KR100515470B1 - Calibration Equipment For Inertia Measurement Units Using Pendulum Dynamics - Google Patents
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Abstract
본 발명은; 자이로(gyro), 가속도계(accelerometer) 등과 같은 관성센서 및 그 관성센서를 조합하여 이루어진 관성측정장치(Inertial Measurement Unit ;IMU)의 오차보정장치에 관한 것으로 간단한 진자의 원리를 이용하여 진자의 운동시 발생하는 상기의 관성센서의 출력값을 분석하여 관성센서의 오차 특성을 찾아내는 장치에 관한 것이다.The present invention; An error correction device of inertial measurement unit (IMU) made by combining inertial sensors such as gyro and accelerometer and its inertial sensor. The present invention relates to an apparatus for finding an error characteristic of an inertial sensor by analyzing an output value of the inertial sensor.
이와 같은 본 발명은; 관성측정장치가 고정되는 회전봉이 진자운동하도록 회전축에 결합한 구조의 진자운동장치부와, 상기 회전축의 회전으로 인한 기준 각도값을 검출하는 회전각도정밀검출부와, 상기 관성측정장치로부터 획득한 측정값과 상기 회전각도정밀검출부로부터의 오차 보정을 위한 기준 각도값을 입력받고 이를 동기화시키는 신호처리부와, 상기 신호처리부로부터의 기준 각도값 및 측정값을 수집하고 이를 후처리하여 오차를 보정하는 데이터수집처리부로 구성되는 것을 특징으로 한다. The present invention as such; A pendulum movement unit having a structure coupled to the rotating shaft so that the rotating rod to which the inertial measurement device is fixed is pendulum-driven, a rotation angle precision detection unit for detecting a reference angle value due to the rotation of the rotating shaft, a measured value obtained from the inertial measurement unit The signal processing unit receives the reference angle value for error correction from the rotation angle precision detection unit and synchronizes it, and the data collection processing unit collects the reference angle value and the measured value from the signal processing unit and post-processes and corrects the error. It is characterized by.
이와 같은 본 발명에 따른 장치를 사용하면; 관성항법장치의 오차보정시 사용되던 종래의 정밀제어 모터 구동방식의 복잡하고 값비싼 장비인 1축, 2축 또는 3축 운동시험대를 대체할 수 있게 된다. With such a device according to the invention; It is possible to replace the 1-axis, 2-axis, or 3-axis motion test benches, which are complex and expensive equipment of the conventional precision control motor driving method used for the error correction of the inertial navigation system.
Description
본 발명은 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 자이로(gyro), 가속도계(accelerometer) 등과 같은 관성센서 및 그 관성센서를 조합하여 이루어진 관성측정장치(Inertial Measurement Unit ;IMU)의 오차보정장치에 관한 것으로 간단한 진자의 원리를 이용하여 진자의 운동시 상기의 관성센서로부터 측정되는 데이터의 오차를 보정하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an error compensator for an inertial measurement device using pendulum motion, and more specifically, to an inertial measurement device made by combining an inertial sensor such as a gyro, an accelerometer, and an inertial sensor thereof. The present invention relates to an error compensating device of a measurement unit (IMU) and to a device for correcting an error of data measured by the inertial sensor during the movement of a pendulum using a simple pendulum principle.
통상적으로, 관성항법시스템(Inertial Navigation System ;INS)은 관성유도라고도 하는 것으로서 제2차 세계대전의 촉발로 군사적 요구에 의해 1940년대부터 개발에 착수되었으며 독일의 V-2 로켓에 처음으로 적용되기 시작하여 오늘날 각종 선박, 잠수함, 항공기, 무인항공기, 우주 발사체, 유도무기, 지상차량 및 무인로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 응용되고 있을 정도로 급속한 발전이 이루어졌다.Typically, the Inertial Navigation System (INS), also known as inertial induction, was developed in the 1940s by military demand in response to World War II and began to be applied to German V-2 rockets for the first time. Today, rapid progress has been made in a variety of applications, including ships, submarines, aircraft, unmanned aerial vehicles, space launch vehicles, guided weapons, ground vehicles and unmanned robots.
상기 관성항법시스템(INS ; Inertial Navigation System)은 자이로와 가속도계의 두가지 기본 센서를 통해 측정된 관성 물리량을 이용해 외부의 도움없이 기준 항법 좌표계에 대한 비행체나 이동체의 위치, 속도 및 자세를 결정할 수 있는 시스템으로 시스템의 정확도 및 오차는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받게 된다.The Inertial Navigation System (INS) is a system that can determine the position, velocity, and attitude of a vehicle or moving object with respect to a reference navigation coordinate system without external assistance by using the inertial physical quantity measured through two basic sensors, a gyro and an accelerometer. As a result, the accuracy and error of the system will be affected by many factors.
이때, 상기한 오차의 발생요인은 크게 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 크게 나눌수 있다.At this time, the causes of the error can be largely divided into a hardware aspect and a software aspect.
먼저, 하드웨어적인 측면으로는 관성측정장치의 바이어스(bias)나 비정렬 (misalignment) 오차 등 자체적인 센서오차가 주된 요인으로 작용하며, 이외에도 센서 신호의 측정시에 포함되는 잡음이나 A/D컨버터의 양자화(quantization) 오차 및 이동체에 관성측정장치를 장착할 때의 비정렬 장착 등이 있다.First, in terms of hardware, its own sensor error such as bias or misalignment error of the inertial measurement device acts as a major factor.In addition, noise or A / D converter included in the measurement of the sensor signal Quantization error, and misalignment when mounting an inertial measurement unit on a moving object.
