KR100585499B1 - 2축 지자기 센서 및 2축 가속도 센서를 이용한 방위각측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출수단, 2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기를 검출하는 지자기 검출수단, 몸체좌표계와 고정좌표계의 관계에 의해 가속도 검출수단에서 측정한 가속도값으로부터 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 연산하는 경사각 연산부, 경사각 연산부에서 연산한 경사각의 sin, cos 값과 지자기 검출수단에서 측정한 지자기값으로부터 고정좌표계에서의 Z 방향 지자기 Hz를 추정하는 Hz 추정부, 및 Hz 추정부에서 추정한 Hz, 지자기 검출수단에서 측정한 지자기값, 및 경사각 연산부에서 연산한 경사각의 sin, cos 값으로부터 몸체좌표계에서의 z방향 지자기 hz를 구하고, hz, 지자기값, 경사각의 sin, cos 값으로부터 방위각을 연산하는 방위각 연산부를 구비하여, 3차원 공간상에서 움직이는 물체의 방위각을 2축의 지자기 센서와 2축의 가속도 센서를 이용하여 구하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

방위각, 2축 지자기 센서, Hz 추정

Description

2축 지자기 센서 및 2축 가속도 센서를 이용한 방위각 측정장치 및 측정방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING AZIMUTH ANGLE USING 2-AXIS MAGNETIC SENSOR AND 2-AXIS ACCELERATION SENSOR}

도 1은 본 발명에 따른 방위각 측정장치의 개략적인 블록도이고,

도 2는 고정좌표계에서의 지자기 세기를 설명하기 위한 설명도이고,

도 3은 방위각을 측정하고자 하는 기기의 몸체좌표계를 설명하기 위한 설명도이고,

도 4는 z축 회전(Yaw)을 설명하기 위한 설명도이고,

도 5는 x축 회전(Roll)을 설명하기 위한 설명도이고,

도 6은 y축 회전(Pitch)을 설명하기 위한 설명도이고,

도 7은 본 발명에 따른 방위각 측정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 가속도 검출수단 2 : 지자기 검출수단

10 : 방위각 연산처리수단 11 : 경사각 연산부

12 : Hz 추정부 13 : 방위각 연산부

14 : 메모리 15 : 통신부

20 : 기기

본 발명은 3차원 공간에서 물체의 방위각을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 2축의 지자기 센서와 2축의 가속도 센서를 이용한 방위각 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

종래에는 3차원 공간에서 물체가 지표면과 기울기를 형성하는 경우에 정확한 방위각을 측정하기 위해서 3축의 지자기 검출수단과 2축의 가속도 검출수단을 이용하였다. 그러나, 3축의 지자기 검출수단을 이용하기 위해서는 각 축을 구성하는 지자기 검출수단이 서로 직교를 이루어야 하므로, 차지하는 부피가 커지게 되는 단점이 있고 또한 생산 비용도 증가하게 된다. 상세하게는, 평면에 배치되는 2축의 지자기 검출수단과 직교하도록, 다른 1축의 지자기 검출수단을 배치해야 하기 때문에, 이 1축 지자기 검출수단의 넓이만큼 지자기 검출부의 높이가 증가하여 소형화가 요구되는 기기에는 적용하기가 어렵다.

반면에, 2축의 지자기 검출수단을 이용하는 경우에는, 지자기 검출수단이 장착된 기기가 수평면에 대하여 기울기를 가지는 경우에 정확한 방위각을 측정할 수 없고, 수평인 경우에만 정확한 방위각을 측정할 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 2축의 지자기 검출수단은 수평 유지가 확보되는 기기에만 적용할 수 있다. 예를 들어, 자동차가 진행하는 방향의 방위각을 기존의 2축 지자기 검출수단을 이용해 측정하고자 하는 경우에, 자동차가 대략 평지에서 운행할 때만 방위각을 비교 적 정확히 측정할 수 있다. 그러나, 경사가 어느 정도 존재하는 비탈길을 자동차가 운행하는 경우에는 정확한 방위각을 측정하는 것이 어렵게 된다.

