KR100792514B1

KR100792514B1 - 이동물체의 방향검출방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100792514B1
Application number: KR1020050003920A
Authority: KR
Inventors: 권웅; 노경식; 한우섭; 심영보
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-01-10
Also published as: JP2006194856A; US20060156564A1; KR20060083039A; JP4317173B2; US7225552B2

Abstract

본 발명은 마그네틱 콤파스(Magnetic Compass)를 이용한 이동물체의 방향검출방법 및 시스템에 관한 것으로, 이동물체가 이동하는 공간내의 자기장 간섭효과를 최소화하여 이동물체의 방향을 정확하게 검출하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은, 마그네틱 콤파스가 설치된 이동물체의 방향검출방법에 있어서, (a) 상기 마그네틱 콤파스가 지자기 영역에 존재하는지를 판정하기 위해 자기장 간섭이 없는 지구자기장 필요조건을 설정하는 단계; (b) 상기 마그네틱 콤파스로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지를 체크하여 이동물체의 방향을 검출하는 단계를 포함하는 것이다.

Description

이동물체의 방향검출방법 및 시스템{Method to obtain orientation of a mobile body and system thereof}

도 1은 마그네틱 콤파스가 장착된 이동물체의 구조도,

도 2는 종래 마그네틱 콤파스의 방향검출방법 제어 흐름도,

도 3은 지자기구간을 통과하는 이동물체의 주행 예시도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 이동물체의 방향검출시스템의 구성 블록도,

도 5는 본 발명에 적용되는 자기장 필요조건 설정부의 상세 구성도

도 6은 본 발명에 의한 통계적 캘리브레이션 알고리즘의 제어 흐름도,

도 7은 본 발명에 의한 마그네틱 콤파스의 구조도,

도 8은 도 6의 캘리브레이션에서 획득한 로 데이터(raw data) 궤적도,

도 9는 본 발명에 의한 지자기 판단 알고리즘의 제어 흐름도,

도 10은 본 발명에 의한 지자기 판단 알고리즘의 활용 실시예를 도시한 구성 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 자기장 필요조건 설정부 110 : 후보위치 선택부

120 : 로 데이터 획득부 130 : 후보위치 결정부

140 : 후보위치 배제부 150 : 필요조건 획득부

200 : 지자기 판단 알고리즘 210 : 자기장 산출부

220 : 자기장 비교부 230 : 지자기영역 판단부

240 : 방향결정부

본 발명은 마그네틱 콤파스(Magnetic Compass)를 이용한 이동물체의 방향검출방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 이동물체가 이동하는 공간내의 자기장 간섭효과를 최소화하여 이동물체의 방향을 정확하게 검출하는 것이다.

로봇은 여러 산업 분야에서 다양한 목적으로 이용되고 있는데, 청소로봇, 서비스로봇 등의 실내에서 적용되는 이동로봇(이하, 이동물체라 한다)의 방향(Orientation) 검출은 이동물체의 정확한 이동제어를 위해 반드시 필요하다.

이동물체의 방향을 검출하는 센서에는 지구자기장(Earth Magnetic Field)에 의해 자기장의 방향이 항상 북쪽을 가리키는 점을 이용하여 물체의 방위각, 즉 절대적인 방향을 계산하는 마그네틱 콤파스(Magnetic Compass)가 있다.

이러한 마그네틱 콤파스를 이용하여 이동물체의 방향을 검출하는 방법이 L. Ojeda and J. Borenstein에 의해 "Experimental results with the KVH C-100 Fluxgate Compass in Mobile Robots,”라는 제목으로 Proc. of IASTED Int. Conf Robotics and Applications, Honolulu, Hawaii, 2000에서 제안되었다.

동 문헌에서 제안된 방법은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 이동물체(1)에 2개의 마그네틱 콤파스(3)를 장착하여 마그네틱 콤파스(3)로부터 읽어 들인 방위각

을 비교하고, 2개의 방위각

이 같은 값을 가지면 자기장 간섭이 없는 것으로 간주하여 이를 이동물체(1)의 방향으로 결정하는 것이다.

그러나, 이동물체(1)가 이동하는 실내공간에는 도 3에 도시한 바와 같이, 지자기(Earth Magnetic Field) 구간 외에 외란 자기장이 존재하므로, 이러한 외란 자기장의 영향에 의해 다른 자기장 간섭이 존재하는 구간에서 마그네틱 콤파스(3)가 가리키는 방향이 실제의 자북 방향이 아닌 경우가 발생한다.

