KR100653081B1

KR100653081B1 - 지자기 센서 및 그 방위각 산출 방법

Info

Publication number: KR100653081B1
Application number: KR1020050113472A
Authority: KR
Inventors: 이우종; 최상언
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2006-12-04
Also published as: JP2007147609A; JP4318712B2; EP1790942A1; US7809505B2; CN1971309A; US20070124075A1

Abstract

3축 가속도 센서를 포함한 지자기센서가 개시된다. 본 지자기 센서는, 상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 구비한 지자기 측정 모듈, 상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서를 구비한 틸트 측정 모듈, X 및 Y축 가속도 센서의 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산한 후, Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 1차 연산된 피치각 및 롤각 중 적어도 하나를 재조정하는 2차 연산을 수행하는 틸트 연산부 및 재조정된 피치각 및 롤각과 지자기 측정 모듈의 출력값을 이용하여, 방위각을 연산하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 피치각 및 롤각을 정밀하게 측정하여 방위각 연산에 사용할 수 있게 된다.

3축 가속도 센서, 피치각, 롤각, 방위각

Description

지자기 센서 및 그 방위각 산출 방법 { Geomagnetic sensor and azimuth computation method thereof }

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도,

도 2는 도 1의 지자기 센서에 사용되는 틸트 측정 모듈 구성의 일 예를 나타내는 블럭도,

도 3은 도 1의 지자기 센서에서 지자기 측정 모듈 및 틸트 측정 모듈의 3축 배치의 일 예를 나타내는 모식도,

도 4 및 도 5는 각각 피치각 및 롤각 재조정 영역을 나타내는 모식도,

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방위각 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도,

도 7은 도 6의 방위각 산출 방법에 사용되는 피치각 산출 방법의 일 예를 나타내는 흐름도, 그리고,

도 8은 도 6의 방위각 산출 방법에 사용되는 롤각 산출 방법의 일 예를 나타내는 흐름도이다.

* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 지자기 센서 110 : 지자기 측정 모듈

120 : 틸트 측정 모듈 130 : 틸트 연산부

140 : 제어부 121 : 구동신호생성부

122 : 3축 가속도 센서 123 : 신호처리부

124 : 틸트 측정 제어부 125 : 메모리부

본 발명은 지자기 센서 및 그 방위각 산출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 영역별로 정확하게 산출한 후, 방위각 연산에 사용하는 지자기 센서 및 그 방위각 산출 방법에 관한 것이다.

지자기 센서란, 인간이 느낄 수 없는 지구 자기의 세기 및 방향을 측정해 주는 장치로써, 특히, 플럭스게이트(flux-gate)를 사용하여 지자기를 측정하는 센서를 플럭스게이트 형 지자기 센서라 한다.

플럭스게이트형 지자기 센서란 퍼말로이(permalloy) 등과 같은 고투자율 재료를 자심으로 사용하며, 그 자심을 감은 구동권선(coil)을 통해 여기자장을 가하여 그 자심의 자기포화 및 비선형 자기 특성에 따라 발생하는 외부자장에 비례하는 2차 고조파 성분을 측정하므로써 외부자장의 크기 및 방향을 측정하는 장치를 의미한다.

이러한 플럭스게이트(flux-gate)형 자기센서는 1930년대 말에 개발된 것으로서, 여러 다른 형태의 지자기 센서와 비교할 때, 감도가 좋고, 경제적이며, 상대적 으로 소형으로 제조될 수 있다는 장점이 있다.

특히, 최근 들어, MEMS(Micro electro mechanical system)기술이 점차 발전함에 따라, 이를 이용하여 저소비전력형의 초소형 플럭스게이트 센서를 제조할 수 있게 되어 휴대폰, PDA, 노트북 PC등의 각종 휴대형 전자기기등에도 내장되어 사용되고 있다.

한편, 지자기 센서는 일반적으로 2축 또는 3축 플럭스게이트를 이용한다. 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 과정에서 지자기 센서가 기울어지면, 방위각이 잘못 계산될 여지가 있다. 이에 따라, 경사각, 즉, 피치각이나 롤각을 이용하여 방위각을 보상해주는 알고리즘을 수행하는 것이 일반적이다. 이에 따라, 종래의 지자기 센서에서는 2축 가속도 센서를 이용하여 피치각, 롤각을 연산하여 방위각 보상 작업에 사용하였다. 이 경우, 기울기 측정 범위는 ±90°로 한정된다.

