KR100561860B1 - 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치와 이를 이용한이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치 - Google Patents

콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치와 이를 이용한이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치와 이를 이용한 이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치에 관한 것으로서, 그 지자기 판단방법은 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계; 콤파스를 이용하여 지자기의 유효성 판단 대상 구역에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위 내이면 유효한 지자기 영역으로 판단하고, 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 외란 자기장에 의해 지구자기장이 왜곡되어 콤파스의 방위각이 잘못 표시될 경우에도 이를 정확히 판단할 수 있으므로, 유효한 콤파스 방위각의 획득을 가능하게 한다. 또한 콤파스 데이터의 변동량을 고려하여 자기장 크기의 허용범위를 결정하므로 자기장의 크기가 잘못 계산될 가능성을 최소한으로 줄일 수 있으며, 외란 자기장을 지자기로 오인할 가능성을 최소한으로 줄일 수 있다.

Description

콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치와 이를 이용한 이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치{Method and apparatus for finding earth magnetic field and azimuth angle of a body using compass}
도 1은 (x,y) 위치 및 방향 θ를 추정하기 위한 2차원 평면에서 움직이는 이동로봇을 도시한 것이다.
도 2는 콤파스를 장착한 이동로봇의 실내공간 주행시 발생하는 상황을 평면도로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치의 일실시예에 대한 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 4는 자기장 허용범위 설정부의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 5는 지자기 영역에서의 콤파스의 회전 시 구해지는 자기센서 데이터 곡선의 진폭 및 옵셋의 크기 변동으로부터 지자기 영역의 평균 진폭, 옵셋 및 자기장 크기의 한계 값을 계산하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 콤파스를 회전하여 얻은 자기장 데이터의 시간별 추이를 도시한 것이다.
도 7은 콤파스를 회전하여 얻은 자기장 데이터와 기준 코사인 곡선과의 오차 성분을 도시한 것이다.
도 8은 지자기 후보위치를 포함한 공간 상의 여러 위치에서의 자기장 데이터의 진폭을 도시한 것이다.
도 9는 지자기 후보위치를 포함한 공간 상의 여러 위치에서의 자기장 데이터의 옵셋을 도시한 것이다.
도 10은 상기 콤파스가 두 개 일 경우, 상기 지자기영역 판단부(360)의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 11은 상기 제1유효성판단부의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 12는 상기 제2유효성판단부의 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 13은 도 5의 오프라인 단계에서 구한 진폭, 옵셋 및 자기장 데이터의 상하한을 이용하여 로봇 또는 물체가 작업영역에서 움직일 때 로봇 또는 물체에 장착된 콤파스가 주는 방위각이 유효한지 여부를 판단하는 방법을 도시한 것이다.
도 14는 왜곡된 자기장에서의 2개의 콤파스 방위각의 허용범위를 각각 도시한 것이다.
도 15는 지자기에서의 2개의 콤파스 방위각의 허용범위를 각각 도시한 것이다.
도 16은 콤파스가 두 개일 경우, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단방법을 이용한 물체의 방위각 생성장치의 일실시예의 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 17은 콤파스가 두 개일 경우, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단방법을 이용한 물체의 방위각 생성장치의 다른 실시예의 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 18은 콤파스, 자이로 및 오도미터를 이용한 칼만필터를 도시한 것이다.
본 발명은 이동물체의 지자기판단 및 방위각 생성에 관한 것으로서, 특히 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치와 이를 이용한 이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.
이동물체의 자세추정(Pose Estimation)은 이동물체의 지능적인 이동제어를 위해 반드시 필요하다. 이동물체의 자세추정은 절대센서 또는 상대센서를 이용하여 물체의 위치 및 방향을 추정하는 문제로서, 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 평면에서 움직이는 이동로봇의 경우에는 (x,y) 위치 및 방향 θ를 추정하는 문제이다. 여기서 자세(pose)는 위치(position) 및 방향(orientation)을 포함한 개념이다. 정지한 물체의 자세추정은 이동물체의 자세추정의 특수한 경우이므로, 여기서 물체를 이동물체로 간주해도 일반성을 상실하지 않는다.
절대센서는 로봇 또는 물체의 상대적인 움직임이 아닌 절대적인 위치 또는 자세를 측정할 수 있는 센서로서 카메라(Camera), 레이저 스캐너(Laser Scanner), 소나(Sonar), 위성 위치확인 시스템(GPS), 콤파스(Compass) 등이 있다. 이에 반해 상대센서는 로봇 또는 물체의 상대적인 변량을 측정하고 이를 적분함으로써 위치 또는 자세를 측정할 수 있는 센서로서 자이로(Gyro), 가속도계, 오도미터(Odometer)(모터에 부착된 엔코더(Encoder)) 등이 이에 해당된다.
로봇의 절대센서 중 카메라는 주변환경의 조명상태에 민감하고, 불확실한 정보의 데이터를 줄 가능성이 높으며, 레이저 스캐너는 정확한 데이터의 획득이 가능하나 가격이 매우 비싸고, 장애물이 많을 경우 측정하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 소나는 데이터의 정확성이 떨어지며, GPS는 실외에서만 사용이 가능한데다 정밀도가 떨어진다. 한편, 자이로, 오도미터, 가속도계 등의 상대센서는 변화량만을 측정하므로 이를 적분하는데서 발생하는 적분오차를 피할 수 없고, 자이로, 가속도계에 고유하게 존재하는 드리프트오차를 회피할 수 없다. 이와 같이 절대 센서 또는 상대센서 중 하나만을 사용하면 여러가지 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하고자, 여러 가지 센서를 동시에 사용하고 이를 적절하게 센서퓨전하는 것이 일반적으로 쓰이고 있는 이동물체의 자세인식 방법이다.
콤파스는 지구자기장에 의해 자기장의 방향이 항상 북쪽을 가리키는 점을 이용하여 물체의 방위각, 즉 절대적인 방향을 안정적으로 구할 수 있다. 여기서 얻은 방위각과 다른 센서들과의 적절한 센서퓨전을 통해서 이동물체 또는 로봇의 안정적인 자세추정이 가능하다. 그러나 도 2와 같이 가정환경, 사무실환경 등에 항상 존재하고 있는 외란 자기장의 영향에 의해 콤파스로부터 구한 방위각은 왜곡된 값을 가질 수 있으므로 이에 대한 대처가 필요하다.
콤파스에 영향을 주는 외란 자기장에 대처하여 콤파스의 정보를 유용하게 사용하기 위한 방법으로서 여러가지 방법들이 제안되었다. 그 중에서 콤파스를 모델링하여 콤파스의 방위각을 구하는 방식이 있지만, 상기 방식에서의 모델링은 구체 적인 실험에서 검증되지 않아, 실제로 유효한지 여부에 대해 알 수 없다. 여기서, 모델링 방식은 Ning Zhang; Sheng-Wu Liu; Xin Bao; Chang-Long Wang; Lie Wang; Hung-de Deng에 의해 저술되고 " Research on high precision intelligent digital magnetic heading system" 라는 제목으로 1994년도에 출간된 Industrial Technology, 1994. Proceedings of the IEEE International Conference on의 페이지 734-737쪽들에 개시되어 있다.
