GPS

• GPS(Global Positioning System)는 GNSS(Global Navigation Satellite Sysem) 중 하나로 물체의 위치, 고도 및 속도 등을 측정하는 위성항법시스템이다.
• 자율주행에 있어서 Localizatoin(내 위치 정보 찾기)이 중요하다.
  • Ground Vehicle은 Localization이 수월하다.
  • 그런데 비행기, 드론 등은 지상에 떠있기 때문에 까다롭다.
• GPS 위성의 궤도 배치
  • 모든 위성의 고도는 20,200km, 12시간을 주기로 지구를 회전
  • 총 궤도는 6개, 각도는 60도씩, 1개의 궤도면 당

GPS의 기본 원리

• GPS의 기본 원리 : 위성기반 측위 시스템
  ➡️ 위도(Latitude), 경도(Longtitude), 고도(Altitude)를 이용하여 위치 정보를 얻는다.
  

• GMT(Greenwhic Mean Time) : 세계 표준시
  ➡️ UTC(Coordinated Universal Time)

• 삼각측량법 :
  GPS를 통해 물체의 위치를 측정하기 위해 최소 3개의 위성으로부터 신호 수신 필요. (미국은 더 정확한 위치를 측정하기 위해 최소 4개의 위성 사용)
  이 신호를 이용하여 삼각측량법을 통해 물체의 위치를 측정.
  

GPS 신호

• 위성에서 실제로 사용하고 있는 신호들은 여러 개가 있다.
  그냥 단순 신호가 아니라 Encode가 되어 있다.
  특정한 암호를 Encode하여 보낸다.
  

GPS 측량

• SPS (Standard Positioning System, 단독 측위) : 수신기 1대를 사용해서 위치를 측정
• DGPS (Differential GPS) :
  DGPS는 서로 가까운 거리에 위치한 두 수신기가 가지는 공통 오차를 상쇄하여
  정밀한 데이터를 얻는 기술.
  일반적으로 기준국(Base Station)에서 오차의 범위 등을 포함한 보정신호를
  이동국(Rover)에 전송.
  • Base Station : 초정밀 시계와 고가의 수신기를 갖고 계산하여 전파를 전송
• RTK (Real-Time Kinematic, 실시간 이동 측위) :
  RTK의 기본개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가
  반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 동일
  

DGPS & RTK

GPS 오차와 해결 방안

1. 상용으로 사용하는 GPS의 경우 약 5~10m의 오차가 지속적으로 발생한다.
2. multiple paths 문제 : 특히 도심과 같이 높은 건물이 많고,
   차량 위로 다양한 구조물이 있는 지역에서는
   오차가 더욱 크게 발생하고, 위성에서 전파한 전파의 세기가 약해진다.
   
   • 자율주행에서 Kalman Filter는 필수적이다..

GPS 실습

• 인천대학교 외곽을 돌아다니면서 받은 GPS data 그려보기 (Matlab)
  

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Lidar

Lidar 동작 원리

• Lidar(Light Detection and Ranging) :
  Lidar는 light(=laser)를 이용하여 주변 환경 및 물체를 탐지하여 거리를 측정하는 Sensor.
  (Ladar(Laser etection and Ranging)라고 불리기도 하지만 Lidar가 일반적 용어)

• Emitter에서 나간 pulse laser는 물체에 반사되어 receiver로 돌아 온다.
  이때 pulse laser의 TOF(Time Of Flight)를 이용하여 물체의 거리를 측정.

1 channel Lidar 예시

• 1 channel Lidar : Light 1개만 쏘는 lidar
  

Lidar 구조

• SICK nav 350 Lidar
  

  • 송신부 :
    encode된 Pusle를 쏜다.
    지금 들어온 빛이 내가 쏜 빛인가? 다른 차들의 Lidar에서 쏜 빛인가? 를 알아야 한다.
    도로에 Lidar기반 자율주행차들이 많아지면 빛들이 많아져서
    noise를 많이 타게 되어 자율주행이 힘들어질 수도 있다.

  • 모터부 :
    모터부는 모터와 반사판으로 구성되어 있다.
    모터는 반사판을 회전시키며, 송신부에서 송신된 pulse laser는 반사판에 반사되어 나간다.
    이때 모터의 속도에 따라 Resolution이 달라진다.

  • 수신부 :
    photo diode를
    말하며 물체에 반사되어 돌아온 pulse laser의 TOF를 이용하여 물체의 거리를 측정한다.

Lidar 주요 제품 및 Specifcations

• Lidar의 주요 제품 및 스펙을 살펴본다.
  

Lidar 거리 측정 기법

• Pulsed TOF(Time Of Flight)
• Phase shift(위상변이) : TOF보다 정확하게 거리를 측정할 수 있는 방법.
  표적에서 반사되어 온 파형의 위상 변화량으로부터 거리를 환산.
  

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Sonar

• Sonar : Sound Navigation and Ranging
  ➡️ 음파를 쏴서 거리, 속도, 시간 계산

TOF for SONAR

• Pulsed TOF(Time Of Flight)

Time To Collide :

Time To Collide : 물체 A, B가 서로 마주 보고 다른 속도로 달릴 때 충돌할 때까지 걸리는 시간

Transmitted time & Returned time

$t_t$ : 차에서 쏜 초음파가 벽에 닿을 때까지 걸리는 시간
$t_r$ : 벽에서 반사된 초음파가 차로 되돌아가는 시간
$t = t_t + t_r$

• example 1 :
  

• example 2 :
  

• example 3 :
  

• example 4 :