다음으로, 소프트웨어적인 측면으로는 주로 수치적인 계산 오차로서 초기정렬오차, 자체계산오차 및 적분오차로 크게 구분되며, 이 오차 요인들은 하드웨어적인 오차 요인들이 적절히 제거되지 않을 경우에 시간에 따라 누적되어 시스템의 성능에 막대한 오차를 증가시키게 된다. 따라서 소프트웨어 상에서 수치적으로 오차를 줄이는 노력도 중요하지만, 1차적으로는 하드웨어적인 오차를 최대한 감소시키고 제거하는 것이 필수적인 과정으로 중요하며, 특히 관성측정장치에서 자체적으로 발생되는 센서오차를 제거하여야 한다.Next, in terms of software, numerical calculation errors are largely divided into initial alignment error, self-calculation error, and integration error. These error factors are accumulated over time when hardware error factors are not properly removed. This greatly increases the error of the performance. Therefore, it is important to try to reduce the error numerically in software, but it is important to reduce and eliminate the hardware error as much as possible first. In particular, it is necessary to eliminate the sensor error generated by the inertial measurement device.
특히, 안정화된 플랫폼에 자이로와 가속도계와 같은 관성센서를 장착하고 그 관성센서에서 나오는 각속도 및 가속도 등의 관성 측정량을 활용하여 현재의 위치 및 자세, 속도등을 알아내는 짐벌형 관성항법시스템(Gimballed INS)과는 달리 비행체의 몸체에 직접 장착하고 동체 좌표계로부터 관성 좌표계로의 좌표변환을 통하여 기계적인 장치를 대신하는 스트랩다운형 관성항법시스템(Strapdown INS)은 항공기의 운동에 종속되게 되므로, 관성측정장치는 관성항법시스템에 응용되기 전에 자이로 효과에 대한 관성측정장치 오차를 필수적으로 고려하여야만 한다.In particular, a gimbal type inertial navigation system (Gimballed) is equipped with an inertial sensor such as a gyro and an accelerometer on a stabilized platform and uses the inertial measurements such as angular velocity and acceleration from the inertial sensor to find the current position, attitude, and speed. Unlike the INS), the strapdown INS, which is mounted directly on the body of the aircraft and replaces the mechanical device through the coordinate transformation from the fuselage coordinate system to the inertial coordinate system, is subject to the movement of the aircraft. The device must take into account the inertial measurement error for the gyro effect before it is applied to the inertial navigation system.
이러한 관성측정장치 자체의 오차를 제거하기 위하여 오차 모델링(Error Modeling)과정을 통하여 자이로 및 가속도계에 대한 적절한 오차 모델을 정립하고 오차모델을 구성하는 각각의 오차계수들을 추정하기 위하여 오차보정시험을 수행한다.In order to eliminate the errors of the inertial measurement device itself, error correction test is performed to establish an appropriate error model for the gyro and accelerometer through the error modeling process, and to estimate the error coefficients constituting the error model. .
이때, 상기 오차보정시험을 수행하기 위해서는 3축의 회전운동과 3축의 직선운동을 발생할 수 있는 장치가 필요하다. 물론, 이를 위해 3 자유도를 가지며 각 축에 대하여 일정한 각속도와 정밀한 자세를 제공할 수 있는 3축 운동시험대(3-axis Motion Table)가 관성측정장치의 오차보정시험에 사용되고 있다.In this case, in order to perform the error correction test, a device capable of generating three axes of rotational motion and three axes of linear motion is required. Of course, a 3-axis motion table that has 3 degrees of freedom and can provide a constant angular velocity and precise posture for each axis is used for the error correction test of the inertial measurement device.
그런데, 상기 3축 운동시험대는 각 축(axis)에 대하여 매우 정확한 각속도와 임의의 자세를 제공할 수 있으나 이는 정밀 모터제어을 이용한 것으로 그 구성의 복잡함으로 인해 수억원에서 수십억에 이르는 매우 고가(高價)의 장비이다. 또한 장비의 조작이 어렵고 가동시 안전을 위한 공간의 필요성 때문에 비행체나 이동체의 항법에 대한 연구를 수행하는 학교나 소규모 연구소 단위에서는 이같은 장비를 갖추기가 어려운 실정이다.By the way, the three-axis motion test bench can provide a very accurate angular velocity and arbitrary posture for each axis, but the use of precision motor control, which is very expensive (hundreds of billions to billions) due to the complexity of the configuration It is equipment. In addition, it is difficult to equip such equipment in a school or a small laboratory unit that conducts research on navigation of a vehicle or a mobile vehicle due to the difficulty of operating the equipment and the need for space for safety during operation.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 비행체나 이동체의 항법에 대한 연구를 수행하기 위해 필요한 관성측정장치의 오차보정시험을 수행하기 위하여 조작이 간단한 진자의 원리를 이용하는 저가의 오차보정장치를 제공하고자 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a low cost using the principle of a pendulum with a simple operation to perform an error correction test of an inertial measurement device necessary for conducting research on the navigation of a vehicle or a mobile vehicle. To provide an error correction device.
오차보정 장치는 신뢰할 수 있는 기준값을 만들고 보정 대상이 되는 측정장치의 출력과 이 기준값을 비교함으로서 두 값 사이의 오차를 보정하는 것이다.The error correction device corrects the error between the two values by making a reliable reference value and comparing the reference value with the output of the measuring device to be corrected.