또한, 종래의 지자기 센서에서는 가속도 센서의 X축 값 및 Y축 값에 sin^-1()함수를 적용하여 피치각 및 롤각을 연산하였다. 하지만, 60°이상 기울어진 경우 sin함수의 특성상 신호의 기울기가 점점 평탄해지게 된다. 이 경우, 가속도 센서 출력값을 디지털 값으로 컨버팅해주는 ADC(Analog to Digital Converter)의 분해능이 충분히 높지 않다면 기울기 각도를 정확하게 얻을 수 없다는 문제점이 있었다. 구체적으로는, +90°이상 기울어진 경우, 즉, 120°정도 기울어진 경우라면 +120°로 인식하지 못하고 +60°로 인식하게 되는 문제점이 있었다.

이와 같이, 산출된 피치각 및 롤각 값에 오차가 생기게 되면, 방위각 보상 작업이 정상적으로 이루어질 수 없게 되므로, 최종적으로는 방위각 자체에 오차가 생길 수 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 3축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산하고 Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 재조정함으로써 정확한 피치각 및 롤각을 산출한 후, 산출된 피치각 및 롤각을 이용하여 방위각을 정밀하게 보상하는 지자기 센서 및 그 방위각 산출 방법을 제공함에 있다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 센서는, 상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 구비한 지자기 측정 모듈, 상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서를 구비한 틸트 측정 모듈, 상기 X 및 Y축 가속도 센서의 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산한 후, 상기 Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 상기 1차 연산된 피치각 및 롤각 중 적어도 하나를 재조정하는 2차 연산을 수행하는 틸트 연산부, 및, 상기 재조정된 피치각 및 롤각과 상기 지자기 측정 모듈의 출력값을 이용하여, 방위각을 연산하는 제어부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 틸트 측정 모듈은, 상기 X, Y, Z 축 가속도 센서의 출력값을 기 설정된 범위로 정규화시켜 상기 틸트 연산부로 제공할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 틸트 연산부는, X, Y, Z 축 가속도 센서를 이용하 여 θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z를 1차 연산할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 틸트 연산부는, 상기 θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 180-θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 45°이상의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 90-θ_Z를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 -180-θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하는 방식으로 상기 2차 연산을 수행할 수 있다.

한편, 상기 틸트 연산부는, 상기 φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 180-φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 45°이상의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 90-φ_Z를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이 상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 -180-φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하는 방식으로 상기 2차 연산을 수행할 수 있다.

바람직하게는, 상기 지자기 검출 모듈은, 상기 X, Y, Z 축 플럭스게이트의 출력값을 기 설정된 범위로 정규화시켜 상기 제어부로 제공할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값과 상기 재조정된 피치각 및 롤각을 소정 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방위각 산출 방법은, (a) 상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 이용하여 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값을 산출하는 단계, (b) 상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산하는 단계, (c) 상기 Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 상기 1차 연산된 피치각 및 롤각 중 적어도 하나를 재조정하는 단계, 및, (d) 상기 재조정된 피치각 및 롤각과 상기 지자기 측정 모듈의 출력값을 이용하여, 방위각을 연산하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (b) 단계는, 상기 X, Y, Z 축 가속도 센서의 출력값을 소정 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시킬 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 (b) 단계는, X, Y, Z 축 가속도 센서를 이용하여 θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z를 1차 연산할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 (c)단계는, 상기 θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 180-θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 45°이상의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 90-θ_Z를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 -180-θ_X를 피치각으로 결정하며, 상기 θ_X가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하는 방식으로 상기 피치각을 재조정할 수 있었다.

보다 바람직하게는, 상기 (c)단계는, 상기 φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 180-φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 45°이상의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 90-φ_Z를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z 가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 -180-φ_Y를 롤각으로 결정하며, 상기 φ_Y가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하는 방식으로 상기 롤각을 재조정할 수 있다.

한편, 상기 (a)단계는, 상기 X, Y, Z 축 플럭스게이트의 출력값을 소정 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시킬 수 있다.