그리고, 소형화가 요구되면서 기울기가 일정하지 않은 기기, 예를 들어 이동전화 등의 모바일 기기에 방위각 측정장치를 적용하는 경우에 종래의 3축 지자기 검출수단을 채택하면 상술한 바와 같이 부피의 증가로 인하여 소형화가 어렵게 된다. 또한, 모바일 기기의 경우에 기울기가 일정하지 않기 때문에 종래의 2축 지자기 검출수단을 채택하면 정확한 방위각을 연속적으로 측정하기 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 2축의 가속도 검출수단 및 2축의 지자기 검출수단을 활용하여 수평이 유지되지 않는 상태에서도 정확한 방위각을 측정할 수 있고, 지자기 검출수단의 평면 배치를 통해 소형화가 가능하며 지자기 검출수단의 개수를 줄임으로써 생산 원가와 생산 비용을 줄이고 소비전력을 감소시키는 방위각 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 3차원 공간상에서 움직이는 물체의 방위각을 2축의 지자기 센서와 2축의 가속도 센서를 이용하여 구하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방위각 측정장치는, 2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출수단; 2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기를 검출하는 지자기 검출수단; 몸체좌표계와 고정좌표계의 관계에 의해 가속도 검출수단에서 측정한 가속도값으로부 터 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 연산하는 경사각 연산부; 경사각 연산부에서 연산한 경사각의 sin, cos 값과 지자기 검출수단에서 측정한 지자기값으로부터 고정좌표계에서의 Z 방향 지자기 Hz를 추정하는 Hz 추정부; 및 Hz 추정부에서 추정한 Hz, 지자기 검출수단에서 측정한 지자기값, 및 경사각 연산부에서 연산한 경사각의 sin, cos 값으로부터 몸체좌표계에서의 z방향 지자기 hz를 구하고, hz, 지자기값, 경사각의 sin, cos 값으로부터 방위각을 연산하는 방위각 연산부를 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 방위각 측정방법은, 2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출단계; 2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기를 검출하는 지자기 검출단계; 몸체좌표계와 고정좌표계의 관계에 의해 가속도 검출단계에서 측정한 가속도값으로부터 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 연산하는 경사각 연산단계; 경사각 연산단계에서 연산한 경사각의 sin, cos 값과 지자기 검출단계에서 측정한 지자기값으로부터 고정좌표계에서의 Z 방향 지자기 Hz를 추정하는 Hz 추정단계; 및 Hz 추정단계에서 추정한 Hz, 지자기 검출단계에서 측정한 지자기값, 및 경사각 연산단계에서 연산한 경사각의 sin, cos 값으로부터 몸체좌표계에서의 z방향 지자기 hz를 구하고, hz, 지자기값, 경사각의 sin, cos 값으로부터 방위각을 연산하는 방위각 연산단계를 포함한다.

도면을 참조하여 본 발명의 방위각 측정장치 및 측정방법에 대해 상세하게 설명한다. 우선, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 방위각 측정장치의 기본적인 측정원리를 설명한다.

도 2는 고정좌표계에서의 지자기 세기를 설명하기 위한 설명도이다. 3차원 공간 내에서 북쪽(X축), 동쪽(Y축) 및 지구 중심방향(Z축)을 기준으로 하는 고정좌표계(XYZ 좌표계 또는 NED(North-East Down) 좌표계)에 대해 지자기 벡터가 파선으로 도시되어 있다. 본 도에서는 지자기 벡터가 XZ 평면의 X축에서 β만큼 기울어져 있고, 이 때 고정좌표계에서 지자기 벡터의 X축 성분을 Hx, Z축 성분을 Hz로 한다.

도 3은 방위각을 측정하고자 하는 기기(20)의 몸체좌표계를 설명하기 위한 설명도이다. 기기(20)의 정면 방향(x축), 우측 방향(y축), 아래 방향(z축)을 기준으로 하는 몸체 좌표계를 도시하고 있다. 이 때, 도 2에 도시한 지자기 벡터의 몸체 좌표계에서의 x, y, z축 성분을 각각 hx, hy, hz로 표시한다.