또한 콤파스와 자이로를 사용하여 센서퓨전을 하는 방식이 있으나 이 방식도 외란 자기장에 의한 콤파스의 방위각 왜곡에 대해서는 언급이 없다. 여기서 상기 센서퓨전 방식은 Roumeliotis, S.I.; Sukhatme, G.S.; Bekey, G.A에 의해 저술되고 " Circumventing dynamic modeling: evaluation of the error-state Kalman filter applied to mobile robot localization" 라는 제목으로 1994년도에 출간된 Robotics and Automation, 1999. Proceedings. 1999 IEEE International Conference on 의 페이지 1656 -1663 쪽들에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이동물체의 자세 추정을 위해 콤파스(Compass)로 얻은 방위각(Azimuth) 데이터의 유효성 여부를 검사하고 이동물체가 존재하는 구역이 지자기 구역인지 판단할 수 있는, 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법을 이용한 이동물체의 방위각 생성 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법은, (aa) 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계; (bb) 콤파스를 이용하여 지자기의 유효성 판단 대상 구역에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및 (cc) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위 내이면 유효한 지자기 영역으로 판단하고, 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기 (aa)단계는 (a1) 소정의 지자기 영역에서 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(Hx)과 수직성분의 자기장(Hy)의 궤적을 구하는 단계; (a2) 상기 수평성분 자기장 및 수직성분 자기장 궤적의 최대값 및 최소값을 이용하여 진폭(Ax, Ay) 및 옵셋(Ox, Oy)을 구하는 단계; (a3) 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 후보위치로 결정하고, 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태가 아니면 콤파스의 위치를 바꿔서 상기 (a1)단계부터 다시 수행하는 단계; (a4) 상기 (a1)단계 내지 (a3)단계를 후보위치가 소정 개수가 될 때까지 반복하여 소정 개수의 후보위치로 이루어지는 후보위치 조합(Q)을 생성하는 단계; (a5) 상기 후보위치 조합을 구성하는 후보위치에서의 지구자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 평균과 분산을 계산하는 단계; 및 (a6) 상기 진폭 및 옵셋의 평균과 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구하여 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계를 포함함이 바람직하 다. 상기 (a4)단계는 상기 후보위치 각각에서의 지구자기장의 진폭 및 옵셋들을 비교하여 소정의 값 이상 차이가 나는 후보위치를 후보위치 조합에서 제외하는 단계를 더 구비함이 바람직하다.
상기 (a6)단계의 상한과 하한은 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계에서 구한 Hx, Hy와 평균 진폭 Ax, Ay 및 평균 옵셋 Ox, Oy로부터 수학식 3에 의해 자기장의 크기를 구하는 단계; 상기 진폭 Ax, Ay 와 실제 지자기 영역에서의 진폭
Figure 112004004628592-pat00001
,
Figure 112004004628592-pat00002
사이에 존재하는 오차
Figure 112004004628592-pat00003
,
Figure 112004004628592-pat00004
를 고려하여 수학식 3을 수학식 4로 변환하는 단계;
[수학식 3]
Figure 112004004628592-pat00005
(여기서, |HE|는 지구자기장의 크기이다.)
[수학식 4]
Figure 112004004628592-pat00006
상기 오차
Figure 112004004628592-pat00007
,
Figure 112004004628592-pat00008
의 범위를 수학식 5와 수학식 6으로 가정할 때,
[수학식 5]
Figure 112004004628592-pat00009
[수학식 6]
Figure 112004004628592-pat00010
(여기서
Figure 112004004628592-pat00011
는 진폭의 허용한계를 나타내는 상수로서 0과 1사이의 값을 가진다.) 상기
Figure 112004004628592-pat00012
를 이용하여 수학식 4를 수학식 7로 변환하는 단계; 및 상기 수학식 7을 수학식 8로 변환하는 단계에 의해 구함이 바람직하다.
[수학식 7]
Figure 112004004628592-pat00013
[수학식 8]
Figure 112004004628592-pat00014
상기 (aa)단계는 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 콤파스가 제조될 때 구하여 설정함이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법은, (a) 적어도 두 개의 콤파스에 대해, 각각 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계; (b) 적어도 두 개의 콤파스를 이용하여 지자기의 판단 대상 구역에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; (c) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 내에 속하면 유효 한 지자기 영역으로 판단하고, 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기 콤파스가 두 개일 경우, 상기 (c)단계는 (c1) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계; 및 (c2) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 적어도 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하고, 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 단계를 포함함이 바람직하다.
상기 (c2)단계는 (c2-1) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 적어도 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않은 판단하는 단계; (c2-2) 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스 자기장 데이터로부터 콤파스 방위각의 상한과 하한을 계산하는 단계; (c2-3) 상기 두 개의 콤파스 방위각의 상한과 하한으로부터 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판단하는 단계를 포함함이 바람직하다.
상기 (c2-2)단계의 상한과 하한은 콤파스의 자기장 데이터로부터 수학식 9에 의해 콤파스의 방위각을 구하는 단계; 현재 콤파스가 부착된 물체 또는 로봇이 위치하고 있는 영역이 지자기 영역이라면 지자기 구역에서의 진폭값 비율의 상한과 하한을 수학식 13에 의해 구하는 단계;
[수학식 9]
Figure 112004004628592-pat00015
(여기서 i는 콤파스의 번호로서 1과 2 의 값을 가짐)
[수학식 13]
Figure 112004004628592-pat00016
수학식 14와 같이
Figure 112004004628592-pat00017
를 정의할 때,
[수학식 14]
Figure 112004004628592-pat00018
만약
Figure 112004004628592-pat00019
또는
Figure 112004004628592-pat00020
이 성립할 경우 수학식 17을 얻는 단계; 만약
Figure 112004004628592-pat00021
또는
Figure 112004004628592-pat00022
이 성립할 경우 수학식 19를 얻는 단계; 및
[수학식 17]
Figure 112004004628592-pat00023
[수학식 19]
Figure 112004004628592-pat00024
[수학식 20]
Figure 112004004628592-pat00025
상기 수학식 17 및 수학식 19를 수학식 20과 같이 변환하여 콤파스 방위각의 상한과 하한을 구하는 단계에 의해 결정함이 바람직하다.
