행 실험 (Flight Experiments) 115
1. 비행 실험 구성 115
2. 비행 실험 시나리오 116
3. 비행 실험 결과 117
제5장 결론 및 향후 과제 120
참고문헌 121
국문 초록 125
〈표 3-1〉 전압 제어 보드 - XDL25-5TP 전압 비교 53
〈표 3-2〉 MPS 검증 실험 시나리오 57
〈표 3-3〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (RMSE) 61
〈표 3-4〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (RMSE) 64
〈표 3-5〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (RMSE) 67
〈표 3-6〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (RMSE) 70
〈표 3-7〉 실험 결과: 자유 궤적 (RMSE) 74
〈표 4-1〉 GRAM EKF 지상 실험 시나리오 89
〈표 4-2〉 1st 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 93
〈표 4-3〉 2nd 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 97
〈표 4-4〉 3rd 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 101
〈표 4-5〉 4th 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 105
〈표 4-6〉 5th 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 109
〈표 4-7〉 6th 지상 실험 결과: RMSE[이미지참조] 114
〈그림 2-1〉 좌표 변환 예시 22
〈그림 2-2〉 3-2-1 Euler Angles 24
〈그림 2-3〉 항공기의 자세 표현 (Roll, Pitch Yaw) 25
〈그림 2-4〉 Gimbal Lock 예시 29
〈그림 2-5〉 쿼터니언 좌표 변환 30
〈그림 2-6〉 쿼터니언의 대척점 모호성 34
〈그림 2-7〉 최소 제곱법 예시 36
〈그림 2-8〉 최소 제곱법을 활용한 MPS 결과 40
〈그림 2-9〉 칼만 필터 활용 예시 42
〈그림 3-1〉 MPS 항법 환경 예시 46
〈그림 3-2〉 FDMA 방식을 통한 자기장 벡터 추출 47
〈그림 3-3〉 항법 모듈 (MPS 수신기) 구성 51
〈그림 3-4〉 MPS 송신기 구성 및 흐름도 52
〈그림 3-5〉 전압 제어 보드 외부(좌) & 내부(우) 53
〈그림 3-6〉 전압 제어 보드 - XDL25-5TP 전압 비교 54
〈그림 3-7〉 주파수별 전압 제어 보드의 작동 시간에 따른 전압 변화 54
〈그림 3-8〉 전압 제어 보드 크기 비교(좌) & MPS 송신기 (우) 55
〈그림 3-9〉 MPS 검증 실험 환경 56
〈그림 3-10〉 Optitrack Data의 2nd Polynomial Interpolation 과정 57
〈그림 3-11〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (수평 위치: 좌 / 오차: 우) 59
〈그림 3-12〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (수직 위치: 좌 / 오차: 우) 59
〈그림 3-13〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (Roll & Pitch: 좌 / 오차: 우) 60
〈그림 3-14〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (Yaw: 좌 / 오차: 우) 60
〈그림 3-15〉 실험 결과: 1층 정사각형 궤적 (3차원 위치) 61
〈그림 3-16〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (수평 위치: 좌 / 오차: 우) 62
〈그림 3-17〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (수직 위치: 좌 / 오차: 우) 63
〈그림 3-18〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (Roll & Pitch: 좌 / 오차: 우) 63
〈그림 3-19〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (Yaw: 좌 / 오차: 우) 64
〈그림 3-20〉 실험 결과: 1층 모래시계 궤적 (3차원 위치) 64
〈그림 3-21〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (수평 위치: 좌 / 오차: 우) 65
〈그림 3-22〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (수직 위치: 좌 / 오차: 우) 66
〈그림 3-23〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (Roll & Pitch: 좌 / 오차: 우) 66
〈그림 3-24〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (Yaw: 좌 / 오차: 우) 67
〈그림 3-25〉 실험 결과: 2층 정사각형 궤적 (3차원 위치) 67
〈그림 3-26〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (수평 위치: 좌 / 오차: 우) 68
〈그림 3-27〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (수직 위치: 좌 / 오차: 우) 69
〈그림 3-28〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (Roll & Pitch: 좌 / 오차: 우) 69
〈그림 3-29〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (Yaw: 좌 / 오차: 우) 70
〈그림 3-30〉 실험 결과: 2층 모래시계 궤적 (3차원 위치) 70
〈그림 3-31〉 자유 궤적 실험 환경 71
〈그림 3-32〉 실험 결과: 자유 궤적 (수평 위치: 좌 / 오차: 우) 72