도 4 내지 도 6을 참조하여 도 2에 나타낸 고정좌표계인 XYZ 좌표계와 도 3에 나타낸 몸체좌표계인 xyz 좌표계의 관계를 설명한다. 몸체좌표계인 xyz 좌표계는 고정좌표계인 XYZ 좌표계와 일치하는 것으로부터, 우선 기기(20)가 고정좌표계의 Z축을 중심으로 α(방위각, Yaw 각) 만큼 회전한 후(도 4), 회전된 x'y'z' 좌표계의 x'축을 중심으로 θ(Roll 각) 만큼 회전하고(도 5), 회전된 x''y''z'' 좌표계의 y''축을 중심으로 φ(Pitch 각) 만큼 회전하여(도 6), 몸체좌표계인 xyz 좌표계를 구성한다.

한편, XYZ 좌표계에서의 중력가속도 벡터는 Z축이 지구 중심방향과 일치하기 때문에 [0, 0, g]^T로 표현할 수 있고, 여기에서 g는 중력 가속도의 크기를 나타낸 다. 또한, 기기가 회전한 경우 몸체좌표계에서의 중력가속도 벡터를 [g_x, g_y, g_z ]^T 로 나타내도록 한다.

고정좌표계에서의 지자기 벡터의 성분인 Hx, Hy, Hz와 중력 가속도의 크기 g는 고정된 위치에서는 변하지 않는 값이며, 지역이나 위치에 따라 약간씩 차이가 있다.

본 발명에 따른 방위각 측정장치의 개략적인 블록도를 나타내는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 방위각 측정장치의 동작 원리에 대해서 설명한다. 본 발명에 따른 방위각 측정장치는, 가속도를 측정하는 가속도 검출수단(1), 지자기를 측정하는 지자기 검출수단(2), 및 가속도값과 지자기값을 이용하여 방위각을 구하고 이를 처리하는 방위각 연산처리수단(10)을 구비한다. 방위각 연산처리수단(10)은 경사각 연산부(11), Hz 추정부(12), 방위각 연산부(13), 메모리(14), 및 통신부(15)를 구비하며, 경사각 연산부(11), Hz 추정부(12), 및 방위각 연산부(13)는 설명을 위하여 별개로 도시되어 있지만 실제로는 연산을 행할 수 있는 마이크로 프로세서 등에 통합되어 구현될 수 있다. 또한, 메모리(14)는 연산을 행하기 위한 설정값과 데이터 등을 기억하기 위한 것이고, 통신부(15)는 외부 회로로부터 명령 또는 데이터를 전송받거나 본 발명에 따라 구한 방위각 데이터 등을 외부 회로로 전송하기 위한 것이다. 메모리(14) 및 통신부(15)도 마이크로 프로세서 등에 통합될 수 있고 별도로 구현되어 회로접속하는 것도 가능하다.

우선, 가속도 검출수단(1)에서 출력되는 중력가속도 측정값 g_x, g_y를 이용하여 경사각 연산부(11)에서 롤각 θ(도 5 참조)와 피치각 Φ(도 6 참조)의 sin값, cos값을 구한다.

가속도 검출수단(1)은 2축의 가속도 센서를 구비하여 몸체좌표계에서의 2축의 가속도값에 해당하는 g_x, g_y를 출력한다. 2축의 가속도 센서는 서로 직교하는 것이 바람직하다. 2축의 가속도 센서의 출력은 일반적으로 아날로그 값이므로 디지털 연산을 위하여, 가속도 검출수단(1)은 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기를 구비하거나, 집적회로 칩 형태의 가속도 센서의 경우에 A/D 변환기를 내장하여 직접 디지털 값을 출력하기도 한다. 또한, 아날로그 입력단자를 구비하는 마이크로 프로세서 등을 이용하여 디지털 연산을 행하는 경우 자체적으로 A/D 변환기를 구비하므로 가속도 센서의 아날로그 출력을 마이크로 프로세서 등의 아날로그 입력단자에 직접 연결할 수도 있다. 즉, 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하기 위한 A/D 변환기의 배치는 당업자라면 회로의 구성에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

경사각 연산부(11)에서 롤각 θ와 피치각 Φ의 sin값, cos값을 구하는 방법을 상세하게 설명하도록 한다. 이는, 가속도 검출수단(1)의 측정값 g_x, g_y 및 식 (1)에 나타난 몸체좌표계와 XYZ 좌표계의 관계를 이용해서 구한다.