따라서, 2개의 마그네틱 콤파스(3) 값이 같을 경우 자기장 간섭이 없는 것으로 간주하는 것은, 자기장 간섭효과에 따라서 중대한 오류를 가져 올 수 있다.

예를 들어, 도 3에서 우연히 자기장 간섭에 의한 2개의 마그네틱 콤파스(3) 방위각이 서로 같은 값을 가질 경우에도 이 값은 실제의 지구자기장에 의한 방위각과는 큰 차이를 보일 수 있기 때문에 종래의 방법은 마그네틱 콤파스(3)로부터 구한 방위각이 지구자기장에 의한 방위각인지 여부를 판단할 수 없다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 마그네틱 콤파스의 자기장 정보와 각도 정보를 동시에 이용하여 이동물체가 이동하는 공간에 혼재하는 자기장 간섭효과를 최소화하여 이동물체의 방향을 정확하게 검출하는 이동물체의 방향검출방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 이동물체의 현재 위치가 지구자기장 영역인지 조사하여 지구자기장 영역에 해당되면 마그네틱 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향으로 결정하는 이동물체의 방향검출방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 마그네틱 콤파스가 설치된 이동물체의 방향검출방법에 있어서, (a) 상기 마그네틱 콤파스가 지자기 영역에 존재하는지를 판정하기 위해 자기장 간섭이 없는 지구자기장 필요조건을 설정하는 단계; (b) 상기 마그네틱 콤파스로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지를 체크하여 이동물체의 방향을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계는, (a1) 지자기 영역의 복수 위치에서 상기 마그네틱 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(H _x )와 수직성분의 자기장(H _y )의 궤적을 구하는 단계; (a2) 상기 궤적을 사인파 형태의 곡선으로 근사화시키는 파라미터를 구하는 단계; 및 (a3) 상기 파라미터의 상한과 하한을 구하여 지구자기장 필요조건을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 파라미터는 사인파 형태 곡선의 진폭인 것을 특징으로 한다.

상기 지구자기장 필요조건은 마그네틱 콤파스의 수에 따라 복수 개 설정되며; 상기 복수의 필요조건을 모두 만족하면 상기 마그네틱 콤파스 데이터를 유효한 것으로 판정하여 이동물체의 방향을 결정하고, 상기 복수의 필요조건 중 어 느 하나라도 만족하지 않으면 상기 마그네틱 콤파스 데이터를 무효한 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.

상기 마그네틱 콤파스는 적어도 두 개 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 필요조건은 상기 마그네틱 콤파스의 방위각과 자기장 크기로 설정되는 식 1의 제1필요조건과, 상기 마그네틱 콤파스의 자기장 크기의 차로 설정되는 식 2의 제2필요조건으로 구성된 것을 특징으로 한다.

[식 1]

여기서,

θ는 측정된 값이다.

[식 2]

여기서,

θ는 측정된 값이다.

또한, 상기 자기장 크기는 마그네틱 콤파스를 이용하여 식 3과 같이 구해지는 것을 특징으로 한다.

[식 3]

여기서,

,

, O _x , O _y 는 캘리브레이션 파라미터이고, r _x , r _y 는 마그네틱 콤파스의 로 데이터이며, |H _E |는 지구자기장의 크기이다.

그리고, 본 발명은 마그네틱 콤파스가 설치된 이동물체에 있어서, 상기 마그네틱 콤파스가 지자기 영역에 존재하는지를 판정하기 위해 자기장 간섭이 없는 지구자기장 필요조건을 설정하는 자기장 필요조건 설정부; 상기 마그네틱 콤파스로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 자기장 산출부; 상기 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지를 체크하여 이동물체의 위치가 지자기 영역인지 판단하는 지자기영역 판단부; 및 상기 이동물체의 위치가 지구자기 장 영역에 해당되면 마그네틱 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향으로 결정하는 방향결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 필요조건 설정부는, 소정의 지자기 영역에서 자기장 간섭이 약한 후보위치를 선택하는 후보위치 선택부; 상기 선택된 후보위치에서 콤파스를 회전시켜 수평성분의 자기장(H _x )과 수직성분의 자기장(H _y )의 로 데이터(raw data) 궤적을 구하여 파라미터를 구하는 로 데이터 획득부; 상기 로 데이터 궤적이 사인파 형태에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 지구자기장 필요조건을 만족하는 후보위치로 결정하여 후보위치그룹을 생성하는 후보위치 결정부; 및 상기 후보위치그룹을 구성하는 각 후보위치에서 구한 파라미터의 상한과 하한을 정하여 지구자기장 필요조건을 결정하는 필요조건 획득부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 후보위치 결정부는 각각의 후보위치에서 자기장의 진폭 및 옵셋들을 서로 비교하여 특이값(Outlier points)을 가진 후보위치를 후보위치그룹에서 제외하는 것을 특징으로 한다.