또한, 상기 (d)단계는, 상기 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값과 상기 재조정된 피치각 및 롤각을 소정 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산할 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 따르면, 본 지자기 센서(100)는 지자기 측정 모듈(110), 틸트 측정 모듈(120), 틸트 연산부(130), 제어부(140)를 포함한다.

지자기 측정 모듈(110)은 외부 지자기에 대응되는 크기의 전압값을 출력한다. 구체적으로는, 지자기 측정 모듈(110)은 상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 포함할 수 있다. 이에 따라, 각 축 플럭스게이트에 전기 신호를 인가하여, 지자기에 대응되는 출력값을 얻을 수 있다.

틸트 측정 모듈(120)은 지자기 센서(100) 본체의 기울기에 대응되는 크기의 전압값을 출력한다. 구체적으로는, 틸트 측정 모듈(120)은 상호 직교하는 X, Y, Z 축 가속도 센서를 구비한다. 이에 따라, 각 축 가속도 센서에 전기 신호를 인가하여, 기울기에 대응되는 각 축 가속도 센서의 출력값을 얻을 수 있다.

도 2는 틸트 측정 모듈(120) 구성의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도 2에 따르면, 틸트 측정 모듈(120)은 구동신호 생성부(121), 3축 가속도 센서(122), 신호처리부(123), 틸트 측정 제어부(124), 메모리부(125)를 포함한다.

구동신호 생성부(121)는 3축 가속도 센서(122)를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하는 역할을 한다.

3축 가속도 센서(122)는 서로 다른 방향으로 배치되어 상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서로 이루어진다.

신호처리부(123)는 X, Y, Z축 가속도 센서 각각의 출력값을 디지털 값으로 변환하여 틸트 측정 제어부(124)로 제공한다.

틸트 측정 제어부(124)는 신호처리부(123)를 통해 수신된 X, Y, Z축 가속도 센서 출력값 각각을 기 설정된 범위의 값으로 매핑시키는 정규화 작업을 수행한다. 정규화 범위는 - 1 내지 1이 될 수 있다. 정규화는 아래 수식을 이용하여 수행할 수 있다.

수학식 1에서, AX_norm, AY_norm, AZ_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_raw, AY_raw, AZ_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_offset, AY_offset, AZ_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 오프셋값, 그리고, AX_Scale, AY_Scale, AZ_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 스케일값을 의미한다.

상술한 바와 같이 -1 내지 +1 범위 내의 값으로 매핑하기 위해서, AX_norm, AY_norm, AZ_norm이 +1 이상이면 +1로 고정시키고, -1 이하이면 -1로 고정시키는 것이 바람직하다.

각 가속도센서의 오프셋 값 및 스케일 값은 이전 정규화 작업 과정에서 사용된 값을 메모리부(125)에 저장하였다가 그대로 독출하여 사용할 수 있다.

또는, 오프셋값 및 스케일값은 아래 수식을 이용하여 직접 연산될 수도 있다.

수학식 2에서 AX_max, AY_max, AZ_max는 각각 AX_raw, AY_raw, AZ_raw의 최대값, AX_min, AY_min, AZ_min는 각각 AX_raw, AY_raw, AZ_raw의 최소값을 의미한다. AX_max, AY_max, AZ_max, AX_min, AY_min, AZ_min는 방위각 측정에 앞선 준비 단계에서 지자기 센서(100)를 적어도 1회 이상 회전시키면서 측정된 AX_raw, AY_raw, AZ_raw중 최대값, 최소값을 선출하여 메모리부(125)에 저장하여 둘 수 있다. 이에 따라, 정규화 과정에서 메모리부(125)로부터 독출하여 사용할 수 있다.

다시 도 1에 대한 설명으로 돌아가서, 틸트 연산부(130)는 틸트 측정 모듈(120)로부터 정규화된 X, Y, Z축 가속도 센서 출력값을 수신하여, 1차적으로 피치각 및 롤각을 연산한다. 1차 연산되는 피치각 및 롤각은 아래 수식과 같이 표현될 수 있다.

수학식 3에서, θ_X는 X축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, φ_Y는 Y축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각, θ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, 그리고, φ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각을 의미한다.

한편, 수학식 3에서는 cosφ_Y, cosθ_X는 분모에 위치한다. 따라서, θ_X나 φ_Y가 90°가 되면 분모가 0이 되므로 수식 계산의 오류가 발생한다. 이를 방지하기 위해서 θ_X나 φ_Y가 90°인 경우에는 89°또는 91°로 대치시켜 수식에 적용한다.