상기 (c2-3)단계는 상기 수학식 20에 의해 구해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가지지 않을 경우 콤파스의 지자기가 유효하지 않은 것으로 판단하고, 두 개의 콤파스 방위각이 서로 교집합을 가질 경우 콤파스의 방위각이 유효하다고 판단함이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성 방법은, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우, 상기 두 개의 콤파스의 방위각을 각각 구하는 단계; 및 상기 두 개의 방위각의 소정의 평균을 콤파스의 최종 방위각으로 결정하는 단계를 포함함이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성 방법은, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단방법에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우, 자이로 또는 오 도미터로부터 물체의 방향각을 얻는 단계; 및 상기 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종 방위각을 결정하는 단계를 포함함을 특징으로 한다. 상기 물체의 방향각과 근접한 값은 수학식 21에 의해
Figure 112004004628592-pat00026
를 정의하고,
[수학식 21]
Figure 112004004628592-pat00027
(여기서,
Figure 112004004628592-pat00028
은 이전 샘플링 시간에서의 콤파스 각도 또는 물체의 방향각의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00029
는 자이로 또는 오도미터의 각속도 데이터이고,
Figure 112004004628592-pat00030
은 자이로를 사용할 경우 자이로 바이어스의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00031
는 샘플링 시간이다.)
[수학식 20]
Figure 112004004628592-pat00032
(여기서
Figure 112004004628592-pat00033
<
Figure 112004004628592-pat00034
,
Figure 112004004628592-pat00035
<
Figure 112004004628592-pat00036
이다.)
수학식 20에 의해 정해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가질 때, 상기
Figure 112004004628592-pat00037
가 상기 교집합(
Figure 112004004628592-pat00038
<
Figure 112004004628592-pat00039
<
Figure 112004004628592-pat00040
)에 속하면
Figure 112004004628592-pat00041
를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
Figure 112004004628592-pat00042
가
Figure 112004004628592-pat00043
<
Figure 112004004628592-pat00044
<
Figure 112004004628592-pat00045
에 속하면
Figure 112004004628592-pat00046
를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
Figure 112004004628592-pat00047
가
Figure 112004004628592-pat00048
<
Figure 112004004628592-pat00049
<
Figure 112004004628592-pat00050
에 속하면
Figure 112004004628592-pat00051
을 콤파스의 최종방위각으로 결정한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치는, 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설 정하는 자기장 허용범위 설정부; 콤파스가 설치된 이동물체에 있어서 상기 콤파스가 설치된 이동물체의 자기장의 크기를 계산하는 자기장산출부; 상기 자기장의 크기를 상기 소정의 허용범위에 속하는지 비교하는 자기장비교부; 및 상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기가 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단하는 지자기영역 판단부를 포함함을 특징으로 한다. 상기 자기장 허용범위 설정부는 소정의 지자기 영역에서 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(Hx)과 수직성분의 자기장(Hy)의 궤적을 구하여 상기 궤적의 최대값 및 최소값을 이용하여 진폭(Ax, Ay) 및 옵셋(Ox, Oy)을 구하는 자기장획득부; 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 후보위치로 결정하고, 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태가 아니면 콤파스의 위치를 바꿔서 후보위치가 소정 개수가 될 때까지 반복하여 소정 개수의 후보위치로 이루어지는 후보위치 조합(Q)을 생성하는 후보위치결정부; 및 상기 후보위치 조합을 구성하는 후보위치에서의 지구자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 평균과 분산을 계산하여 상기 진폭 및 옵셋의 평균과 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구하여 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 허용범위획득부를 포함함이 바람직하다. 상기 후보위치결정부는 상기 후보위치 각각에서의 지구자기장의 진폭 및 옵셋들을 비교하여 소정의 값 이상 차이가 나는 후보위치를 후보위치 조합에서 제외하는 후보위치배제부를 더 구비함이 바람직하다. 상기 자기장 허용범위 설정부 는 적어도 두 개의 콤파스에 대해, 각각 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하며, 상기 지자기영역 판단부는 상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기가 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단함이 바람직하다. 상기 지자기영역 판단부는 상기 콤파스가 두 개 일 경우, 상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단하는 제1판단부; 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하고, 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 제1유효성판단부를 포함함이 바람직하다. 상기 제1유효성판단부는 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하는 제2판단부; 및 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스 자기장 데이터로부터 콤파스 방위각의 상한과 하한을 계산하여 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판단하는 제2유효성판단부를 포함함이 바람직하다. 상기 제2유효성판단부는 두 개의 콤파스 방위각의 허용범위 구간이 서로 겹치지 않을 경우 콤파스의 지자기가 유효하지 않다고 판단하는 제3판단부; 및 상기 두 개의 콤파스 방위각 이 서로 겹칠 경우 상기 콤팟의 방위각이 유효하다고 판단하는 제3유효성판단부를 포함함이 바람직하다. 상기 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치는 상기 지자기영역 판단부의 판단 결과에 따라 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향추정에 이용할지를 결정하여 이동물체의 방향을 추정하는 진행방향추정부를 더 구비함이 바람직하다.
상술한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 이동물체의 방위각 생성장치는, 상기 콤파스를 이용한 지자기 판단장치에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우 상기 두 개의 콤파스의 방위각을 구하는 방위각산출부; 및 상기 방위각의 평균을 콤파스의 최종방위각으로 결정하는 방위각결정부를 포함함을 특징으로 한다.
상술한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 이동물체의 방위각 생성장치는, 상기 콤파스를 이용한 지자기 판단장치에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우 자이로와 오도미터로부터 물체의 방향각을 얻는 방향각산출부; 및 상기 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종방위각을 결정하는 방위각생정부를 포함함을 특징으로 한다. 상기 제2방위각결정부의 방향각과 근접한 값은 수학식 21에 의해
Figure 112004004628592-pat00052
를 정의하고,
[수학식 21]
Figure 112004004628592-pat00053
(여기서,
Figure 112004004628592-pat00054
은 이전 샘플링 시간에서의 콤파스 각도 또는 물체의 방향각의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00055
는 자이로 또는 오도미터의 각속도 데이터이고,
Figure 112004004628592-pat00056
은 자 이로 바이어스의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00057
는 샘플링 시간이다.)
[수학식 20]
Figure 112004004628592-pat00058
(여기서
Figure 112004004628592-pat00059
<
Figure 112004004628592-pat00060
,
Figure 112004004628592-pat00061
<
Figure 112004004628592-pat00062
이다.)
수학식 20에 의해 정해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가질 때, 상기
Figure 112004004628592-pat00063
가 상기 교집합(
Figure 112004004628592-pat00064
<
Figure 112004004628592-pat00065
<
Figure 112004004628592-pat00066
)에 속하면
Figure 112004004628592-pat00067
를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
Figure 112004004628592-pat00068
가
Figure 112004004628592-pat00069
<
Figure 112004004628592-pat00070
<
Figure 112004004628592-pat00071
에 속하면
Figure 112004004628592-pat00072
를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
Figure 112004004628592-pat00073
가
Figure 112004004628592-pat00074
<
Figure 112004004628592-pat00075
<
Figure 112004004628592-pat00076
에 속하면
Figure 112004004628592-pat00077
을 콤파스의 최종방위각으로 결정한다.