…(1)

식 (1)에 의해서 XYZ 좌표계의 중력가속도 벡터 [0 0 g]^T 가 몸체좌표계의 중력가속도 벡터 [g_x g_y g_z]^T 로 변환된다. 여기에서

는 좌표계가 z축을 중심으로 α만큼 회전한 것을 나타내며(도 4 참조),

는 좌표계가 x축을 중심으로 θ만큼 회전한 것을 나타내고(도 5 참조),

는 y축을 중심으로 Φ만큼 회전한 것을 나타내며(도 6 참조) 각각 식 (2) 내지 식 (4)의 행렬로 주어진다.

…(2)

…(3)

…(4)

식 (2) 내지 식 (4)를 이용하여 식 (1)을 정리하면 다음의 식 (5)와 같이 주어진다.

…(5)

식 (5)의 제1행과 제2행의 등식을 이용하면, 아래의 식 (6) 내지 식 (11)에 따라 롤각 θ와 피치각 φ의 sin 값, cos 값을 구할 수 있게 된다.

…(6)

…(7)

…(8)

…(9)

…(10)

…(11)

상술한 바와 같이, 가속도 검출수단(1)에서 측정한 g_x와 g_y를 이용하여 식 (7), (8), (10) 및 (11)에 따라 경사각 연산부(11)에서 sinθ, cosθ, sinφ, cosφ를 구한다. 롤각 θ와 피치각 φ값을 직접 구한 후, sin 값, cos 값을 구하는 삼각함수 연산을 행할 수도 있지만, 상술한 방법으로 롤각 θ와 피치각 φ의 sin 값, cos 값을 직접 구하게 되면, sin, cos 함수의 연산을 위한 메모리 사용량과 연산시간을 감소시킬 수 있게 된다.

다음으로, 지자기 검출수단(2)에서 출력되는 지자기 측정값 hx, hy와 경사각 연산부(11)에서 구한 sinθ, cosθ, sinφ, cosφ를 이용하여 Hz 추정부(12)에서 고정좌표계에서의 Z축 지자기 성분 Hz를 추정한다.

지자기 검출수단(2)은 2축의 지자기 센서를 구비하여 몸체좌표계에서의 2축의 지자기값에 해당하는 hx, hy를 출력한다. 2축의 지자기 센서는 서로 직교하는 것이 바람직하다. 2축의 지자기 센서의 출력은 일반적으로 아날로그 값이므로 디지털 연산을 위하여 A/D 변환이 필요한데, 상술한 바와 같이 당업자라면 A/D 변환기는 회로의 구성에 따라 적절하게 배치할 수 있다.

Hz 추정부(12)에서 Hz를 추정하는 방법을 식 (12) 내지 (21)을 참조하여 이하에서 설명한다. 먼저, 식 (1)과 동일한 방법으로 몸체좌표계의 지자기 벡터 [hx hy hz]^T 와 고정좌표계의 지자기 벡터 [Hx 0 Hz]^T 의 관계가 식 (12)에 나타나 있다.

…(12)

식 (2) 내지 식 (4)를 이용하여 식 (12)를 정리하면 다음과 같다.

…(13)

식 (13)의 우변에서 알고 있는 성분( θ와 φ값의 sin 값 및 cos 값 )과 모르는 성분( Hx, Hz, α)을 구분하여 정리하면 식 (14)와 같다.

…(14)

hz는 2축으로 구성되는 지자기 검출수단(2)에서 직접 측정되지 않는 값이므로 식 (14)에서 hz와 관련된 3행을 제거하면 식 (15)와 같다.

…(15)

식 (15)는 다음의 식 (16)과 같은 선형 측정 방정식의 꼴로 나타낼 수 있다.