상기 마그네틱 콤파스는 적어도 두 개 이상 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 지구자기장 필요조건은 마그네틱 콤파스의 수에 따라 복수 개 설정되며; 상기 지자기영역 판단부는 자기장의 크기가 복수의 필요조건을 모두 만족하면 이동물체의 위치가 자기장 간섭이 없는 지자기 영역에 해당된다고 판단하고, 자기장의 크기가 복수의 필요조건 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 이동물체의 위치가 자기장 간섭이 존재하는 영역에 해당된다고 판단하는 것을 특징으 로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 마그네틱 콤파스를 이용하여 이동물체의 방향(Orientation)을 정확하고 견실하게(robust) 검출하기 위한 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 이동물체의 방향검출시스템의 구성 블록도로서, 자기장 필요조건 설정부(100), 자기장 산출부(210), 자기장 비교부(220), 지자기영역 판단부(230) 및 방향결정부(240)를 포함하여 구성되며, 자기장 산출부(210), 자기장 비교부(220), 지자기영역 판단부(230) 및 방향결정부(240)는 온 라인(On-line) 지자기 판단 알고리즘(200)을 구현한다.

상기 자기장 필요조건 설정부(100)는 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 자기장 크기의 필요조건을 설정하는 것으로, 적어도 두 개의 콤파스, 바람직하게는 두 개의 콤파스에 대해 각각 유효한 지자기 영역으로 판정하기 위한 지구자기장 필요조건 2개의 유도에 필요한 파라미터를 계산한다.

상기 자기장 산출부(210)는 콤파스가 설치된 이동물체에 있어서 콤파스의 로데이터(raw data)로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하고, 자기장 비교부(220)는 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지 여부를 체크한다.

상기 지자기영역 판단부(230)는 체크결과 상기 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기장이 작용하는 영역에 해당된다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하지 않으 면 이동물체가 존재하는 지점이 외부 자기장 간섭이 존재하는 것으로 판단한다. 만일 콤파스가 적어도 두 개 이상이면 체크결과 상기 자기장의 크기가 적어도 두 개의 지구자기장 필요조건을 모두 만족하면 이동물체가 존재하는 지점이 지구자기장이 작용하는 영역에 해당된다고 판단하고, 상기 자기장의 크기가 적어도 두 개의 지구자기장 필요조건 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 이동물체가 존재하는 지점이 외부 자기장 간섭이 존재하는 것으로 판단한다.

상기 방향결정부(240)는 지자기영역 판단부(230)에서 지구자기장 영역에 해당되는 것으로 판단되면 콤파스의 방위각을 유효한 것으로 판정하고 이를 이동물체의 방향으로 결정한다.

이와 같이, 지자기 판단 알고리즘(200)을 이용하면 콤파스는 다른 센서 등과 결합해서 지속적으로 유효한 방위각을 제공할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 적용되는 자기장 필요조건 설정부의 상세 구성도로서, 후보위치 선택부(110), 로 데이터 획득부(120), 후보위치 결정부(130), 후보위치 배제부(140) 및 필요조건 획득부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 후보위치 선택부(110)는 소정의 지자기 영역에서 외부 자기장 간섭의 영향을 받지 않기 위해 자기장 간섭이 약할 것으로 예상되는 장소(예를 들어, 벽, 기둥, 금속 등에서 먼 장소)를 캘리브레이션 후보위치로 선택한다.

상기 로 데이터 획득부(120)는 선택된 후보위치에서 콤파스 또는 콤파스가 장착된 이동물체를 회전시켜 수평성분의 자기장(H _x )과 수직성분의 자기장(H _y )을 구 하기 위한 로 데이터(raw data)의 궤적을 콤파스로부터 구하여 캘리브레이션 파라미터 즉, 진폭(A _x , A _y ) 및 옵셋(O _x , O _y )을 구한다.

상기 후보위치 결정부(130)는 상기 로 데이터 궤적이 사인파 형태(sinusoidal)에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 지구자기장 필요조건을 만족하는 후보위치로 결정하고, 로 데이터 궤적이 사인파 형태와 현저하게 다르면 콤파스의 위치를 바꿔 다른 캘리브레이션 후보위치로 이동하면서 후보위치그룹 Σ을 생성한다.