그리고 상기 기재된 발명을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치의 일실시예에 대한 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 자기장 허용범위 설정부(300), 자기장산출부(320), 자기장비교부(340), 지자기영역 판단부(360) 및 진행방향추정부(380)를 포함하여 이루어진다.
상기 자기장 허용범위 설정부(300)는 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정한다. 상기 자기장 허용범위 설정부(300)는 적어도 두 개의 콤파스, 바람직하게는 두 개의 콤파스에 대해 각각 유효한 지자기 영역으 로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정할 수 있다.
상기 자기장산출부(320)는 콤파스가 설치된 이동물체에 있어서 상기 콤파스가 설치된 이동물체의 자기장의 크기를 계산한다. 상기 자기장비교부(340)는 상기 자기장의 크기를 상기 소정의 허용범위에 속하는지 비교한다.
상기 지자기영역 판단부(360)는 상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기장이 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단한다. 만일 콤파스가 적어도 두 개 이상이면 비교결과 상기 자기장의 크기가 적어도 두 개의 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기가 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단한다.
도 10은 상기 콤파스가 두 개 일 경우, 상기 지자기영역 판단부(360)의 세부 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 제1판단부(1000) 및 제1유효성판단부(1010)을 포함하여 이루어진다. 상기 제1판단부(1000)는 콤파스가 두 개 일 경우, 상기 비교장 비교부(320)에서의 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단한다. 상기 제1유효성판단부(1010)는 상기 계산된 자기장의 크기가 두 개의 허용범위 내에 속하면 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하고, 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단한다.
도 11은 상기 제1유효성판단부의 세부 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 제2판단부(1100) 및 제2유효성판단부(1110)를 포함하여 이루어진다. 상기 제2판단부(1100)는 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단한다. 상기 제2유효성판단부(1110)는 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스 자기장 데이터로부터 콤파스 방위각의 상한과 하한을 계산하여 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판단한다.
도 12는 상기 제2유효성판단부의 세부 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 제3판단부(1200) 및 제3유효성판단부(1210)를 포함하여 이루어진다. 상기 제3판단부(1200)는 두 개의 콤파스 방위각의 허용범위 구간이 서로 겹치지 않을 경우 콤파스의 지자기가 유효하지 않다고 판단한다. 상기 제3유효성판단부(1210)는 상기 두 개의 콤파스 방위각의 허용범위 구간이 서로 겹칠 경우 상기 콤파스의 방위각이 유효하다고 판단한다.
상기 진행방향추정부(380)는 지자기영역 판단부(360)의 판단 결과에 따라 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향추정에 이용할지를 결정하여 이동물체의 방향을 추정한다.
도 4는 상기 자기장 허용범위 설정부(300)의 세부 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 상기 자기장 허용범위 설정부(300)는 자기장 획득부(400), 후보위치결정부(420), 후보위치배제부(440) 및 허용범위 획득부(460)를 포함하여 이루어진다.
상기 자기장획득부(400)는 소정의 지자기 영역에서 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(Hx)과 수직성분의 자기장(Hy)의 궤적을 구하여 상기 궤적의 최대값 및 최소값을 이용하여 진폭(Ax, Ay) 및 옵셋(Ox, Oy)을 구한다.
상기 후보위치결정부(420)는 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 후보위치로 결정하고, 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태와 현저하게 다르면 콤파스의 위치를 바꿔서 후보위치가 소정 개수가 될 때까지 반복하여 소정 개수의 후보위치로 이루어지는 후보위치 조합(Q)을 생성한다.
상기 후보위치배제부(440)는 상기 후보위치 각각에서의 자기장의 진폭 및 옵셋들을 비교하여 소정의 값 이상 차이가 나는 후보위치를 후보위치 조합에서 제외한다.
상기 허용범위획득부(460)는 상기 후보위치 조합을 구성하는 후보위치에서의 자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 평균과 분산을 계산하여 상기 진폭 및 옵셋의 평균과 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구하여 자기장 크기의 허용범위를 결정한다.
도 5는 기존의 지자기 영역에서의 콤파스의 회전 시 구해지는 자기센서 데이터 곡선의 진폭 및 옵셋의 크기 변동으로부터 지자기 영역의 평균 진폭, 옵셋 및 자기장 크기의 한계 값을 계산하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 상기 도 5를 참조하여 상기 자기장 허용범위 설정부(300)에서의 자기장 허용범위설정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 자기장 허용범위 설정은 오프라인(Off-line)으로 진행됨이 바람직하다. 먼저 콤파스 또는 콤파스가 장착된 물체를 지자기 구역으로 추정되는 평면상의 특정한 위치 Pi(i=1,2,.)에서 회전시켜 수평성분 및 수직성분의 자기장 데이터 Hx, Hy의 궤적을 도 6과 같이 읽어들이고 저장한다.(510단계) 상기 데이터는 컴퓨터에서 읽어들인 값이므로 이진(Binary) 양수값이다. 이 궤적은 코사인 곡선과 비슷한 형태(sinusoidal)를 가지므로, 이로부터 곡선의 최대값과 최소값(Hxmax, Hxmin, Hymax, Hymin)을 도 6과 같이 구할 수 있다. 상기 최대값과 최소값으로부터 다음과 같은 수학식 1 및 수학식 2에 의해 기준 코사인 곡선을 구하여 진폭(amplitude) Ax, Ay와 옵셋(offset) Ox, Oy를 정한다.(520단계)
Figure 112004004628592-pat00078
Figure 112004004628592-pat00079
이 식에서 ex, ey는 도 7에 나타낸 바와 같이 기준 코사인 곡선과 자기장 데이터 사이의 에러 성분으로서, 구해진 자기장 데이터의 곡선이 완전한 코사인 곡선이 아니고, 외란 자기, 측정 오차 등의 불확실성에 의해 왜곡된 코사인 곡선이 되기 때문에 발생한 성분이다.
상기 에러성분의 평균과 분산을 구하여 이 값이 소정의 값보다 작을 경우 다음 540단계로 진행하고 클 경우엔 현재의 위치 Pi가 지자기 구역이 아닌 것으로 판정하고 590단계로 진행한다.(530단계) 590단계에서는 로봇 또는 이동물체에게 다른 지자기 구역 후보위치Pi+1로 갈 것을 명령하고, 앞서의 510단계부터 다시 수행하도록 한다. 다음 지자기 구역 후보위치의 결정은 기출원된 특허 자장 이용 방법 및 장치{Method and apparatus for using magnetic field} (출원번호: P2003-0090938 )에 의하는 것이 바람직하다. 상기 소정의 값은 실험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.