…(16)

여기에서

를 나타낸다. 이 식에서 첨자 "T"는 전치 행렬을 나타낸다. 이 때, hx, hy 값은 지자기 검출수단(2)에 의해 검출되는 값이고, θ와 φ값의 sin 값 및 cos 값은 가속도 검출수단(1)의 측정값을 이용하여 경사각 연산부(11)에서 구할 수 있는 값이므로, 지자기 검출수단(2) 및 가속도 검출수단(1)의 측정값이 출력될 때마다

의 추정치인

값을 추정하여

값을 추정할 수 있게 된다. 즉, Hz 추정부(12)에서 Hz 값을 추정할 수 있게 된다.

값을 추정하는 일례로서 최소자승법 알고리즘을 식 (17) 내지 식 (21)에서 설명한다.

…(17)

…(18)

…(19)

…(20)

…(21)

식 (17)에서

은

의 한 스텝 이전의 추정값이며 나머지 변수들도 같은 방법으로 정의된다. 또한, 식 (17)은 추정치인

에대한 오차를 의미한다. 최소자승법 알고리즘은 식 (18)과 식 (19)를 이용하여 추정치 오차 보정을 위 한 L(t)를 구하고 이를 식 (20)과 같이

를 갱신하는데 사용한다. 이 때 최소자승법 알고리즘은

을 최소화 하는

를 정할 수 있게 한다.

식 (18)과 식 (19)에서 λ는 forgetting factor로서 0과 1사이의 값이며, 1이면 이전 측정치와 최근 측정치에 대하여 동일한 가중치를 두는 것을 의미하며, 1보다 작은 값은 최근 측정치에 가중치를 더 주고, 이전 측정치에는 기하급수적으로 가중치를 적게 주는 것을 의미한다. 또한, Λ는 데이터 추정시 어느 원소의 오차에 가중치를 더 둘 것인가를 결정하는 것으로서 양의 행렬이다. λ와 Λ는 좀 더 정밀한 추정을 위하여 시간의 함수로 할 수 있다.

먼저 식 (18)을 이용해 L(t)를 구해야 하는데 L(t)값이 일정치 이상이 되면 식 (18)에서 역행렬을 구하는 부분이 singular인 경우에 가까워서 오차가 증가하게 되므로, 일정치 이하일 때만 L(t)값을 구하도록 하면 오차를 줄일 수 있다.

와 P(t)는 초기치인

와 P(0)이 필요하고, 이는 메모리(14)에 기억시켜 두어서 알고리즘을 시작할 때 판독하여 사용하며 종료시에 갱신한다. 이 값들은 최초에는 예를 들어 각각

와

정도로 하며, 이후로는 알고리즘을 시작할 때 메모리(14)에 기억된 값을 판독하여 사용하면 된다.

그리고, 식 (18)에서 구한 L(t)값으로 P(t)와

값을 갱신하고, 다음으로

식에 의해

값을 이용하여 Hz 값을 갱신함으로써 Hz 추정부(12)에서 Hz를 추정한다. 본 식에서 p는 0과 1 사이의 값으로서 1에 가까우면 최근 추정값은 적게 반영하며 0에 가까우면 최근 추정값을 크게 반영하게 된다. 그리고,

는

의 3번째행 요소 즉

의 추정치에서

를 의미한다.

한편, Hz는 지역에 따라 차이가 있지만 인접 지역을 움직일 때는 거의 변하지 않는다는 점에 착안하면,

값이 충분히 신뢰할만하다고 판단되는 경우에만

값을 이용하여 Hz를 갱신하는 전략이 필요하다.