AX_norm, AY_norm, AZ_norm, AZ_mod는 정규화 범위, 즉, ±1의 범위를 넘지 않도록 세츄레이션시킨다. 즉, +1 이상이면 +1로 고정시키고, -1 이하이면 -1로 고정시켜 수학식 3에 대입한다.

한편, 수학식 3은 실시 예에 따라 달라질 수도 있다. 즉, θ_Z는 cos^- ¹(AZ_norm)를 이용하여 연산할 수 있다.

틸트 연산부(130)는 1차 연산된 θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z의 크기 관계에 따라 피치 각 및 롤각을 최종 결정하는 2차 연산을 수행한다. 구체적으로는, 틸트 연산부(130)는 θ_X와 θ_Z를 조합하여 피치각을 산출하고, φ_Y및 φ_Z를 조합하여 롤각을 산출한다.

먼저, 피치각 산출을 위해서, 틸트 연산부(130)는 θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값인지 여부를 판단한다. θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값이라면 θ_Z가 0°이상인지를 판단한다. 판단 결과, θ_Z가 0°이상이면 θ_X를 그대로 피치각으로 결정한다. 반면, θ_Z가 0°미만이면 180°-θ_X를 연산하여, 그 결과값을 피치각으로 결정한다. 상술한 바와 같이 sin^- ¹()함수를 이용한 연산을 수행하는 경우 45°를 기점으로 분해능이 떨어지게 된다. Y축을 기준축으로 하여 X축 가속도 센서를 기울이면 Z축도 함께 기울어지게 된다. X축 가속도 센서가 45°이상 기울어지게 되면 θ_Z가 0°미만으로 나타나므로, 이 때는 180°-θ_X를 피치각으로 결정하면 정확한 피치각을 산출할 수 있게 된다. 이러한 원리에 따라, Z축 가속도 센서로 측정한 피치각 θ_Z 및 롤각 φ_Z 를 이용하여 피치각 및 롤각에 대한 2차 연산을 수행할 수 있다.

한편, θ_X가 45°이상의 값이라고 판단되면, φ_Y가 45°이상인지를 판단한다. 판단 결과, φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, φ_Y가 45°미만이면 90°-θ_Z를 연산하여, 그 결과값을 피치각으로 결정한다.

θ_X가 -45°내지 0°범위 내의 값이라고 판단되면, θ_Z가 0° 이상인지를 판단한다. 판단 결과, 0° 이상이면 θ_X를 피치각으로 결정하고, θ_Z가 0° 미만이면 -180°-θ_X를 피치각으로 결정한다.

θ_X가 -45°미만의 값이라고 판단되면, φ_Y가 45°이상인지를 판단한다. 45°이상이라면 θ_X를 피치각으로 결정하고, 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정한다. 이러한 방식으로 피치각을 최종 확정할 수 있다.

다음으로 롤각 산출을 위해서, 먼저, φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값인지 판단한다. φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값이라면, φ_Z가 0° 이상인지를 판단한다. 판단 결과, φ_Z가 0° 이상이면 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정한다. 반면, φ_Z가 0° 미만이면 180-φ_Y를 롤각으로 결정한다.

한편, φ_Y가 45°이상의 값이라고 판단되면, θ_X가 45°이상인지를 판단한다. 판단 결과, θ_X가 45°이상이라면 φ_Y를 롤각으로 결정한다. 반면, θ_X가 45°미만이면 90°-φ_Z를 롤각으로 결정한다.

한편, φ_Y가 -45°내지 0°범위 내의 값이라고 판단되면, φ_Z가 0 이상인지를 판단한다. 판단 결과, 0°이상이라면 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정한다. 반면, 0°미만인 경우에는 -180°-φ_Y를 롤각으로 결정한다.

또한, φ_Y가 -45°미만의 값이라고 판단되면, θ_X가 45°이상인지를 판단한다. 판단 결과, 45°이상이면 φ_Y를 롤각으로 결정한다. 반면, θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정한다. 이러한 방식으로 롤각을 최종 확정할 수 있다.