현재 위치 Pi를 지자기 후보위치 집합 Q에 등록한다.(540단계) 등록된 지자기 후보 위치 집합 Q의 원소의 개수가 소정의 값 N보다 작을 경우엔 590단계로 진행하고, 클 경우엔 지자기 후보 위치 검색을 종료하고 다음의 560단계로 진행한다.(550단계)
지자기 후보 위치 집합 Q의 각 위치 Qi (i=1,N)에서의 진폭과 옵셋을 비교하여 이 중 현격히 다른 값과 큰 차이를 보이는 값을 가진 위치를 Q에서 제거한다.(560단계) 이는 도 8과 도 9의 경우를 예로 들기로 한다. 도 8에서는 각 위치의 진폭을 비교하여 가장 빈도수가 높은 위치와 근접한 영역에 있는 Q1, Q7, Q13, Q14, Q19, Q20, Q21 만이 지자기 후보 집합에 계속 남고 나머지 위치는 제거된다. 도 9에서는 각 위치의 옵셋을 비교하여 가장 빈도수가 높은 영역의 값과 현저히 다른 값을 가진 위치 Q1, Q2가 제거된다. 이 두개의 결과를 종합하여 최종 지 자기 후보 위치 Q의 집합이 정해진다. 제거하기 위한 기준은 실험에 의해 결정한다.
지자기 후보 위치 집합 Q의 각 원소들의 진폭과 옵셋의 평균 및 분산을 계산한다.(570단계)
진폭의 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구한다.(580단계) 먼저, 콤파스에서 구한 자기장 데이터 Hx, Hy와 370단계에서 구한 평균 진폭 Ax, Ay및 평균 옵셋 Ox, Oy으로부터 자기장의 크기 |H| 를 구하는 식은 다음과 같다.
Figure 112004004628592-pat00080
여기서 |HE|는 지구자기장의 크기로서 각 지역에 따라 다른 값을 가진다. 한국에서는 대략 0.3 Gauss의 값을 가지고 있으나 주변의 자성체 물질 및 측정 오차 등에 따라 다른 값을 가질 수도 있다. 또한, 상기 수학식 3에서 쓰이는 진폭 Ax, Ay와 실제 지자기영역에서의 진폭
Figure 112004004628592-pat00081
,
Figure 112004004628592-pat00082
사이에는 오차
Figure 112004004628592-pat00083
,
Figure 112004004628592-pat00084
가 존재한다. 이 오차를 고려하면 수학식 3은 다음 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112004004628592-pat00085
상기 오차의 최대값과 최소값은 수학식 5와 수학식 6의 범위에 있는 것으로 가정한다.
Figure 112004004628592-pat00086
Figure 112004004628592-pat00087
여기서
Figure 112004004628592-pat00088
는 진폭의 허용한계를 나타내는 상수로서 0과 1사이의 값을 가진다. 상기 상수를 이용하면 수학식 4로부터 다음과 같은 부등식을 얻을 수 있다.
Figure 112004004628592-pat00089
상기 수학식 7을 간단히 하면 다음과 같이 지자기 후보 위치 집합 Q가 존재한 공간에서 지자기 데이터로 믿어지는 자기장 크기의 상한과 하한의 간단한 식을 구할 수 있다.
Figure 112004004628592-pat00090
지자기 후보 위치 집합 Q의 각 위치의 옵셋의 오차는 크지 않으므로 본 설명 에서는 일단 각 위치의 진폭의 오차를 기준으로 전개하였으나, 옵셋의 경우도 쉽게 확대 적용가능하다.
이상의 도 5에 도시된 흐름도에 의한 방법 대신 지자기의 자기장 데이터를 미리 콤파스가 공장에서 출고할 때 구할 수도 있다. 그러나 이는 로봇 또는 이동물체가 속한 대상 공간의 대체적인 지자기의 경향을 반영하지 않을 수도 있으므로 상술한 도 5에서 도시한 방법이 더 정확하고 우수한 결과를 보장할 수 있다.
도 13은 도 5의 오프라인 단계에서 구한 진폭, 옵셋 및 자기장 데이터의 상하한을 이용하여 로봇 또는 물체가 작업영역에서 움직일 때 로봇 또는 물체에 장착된 콤파스가 주는 방위각이 유효한지 여부를 판단하는 방법을 도시한 것이다.
먼저 2개의 콤파스, 자이로, 오도메터로부터 신호를 읽어들인다.(1300단계) 수학식 3을 이용하여 각각의 콤파스의 자기장 데이터로부터 자기장의 크기를 계산한다.(1310단계) 수학식 8에서 구한 자기장 크기의 상하한의 범위 내에 1310단계에서 구해진 자기장의 크기가 포함되는지 여부를 검사하여, 포함되었을 경우 다음 1330단계로 진행하고, 포함되지 않았을 경우 현재 위치에서 콤파스는 유효하지 않은 것으로 최종 판정한다.(1320단계)
2개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 조사하여 소정의 값보다 클 경우엔 콤파스가 유효하지 않은 것으로 최종 판정하고, 작을 경우엔 1340단계로 진행한다.(1330단계)
콤파스 방위각의 상하한을 다음과 같은 과정으로 구한다. 먼저 콤파스 의 자기장 데이터로부터 방위각을 구하기 위한 식은 다음과 같다.(1340단계)
Figure 112004004628592-pat00091
여기서 i는 콤파스의 번호로서 이 실시예에서는 1,2의 값을 가진다. 현재 콤파스가 부착된 물체 또는 로봇이 위치하고 있는 영역이 지자기 영역이라면 다음의 부등식이 성립한다.
Figure 112004004628592-pat00092
Figure 112004004628592-pat00093
이 2개의 부등식을 결합하면 다음과 같다.
Figure 112004004628592-pat00094
이 식을 다시 정리하여 실제 지자기 구역에서의 실제 진폭값 비율의 상한과 하한을 구하면 다음과 같다.
Figure 112004004628592-pat00095
다음과 같이
Figure 112004004628592-pat00096
를 정의한다.
Figure 112004004628592-pat00097
그러면, 콤파스의 방위각은 지자기구역에서의 자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 참값을 써야하므로, 다음 식과 같이 구해진다.
Figure 112004004628592-pat00098
그러나, 자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 참값은 정확하게 알려져 있지 않은 값이므로, 콤파스 방위각의 참값 역시 정확하게 알려져 있지않고 그 범위만이 다음 식과 같이 구해 질 수 있다.
만약
Figure 112004004628592-pat00099
또는
Figure 112004004628592-pat00100
이 성립할 경우
Figure 112004004628592-pat00101
이고 이로부터 다음 식이 얻어진다.
Figure 112004004628592-pat00102
만약
Figure 112004004628592-pat00103
또는
Figure 112004004628592-pat00104
이 성립할 경우
Figure 112004004628592-pat00105
이고 이로부터 다음 식이 얻어진다.