상기 후보위치 배제부(140)는 상기 각각의 후보위치에서 자기장의 진폭 및 옵셋들을 서로 비교하여 현저히 다른 특이값(Outlier points)을 가진 후보위치를 후보위치그룹 Σ에서 제외한다.

상기 필요조건 획득부(150)는 후보위치그룹 Σ을 구성하는 각 후보위치에서 95% 신뢰도 구간 내에 존재하는 진폭과 옵셋의 상한과 하한

을 정하여 지구자기장 필요조건을 결정한다.

도 6은 본 발명에 의한 통계적 캘리브레이션 알고리즘의 제어 흐름도로서, 통계적 캘리브레이션 알고리즘은 콤파스의 캘리브레이션 파라미터(Calibration parameter)를 통계적으로 구하여 자기장 간섭에 의한 캘리브레이션 파라미터의 왜곡문제를 해결하면서 지자기 판단 알고리즘(200)의 지구자기장 필요조건 2개의 유도에 필요한 파라미터를 계산해 준다.

통계적 캘리브레이션 알고리즘은 오프라인(Off-line)으로 진행됨이 바람직하 며, 콤파스의 캘리브레이션은 2진 로 데이터(raw data)를 방위각 데이터로 바꿔주는 캘리브레이션 파라미터 즉, 환산 계수(scale factor)와 오프셋(offset)을 구하는 과정을 말한다.

콤파스는 도 7에서와 같이 x, y축 방향으로 걸리는 지구자기장(EMF; Earth Magnetic Field) 성분 H _x , H _y 의 arctangent값을 계산하여 방위각 데이터를 산출한다. 지구 자기장 성분 H _x , H _y 는 콤파스의 로 데이터( r _x 와 r _x , 16비트 시스템에서 0~65536의 범위)로부터 계산되는데, 이 과정을 캘리브레이션이라 한다.

마그네틱 콤파스의 캘리브레이션은 다음의 3단계로 구분된다.

① 콤파스 또는 콤파스가 장착된 이동물체를 회전시킨다.

② 콤파스로부터 3개 이상의 로 데이터(raw data)를 획득한다.

③ 획득한 로 데이터의 한계(limit) 값으로부터 환산 계수와 옵셋을 계산한다.

예를 들면, 로 데이터의 최소값과 최대값을 r _min 과 r _max 이라 하면 지구자기장 성분은 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

단, o _x , o _y 는 옵셋으로서 o _x , _y = 0.5 (r _x,ymax + r _x,ymin )와 같이 구해지고, |H _E |는 지구자기장의 크기를 나타낸다.

이러한 캘리브레이션 과정을 거치면 이동물체 내부의 자기장 간섭은 보상될 수 있으나, 외부의 자기장 간섭에 의한 에러는 보상될 수 없기 때문에 캘리브레이션 과정이 수행될 때 주위환경이 자기장 간섭에 의해 오염되지 않아야 (이러한 구역을 EMF구역이라 칭한다) 정확한 캘리브레이션 파라미터를 구할 수 있다.

캘리브레이션의 또 다른 단점은 로 데이터의 최대값, 최소값이 통계적으로 의미가 없는 특이값(Outlier point)일 경우 왜곡된 캘리브레이션 파라미터가 구해질 수 있으므로 결과적으로 왜곡된 방위각이 계산될 수 있다는 점이다.

본 발명에서 제안한 도 6의 통계적 캘리브레이션 알고리즘은 이러한 단점을 보완하고 외부자기장 간섭의 영향을 받지 않기 위해 자기장 간섭이 존재하지 않거나 매우 약한 장소를 탐색한다.

이를 위해 먼저 자기장 간섭이 약할 것으로 예상되는 장소(예를 들면 벽, 기둥, 금속 등에서 먼 장소)를 캘리브레이션 후보위치로서 선택한다(S100).

이후, 선택된 후보위치에서 콤파스 또는 콤파스가 장착된 이동물체를 등속도로 회전시켜 수평성분의 자기장(H _x )과 수직성분의 자기장(H _y )을 구하기 위한 로 데이터(raw data)를 획득하여 저장한다(S110).

저장된 로 데이터의 궤적은 도 8에서와 같이 근사적으로 사인파(sinusoidal)형태를 가진다. 이 궤적에 대해서 아래의 수학식 2에 대한 Chi-square curve fitting을 하여 캘리브레이션 파라미터 즉, 진폭(Amplitude) A _x , A _y 및 옵셋(Offset) O _x , O _y 를 구한다(S120).