제어부(140)는 2차 연산되어 재조정된 피치각 및 롤각을 이용하여 방위각을 연산할 수 있다. 방위각 연산을 위해서 지자기 측정 모듈(110)은 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값을 아래 수식과 같이 정규화한 후, 제어부(140)로 제공한다.

여기서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_raw, Y_raw, Z_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_offset, Y_offset, Z_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 오프셋값, 그리고, X_Scale, Y_Scale, Z_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 스케일값을 의미한다.

X_offset, Y_offset, Z_offset, X_Scale, Y_Scale, Z_Scale은 지자기 측정 모듈(110) 자체 메모리(미도시)에 저장되어 있을 수 있으며, 수학식 2와 동일한 형태의 연산식을 이용하여 직접 연산할 수도 있다. 지자기 측정 모듈(110)의 세부 구성은 종래 기술에 의해 공지된 바 있으며, 도 2의 틸트 측정 모듈(120) 구성과 유사하므로, 그 도시 및 설명은 생략한다.

제어부(140)는, 재조정된 피치각 및 롤각과, 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값을 아래 수식에 대입하여 방위각을 연산할 수 있다.

수학식 5에서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각을 나타낸다. 수학식 5는 수평면에 수직한 Z축 값을 음수로 설정한 경우에 해당하는 수식이다.

한편, 상술한 수학식 3 및 5는 지자기 측정 모듈(110) 내의 3축 플럭스게이트, 틸트 측정 모듈(120) 내의 3축 가속도 센서(122)의 축 배치 형태에 따라 그 부호가 달라질 수 있다.

도 3은 3축 플럭스게이트 및 3축 가속도센서(122)의 축 배치 형태의 일 예를 나타내는 모식도이다. 도 3에 따르면, 지자기 센서(100) 상에서 지자기 측정 모듈(110) 및 틸트 측정 모듈(120) 각각의 X축은 지자기 센서(100)의 진행 방향을 따라 배치되며, Y축은 지자기 센서(100)가 놓여진 평면상에서 X축과 수직한 방향을 따라 배치되며, Z축은 지자기 센서(100)의 상측 방향을 따라 배치되어 X축 및 Y축과 각각 수직하게 된다. 상술한 수학식 3, 5는 도 3과 같이 축 배치가 이루어진 경우에 적용되는 수학식들이다.

도 4는 피치각 영역을 전체적으로 나타낸 그래프이다. 피치각의 영역은 θ_X의 크기에 따라 총 4개의 대영역(P1 ~ P4)으로 구분되며, 각 대영역은 다시 두 개의 소영역(a, b)으로 구분된다.

이에 따라, 0°≤θ_X＜45°, θ_Z≥0°이면, 대영역 P1의 a 영역, 즉, P1-a 영역으로 인식하고 θ_X를 그대로 피치각으로 결정한다. 반면, 0°≤θ_X＜45°, θ_Z≤0°이면 P1-b 영역으로 인식하고 180°-θ_X를 피치각으로 결정한다.

θ_X≥45°, θ_Z≥0°인 상태라면 P2-a 영역으로 인식하고 θ_X를 그대로 피치각으로 결정한다. 반면, θ_X≥45°, θ_Z＜0°인 상태라면, P2-b 영역으로 인식하고 90°-θ_Z를 피치각으로 결정한다.

-45°≤θ_X＜0°, θ_Z＜0°인 상태라면 P3-a 영역으로 인식하고 -180°-θ_X를 피치각으로 결정한다. -45°≤θ_X＜0°, θ_Z≥0°인 상태라면 P3-b 영역으로 인식하고 θ_X를 그대로 피치각으로 결정한다.

한편, θ_X＜-45°인 경우에는 대영역 P4로 인식한다. 이 경우, 소영역은 θ_Z 의 크기에 따라 결정된다. 즉, θ_X＜-45°, θ_Z＜0°인 경우에 P4-a 영역으로 인식한다. P4-a 영역 상에서 φ_Y≥45°이면 θ_X를 그대로 피치각으로 결정하고, φ_Y＜45°이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정한다. 반면, θ_X＜-45°, θ_Z≥0°인 경우에는 P4-b 영역으로 인식한다. P4-b 영역 상에서 φ_Y≥45°이면 θ_X를 그대로 피치각으로 결정하고, φ_Y < 45°이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정한다.