Figure 112004004628592-pat00106
수학식 17 및 수학식 19를 간단히 하면 다음과 같다.
Figure 112004004628592-pat00107
상기 구해진 2개의 콤파스 방위각의 상하한으로부터 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판정한다.(1350단계) 도 14와 같이 수학식 20에서 정해진 2개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가지지 않을 경우 콤파스가 지자기 구간에 있을 가능성이 낮으므로 지자기 구간에 있지 않은 것으로, 즉 콤파스가 유효하지 않은 것으로 최종 판정한다. 도 15와 같이 이 구간이 서로 교집합을 가질 경우 다음 1360단계로 진행하여 콤파스의 방위각을 구한다.
도 16은 콤파스가 두 개일 경우, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단방법을 이용한 물체의 방위각 생성장치의 일실시예의 구성을 블록도로 도 시한 것으로서, 방위각산출부(1600) 및 방위각결정부(1610)을 포함하여 이루어진다. 상기 방위각 산출부(1600)는 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단되면, 상기 두 개의 콤파스의 방위각을 구한다. 상기 방위각 결정부(1610)는 상기 방위각의 평균을 콤파스의 최종 방위각으로 결정한다.
도 17은 콤파스가 두 개일 경우, 상술한 본 발명에 의한 콤파스를 이용한 지자기 판단방법을 이용한 물체의 방위각 생성장치의 다른 실시예의 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 방향각산출부(1700) 및 방위각생성부(1710)을 포함하여 이루어진다. 상기 방향각 산출부(1700)는 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단되면, 자이로와 오도미터로부터 물체의 방향각을 얻는다. 상기 방위각 생성부(1710)는 상기 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종방위각을 결정한다.
한편 콤파스의 최종 방위각은 도 16, 17에 도시된 바와 같이 2개의 콤파스의 방위각의 소정의 평균을 취해 결정하거나 자이로와 오도미터로부터 얻은 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종 방위각을 결정함이 바람직하다.(1360단계) 상기 소정의 평균은 산술평균, 기하평균, 조화평균, 확률분포를 고려한 평균등 상황에 따라 적절히 선택된다.
자이로와 오도미터로부터 얻은 물체의 방향각과 근접한 상기 값을 계산하기 위해 다음 각도를 정의한다.
Figure 112004004628592-pat00108
단,
Figure 112004004628592-pat00109
은 이전 샘플링 시간에서의 콤파스 각도 또는 물체의 방향각의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00110
는 자이로 또는 오도미터의 각속도 데이터이고,
Figure 112004004628592-pat00111
은 자이로를 쓸 경우 자이로 바이어스의 추정값이고,
Figure 112004004628592-pat00112
는 샘플링 시간이다.
Figure 112004004628592-pat00113
가 도 15의 A에 속하면
Figure 112004004628592-pat00114
를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, B에 속하면 theta _CL2를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, C에 속하면 theta _CL1을 콤파스의 최종방위각으로 결정한다.
상술한 바와 같이 콤파스의 방위각이 유효하다고 판단할 경우 상기에서 구한 콤파스의 최종방위각을 이용하여 도 18과 같이 칼만필터의 측정입력으로 채택하면 물체의 방향을 가장 최적으로 추정할 수 있다. 또한 콤파스의 정보가 유효하지 않다고 판단할 경우 자이로와 오도미터의 각속도를 비교하여, 그 차이가 소정의 값보다 작을 경우 오도미터로부터 구한 방향을 측정입력으로 채택한 칼만필터를 이용하여 최적의 진행방향을 추정하거나, 상기 차이가 소정의 값보다 작지 않을 경우 자이로의 각속도를 적분하여 진행방향을 추정할 수 있다.
본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터(정보 처리 기능을 갖는 장치를 모두 포함한다)가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 지자기 판단 방법/장치 및 콤파스 방위각 생성 방법/장치는 외란 자기장에 의해 지구자기장이 왜곡되어 콤파스의 방위각이 잘못 표시될 경우에도 이를 정확히 판단할 수 있으므로, 유효한 콤파스 방위각의 획득을 가능하게 한다.
기존의 지자기 판단방법은 지자기 크기와 단순히 비교하여 판단하므로 자기장의 크기가 잘못 계산될 가능성을 고려하지 않아 오류를 발생할 가능성이 있으나, 본 발명은 콤파스 데이터의 변동량을 고려하여 자기장 크기의 허용범위를 결정하므로 자기장의 크기가 잘못 계산될 가능성을 최소한으로 줄일 수 있다.
또한 기존의 지자기 크기와 단순히 비교하는 방법은 -우연히 지자기 크기와 같은 크기의 외란 자기장을 지자기로 오인할 가능성이 있으나, 본 발명에서와 같이 여러 개의 콤파스를 사용하여 각각의 콤파스 방위각의 허용범위가 서로 중첩될 경우에만 지자기로 판단하면 외란 자기장을 지자기로 오인할 가능성을 최소한으로 줄일 수 있다.
이상과 같이 얻은 정확한 콤파스 방위각을 최종적으로 자이로, 오도미터와의 센서퓨전에 투입하면, 단기간에는 정확한 값을 가진 자이로 또는 오도미터의 각속 도 데이터를 추가로 이용하므로 우연히 외란 자기장이 위의 모든 조건을 만족할 경우에도 지자기가 아님을 판단할 수 있다. 본 발명에 의해 지자기 여부를 정확하게 판단할 수 있으므로, 콤파스의 이동 로봇 및 차량의 제어 응용이 가능해지는 효과도 얻을 수 있다. 본 발명은 콤파스의 유효성을 판정하기 위한 규칙을 더욱 정확하게 만듦으로써 기존의 규칙기반 칼만필터의 성능을 개선한 효과를 가져온다.
본 발명은 Yaw Angle을 효과적으로 구할 수 있게 함으로써, 3D 각도 정보를 견실하게 제공해주므로, 절대 위치 및 자세 추정이 필요한 모든 분야에 적용 할 수 있다. 적용가능 분야는 자율주행, 지능형 차량(Intelligent Vehicle), 차량항법(Car Navigation), 의료 로봇(Medical Robot), VR, Entertainment, 무인 비행기, 개인 항법(Personal Navigation) 등이 있다.