[수학식 2]

단, e _x (t)와 e _y (t)는 속도에러, 모션 추종에러, 측정오차, 틸트 오차, 그리고 대부분 자기장 간섭에 의한 오차로 인해 발생한 에러텀이고, ε _p 는 방향 조정오차에 의한 위상오차이고, A _x , A _y , O _x , O _y 는 도 8에 정의된 진폭과 옵셋을 나타낸다.

모든 캘리브레이션 후보위치에서 Chi-square curve fitting에 의해 수학식 2의 파라미터를 얻은 후, 적정공차(Goodness-of-fit)값(예를 들면, 파라미터의 에러범위)을 계산하여 미리 정의된 문턱값과 비교한다(S130)

적정공차값이 문턱값 이상이 아닐 경우 현재의 후보위치가 지자기 영역이 아닌 것으로 판정하고 S180으로 진행하여 다른 후보위치로 이동한다.

그 다음, 적정공차값이 문턱값 이상일 경우 문턱 위인 후보위치들을 지구자기장(EMF: Earth's Magnetic Field) 후보위치그룹 Σ에 포함된다(S140).

적정공차(Goodness-of-fit)값은 궤적이 얼마나 수학식 2의 곡선에 근사한지를 나타내는 척도로, 이 값이 크면 자기장 간섭의 효과가 적음을 알 수 있다.

이후, 후보위치그룹 Σ 내에서 진폭과 옵셋을 서로 비교하여 현저히 다른 특이값(outlier points)을 가진 후보위치를 후보위치그룹 Σ로부터 제외한다(S150).

최종적으로, 각 진폭과 옵셋의 모드(mode) -최대값과 최소값-을 캘리브레이 션 파라미터로 정한다(S160).

그리고, 추가적으로 EMF 후보위치그룹 Σ내에서 95%신뢰도 구간 내에 존재하는 진폭의 상한과 하한

을 정하여 이를 다음에 설명할 지구자기장 필요조건 2개의 계산에 사용한다(S170).

EMF 후보위치그룹 Σ내에서 각 후보위치의 옵셋의 오차는 크지 않으므로, 본 발명에서는 각 후보위치의 진폭의 오차를 기준으로 전개하였으나, 옵셋의 경우도 쉽게 확대 적용 가능하다.

본 발명의 통계적 캘리브레이션 알고리즘은 기존의 캘리브레이션 알고리즘이 해결하지 못한 외부 자기장 간섭효과 및 특이값(outlier points)을 해결함으로써 더욱 정확하고 견실한(robust) 캘리브레이션 파라미터를 제공한다. 또한 그 과정에서 얻어지는 통계적 분포 정보는 마그네틱 콤파스의 지구자기장 필요조건 유도에 적용되는 유용한 정보가 된다.

그러나, 마그네틱 콤파스를 사용할 때 계산된 방위각만으로는 지구자기장(EMF)에 의한 것인지 자기장 간섭에 의한 것인지 구별하는 것이 어렵기 때문에 본 발명은 콤파스가 지구자기장 구역 내에 존재하면 만족하는 2개의 필요조건을 구하고 이를 이용한 지자기 판단 알고리즘을 제안한다.

먼저, 콤파스 데이터를 이용하면 아래의 수학식 3과 같이 자기장 크기를 구할 수 있다.

[수학식 3]

단,

,

는 앞의 통계적 캘리브레이션 알고리즘을 통해 구한 캘리브레이션 파라미터 진폭이다. 앞서 정의한 진폭의 상한과 하한을 이용하면 아래의 수학식 4와 같은 부등식이 95% 신뢰도로 성립한다.

[수학식 4]

단,

,

은 EMF 영역에서의 진폭의 참값으로서 미지의 값이다. 진폭과는 달리 옵셋 은 캘리브레이션 위치와 상관없이 거의 일정한 값을 보이므로 상수로 가정해도 일반성을 잃지 않는다. 진폭에서 이러한 불확실성(uncertainty)이 발생하는 이유는 EMF 영역에서도 약한 자기장 간섭이 있거나, 콤파스의 회전축과 캘리브레이션 운동의 회전축의 차이가 외부자기장간섭의 영향을 강화했거나, 측정오차, 회전운동 추종오차, 바닥의 불균일성 등이 존재하기 때문이다. 그러한 불확실성의 원인들은 콤파스의 x축과 y축에 동일하게 동시에 작용하므로 아래와 같은 관계식 5가 성립한다고 가정할 수 있다.