종래의 방법은 이 기준값을 정밀한 회전속도 및 자세를 제공하는 3축 운동시험대를 사용하여 만들었다. 하지만 상기의 3축 운동시험대는 단순한 보정만을 위하여 사용하는 장비이기보다는 사용자가 원하는 대상 물체의 정밀한 자세 또는 운동 환경을 자동적으로 제공하여 대상 물체의 운동 특성을 시뮬레이션을 목적으로 제작된 장비이다. 따라서 단순 보정용의 경우에는 수동적인 방법을 사용하여도 무방하며 정확한 기준값을 만들어내는 것이 중요하다.Conventional methods have made this reference using a three-axis motion test bench that provides precise rotational speed and posture. However, the three-axis motion test bench is a device manufactured for the purpose of simulating the movement characteristics of the target object by automatically providing a precise posture or a movement environment of the target object desired by the user rather than simply using the equipment for the simple correction. Therefore, for simple calibration, manual methods can be used, and it is important to generate accurate reference values.
이때, 상기 오차보정시험을 수행하기 위하여 상기 오차보정장치의 회전각도검출부에서 제공하는 회전각 센서에 의한 출력값인 각도를 기준값으로 사용하여 각속도 및 각가속도를 구하고, 이를 이용하여 관성측정장치에서 측정되는 관성물리량을 보정하게 된다.At this time, in order to perform the error correction test, the angular velocity and the angular acceleration are obtained by using the angle, which is the output value of the rotation angle sensor provided by the rotation angle detection unit of the error correction apparatus, as a reference value, and the inertia measured by the inertial measurement apparatus using the same. The physical quantity is corrected.
본 발명은 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치에 관한 것으로서, 관성측정장치가 고정되는 회전봉이 진자운동하도록 회전축에 결합한 구조의 진자운동장치부와; 상기 회전축의 회전으로 인한 기준 각도값을 검출하는 회전각도검출부와; 상기 관성측정장치로부터 획득한 측정값과 상기 회전각도검출부로부터의 오차 보정을 위한 기준 각도값을 입력받고 이를 동기화시키는 신호처리부와; 상기 신호처리부로부터의 기준 각도값 및 측정값을 수집하고 이를 후처리하여 오차를 보정하는 데이터수집처리부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an error compensating device for an inertial measurement device using a pendulum motion, comprising: a pendulum motion device unit having a structure coupled to a rotating shaft such that a rotating rod to which the inertial measurement device is fixed pendulum; A rotation angle detection unit detecting a reference angle value due to the rotation of the rotation shaft; A signal processor configured to receive and synchronize a measurement value obtained from the inertial measurement device and a reference angle value for error correction from the rotation angle detector; And a data collection processor for correcting errors by collecting reference angle values and measured values from the signal processor and post-processing them.
이때, 상기 진자운동장치부는 밑판에 나란히 수직하게 지지되는 제1 및 제2측면지지판과; 상기 제1 및 제2측면지지판에 지지되어 소정각도 이내에서 회전하는 회전축과; 상기 관성측정장치가 장착되는 시험부와; 몸체의 일단부는 상기 시험부가 고정되고 타단부는 상기 회전축에 수직하게 일체로 형성되어 상기 회전축의 회전시에 진자운동하는 회전봉;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.At this time, the pendulum movement unit and the first and second side support plate which is supported in parallel to the bottom plate; A rotating shaft supported by the first and second side support plates to rotate within a predetermined angle; A test unit to which the inertial measurement unit is mounted; One end of the body is fixed to the test portion and the other end is formed integrally perpendicular to the rotary shaft to rotate the pendulum during the rotation of the rotary shaft;
본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.With reference to the accompanying drawings, the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention will be understood by the embodiments described in detail below.
도 1은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차 보정을 위한 시험부의 NED 정렬상태를 도시한 도면이고, 도 2는 상기 도 1에 따른 오차보정 시험위치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 작동을 설명하기 위한 제1도이고, 도 4는 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 작동을 설명하기 위한 제2도이고, 도 5는 본 발명에 따른 관성측정장치의 오차를 보정하기 위해 신호처리를 하기 위한 회로 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차 보정 처리 흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view showing the NED alignment state of the test unit for the error correction of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention, Figure 2 is a view showing the error correction test position according to Figure 1, Figure 3 Figure 1 is a view for explaining the operation of the error correction device of the inertial measurement device using the pendulum motion according to the present invention, Figure 4 is to explain the operation of the error correction device of the inertial measurement device using the pendulum motion according to the present invention 2 is a circuit block diagram for signal processing to correct an error of the inertial measurement apparatus according to the present invention, and FIG. 6 is an error correction process of the inertial measurement apparatus using a pendulum motion according to the present invention. 7 is a flowchart illustrating another embodiment of the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
본 발명에 따른 관성측정장치(202)의 오차를 보정하는 시험을 수행하기 위해서는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 우선 시험부(108)의 3축을 NED 좌표계로 정렬시킨 후 관성측정장치(202)의 3축(3-axis)에 대하여 측정하고자 하는 축을 도2에서와 같이 본 장치의 시험부(108)에서 정의한 축에 일치시킨다.In order to perform a test for correcting the error of the inertial measurement apparatus 202 according to the present invention, as shown in FIGS. 1 to 4, first, the three axes of the test unit 108 are aligned with the NED coordinate system, and then the inertial measurement apparatus 202 is performed. The axis to be measured with respect to the 3-axis of () is matched to the axis defined in the test section 108 of the apparatus as shown in FIG.
