GPS와 관성센서의 융합을 이용한 해양구조물 동적거동의 측정 = Measurement of the Dynamic Behaviour of Offshore Structural Using a Sensor Fusion of GPS and IMU
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 대학원 : 인프라시스템공학과 인프라시스템공학전공 2020. 8
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
89 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 전인식
UCI식별코드
I804:11004-200000318927
소장기관
This study was performed to measure the displacement of a structure by fusing a GPS sensor and an Inertial Measurement Unit (IMU). The behavior of the structure was measured using IMU and PPP (Precise Point Positioning). It is difficult for GPS to observe high-frequency vibrations. and IMU cannot derive the displacement because a drift phenomenon occurs when deriving the displacement using integration. When using the Kalman filter, PPP data suppress the drift phenomenon, and it becomes possible to observe the displacement and the respective disadvantages disappear.
The experiment was conducted three times. For performance verification, relatively accurate GPS VRS (Virtual Reference Station) data is used as comparison data, and displacement measured using a laser displacement meter is used as verification data as actual data (ground truth data). That is, the laser displacement meter data was compared with the Kalman filtered displacement. The experiments proceeded in various ways from low frequency to high frequency, and both lateral vibration and vertical vibration were observed.
As a result of the experiment, it was confirmed that vibrations similar to the displacement of the laser displacement data were performed both in the low-frequency region to the high-frequency. When compared with the laser displacement meter data energy spectrum, the exact values did not match, but it was confirmed that the region where the peak occurs and the energy spectrum captures a similar shape. It was confirmed that the cross-correlation significantly increased when the result of the experiment was compared the Kalman filter data with the original signal using the cross-correlation. Since most errors are judged to occur in time synchronization, it is considered that the accuracy will increase significantly if only the synchronization of sensors is secured.
본 연구는 GPS 센서와 IMU(Inertial Measurement Unit)를 융합하여 구조물의 변위를 측정하기 위해 수행하였다. GPS의 PPP(Precise Point Positioning) 데이터를 사용하였고 IMU를 사용하여 구조물의 거동을 측정하였다. GPS는 고주파 진동을 관측하기 어렵고 IMU는 적분을 이용하여 변위를 도출할 때 표류현상이 발생하여 변위를 도출할 수 없다. 이와 같은 PPP와 IMU의 각각의 단점을 Kalman 필터로 융합하면 가속도를 적분할 때 발생하는 표류현상을 PPP 데이터가 잡아주는 역할을 하여 고주파 진동의 변위 관측이 가능해진다.
실험을 총 3회 진행하였다. 성능 검증을 위해서 비교적 정확도가 높은 GPS의 VRS(Virtual Reference Station) 데이터를 비교 데이터로 하였으며 실제자료 (ground truth data)로서 레이져 변위계를 이용하여 측정한 변위를 검증자료로 사용하였다. 즉, 레이저 변위계의 자료를 Kalman 필터를 거친 변위와 비교하였다. 실험은 저주파에서 고주파 영역까지 다양하게 진행했으며 좌우 진동과 연직 진동을 모두 관측하였다.
실험 결과는 저주파 영역대와 10 가 넘는 고주파 영역에서 레이져 변위계의 변위와 비슷한 진동을 하는 것을 확인할 수 있었다. 에너지 스펙트럼을 비교하였을 때 정확한 첨두점을 맞추지는 못했지만 Peak가 발생하는 영역과 에너지 스펙트럼이 유사한 형태를 포착하는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과를 교차상관관계를 이용하여 원시시그널에서 Kalman 필터를 거친 결과를 비교하였을 때 교차상관관계가 대폭 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 대부분의 오차는 시간 동기화에서 발생하는 것으로 판단되어 센서들의 동시성만 확보가 된다면 정확도가 대폭 상승할 것으로 사료된다.
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