Claims (23)

  1. 삭제
  2. (aa) 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계;
    (bb) 콤파스를 이용하여 지자기의 유효성 판단 대상 구역에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및
    (cc) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위 내이면 유효한 지자기 영역으로 판단하고, 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 하고,
    상기 (aa)단계는
    (a1) 소정의 지자기 영역에서 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(Hx)과 수직성분의 자기장(Hy)의 궤적을 구하는 단계;
    (a2) 상기 수평성분 자기장 및 수직성분 자기장 궤적의 최대값 및 최소값을 이용하여 진폭(Ax, Ay) 및 옵셋(Ox, Oy)을 구하는 단계;
    (a3) 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 후보위치로 결정하고, 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태와 현지히 다르면 콤파스의 위치를 바꿔서 상기 (a1)단계부터 다시 수행하는 단계;
    (a4) 상기 (a1)단계 내지 (a3)단계를 후보위치가 소정 개수가 될 때까지 반복하여 소정 개수의 후보위치로 이루어지는 후보위치 조합(Q)을 생성하는 단계;
    (a5) 상기 후보위치 조합을 구성하는 후보위치에서의 지구자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 평균과 분산을 계산하는 단계; 및
    (a6) 상기 진폭 및 옵셋의 평균과 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구하여 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (a4)단계는
    상기 후보위치 각각에서의 지구자기장의 진폭 및 옵셋들을 비교하여 소정의 값 이상 차이가 나는 후보위치를 후보위치 조합에서 제외하는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (a6)단계의 상한과 하한은
    상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계에서 구한 Hx, Hy와 평균 진폭 Ax, Ay 및 평균 옵셋 Ox, Oy로부터 수학식 3에 의해 자기장의 크기를 구하는 단계;
    [수학식 3]
    Figure 112004004628592-pat00115
    (여기서, |HE|는 지구자기장의 크기이다.)
    상기 진폭 Ax, Ay 와 실제 지자기 영역에서의 진폭
    Figure 112004004628592-pat00116
    ,
    Figure 112004004628592-pat00117
    사이에 존재하는 오차
    Figure 112004004628592-pat00118
    ,
    Figure 112004004628592-pat00119
    를 고려하여 상기 수학식 3을 수학식 4로 변환하는 단계;
    [수학식 4]
    Figure 112004004628592-pat00120
    상기 오차
    Figure 112004004628592-pat00121
    ,
    Figure 112004004628592-pat00122
    의 범위를 수학식 5와 수학식 6으로 가정할 때,
    [수학식 5]
    Figure 112004004628592-pat00123
    [수학식 6]
    Figure 112004004628592-pat00124
    (여기서
    Figure 112004004628592-pat00125
    는 진폭의 허용한계를 나타내는 상수로서 0과 1사이의 값을 가진다.)
    상기
    Figure 112004004628592-pat00126
    를 이용하여 수학식 4를 수학식 7로 변환하는 단계; 및
    [수학식 7]
    Figure 112004004628592-pat00127
    상기 수학식 7을 수학식 8로 변환하는
    [수학식 8]
    Figure 112004004628592-pat00128
    단계에 의해 구함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 (aa)단계는
    유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 콤파스가 제조될 때 구하여 설정함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  6. (a) 적어도 두 개의 콤파스에 대해, 각각 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 단계;
    (b) 적어도 두 개의 콤파스를 이용하여 지자기의 판단 대상 구역에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계;
    (c) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 외란 자기가 가해지는 것으로 판단하는 단계; 및
    (d) 상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 적어도 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계;
    (e) 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스 자기장 데이터로부터 콤파스 방위각의 상한과 하한을 계산하는 단계;
    (f) 상기 두 개의 콤파스 방위각의 상한과 하한으로부터 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 (e)단계의 상한과 하한은
    콤파스의 자기장 데이터로부터 수학식 9에 의해 콤파스의 방위각을 구하는 단계;
    [수학식 9]
    Figure 112005048018910-pat00129
    (여기서 i는 콤파스의 번호로서 1과 2 의 값을 가짐)
    현재 콤파스가 부착된 물체 또는 로봇이 위치하고 있는 영역이 지자기 영역이라면 지자기 구역에서의 진폭값 비율의 상한과 하한을 수학식 13에 의해 구하는 단계;
    [수학식 13]
    수학식 14와 같이
    Figure 112005048018910-pat00131
    를 정의할 때,
    [수학식 14]
    Figure 112005048018910-pat00132
    만약
    Figure 112005048018910-pat00133
    또는
    Figure 112005048018910-pat00134
    이 성립할 경우 수학식 17을 얻는 단계;
    [수학식 17]
    Figure 112005048018910-pat00135
    만약
    Figure 112005048018910-pat00136
    또는
    Figure 112005048018910-pat00137
    이 성립할 경우 수학식 19를 얻는 단계; 및
    [수학식 19]
    Figure 112005048018910-pat00138
    상기 수학식 17 및 수학식 19를 수학식 20과 같이 변환하여
    [수학식 20]
    Figure 112005048018910-pat00139
    콤파스 방위각의 상한과 하한을 구하는 단계에 의해 결정함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 (f)단계는
    상기 수학식 20에 의해 구해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가지지 않을 경우 콤파스의 지자기가 유효하지 않은 것으로 판단하고, 두 개의 콤파스 방위각이 서로 교집합을 가질 경우 콤파스의 방위각이 유효하다고 판단함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 방법.
  11. 제6항의 방법에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우, 상기 두 개의 콤파스의 방위각을 각각 구하는 단계; 및
    상기 두 개의 방위각의 소정의 평균을 콤파스의 최종 방위각으로 결정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성 방법.
  12. 제6항의 방법에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우, 자이로와 오도미터로부터 물체의 방향각을 얻는 단계; 및
    상기 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종 방위각을 결정하는 단계를 포함함을 특징으로 하고,
    상기 물체의 방향각과 근접한 값은
    수학식 21에 의해
    Figure 112006003401008-pat00140
    를 정의하고,
    [수학식 21]
    Figure 112006003401008-pat00141
    (여기서,
    Figure 112006003401008-pat00142
    은 이전 샘플링 시간에서의 콤파스 각도 또는 물체의 방향각의 추정값이고,
    Figure 112006003401008-pat00143
    는 자이로 또는 오도미터의 각속도 데이터이고,
    Figure 112006003401008-pat00144
    은 자이로를 쓸 경우 자이로 바이어스의 추정값이고,
    Figure 112006003401008-pat00145
    는 샘플링 시간이다.)
    수학식 20에 의해 정해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가질 때,
    [수학식 20]
    Figure 112006003401008-pat00146
    (여기서
    Figure 112006003401008-pat00147
    <
    Figure 112006003401008-pat00148
    ,
    Figure 112006003401008-pat00149
    <
    Figure 112006003401008-pat00150
    )
    상기
    Figure 112006003401008-pat00151
    가 상기 교집합(
    Figure 112006003401008-pat00152
    <
    Figure 112006003401008-pat00153
    <
    Figure 112006003401008-pat00154
    )에 속하면
    Figure 112006003401008-pat00155
    를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
    Figure 112006003401008-pat00156
    가
    Figure 112006003401008-pat00157
    <
    Figure 112006003401008-pat00158
    <
    Figure 112006003401008-pat00159
    에 속하면
    Figure 112006003401008-pat00160
    를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
    Figure 112006003401008-pat00161
    가
    Figure 112006003401008-pat00162
    <
    Figure 112006003401008-pat00163
    <
    Figure 112006003401008-pat00164
    에 속하면
    Figure 112006003401008-pat00165
    을 콤파스의 최종방위각으로 결정하는, 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성 방법.