이때, 오차보정 시험시 사용되는 참값(Reference Value)은 시험부(108)의 하부에 장착한 관성측정장치(202)를 도 2의 1번과 같이 장착하면 회전각센서(401)로부터 측정된 기준 각도값(θ)과 이 기준 각도값을 이용하여 진자의 운동방정식으로부터 각속도와 각가속도를 구한다.In this case, the reference value used in the error correction test is a reference value measured from the rotation angle sensor 401 when the inertial measurement unit 202 mounted on the lower portion of the test unit 108 is mounted as shown in FIG. 2. Using the angle value θ and this reference angle value, the angular velocity and angular acceleration are obtained from the equation of motion of the pendulum.
한편, 상기 기준 각도값과 이를 이용하여 구한 각속도 및 각가속도를 이용하면 관성센서에서 측정되는 각속도와 가속도의 참값을 나타낼 수 있다. 즉, 자전속도와 진자운동시의 각속도의 영향을 더하여 각속도 참값을 구하고 구심가속도항을 포함한 NED 좌표계에서의 중력 가속도와 각가속도의 영향을 더하여 가속도 참값을 구한다.On the other hand, using the reference angle value and the angular velocity and the angular acceleration obtained using the reference angle value can represent the true value of the angular velocity and acceleration measured by the inertial sensor. That is, the true angular velocity is obtained by adding the influences of the rotational speed and the angular velocity during the pendulum motion, and the true acceleration is obtained by adding the influences of gravity acceleration and angular acceleration in the NED coordinate system including the centripetal acceleration term.
일반적인 가속도계 오차모델의 Regression 모델은 비선형항을 포함하고 있기 때문에 우선 선형항만을 고려하여 최소자승 추정기법(Least Square Estimation)을 적용하여 상태벡터를 추정한 후 비선형항을 계산하여 식에서 추정값을 계산한다. 이 과정을 반복적으로 수행하여 오차가 최소가 되는 오차계수를 결정하게 되는 것이다.Since the regression model of the general accelerometer error model includes nonlinear terms, the least square estimation is applied to estimate the state vector, considering only the linear terms, and then the nonlinear terms are calculated to calculate the estimated values. By repeating this process, the error coefficient that minimizes the error is determined.
도 3 내지 도 4에 따르면, 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치는 기계적인 진자운동장치부와 그 진자운동장치부의 제어 및 감시를 위한 전기적인 신호처리를 하는 제어회로부로 크게 나눌수 있다.According to Figures 3 to 4, the error correction device of the inertial measurement device using the pendulum motion according to the present invention is a mechanical circuit pendulum movement unit and a control circuit unit for electrical signal processing for the control and monitoring of the pendulum movement unit Can be divided
이때, 상기 진자운동장치부는 초기화용 구동모터(501)와 회전각센서(401)가 고정되어 있는 제1 및 제2측면지지판(106a,106b)과, 본 장치의 구동시 발생하는 모멘트(moment)를 상쇄시키기 위해 모멘트(moment)에 상응하는 무게를 가지며 수평조절이 가능한 밑판(110)과, 상기 제1 및 제2측면지지판(106a,106b)에 고정된 베어링 (101)에 의해 회전 운동할 수 있는 회전축(102)과, 상기 회전축(102)에 연결되어 진자 운동이 가능하도록 상기 회전축(102)의 중앙부에 볼트 등의 체결구를 이용하여 그 몸체의 일측부가 고정되는 "-"자 형상의 회전봉(107)과, 시험부(108)로 이루어지고, 전기적인 부분은 모두 제어회로부에서 행한다.At this time, the pendulum movement device unit and the first and second side support plates 106a and 106b to which the driving motor 501 for initialization and the rotation angle sensor 401 are fixed, and moments generated when the device is driven. In order to counteract this, it is possible to rotate by the bottom plate 110 having a weight corresponding to a moment and horizontally adjustable, and a bearing 101 fixed to the first and second side support plates 106a and 106b. Rotating rod having a rotating shaft 102 and one side of the body fixed to one side of the body by using a fastener such as a bolt in the center of the rotating shaft 102 is connected to the rotating shaft 102 to enable the pendulum movement 107 and the test part 108, and all the electrical parts are performed by the control circuit part.
상기 시험부(108)는 상기 회전봉(107)에 의하여 상기 회전축(102)에 연결되어 있으므로 진자의 운동에서 추와 같이 왕복 운동을 하게 된다. 즉, 외력을 가하지 않고 주어진 초기 위치에너지에 의하여 진자 운동을 하거나 상기 측면 지지판 (106)에 고정된 상기 초기화용 구동모터(501)에 의하여 상기 회전축(102)을 회전시켜 상기 시험부(108)의 진자운동이 가능하다.Since the test part 108 is connected to the rotating shaft 102 by the rotating rod 107, the test part 108 performs a reciprocating motion like a weight in a pendulum motion. That is, the penetrating motion by the given initial position energy without applying external force or by rotating the rotary shaft 102 by the initialization drive motor 501 fixed to the side support plate 106 of the test unit 108 Pendulum movement is possible.
이때, 상기 회전봉(107)은 일단에 시험부(108)가 고정되고 타단에는 상기 회전축(102)으로부터의 거리조절이 가능한 균형질량(balance weight)(111)이 형성되어 관성 모멘트를 조절함으로써 회전속도의 범위를 조절한다.At this time, the rotating rod 107 is fixed to one end of the test unit 108 and the other end of the balance weight (balance weight) 111 is formed to control the distance from the rotating shaft 102 is formed by adjusting the moment of inertia Adjust the range.