즉, 롤각 θ와 피치각 φ가 이전 값에 비하여 거의 변동이 없는 경우에는 최소자승법 알고리즘에서 정보의 부족으로 추정 오차를 증가시킨다. 또한, 롤각 θ와 피치각 φ가 이전 값에 비하여 변동이 큰 경우에는 가속도 검출수단이 측정하는 가속도값에 중력가속도 g 이외에 다른 외부 가속도값이 더해지는 경우이므로 중력가속도를 이용한 연산에서 오차를 유발하며, 결과적으로 추정 오차가 증가한다. 이와 같이 추정 오차가 증가한다고 판단되는 경우에는 Hz값을 갱신하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어 추정되는 두 각 θ, φ의 sin 값의 변화치에 절대값을 취해 얻은 값의 합이 0.04보다 작거나 0.33보다 클 경우는

를 이용하여 Hz값을 갱신하지 않는 것이 바람직하다.....( 조건 1 )

또한, 추정치 오차 보정값 L(t)E(t)의 절대값인 norm(L(t)E(t)) 의 값이 소정값보다 큰 경우에는 최소자승법 알고리즘이 아직 수렴하지 않은 것을 의미하므로 이 경우에도 를 이용하여 Hz값을 갱신하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어 norm(L(t)E(t)) 의 값이 0.05이하인 경우에 Hz값을 갱신하는 것이 바람직하다.....( 조건 2 )

이러한 조건 (1) 및 (2)를 통과한

는 식 (20), 식 (21)과 같이 norm(L(t)E(t))에 대한 저역통과 필터링을 수행하게 된다. 여기에서 저역통과 필터는 1차 필터를 사용한 경우이며, 2차, 3차 등의 필터를 사용하여 필터링 효과를 높일 수도 있다. 식 (21)의 LtL이 큰 경우에도 최소자승법 알고리즘이 수렴하지 않았다는 것을 나타내므로 LtL 값이 소정값 이하가 되는 경우에만

를 이용하여 Hz값을 갱신하는 것이 바람직하다. 예를 들어 LtL 값이 0.05 이하인 경우에 Hz값을 갱신하는 것이 바람직하다.....( 조건 3 )

다음으로 방위각 연산부(13)에서는, Hz 추정부(12)에서 구한 Hz 값과 지자기 검출수단(2)에서 측정한 hx, hy와 경사각 연산부(11)에서 구한 롤각 θ와 피치각 φ의 sin 값, cos 값을 이용하여, 몸체좌표계에서의 지자기 벡터 z축 방향 성분 hz를 우선 구한다.

식 (12)에서

와

를 이항하면 다음의 식 (22)와 같다.

…(22)

식 (2) 내지 식 (4)를 이용하여 식 (22)를 정리하면 다음의 식 (23)과 같다.

…(23)

식 (23)의 행렬에서 2행 성분의 부호를 변환하면 다음의 식 (24)와 같다.

…(24)

식 (24)의 3행 성분을 이용하면,

…(25)

이 되어 몸체좌표계의 hz값을 구할 수 있다. 식 (25)의 우변의 변수들의 값은 본 발명에 따른 장치에서 이미 측정하거나 연산한 값들이라는 것을 알 수 있다.

그리고 방위각 연산부(13)에서는, 식 (25)에서 구한 hz값과 지자기 검출수단(2)에서 측정한 hx, hy와 경사각 연산부(11)에서 구한 롤각 θ와 피치각 φ의 sin 값, cos 값을 이용하여, 방위각 α를 구한다. 즉, 식 (24)의 2행의 양변을 1행의 양변으로 나누면,

…(26)

이 되고, 따라서

…(27)

이 되어 방위각 α를 구할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 방위각 측정장치는, 상술한 바와 같이 구한 방위각 α를 메모리(14)에 저장하여 추후 사용하거나 통신부(15)를 통해 외부에 전송하게 된다.

다음으로, 도 7에 나타난 흐름도를 참조하여 본 발명에 따른 방위각 측정방법에 대해 설명한다. 각 단계의 상세한 내용은 상술한 측정장치에 대한 설명을 포함하므로 생략하도록 한다.

우선, 단계 S1에서 2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도값 g_x, g_y를 검출한다. 다음으로 단계 S2에서 2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기값 hx, hy를 검출한다.

단계 S3은, 상술한 경사각 연산부의 기능에 대응하는 것으로서, 단계 S1에서 측정한 가속도값을 이용하여 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 구한다. 즉, 단계 S1에서 측정한 중력가속도 측정값 g_x, g_y를 이용하여 롤각 θ와 피치각 Φ의 sin 값, cos 값을 구한다.