[수학식 5]

단, i는 EMF 후보그룹 Σ내에서의 캘리브레이션 위치의 인덱스(index)를 의미한다. 이 관계식으로부터 EMF후보그룹 Σ의 x,y축 진폭의 통계적 분포에 관해 다음의 근사적인 선형관계식 6이 유도된다.

[수학식 6]

진폭의 참값도 이러한 통계적 분포의 성질을 따를 것으로 예상되므로 다음의 관계식도 역시 성립한다.

[수학식 7]

한편, 같은 맥락에서 2개의 콤파스가 하나의 동체에 서로 대칭하여 부착되어 있으면 각각의 캘리브레이션 파라미터도 역시 수학식 6, 수학식 7의 관계식이 성립할 것이다. 그러므로, EMF 후보그룹 Σ에서 계산된 콤파스1과 콤파스2의 진폭의 통계적인 분포는 아래의 근사화된 관계식을 가질 것이다.

[수학식 8]

단, α _x , β _x , α _y , β _y ,는 수학식 6과 같은 방식으로 정의된다. 마찬가지로 각 콤파스의 진폭의 참값도 이러한 통계적 분포를 따를 것으로 예상되므로 다음의 관계식도 역시 성립한다.

[수학식 9]

이제, 지구자기장 필요조건을 유도하기 위해 새로운 미지 변수

,

을 정의하고, 안전 여유 (safety margin) γ _x , γ _y 를 도입한다. 그러면 수학식 4로부터 아래의 부등식이 유도된다.

[수학식 10]

실험결과, 안전 여유(safety margin) γ _x , γ _y 는 0.1에서 0.2사이의 값이 적 당하다.

지구자기장 필요조건 1은 다음과 같이 구해진다.

먼저, 마그네틱 콤파스가 EMF가 지배적인 곳에 위치해 있다면, 수학식 3으로부터 아래의 수학식 11을 구할 수 있다.

[수학식 11]

수학식 11과 수학식 3으로부터 방위각 θ에 관한 다음 식을 구할 수 있다.

[수학식 12]

여기서, 측정된 방위각 θ는 EMF가 지배적인 곳이라는 가정에 의해 참값

와 같은 값으로 간주된다. 수학식 12를 정리하면 다음과 같다.

[수학식 13]

수학식 10과 수학식 7을 수학식 13에 적용하면 다음 부등식을 얻을 수 있다.

[수학식 14]

단,

이고, θ는 측정된 값이다. 수학식 14가 지구자기장 필요조건 1로서, 콤파스가 지구자기장 영역에 존재하고 있다면 반드시 만족해야 하는 조건식이다.

2개의 마그네틱 콤파스에 대해 식(9)가 성립해야 하므로, 위와 같은 방식을 적용하면 2개의 마그네틱 콤파스의 자기장 크기의 차이에 대해 다음과 같은 지구자기장 필요조건 2를 구할 수 있다.

[수학식 15]

단,

,

, 이고, 방위각 θ는 콤파스1과 콤파스2의 측정값 중 적당한 값을 선택한 결과이다. 여기서 콤파스1과 콤파스2의 측정값이 크게 다르면 필요조건 2는 만족하지 않는 것으로 본다.

이상의 지구자기장 필요조건을 이용하여 지구자기장을 판단하는 지자기 판단 알고리즘은 도 9와 같다.

도 9는 본 발명에 의한 지자기 판단 알고리즘의 제어 흐름도로서, 도 6의 오프라인에서 구한 지구자기장 필요조건을 이용하여 이동물체가 이동할 때 콤파스가 주는 방위각이 유효한지 여부를 판단하는 방법을 도시한 것이다.

물론, 지구자기장 필요조건을 만족한다고 해서 해당 영역이 반드시 지구자기장 영역에 있다고 보장할 수는 없으나, 본 발명은 2개 이상의 필요조건을 제안함으로써 기존의 방식에 비해 더욱 높은 확률로 현재 콤파스가 위치하는 영역이 지구자기장 영역인지 판단할 수 있는 알고리즘을 제안한다.

지자기 판단 알고리즘은 온라인(On-line)으로 진행됨이 바람직하다.

먼저, 2개의 콤파스로부터 실시간으로 로 데이터(raw data) ¹ r _x , ¹ r _y , ² r _x , ² r _y 를 읽어 들인다(S200).

실시간으로 읽어 들인 각 콤파스의 로 데이터와 도 6의 통계적 캘리브레이션 알고리즘에서 오프라인으로 구한 캘리브레이션 파라미터를 이용하여(S201) 수학식 3과 같이 각 콤파스의 자기장 크기 | ¹ H|, | ² H|를 계산하고(S210), 수학식 12와 같이 각 콤파스의 방위각 ¹ θ, ² θ를 계산한다(S220).