또한, 상기 시험부(108)의 하부에는 내부에 피보정물인 관성센서 및 관성측정장치를 부착하여 일정한 온도를 유지하며 3축의 변환을 통하여 다양한 자세를 가지고 보정시험을 수행할 수 있는 축변환-온도챔버(109)가 부착된다.In addition, an inertial sensor and an inertial measurement device, which are to be compensated, are attached to the lower portion of the test unit 108 to maintain a constant temperature, and the axis conversion-temperature capable of performing a calibration test with various postures through three-axis transformation. The chamber 109 is attached.
상기 회전축(102)의 일단이 회전가능하게 지지되는 제2 측면지지판(106b)에는 오차보정시험의 수행시 기준값으로 사용하게 될 회전 각도를 측정하는 회전각 센서(401)가 형성되어 있고, 상기 회전각 센서(401)의 출력값을 디지털로 변환하는 회전각 센서-디지털 컨버터(402)와, 상기 시험부(108)에 장착된 관성측정장치를 통해 측정되는 신호와 상기 회전각 센서-디지털 컨버터(402)를 통해 측정되는 신호를 동기화시키며 데이터의 저장 및 후처리를 위한 컴퓨터로 측정된 측정값을 전송하기 위한 신호처리부(300)가 형성된다.The second side support plate 106b on which one end of the rotating shaft 102 is rotatably supported is formed with a rotation angle sensor 401 for measuring a rotation angle to be used as a reference value when the error correction test is performed. A rotation angle sensor-digital converter 402 for converting the output value of each sensor 401 to digital, a signal measured by an inertial measurement device mounted to the test unit 108 and the rotation angle sensor-digital converter 402 A signal processing unit 300 is formed to synchronize the signals measured through the transmission line and to transmit the measured values to a computer for storing and post-processing data.
상기 축변환-온도챔버(109)는 축변환장치와 온도챔버의 두가지 기능을 하는 것으로서, 축변환장치를 더 구비함으로 인해 단순히 회전봉(107)만의 진자운동을 통해 발생되는 2차원 평면의 원운동을 극복하고 3차원의 입체적인 상태를 구현하여 시험의 신뢰도 및 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다.The axis conversion-temperature chamber 109 serves two functions as an axis conversion device and a temperature chamber, and further includes an axis conversion device to perform circular motion in a two-dimensional plane generated by a pendulum motion of the rotary rod 107 alone. Overcome and implement three-dimensional three-dimensional state to improve the reliability and precision of the test.
아울러, 온도챔버를 더 구비하여 상기 관성측정장치를 내부에 안착하고 일정온도를 유지한 후 시험하게 함으로서 상기 관성측정장치를 일정한 온도조건하에서 시험하여 시험의 정밀도를 향상시켜 주게 된다.In addition, the temperature chamber is further provided to allow the inertial measurement device to be placed therein and maintained at a constant temperature, thereby testing the inertial measurement device under constant temperature conditions to improve the accuracy of the test.
도 5에 따르면, 본 발명은 진자운동하는 시험부(108)의 하부에 고정되는 축변환-온도챔버(109) 내부에 관성센서(201)와 관성측정장치(IMU)(202)로 이루어진 관성측정부(200)와, 보정을 위하여 기준 각도값을 측정하기 위한 회전각도검출부 (400)와, 이들 관성측정부(200)로부터 측정된 측정값과 상기 회전각도검출부(400)에서 측정된 기준 각도값을 동기화시키는 신호처리부(300)와, 상기 진자운동을 기계적으로 발생하기 위한 모터구동부(500)와, 상기 신호처리부(300)로부터 동기화된 값과 오차값과 실측값 및 기준값을 전송받고 저장하며 상기 모터구동부(500)의 구동을 위한 제어신호를 출력하는 컴퓨터(601)와 같은 데이터수집처리부(600)로 이루어진다.According to FIG. 5, the present invention provides an inertial measurement consisting of an inertial sensor 201 and an inertial measurement unit (IMU) 202 inside an axial conversion-temperature chamber 109 fixed to a lower portion of the pendulum moving test unit 108. The unit 200, the rotation angle detection unit 400 for measuring the reference angle values for correction, the measured values measured by the inertial measurement unit 200 and the reference angle values measured by the rotation angle detection unit 400 The signal processor 300 for synchronizing the signal, the motor driver 500 for mechanically generating the pendulum motion, and the received and stored values, error values, measured values and reference values synchronized from the signal processor 300 are stored. The data collection processor 600, such as a computer 601, which outputs a control signal for driving the motor driver 500.
상기 시험부(108)의 하부에 장착되는 축변환-온도챔버(109)의 내부에는 피측정물인 관성센서(201)와 이들의 조합체인 관성측정장치(202)를 장착하며, 이들을 통해 획득되는 측정값은 신호처리부(300)에 입력되어 오차를 보정하기 위해 상기 데이터수집처리부(600)로 데이터를 전송하게 된다. 물론, 상기 회전각도검출부 (400)로부터 측정된 기준 각도값도 상기 데이터수집처리부(600)로 전송되는데 이때, 데이터들의 유실 등을 방지하기 위해 동기화시켜 상기 데이터수집처리부(600)로 데이터를 전송하게 된다.An inertial sensor 201, which is an object to be measured, and an inertial measurement device 202, which is a combination thereof, are mounted inside the axis conversion-temperature chamber 109 mounted below the test unit 108, and the measurement obtained through these is provided. The value is input to the signal processor 300 to transmit data to the data collection processor 600 to correct the error. Of course, the reference angle value measured from the rotation angle detector 400 is also transmitted to the data collection processor 600. At this time, in order to prevent data loss, the data is synchronized to transmit the data to the data collection processor 600. do.