단계 S4에서는, 단계 S2에서 측정한 지자기 측정값 hx, hy와 단계 S3에서 구한 sinθ, cosθ, sinΦ, cosΦ를 이용하여 고정좌표계에서의 Z축 지자기 성분 Hz 를 추정한다.

다음 단계 S5에서는, hz를 구하고 방위각을 연산한다. 즉, 단계 S4에서 구한 Hz 값과 단계 S2에서 측정한 hx, hy와 단계 S3에서 구한 롤각 θ와 피치각 Φ의 sin 값, cos 값을 이용하여, 몸체좌표계에서의 지자기 벡터 z축 방향 성분 hz를 구한다. 그리고, 구한 hz값과 단계 S2에서 측정한 hx, hy, 단계 S3에서 구한 롤각 θ와 피치각 Φ의 sin 값, cos 값을 이용하여, 방위각 α를 구한다.

본 발명에 따른 방위각 측정장치 및 측정방법에 의해, 2축의 가속도 검출수단 및 2축의 지자기 검출수단을 활용하여 수평이 유지되지 않는 상태에서도 정확한 방위각을 측정할 수 있고, 2축 지자기 검출수단의 평면 배치를 통해 소형화가 가능하며 지자기 검출수단의 개수를 줄임으로써 생산 원가와 생산 비용을 줄이고 소비전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 반도체 집적회로의 형태로 이를 구성하는 경우에 이러한 효과는 더욱 현저해지고, 이동 단말기 등의 소형휴대기기에 사용하는 것이 용이해진다. 또한, 조건 1 내지 3을 적용하여 최소자승법에 의한 추정을 수행하는 경우 오차를 감소시키게 되어 더욱 정확한 방위각 측정이 가능해진다.

Claims (13)

1. 2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출수단(1);

   2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기를 검출하는 지자기 검출수단(2);

   몸체좌표계와 고정좌표계의 관계에 의해 상기 가속도 검출수단(1)에서 측정한 가속도값으로부터 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 연산하는 경사각 연산부(11);

   상기 경사각 연산부(11)에서 연산한 경사각의 sin, cos 값과 상기 지자기 검출수단(2)에서 측정한 지자기값으로부터 고정좌표계에서의 Z 방향 지자기 Hz를 추정하되, 최소자승법 알고리즘에 의한 추정을 수행하는 Hz 추정부(12); 및

   상기 Hz 추정부(12)에서 추정한 Hz, 상기 지자기 검출수단(2)에서 측정한 지자기값, 및 상기 경사각 연산부(11)에서 연산한 경사각의 sin, cos 값으로부터 몸체좌표계에서의 z방향 지자기 hz를 구하고, 상기 구해진 hz, 상기 지자기값, 및 상기 경사각의 sin, cos 값으로부터 방위각을 연산하는 방위각 연산부(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방위각 측정장치.
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10. 2축의 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출단계;

    2축의 지자기 센서를 이용하여 지자기를 검출하는 지자기 검출단계;

    몸체좌표계와 고정좌표계의 관계에 의해 상기 가속도 검출단계에서 측정한 가속도값으로부터 경사각인 롤각과 피치각의 sin, cos 값을 연산하는 경사각 연산단계;

    상기 경사각 연산단계에서 연산한 경사각의 sin, cos 값과 지자기 검출단계에서 측정한 지자기값으로부터 고정좌표계에서의 Z 방향 지자기 Hz를 추정하되, 최소자승법 알고리즘에 의한 추정을 수행하는 Hz 추정단계; 및

    상기 Hz 추정단계에서 추정한 Hz, 상기 지자기 검출단계에서 측정한 지자기값, 및 상기 경사각 연산단계에서 연산한 경사각의 sin, cos 값으로부터 몸체좌표계에서의 z방향 지자기 hz를 구하고, 상기 구해진 hz, 상기 지자기값, 및 상기 경사각의 sin, cos 값으로부터 방위각을 연산하는 방위각 연산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방위각 측정방법.
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