무인 비행체는 대부분 Inertial Measurement Unit (IMU)와 Global Navigation Satellite System (GNSS)의 약결합 알고리즘을 항법 시스템으로 사용한다. 이러한 시스템은 미터 수준의 정확도를 가지며 도심지역과 같은 위성 신호 난 청지역에서 항법해의 오차가 커 소형 Unmanned Aerial Vehicle (UAV)의 전고를 초과하기에 착륙 접근 단계에서 측위 성능이 부족할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 칼만필터를 사용하여 10 cm 수준의 거리 측정 정확도를 가지는 Ultra-Wide Band (UWB)와 IMU, GNSS를 강결합 방식으로 융합하였다. 제안된 항법시스템은 저위성 환경에 강건하며, 상호간 시각 동기화가 이뤄지지 않은 측정값을 순차적으로 융합할 수 있다. 또한, 칼만필터의 혁신에 기반하 여 빈번하게 존재하는 UWB의 비정상 측정값을 감지하고 배제한다. 제안된 시스템의 비정상 UWB 측정값에 대한 강건성과 산출된 위치의 정확성을 검증하기 위하여 UAV의 비행 데이터에 적용하여 결과를 분석하였다.

Tightly Coupled IMU/GNSS/UWB Integration for UAV Autoland in GNSS Harsh Environments

Cheolmin Lee, Euiho Kim*

Most Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are equipped with a loosely coupled Inertial Measurement Unit (IMU) and the Global Navigation Satellite System (GNSS) integration for navigation. However, the positioning accuracy of the loosely coupled integration is at a meter level, which exceeds the height of most small UAVs. Such accuracy is insufficient for the landing guidance and may be furtherly degraded in the GNSS harsh environment. In this paper, tightly coupled IMU, GNSS, and relatively accurate Ultra-Wide Band (UWB) are integrated with a Kalman filter. The suggested navigation system can acquire a robust navigation solution under the low satellite visible condition and is capable of fusing multiple unsynchronized sensors with time delay. Also, abnormal UWB measurement is detected with the innovation of the Kalman filter, then measurement covariance is inflated before the measurement update sequence. To evaluate the performance and robustness of the abnormal measurement of the UWB, several experiments were conducted with a UAV.

Keywords: UWB/GNSS/IMU, tightly coupled, multi-sensor fusion, Kalman filter

Speaker 이철민 홍익대학교