이하, 상기한 회로구성을 좀더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the above-described circuit configuration will be described in more detail.
먼저, 상기 회전각도검출부(400)는 오차보정장치에서 보정 시험을 위한 기준값을 제공하기 위한 부분으로 회전각도를 검출하는 센서인 회전각센서(401)와, 상기 회전각 센서(401)의 신호를 디지털로 변환시켜 신호처리부(300)의 신호동기화 마이크로프로세서(302)로 전송하는 회전각 센서-디지털 컨버터(402)로 구성된다.First, the rotation angle detection unit 400 is a sensor for detecting the rotation angle as a portion for providing a reference value for the calibration test in the error correction device and the signal of the rotation angle sensor 401 It is composed of a rotation angle sensor-digital converter 402 which converts to digital and transmits the signal to the signal synchronization microprocessor 302 of the signal processing unit 300.
상기 신호처리부(300)는 상기 관성측정부(200)와 회전각도검출부(400)와 전기적으로 연결되어 상기 관성센서(201) 및 관성측정장치(202)로부터의 측정값과 회전각센서(401)로부터의 기준값을 입력받고 동기화시켜 컴퓨터(601)로 전송하고, 상기 컴퓨터(601)로부터 모터제어신호를 전송받아 모터구동부(500)의 초기화용 구동모터(501)를 제어하게 되는데 상기 관성센서(201) 및 이들의 조합인 관성측정장치 (202) 등을 이용한 출력의 다양성을 위해 상기 관성센서(201) 또는 관성측정장치 (202) 중에 어느 하나를 선택할 수 있는 선택 스위치(301)와, 상기 관성센서(201) 또는 관성측정장치(202)로부터 측정된 값과 회전각센서(401)로부터의 기준값이 서로 동기화 되어 있지 않으므로 이를 동기화 시키기 위한 신호동기화 마이크로프로세서(302) 및 초기화용 구동모터(501)의 제어를 위한 모터제어신호를 상기 모터구동부(500)로 출력하기 위한 모터제어 마이크로세서(303)로 구성된다.The signal processor 300 is electrically connected to the inertial measurement unit 200 and the rotation angle detection unit 400 to measure the rotation value and the rotation angle sensor 401 from the inertial sensor 201 and the inertial measurement unit 202. It receives the reference value from the synchronization and transmits to the computer 601, and receives the motor control signal from the computer 601 to control the drive motor 501 for initialization of the motor driving unit 500, the inertial sensor 201 ) And a selection switch 301 for selecting any one of the inertial sensor 201 or the inertial measurement unit 202 for output diversity using the inertial measurement unit 202 and the combination thereof, and the inertial sensor Since the value measured from the 201 or the inertial measurement unit 202 and the reference value from the rotation angle sensor 401 are not synchronized with each other, the signal synchronization microprocessor 302 and the initialization drive motor 501 for synchronizing them are Control The motor control signal is composed of the motor control microprocessor 303 for an output to the motor driver 500 for.
이때, 상기 모터구동부(500)는 모터를 이용하여 초기위치를 제어하는 초기화용 구동모터(501)의 이용시 상기 컴퓨터(601)에서 초기 각도값을 설정하면 상기 모터제어 마이크로세서(303)에서 상기 초기화용 구동모터(501)에 신호 처리된 값을 출력하여 초기화용 구동모터(501)를 구동시킨다. 이와 같이 초기화용 구동모터 (501)가 구동되면 시험을 위한 초기 각도값에 위치시킨 후 시험을 수행한다.In this case, the motor driving unit 500 sets the initial angle value in the computer 601 when the initial driving motor 501 controls the initial position by using a motor. The initialization drive motor 501 is driven by outputting a signal processed value to the driving motor 501. As described above, when the driving motor 501 for initialization is driven, the test is performed after being positioned at the initial angle value for the test.
상기 신호처리부(300)에서 동기화된 관성측정부(200)의 관성센서(201) 또는 관성측정장치(202)의 출력과 회전각도검출부(400)의 회전각센서(401)의 출력은 신호동기화 마이크로프로세서(302)에서 시리얼(Serial) 데이터 전송 방식에 의하여 상기 컴퓨터(601)로 전송되며 오차모델링에 의한 보정식에 의하여 오차계수들을 구하는데 이용된다.The output of the inertial sensor 201 or the inertial measurement unit 202 of the inertial measurement unit 200 synchronized with the signal processing unit 300 and the output of the rotation angle sensor 401 of the rotation angle detection unit 400 are signal synchronization micros. It is transmitted from the processor 302 to the computer 601 by a serial data transmission method and used to obtain error coefficients by a correction equation by error modeling.
또한, 상기 관성측정부(200)의 관성센서(201) 또는 관성측정장치(202) 각각의 출력은 아날로그 방식, RS-232 방식, RS-485 방식 등의 다양한 방식으로 출력이 가능하다.In addition, the output of each of the inertial sensor 201 or the inertial measurement unit 202 of the inertial measurement unit 200 may be output in various ways such as an analog method, an RS-232 method, and an RS-485 method.
이하, 도 1 내지 도 6을 참고로 본 발명에 따른 관성측정장치의 작동 흐름을 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation flow of the inertial measurement apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6.