상기 계산된 콤파스1의 방위각 ¹ θ과 자기장 크기 | ¹ H|와 도 6의 통계적 캘리브레이션 알고리즘에서 오프라인으로 구한 진폭과 옵셋의 상한과 하한

,

을 이용하여(S221) 수학식 14에서 구해진 지구자기장 필요조건 1에 부합하는지를 판단하여(S230), 부합하면 콤파스2의 방위각 ² θ과 자기장 크기 | ² H|가 수학식 14에서 구해진 지구자기장 필요조건 1에 부합하는지를 판단한다(S240).

상기 콤파스1과 콤파스2의 방위각과 자기장 크기가 지구자기장 필요조건 1에 모두 부합하면, 콤파스1과 콤파스2의 자기장 크기의 차이를 조사하여 수학식 15에서 구해진 지구자기장 필요조건 2에 부합하는지를 판단한다(S250).

상기 콤파스1과 콤파스2의 자기장 크기의 차가 지구자기장 필요조건 2에 부합하면, 콤파스1, 2를 장착하고 있는 이동물체가 현재 위치하고 있는 영역이 지구자기장 영역이라고 판단하여 콤파스의 방위각 데이터를 유효한 것으로 판정한다(S260).

이후, 상기 콤파스의 데이터를 이용하여 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향으로 결정함으로써 이동물체의 방향을 검출하게 된다(S270).

한편, 상기 콤파스1과 콤파스2의 방위각과 자기장 크기 중 어느 하나라도 지구자기장 필요조건 1에 부합하지 않거나 상기 콤파스1과 콤파스2의 자기장 크기의 차가 지구자기장 필요조건 2에 부합하지 않으면, 콤파스를 장착하고 있는 이동물체가 현재 위치하고 있는 영역이 외부 자기장 간섭이 존재하는 영역이라고 판단하여 콤파스의 방위각 데이터를 무효한 것으로 판정한다(S280).

본 발명의 실시예에서는 지구자기장 필요조건을 2개로 하여 이동물체의 현재 위치가 지구자기장 영역인지 또는 외부 자기장 간섭이 존재하는 영역인지를 판단하 였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다른 조건을 추가할 수 있으며, 상술한 2개의 필요조건 중 어느 하나의 필요조건 만으로 지자기 판단 알고리즘을 구현할 수 있음은 물론이다.

도 10은 본 발명에 의한 지자기 판단 알고리즘의 활용 실시예를 도시한 구성 블록도로서, 절대센서인 2개의 콤파스(410,420)와 상대센서인 오도메트리(430; Odometry), 자이로(440)를 조합한 센서 퓨전(Sensor Fusion)으로 이동물체의 방향(Orientation)을 정확하고 견실하게(robust) 검출하는 시스템이다.

본 발명의 지자기 판단 알고리즘(200)을 이용하여 콤파스(410,420)의 데이터 유효성 여부를 판단하여 콤파스 방위각이 유효하다고 판단될 경우, 규칙기반 칼만 필터/파티클 필터(450; Kalman Filter/Particle Filter) 기법과 센서 퓨전 기법을 결합하여 사용하면 이동물체의 방향각 정보를 더욱 신뢰성 있게 구할 수 있다.

또한, 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.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이동물체의 방향검출방법 및 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하 여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 이동물체의 방향검출방법 및 시스템에 의하면, 콤파스의 자기장 정보와 각도 정보를 동시에 이용하여 이동물체가 이동하는 공간에 혼재하는 자기장 간섭효과를 최소화하여 이동물체의 방향을 정확하게 검출할 수 있다.

또한, 이동물체의 현재 위치가 지구자기장 영역인지 조사하여 지구자기장 영역에 해당되면 마그네틱 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향으로 결정함으로써 이동물체의 자기위치인식 및 자율주행 문제 해결에 결정적인 도움을 줄 수 있다.

또한, 휴대용 기기에서도 마그네틱 콤파스의 적용을 가능하게 할 수 있다.