〈그림 3-33〉 실험 결과: 자유 궤적 (수직 위치: 좌 / 오차: 우) 72
〈그림 3-34〉 실험 결과: 자유 궤적 (Roll & Pitch: 좌 / 오차: 우) 73
〈그림 3-35〉 실험 결과: 자유 궤적 (Yaw: 좌 / 오차: 우) 73
〈그림 3-36〉 실험 결과: 자유 궤적 (3차원 위치) 74
〈그림 3-37〉 지면과 거리 센서 사이의 기하학적 관계 75
〈그림 3-38〉 GRAM EKF 알고리즘 구성 77
〈그림 3-39〉 GRAM EKF 흐름도 85
〈그림 4-1〉 GRAM EKF 지상 실험 환경 86
〈그림 4-2〉 항법 모듈 틸트 (tilt) 구조물 87
〈그림 4-3〉 실험 조건에 따른 UGV 구성 87
〈그림 4-4〉 실험 조건에 따른 항법 범위 88
〈그림 4-5〉 1st 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 90
〈그림 4-6〉 1st 지상 실험 결과: 수평 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 91
〈그림 4-7〉 1st 지상 실험 결과: 수직 위치 (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 91
〈그림 4-8〉 1st 지상 실험 결과: Roll(좌) / 오차(우)[이미지참조] 92
〈그림 4-9〉 1st 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 92
〈그림 4-10〉 1st 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 93
〈그림 4-11〉 2nd 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 94
〈그림 4-12〉 2nd 지상 실험 결과 : 수평 위치 (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 95
〈그림 4-13〉 2nd 지상 실험 결과: 수직 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 95
〈그림 4-14〉 2nd 지상 실험 결과: Roll(좌) / 오차(우)[이미지참조] 96
〈그림 4-15〉 2nd 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 96
〈그림 4-16〉 2nd 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 97
〈그림 4-17〉 3rd 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 98
〈그림 4-18〉 3rd 지상 실험 결과: 수평 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 99
〈그림 4-19〉 3rd 지상 실험 결과 : 수직 위치 (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 99
〈그림 4-20〉 3rd 지상 실험 결과: Roll(좌) / 오차(우)[이미지참조] 100
〈그림 4-21〉 3rd 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 100
〈그림 4-22〉 3rd 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 101
〈그림 4-23〉 4th 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 102
〈그림 4-24〉 4th 지상 실험 결과: 수평 위치 (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 103
〈그림 4-25〉 4th 지상 실험 결과: 수직 위치(좌) / 오차 (우)[이미지참조] 103
〈그림 4-26〉 4th 지상 실험 결과: Roll(좌) / 오차(우)[이미지참조] 104
〈그림 4-27〉 4th 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 104
〈그림 4-28〉 4th 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 105
〈그림 4-29〉 5th 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 106
〈그림 4-30〉 5th 지상 실험 결과: 수평 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 107
〈그림 4-31〉 5th 지상 실험 결과: 수직 위치(좌)/ 오차(우)[이미지참조] 107
〈그림 4-32〉 5th 지상 실험 결과: Roll (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 108
〈그림 4-33〉 5th 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 108
〈그림 4-34〉 5th 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 109
〈그림 4-35〉 6th 지상 실험 환경: Motor 잡음[이미지참조] 110
〈그림 4-36〉 6th 지상 실험 결과: 3차원 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 111
〈그림 4-37〉 6th 지상 실험 결과 : 수평 위치 (좌) / 오차 (우)[이미지참조] 112
〈그림 4-38〉 6th 지상 실험 결과: 수직 위치(좌) / 오차(우)[이미지참조] 112
〈그림 4-39〉 6th 지상 실험 결과: Roll(좌) / 오차(우)[이미지참조] 113
〈그림 4-40〉 6th 지상 실험 결과: Pitch(좌) / 오차(우)[이미지참조] 113
〈그림 4-41〉 6th 지상 실험 결과: Yaw(좌) / 오차(우)[이미지참조] 114
〈그림 4-42〉 GRAM EKF 비행 실험 환경 115
〈그림 4-43〉 Hexacopter 구성 116
〈그림 4-44〉 비행 실험 지상점 (Waypoint) 117
〈그림 4-45〉 비행 실험 결과: 수평 위치 118
〈그림 4-46〉 비행 실험 결과: 수직 위치 118
〈그림 4-47〉 비행 실험 결과: 자세 119