비스듬히 회전봉(107)을 들어올려 기울인 상태에서 놓게 되면 그 때의 위치에너지가 운동에너지로 변화되면서 진자운동을 개시하게 된다. 이때, 상기 회전봉 (107)이 고정된 회전축(102)은 제1 및 제2측면지지판(106a,106b)에 부착된 베어링 (101)에 지지되어 회전을 원활히 하게 된다.When the rotating rod 107 is inclined and placed in an inclined state, the potential energy at that time is changed into kinetic energy to initiate pendulum motion. At this time, the rotating shaft 102 to which the rotating rod 107 is fixed is supported by the bearing 101 attached to the first and second side support plates 106a and 106b to facilitate the rotation.
이와 같이 진자운동이 시작되면, 회전각도검출부(400)의 회전각센서(401)는 기준값을 설정하기 위해 회전축(102)이 얼마만큼의 각도로 회전했는지 그 기준 각도값을 측정하게 된다. 이때의 측정값은 아날로그값이기 때문에 이는 회전각센서-디지털컨버터(402)에서 디지털값으로 변환되어 신호처리부(300)의 신호동기화 마이크로프로세서(302)로 넘겨주게 되고 이는 다시 RS-232 등의 통신방식을 통해 연결되는 컴퓨터(601) 등의 데이터수집처리부(600)로 전송하게 된다.(s700)As described above, when the pendulum motion starts, the rotation angle sensor 401 of the rotation angle detection unit 400 measures the reference angle value of how much the rotation shaft 102 rotates to set the reference value. At this time, since the measured value is an analog value, it is converted into a digital value in the rotation angle sensor-digital converter 402 and passed to the signal synchronization microprocessor 302 of the signal processing unit 300. It is transmitted to the data collection processing unit 600, such as a computer 601 connected through the method (s700).
이때, 상기 컴퓨터(601)는 수학적 연산알고리즘을 이용하여 상기 기준 각도값을 이용해 각변화량과 각가속도를 추정하게 된다.(s710)At this time, the computer 601 estimates the angular change amount and the angular acceleration using the reference angle value using a mathematical operation algorithm (s710).
그리고, 이와 같은 기준 각도값과 이를 이용하여 구한 각변화량 및 각가속도를 이용하여 각속도와 가속도의 참값을 나타낼 수 있다. 즉, 자전속도와 진자운동시의 각속도의 영향을 더하여 각속도 참값을 구하고(s720), 구심가속도항을 포함한 NED 좌표계에서의 로컬 가속도와 각가속도의 영향을 더하여 가속도 참값을 구한다. (s730)In addition, the true values of the angular velocity and the acceleration may be expressed using the reference angle value, the angular change amount and the angular acceleration obtained using the reference angle value. That is, the true angular velocity is obtained by adding the influence of the rotational speed and the angular velocity during the pendulum motion (s720), and the true acceleration is obtained by adding the influence of local acceleration and angular acceleration in the NED coordinate system including the centripetal acceleration term. (s730)
한편, 시험부(108)의 하부에 장착된 축변환-온도챔버(109)의 내부에 장착되는 자이로와 가속도계 등의 관성센서(201) 및 관성측정장치(202)와 같은 관성측정부(202)는 각속도 및 가속도를 측정한다.(s740)Meanwhile, an inertial measurement unit 202 such as an inertial sensor 201 and an inertial measurement unit 202 such as a gyro and an accelerometer mounted inside the axial conversion-temperature chamber 109 mounted below the test unit 108. Measures the angular velocity and acceleration (s740).
이때에도, 관성측정부(200)의 측정값과 상기 회전각도검출부(400)로부터의 입력된 측정값이 서로 동기화되어 있지 않으므로 신호처리부(300)의 신호동기화 마이크로프로세서(302)에서 동기화된 신호로 변환하여 상기의 컴퓨터(601)로 전송하게 된다.(s750)In this case, since the measurement value of the inertial measurement unit 200 and the input measurement value from the rotation angle detection unit 400 are not synchronized with each other, a signal synchronized with the signal synchronization microprocessor 302 of the signal processing unit 300 is synchronized. The data is converted and transmitted to the computer 601. (s750)
이와 같이 회전각센서(401)로부터의 기준 각도값과 시험부(108)에 장착된 관성센서(201) 또는 관성측정장치(202)의 측정값을 입력받은 컴퓨터(601)는 내부연산을 통해 오차보정알고리즘을 구동하게 되고(s760), 알고리즘을 통한 연산을 통해 오차계수를 산출하게 된다.(s770)As such, the computer 601 that receives the reference angle value from the rotation angle sensor 401 and the measured value of the inertial sensor 201 or the inertial measurement unit 202 mounted on the test unit 108 has an error through internal calculation. The correction algorithm is driven (s760), and an error coefficient is calculated through calculation through an algorithm (s770).
이하, 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 다른 실시예를 도 7을 참고로 설명한다.Hereinafter, another embodiment of the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention will be described with reference to FIG.
도 7에 따르면, 진자운동장치부는 상기 도 3 내지 도 4의 측면지지판을 사용하지 않고 실험실 등의 실내 천장에 고정구(103)를 이용하여 고정시킨 상태에서 회전봉을 회전시키는 구조이며, 특히 회전봉을 제1회전봉(107a)과 제2회전봉(107b)으로 하고 이들을 힌지부(119)를 추가하여 연결함으로써 2축에 대하여 동시에 회전 운동이 가능하게 하여 2축에 대한 관성측정장치의 오차보정을 가능하게 한다.According to Figure 7, the pendulum movement device is a structure that rotates the rotating rod in the state fixed using the fixture 103 to the indoor ceiling of the laboratory, such as without using the side support plate of Figures 3 to 4, in particular the rotating rod By making the first rotating rod 107a and the second rotating rod 107b and connecting them by the addition of the hinge part 119, rotational movement is possible simultaneously about two axes, and the error correction of the inertial measuring device with respect to two axes is possible. .