도 5는 롤각 영역을 전체적으로 나타낸 그래프이다. 롤각의 영역은 φ_Y의 크기에 따라 총 4개의 대영역(R1 ~ R4)으로 구분되며, 각 대영역은 다시 두 개의 소영역(a, b)으로 구분된다.

이에 따라, 0°≤φ_Y＜45°, φ_Z≥0°이면, 대영역 R1의 a 영역, 즉, R1-a 영역으로 인식하고 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정한다. 반면, 0°≤φ_Y＜45°, φ_Z＜0°이면 R1-b 영역으로 인식하고 180°-φ_Y를 롤각으로 결정한다.

φ_Y≥45, φ_Z≥0°인 상태라면 R2-a 영역으로 인식하고 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정한다. 반면, φ_Y≥45°, φ_Z＜0°인 상태라면, R2-b 영역으로 인식하고 90°-φ_Z를 롤각으로 결정한다.

-45°≤φ_Y＜0°, φ_Z＜0°인 상태라면 R3-a영역으로 인식하고 -180°-φ_Y를 롤각으로 결정한다. -45°≤φ_Y＜0°, φ_Z≥0°인 상태라면 R3-b 영역으로 인식하고 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정한다.

한편, φ_Y＜-45°인 경우에는 대영역 R4로 인식한다. 이 경우, 소영역은 φ_Z의 크기에 따라 결정된다. 즉, φ_Y＜-45°, φ_Z＜ 0°인 경우에 R4-a 영역으로 인식한다. R4-a 영역 상에서 θ_X≥45°이면 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정하고, θ_X＜45°이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정한다.

한편, φ_Y＜-45°, φ_Z≥0°인 경우에는 R4-b 영역으로 인식한다. R4-b 영역 상에서 θ_X≥45°이면 φ_Y를 그대로 롤각으로 결정하고, θ_X＜45°이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정한다.

도 4 및 5에 따르면, 피치각 및 롤각을 각각 ±180°범위로 측정할 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방위각 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6에 따르면, X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값을 산출하여 정규화 한 후(S610), X, Y, Z축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 1차적으로 연산한다(S620). 구체적으로는, θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z를 1차적으로 산출한다.

그리고 나서, Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z를 재조정하는 2차 연산을 수행한다(S630).

2차 연산 결과, 피치각 및 롤각이 최종 결정되면 재조정된 피치각 및 롤각과 X, Y, Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값을 이용하여 방위각을 연산한다(S640). 방위각 연산은 상술한 수학식 5를 이용하여 이루어질 수 있다.

도 7은 도 6의 방위각 산출 방법 중 피치각을 산출하는 방법을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 7에 따르면, 먼저, X, Y, Z 축 가속도 센서값을 정규화시켜 소정 범위의 값으로 매핑시킨다(S710). 정규화는 상술한 수학식 1을 이용하여 수행될 수 있다.

이에 따라, θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z가 1차적으로 산출되면(S715), θ_X가 0°~ 45°범위 내의 값인지 판단한다(S720). 판단 결과 그 범위 내의 값이면, 다시 θ_Z가 0°이상인지를 판단한다(S725). 판단 결과, θ_Z가 0°이상이면 피치각을 θ_X로 결정하고(S730), 0°미만이면 피치각을 180°-θ_X로 결정한다(S735).

한편, θ_X가 0°~ 45°범위 내의 값이 아니라면 45°이상의 값인지 판단한다(S740). 판단 결과 45°이상이면, 다시 φ_Y가 45°미만인지 판단한다(S745). 판단 결과, φ_Y가 45°미만이면 90°-θ_Z를 피치각으로 결정하고(S750), φ_Y가 45°이상이면 θ_X를 피치각으로 결정한다(S755).

한편, θ_X가 0°~ 45°내의 값이 아니고, 45°이상의 값도 아닌 경우, -45°내지 0°내의 값인지 판단한다(S760). 판단 결과 -45° 내지 0°내의 값이면 다시 θ_Z가 0°이상인지 판단한다(S765). 0°이상이라면 θ_X를 피치각으로 결정하고 (S770), 0°미만이라면 -180°-θ_X를 피치각으로 결정한다(S775).