  13. 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 자기장 허용범위 설정부;
    콤파스가 설치된 이동물체에 있어서 상기 콤파스가 설치된 이동물체의 자기장의 크기를 계산하는 자기장산출부;
    상기 자기장의 크기를 상기 소정의 허용범위에 속하는지 비교하는 자기장비교부; 및
    상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기가 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 상기 허용범위를 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단하는 지자기영역 판단부를 포함함을 특징으로 하고,
    상기 자기장 허용범위 설정부는
    소정의 지자기 영역에서 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(Hx)과 수직성분의 자기장(Hy)의 궤적을 구하여 상기 궤적의 최대값 및 최소값을 이용하여 진폭(Ax, Ay) 및 옵셋(Ox, Oy)을 구하는 자기장획득부;
    상기 자기장 궤적이 사인함수 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 후보위치로 결정하고, 상기 자기장 궤적이 사인함수 형태가 아니면 콤파스의 위치를 바꿔서 후보위치가 소정 개수가 될 때까지 반복하여 소정 개수의 후보위치로 이루어지는 후보위치 조합(Q)을 생성하는 후보위치결정부; 및
    상기 후보위치 조합을 구성하는 후보위치에서의 지구자기장 데이터의 진폭 및 옵셋의 평균과 분산을 계산하여 상기 진폭 및 옵셋의 평균과 분산으로부터 지자기 크기의 상한과 하한을 구하여 자기장 크기의 허용범위를 결정하는 허용범위획득부를 포함하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 상기 후보위치결정부는
    상기 후보위치 각각에서의 지구자기장의 진폭 및 옵셋들을 비교하여 소정의 값 이상 차이가 나는 후보위치를 후보위치 조합에서 제외하는 후보위치배제부를 더 구비함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  16. 적어도 두 개의 콤파스에 대해, 각각 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 허용범위를 설정하는 자기장 허용범위 설정부;
    콤파스가 설치된 이동물체에 있어서 상기 콤파스가 설치된 이동물체의 자기장의 크기를 계산하는 자기장산출부;
    상기 자기장의 크기를 상기 소정의 허용범위에 속하는지 비교하는 자기장비교부; 및
    상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 내에 속하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기가 작용하는 영역에 속했다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단하는 지자기영역 판단부를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 지자기영역 판단부는
    상기 콤파스가 두 개 일 경우, 상기 비교 결과 상기 자기장의 크기가 상기 적어도 두 개의 허용범위 중 어느 하나라도 벗어나면 이동물체가 존재하는 지점이 외란자기가 가해지는 것으로 판단하는 제1판단부;
    상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하고, 상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 제1유효성판단부를 포함함을 특징으로하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1유효성판단부는
    상기 계산된 자기장의 크기가 상기 두 개의 허용범위 내에 속하면 상기 두 개의 콤파스의 자기장 크기의 차이를 구하여 소정의 값보다 클 경우 콤파스의 자기장이 유효하지 않다고 판단하는 제2판단부; 및
    상기 자기장 크기의 차이가 소정의 값보다 작을 경우 콤파스 자기장 데이터로부터 콤파스 방위각의 상한과 하한을 계산하여 콤파스 방위각의 유효성 여부를 판단하는 제2유효성판단부를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2유효성판단부는
    두 개의 콤파스 방위각의 허용범위 구간이 서로 겹치지 않을 경우 콤파스의 지자기가 유효하지 않다고 판단하는 제3판단부; 및
    상기 두 개의 콤파스 방위각이 서로 겹칠 경우 상기 콤팟의 방위각이 유효하다고 판단하는 제3유효성판단부를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 지자기영역 판단부의 판단 결과에 따라 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향추정에 이용할지를 결정하여 이동물체의 방향을 추정하는 진행방향추정부를 더 구비함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 지자기 판단 장치.
  21. 청구항 13항 또는 제16항에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우 상기 두 개의 콤파스의 방위각을 구하는 방위각산출부; 및
    상기 방위각의 평균을 콤파스의 최종방위각으로 결정하는 방위각결정부를 포함함을 특징으로 하는 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성장치.
  22. 청구항 13항 또는 제16항에 의해 두 개의 콤파스의 지자기가 유효하다고 판단하는 경우 자이로와 오도미터로부터 물체의 방향각을 얻는 방향각산출부; 및
    상기 물체의 방향각과 근접한 값으로 콤파스의 최종방위각을 결정하는 방위각생정부를 포함함을 특징으로 하고,
    상기 제2방위각결정부의 방향각과 근접한 값은
    수학식 21에 의해
    Figure 112005048018910-pat00166
    를 정의하고,
    [수학식 21]
    Figure 112005048018910-pat00167
    (여기서,
    Figure 112005048018910-pat00168
    은 이전 샘플링 시간에서의 콤파스 각도 또는 물체의 방향각의 추정값이고,
    Figure 112005048018910-pat00169
    는 자이로 또는 오도미터의 각속도 데이터이고,
    Figure 112005048018910-pat00170
    은 자이로를 쓸 경우 자이로 바이어스의 추정값이고,
    Figure 112005048018910-pat00171
    는 샘플링 시간이다.)
    수학식 20에 의해 정해진 두 개의 콤파스 방위각의 구간이 서로 교집합을 가질 때,
    [수학식 20]
    Figure 112005048018910-pat00172
    (여기서
    Figure 112005048018910-pat00173
    <
    Figure 112005048018910-pat00174
    ,
    Figure 112005048018910-pat00175
    <
    Figure 112005048018910-pat00176
    이다.)
    상기
    Figure 112005048018910-pat00177
    가 상기 교집합(
    Figure 112005048018910-pat00178
    <
    Figure 112005048018910-pat00179
    <
    Figure 112005048018910-pat00180
    )에 속하면
    Figure 112005048018910-pat00181
    를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
    Figure 112005048018910-pat00182
    가
    Figure 112005048018910-pat00183
    <
    Figure 112005048018910-pat00184
    <
    Figure 112005048018910-pat00185
    에 속하면
    Figure 112005048018910-pat00186
    를 콤파스의 최종 방위각으로 결정하고, 상기
    Figure 112005048018910-pat00187
    가
    Figure 112005048018910-pat00188
    <
    Figure 112005048018910-pat00189
    <
    Figure 112005048018910-pat00190
    에 속하면
    Figure 112005048018910-pat00191
    을 콤파스의 최종방위각으로 결정하는, 콤파스를 이용한 물체의 방위각 생성 장치.
  23. 제2항 내지 제6항 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 발명을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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