이때, 회전중심에 대한 회전각도의 측정방식은 측정하는 부분이 두개로 늘어난 것일 뿐 측정방식은 동일하다.At this time, the measuring method of the rotation angle with respect to the rotation center is the same as the measuring method is that the measuring part is increased to two.
좀더 상세하게 설명하면, 상기 진자운동장치부는 실내 천정에 고정되는 고정구(103)와, 상기 고정구(103)에 지지되어 소정각도 이내에서 회전하는 회전축 (102)과, 상기 관성측정장치가 장착되는 시험부(108)와, 몸체의 일단부는 상기 시험부(108)가 고정되고 타단부는 상기 회전축(102)에 수직하게 일체로 형성되어 상기 회전축(102)의 회전시에 진자운동하는 회전봉으로 구성된다. In more detail, the pendulum movement unit is a fixture 103 fixed to the indoor ceiling, a rotating shaft 102 supported by the fixture 103 to rotate within a predetermined angle, the test that the inertial measurement device is mounted Part 108 and one end of the body is fixed to the test section 108 and the other end is formed integrally perpendicular to the rotary shaft 102 is composed of a rotating rod pendulum movement during the rotation of the rotary shaft 102 .
이때 상기 회전봉은 상기 시험부(108)가 일단에 고정되는 제1회전봉(107a)과, 상기 회전축(102)이 일단에 고정되는 제2회전봉(107b)과, 상기 제1회전봉 (107a)의 타단과 상기 제2회전봉(107b)의 타단이 연결되어 3차원 회전이 가능하게 하는 힌지부(119)로 이루어진다.In this case, the rotating rod includes a first rotating rod 107a to which the test part 108 is fixed at one end, a second rotating rod 107b to which the rotating shaft 102 is fixed at one end, and the other of the first rotating rod 107a. A stage and the other end of the second rotating rod 107b is connected to the hinge portion 119 to enable three-dimensional rotation.
이상과 같이 본발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 일실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail as above, the scope of the present invention is not limited thereto, and the scope of the present invention extends to the range substantially equivalent to the embodiment of the present invention.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 진자의 원리를 이용하여 관성센서 및 이들의 조합으로 이루어진 관성측정장치의 오차보정장치를 구현한 것으로서 간단한 기계적 장치를 이용하여 동기화된 기준값과 센서의 측정값을 비교하여 오차보정시험을 수행하므로 수천만원에서 수억원에 이르는 운동시험대를 대치할 수 있으며, 조작이 용이하며 모터에 의한 동력을 사용하지 않고 주어진 초기 위치에너지에만 의존한 진자 운동의 경우에는 모터에 의한 진동의 영향을 받지 않으므로 정밀한 오차 보정이 가능하고 장비의 구동시 안전상의 문제가 없으므로 학교 및 소규모의 연구소나 업체에 널리 보급하여 사용할 수 있는 효과가 있다.As can be seen from the above description, the present invention implements an error compensator for an inertial measurement device consisting of an inertial sensor and a combination thereof using the principle of a pendulum, and the measurement of the synchronized reference value and the sensor using a simple mechanical device. By comparing the values and performing the error correction test, it is possible to replace the motion test bench ranging from tens of thousands of won to hundreds of millions of dollars.The pendulum motion that is easy to operate and does not use the power of the motor and depends only on the initial initial energy is given to the motor. Because it is not affected by vibration, accurate error correction is possible and there is no safety problem when driving equipment, so it can be widely used in schools and small research institutes or companies.
도 1은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차 보정을 위한 시험부의 NED 정렬상태를 도시한 도면.1 is a view showing the NED alignment state of the test unit for error correction of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
도 2는 상기 도 1에 따른 오차보정 시험위치를 도시한 도면.2 is a view showing the error correction test position according to FIG.
도 3은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 작동을 설명하기 위한 제1도.Figure 3 is a first view for explaining the operation of the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 작동을 설명하기 위한 제2도.Figure 4 is a second view for explaining the operation of the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 관성측정장치의 오차를 보정하기 위해 신호처리를 하기 위한 회로 블록도.5 is a circuit block diagram for signal processing to correct the error of the inertial measurement apparatus according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차 보정 처리 흐름도.6 is an error correction processing flowchart of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 진자운동을 이용한 관성측정장치의 오차보정장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.7 is a view for explaining another embodiment of the error correction device of the inertial measurement apparatus using the pendulum motion according to the present invention.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
101 : 베아링 102 : 회전축101: bearing 102: axis of rotation
106a : 제1측면지지판 106b : 제2측면지지판106a: first side support plate 106b: second side support plate
107 : 회전봉 108 : 시험부107: rotating rod 108: test part
110 : 밑판 200 : 관성측정부110: bottom plate 200: inertial measurement unit
300 : 신호처리부 400 : 회전각도검출부300: signal processing unit 400: rotation angle detection unit
401 : 회전각센서 402 : 회전각 센서-디지털 컨버터401: rotation angle sensor 402: rotation angle sensor-digital converter
500 : 모터구동부 501 : 초기화용 구동모터 500: motor drive unit 501: drive motor for initialization
600 : 데이터수집처리부600: data collection processing unit
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- 2004-01-30 KR KR10-2004-0006234A patent/KR100515470B1/en not_active IP Right Cessation
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