한편, θ_X가 -45°내지 0°사이의 값도 아니라고 판단되면, θ_X가 -45°미만임을 확인한다(S780). 이에 따라, φ_Y가 45도 미만인지 판단한다(S785). 판단 결과 φ_Y가 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정하고(S790), φ_Y가 45°이상이면 θ_X를 피치각으로 결정한다(S795).

도 8은 도 6의 방위각 산출 방법 중 롤각을 산출하는 방법을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8에 따르면, 먼저, X, Y, Z 축 가속도 센서값을 정규화시켜 소정 범위의 값으로 매핑시킨다(S810). 정규화는 상술한 수학식 1을 이용하여 수행될 수 있다.

이에 따라, θ_X, φ_Y, θ_Z, φ_Z가 1차적으로 산출되면(S815), φ_Y가 0°~ 45°범위 내의 값인지 판단한다(S820). 판단 결과 그 범위 내의 값이면, 다시 φ_Z가 0°이상인지를 판단한다(S825). 판단 결과, φ_Z가 0°이상이면 φ_Y를 롤각으로 결정하고(S830), 0°미만이면 180°-φ_Y를 롤각으로 결정한다(S835).

한편, φ_Y가 0°~ 45°범위 내의 값이 아니라면 45°이상의 값인지 판단한다(S840). 판단 결과 45°이상이면, 다시 θ_X가 45°미만인지 판단한다(S845). 판단 결과, θ_X가 45°미만이면 90°-φ_Z를 롤각으로 결정하고(S850), θ_X가 45°이상이 면 φ_Y를 롤각으로 결정한다(S855).

한편, φ_Y가 0°~ 45°내의 값이 아니고, 45°이상의 값도 아닌 경우, -45°내지 0°내의 값인지 판단한다(S860). 판단 결과 -45° 내지 0°내의 값이면 다시 φ_Z가 0°이상인지 판단한다(S865). 0°이상이라면 φ_Y를 롤각으로 결정하고(S870), 0°미만이라면 -180°-φ_Y를 롤각으로 결정한다(S875).

한편, φ_Y가 -45°내지 0°사이의 값도 아니라고 판단되면, φ_Y가 -45°미만임을 확인한다(S880). 이에 따라, θ_X가 45도 미만인지 판단한다(S885). 판단 결과 θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정하고(S890), θ_X가 45°이상이면 φ_Y를 롤각으로 결정한다(S895).

이에 따라, arcsin 함수의 분해능이 떨어지는 영역에서도 피치각 및 롤각을 정확하게 산출하여 방위각을 보상할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 3축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 정밀하게 측정할 수 있다. 즉, X축 및 Y축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산한 후, Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 재조정하는 2차 연산을 수행한다. 이에 따라, ADC의 분해능이 높지 않은 상황에서도 피치각 및 롤각을 정밀하게 측정할 수 있게 된다. 결과적으로, 정확한 방위각을 산출할 수 있게 된다. 또한, 피치각 및 롤각의 측정 범위도 종래의 ±90° 에서 ±180°로 확장된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져 서는 안될 것이다.

Claims

상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 구비한 지자기 측정 모듈;

상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서를 구비한 틸트 측정 모듈;

상기 X 및 Y축 가속도 센서의 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산한 후, 상기 Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 상기 1차 연산된 피치각 및 롤각 중 적어도 하나를 재조정하는 2차 연산을 수행하는 틸트 연산부; 및,

상기 재조정된 피치각 및 롤각과 상기 지자기 측정 모듈의 출력값을 이용하여, 방위각을 연산하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
제1항에 있어서,

상기 틸트 측정 모듈은,

상기 X, Y, Z 축 가속도 센서의 출력값을 각각 아래 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시켜 상기 틸트 연산부로 제공하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서 :

여기서, AX_norm, AY_norm, AZ_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_raw, AY_raw, AZ_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_offset, AY_offset, AZ_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 오프셋값, 그리고, AX_Scale, AY_Scale, AZ_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 스케일값.
제2항에 있어서,

상기 틸트 연산부는,

아래의 수식을 이용하여 상기 피치각 및 롤각을 1차 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서 :

여기서, θ_X는 X축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, φ_Y는 Y축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각, θ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, 그리고, φ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각.
제3항에 있어서,

상기 틸트 연산부는,

상기 θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 180-θ_X를 피치각으로 결정하며,

상기 θ_X가 45°이상의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 90-θ_Z를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하며,

