센서 융합을 통한 GNSS 기능의 향상

알렉산더조미에스키 소프트웨어 개발 수석 매니저

센서융합은 내비게이션 솔루션의 도달 범위를 전세계위성항법시스템(GNSS) 신호가 도달하지 못하는 곳까지 확장한다.

여러분은 차량 GPS가 길을 잘못 안내한 경험을 한 적이 있을 것이다. 한 시간 동안 맹목적으로 안내에 따라 주행했는데 갑자기 잘못된 방향으로 주행 중이라는 안내를 받았다고 가정해보자.

아마 대다수 사람들의 즉각적인 반응은 본인이 지시를 잘못 이해하거나 목적지를 잘못 입력했을 수 있다는 가능성을 고려하는 것이 아니라, 내비게이션 장치를 비난할 것이다. 어쨌거나 당신은 가려고 하는 목적지와 다른 곳으로 간다는 사실에 화를 낼 것이다.

다시 말하자면, 당신의 GPS도 틀릴 수 있다. GPS가 이러한 원인을 제공한 상황은 거의 틀림없이 항법 위성으로부터 방출되는 약한 신호를 방해하는 무언가로 귀결된다. 도시 협곡은 신호를 빗나가게 만들고, 위치 판독에 심각한 오류를 발생시킬 수 있다. 터널은 아예 신호를 차단한다.

이러한 오류는 오늘날 아주 사소한 일이나 번거로운 일 정도로 다루어질 것이다. 그러나 차량이 더 스마트해지고, 자율 주행 기능이 더욱 발전함에 따라 이런 오류는 발생할 수 있으며 이는 심각한 결과를 초래할 수 있다. 과밀된 도시 환경에서 운영되는 실시간 지불 방식의 요금징수시스템으로 과다한 비용이 청구될 수 있으며, 더욱 심각한 것은 자율주행 차량이 자신의 위치를 잘못 해석하고, 잘못된 속도 제한을 인식해 이로 인해 운전자, 동승자와 주변 사람들을 위험에 빠트릴 수도 있다는 것이다.

■차량 추측항법 기술 통한 정확한 위치 유지

이러한 문제를 해결하기 위해, 유블럭스는 2003년 차량 추측항법 솔루션을 개발했으며, 이를 세계 최초로 GNSS 수신기 모듈에 통합했다. 차량 추측항법 기술은 깊은 터널, 다층 구조의 주차 타워와 도시 협곡 등 신호의 도달 범위가 확장돼 지원이 힘든 환경에서 GNSS의정확도를 개선하기 위해 차량 센서에서 생성된 데이터를 사용한다.

최적의 조건은 차량에 고성능 및 사용이 편리한 3D 추측 항법을 위한 모든 센서가 장착된 상태다. 이러한 구성을 위해서는, 차량의 각도 방위 변화를 감지하는 3축 자이로스코프, 속도 변화를 측정하는 3축 가속도계, 지면에서 차량이 주행한 거리를 측정하는 휠 틱(wheel tick) 센서를 필요로 한다. 그러나 차량 제조사들은 종종 간소화된 센서 세트를 사용해 비용을 절감하는 방향을 선택한다.

다행스럽게도, 이것이 추측 항법 기술을 막다른 지경에 이르게 하지는 않는다. 물론 센서가 적으면일반적으로 정확도가 떨어질 수 있다. 하지만 약간의 창의성을 적용한다면, 적은 수의 센서의 조합을 통해 누락된 정보의 일부를 보완할 수 있다.

간단한 예로 휠 틱 센서가 장착된 차량이 평평한 직선형 터널에 진입한다고 가정해보자.센서가 적절하게 보정됐다면, GNSS 수신에 간섭이 일어나는 동안에도 당신의 차량은 자신의 정확한 위치를 계속해서 제공할 것이다. 그러나, 만약 내리막으로 된 터널이라면, 지면상의 거리가 수평 투사 거리를 초과하게 되어,해당 차량의 위치가 이탈하게 된다. 일부에서는 단일 가속도계와 약간의 수학적 처리를 통해 도로의 경사를 판단하여 이 문제를 해결하기도 한다.

■정확성·신뢰성 갖춘 GNSS 위치 추적을 위해

불과 몇 년 전, 우리는 매우 어려운 상황에 직면했었다. 그리고 마침내 그 상황을 해결한 방법을 특허로 출원했다. 당시 우리가 작업하던 차량에는 속도를 위한 휠 틱 센서가 장착돼 있었고, 함께 구동하여 2D 추측 항법 기능을 제공하는 z축 및 x축 (편향과 좌·우 기울기) 자이로스코프가 장착되어 있었다. 다층으로 구성된 주차 타워의 나선형 진입로를 주행하는 동안 추측 항법에 의해 결정된 방향, 즉 자동차가 지시했던 수평 방향이 시스템적으로 작동하지 않는다는 사실을 확인했다.

연구 끝에 우리는 차량의 피치(차량이 지시하는 위 또는 아래 방향의 각도·정도)를 추정해, 차량의 방향을 개선할 수 있음을 알게 됐다. 결과적으로, 우리는 차량이 z축 및 x축 자이로스코프 판독 값 사이의 비율을 사용하여, 피치를 추정하는 방안을 도출했다.중요한 것은 이 방법이더 적은 수의 관성 센서 세트를 사용해, GNSS 수신이 없을 경우에도 차량의 고도를 정확하게 결정할 수 있다는 점이다.

앞서 설명한 상황은 다소 추상적으로 느껴질 수 있는데, 실제로도 그럴 만 하다. 그러나 이는 다양한 센서의 입력을 융합해, 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 위치,방향 및 속도로 판독하는 더 큰 퍼즐의 또 다른 조각일 뿐이다.

궁극적으로, 센서 융합 및 추측 항법 기술은 위성 기반 위치 추적 기술의 강건성을 향상시키는 데에 기여할 것이며, 고도의 완전 자율 주행 응용을 위한 엄격한 요건들을 충족시키도록 할 것이다. 또한 미래에는 나 자신이 아닌, GPS를 비난하게 될 상황은 발생하지 않을 것이다.

추측 항법 솔루션에 대한 자세한 내용은 아래 백서를 통해 확인할 수 있다.