Claims

마그네틱 콤파스가 설치된 이동물체의 방향검출방법에 있어서,

(a) 상기 마그네틱 콤파스가 지자기 영역에 존재하는지를 판정하기 위해 자기장 간섭이 없는 지구자기장 필요조건을 설정하는 단계;

(b) 상기 마그네틱 콤파스로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 단계; 및

(c) 상기 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지를 체크하여 이동물체의 방향을 검출하는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.
제 1항에 있어서,

상기 (a)단계는,

(a1) 지자기 영역의 복수 위치에서 상기 마그네틱 콤파스를 회전시켜 자기센서로부터 수평성분의 자기장(H _x )와 수직성분의 자기장(H _y )의 궤적을 구하는 단계;

(a2) 상기 궤적을 사인파 형태의 곡선으로 근사화시키는 파라미터를 구하는 단계; 및

(a3) 상기 파라미터의 상한과 하한을 구하여 지구자기장 필요조건을 계산하는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.
제 2항에 있어서,

상기 파라미터는 사인파 형태 곡선의 진폭인 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 지구자기장 필요조건은 마그네틱 콤파스의 수에 따라 복수 개 설정되며;

상기 복수의 필요조건을 모두 만족하면 상기 마그네틱 콤파스 데이터를 유효한 것으로 판정하여 이동물체의 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.
제 4항에 있어서,

상기 마그네틱 콤파스의 수는 적어도 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.
제 4항에 있어서,

상기 복수의 필요조건 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 상기 마그네틱 콤파스 데이터를 무효한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방 법.
제 4항에 있어서,

상기 복수의 필요조건은 상기 마그네틱 콤파스의 방위각과 자기장 크기로 설정되는 식 1의 제1필요조건과, 상기 마그네틱 콤파스의 자기장 크기의 차로 설정되는 식 2의 제2필요조건으로 구성된 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.

[식 1]

여기서,

θ는 측정된 값이다.

[식 2]

여기서,

θ는 측정된 값이다.
제 1항에 있어서,

상기 자기장 크기는 마그네틱 콤파스를 이용하여 식 3과 같이 구해지는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출방법.

[식 3]

여기서,
,
, O _x , O _y 는 캘리브레이션 파라미터이고, r _x , r _y 는 마그네틱 콤파스의 로 데이터이며, |H _E |는 지구자기장의 크기이다.
마그네틱 콤파스가 설치된 이동물체에 있어서,

상기 마그네틱 콤파스가 지자기 영역에 존재하는지를 판정하기 위해 자기장 간섭이 없는 지구자기장 필요조건을 설정하는 자기장 필요조건 설정부;

상기 마그네틱 콤파스로부터 이동물체에 인가된 자기장의 크기를 계산하는 자기장 산출부;

상기 계산된 자기장의 크기가 지구자기장 필요조건을 만족하는지를 체크하여 이동물체의 위치가 지자기 영역인지 판단하는 지자기영역 판단부; 및

상기 이동물체의 위치가 지구자기장 영역에 해당되면 마그네틱 콤파스의 방위각을 이동물체의 방향으로 결정하는 방향결정부를

포함하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출시스템.
제 9항에 있어서,

상기 자기장 필요조건 설정부는

소정의 지자기 영역에서 자기장 간섭이 약한 후보위치를 선택하는 후보위치 선택부;

상기 선택된 후보위치에서 콤파스를 회전시켜 수평성분의 자기장(H _x )과 수직성분의 자기장(H _y )의 로 데이터(raw data) 궤적을 구하여 파라미터를 구하는 로 데이터 획득부;

상기 로 데이터 궤적이 사인파 형태에 근사하면 현재 콤파스의 위치를 지구자기장 필요조건을 만족하는 후보위치로 결정하여 후보위치그룹을 생성하는 후보위치 결정부; 및

상기 후보위치그룹을 구성하는 각 후보위치에서 구한 파라미터의 상한과 하한을 정하여 지구자기장 필요조건을 결정하는 필요조건 획득부를

포함하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출시스템.
제 10항에 있어서,

상기 후보위치 결정부는 각각의 후보위치에서 자기장의 진폭 및 옵셋들을 서로 비교하여 특이값(Outlier points)을 가진 후보위치를 후보위치그룹에서 제외하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출시스템.
제 9항에 있어서,

상기 마그네틱 콤파스는 적어도 두 개 이상 설치된 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출시스템.
제 9항 또는 제 10항에 있어서,

상기 지구자기장 필요조건은 마그네틱 콤파스의 수에 따라 복수 개 설정되며;

상기 지자기영역 판단부는 자기장의 크기가 복수의 필요조건을 모두 만족하면 이동물체의 위치가 자기장 간섭이 없는 지자기 영역에 해당된다고 판단하고, 자기장의 크기가 복수의 필요조건 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 이동물체의 위치가 자기장 간섭이 존재하는 영역에 해당된다고 판단하는 것을 특징으로 하는 이동물체의 방향검출시스템.