상기 θ_X가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 -180-θ_X를 피치각으로 결정하며,

상기 θ_X가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하는 방식으로 상기 2차 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
제4항에 있어서,

상기 틸트 연산부는,

상기 φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 180-φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 45°이상의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 90-φ_Z를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 -180-φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하는 방식으로 상기 2차 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
제1항에 있어서,

상기 지자기 검출 모듈은,

상기 X, Y, Z 축 플럭스게이트의 출력값을 각각 아래 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시켜 상기 제어부로 제공하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서 :

여기서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_raw, Y_raw, Z_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_offset, Y_offset, Z_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 오프셋값, 그리고, X_Scale, Y_Scale, Z_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 스케일값.
제6항에 있어서,

상기 제어부는,

상기 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값과 상기 재조정된 피치각 및 롤각을 아래의 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서 :

여기서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각.
(a) 상호 직교하는 X, Y, Z축 플럭스게이트를 이용하여 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값을 산출하는 단계;

(b) 상호 직교하는 X, Y, Z축 가속도 센서를 이용하여 피치각 및 롤각을 1차 연산하는 단계;

(c) 상기 Z축 가속도 센서 출력값을 이용하여 상기 1차 연산된 피치각 및 롤각 중 적어도 하나를 재조정하는 단계; 및,

(d) 상기 재조정된 피치각 및 롤각과 상기 지자기 측정 모듈의 출력값을 이용하여, 방위각을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법.
제8항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

상기 X, Y, Z 축 가속도 센서의 출력값을 각각 아래 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시키는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법 :

여기서, AX_norm, AY_norm, AZ_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_raw, AY_raw, AZ_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 가속도센서 출력값, AX_offset, AY_offset, AZ_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 오프셋값, 그리고, AX_Scale, AY_Scale, AZ_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 가속도센서의 스케일값.
제9항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

아래의 수식을 이용하여 상기 피치각 및 롤각을 1차 연산하는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법 :

여기서, θ_X는 X축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, φ_Y는 Y축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각, θ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 피치각, 그리고, φ_Z는 Z축 가속도 센서를 이용하여 연산한 롤각.
제10항에 있어서,

상기 (c)단계는,

상기 θ_X가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 180-θ_X를 피치각으로 결정하며,

상기 θ_X가 45°이상의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 90-θ_Z를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하며,

상기 θ_X가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 θ_Z가 0 이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하고, 상기 θ_Z가 0 미만이면 -180-θ_X를 피치각으로 결 정하며,

상기 θ_X가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 φ_Y가 45°미만이면 θ_Z-90°를 피치각으로 결정하고, 상기 φ_Y가 45°이상이면 상기 θ_X를 피치각으로 결정하는 방식으로 상기 피치각을 재조정하는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법.
제11항에 있어서,

상기 (c)단계는,

상기 φ_Y가 0°내지 45°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 180-φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 45°이상의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 90-φ_Z를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 -45°내지 0°범위 내의 값인 상태에서 상기 φ_Z가 0 이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하고, 상기 φ_Z가 0 미만이면 -180-φ_Y를 롤각으로 결정하며,

상기 φ_Y가 -45°미만의 값인 상태에서 상기 θ_X가 45°미만이면 φ_Z-90°를 롤각으로 결정하고, 상기 θ_X가 45°이상이면 상기 φ_Y를 롤각으로 결정하는 방식으로 상기 롤각을 재조정하는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법.
제9항에 있어서,

상기 (a)단계는,

상기 X, Y, Z 축 플럭스게이트의 출력값을 각각 아래 수식을 이용하여 기 설정된 범위로 정규화시키는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법 :

여기서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_raw, Y_raw, Z_raw는 각각 실제 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, X_offset, Y_offset, Z_offset은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 오프셋값, 그리고, X_Scale, Y_Scale, Z_Scale은 각각 기 설정된 X, Y, Z축 플럭스게이트의 스케일값.
제13항에 있어서,

상기 (d)단계는,

상기 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값과 상기 재조정된 피치각 및 롤각을 아래의 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산하는 것을 특징으로 하는 방위각 산출 방법 :

여기서, X_norm, Y_norm, Z_norm은 각각 정규화된 X, Y, Z축 플럭스게이트 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각.