KR100943538B1 - 요각 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

요각 측정 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 요각 측정 방법은, 가속도를 측정하는 단계와, 측정된 가속도로부터 롤 및 피치 값을 계산하는 단계와, 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 단계를 포함한다.

방위, 방위각, 가속도계, 요(yaw)

Description

요각 측정 장치 및 방법{Method and apparatus for yaw angle measurement}

본 발명은 요각 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가속도계를 이용하여 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 요각 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

관성 센서는 운동의 관성력을 검출하여 측정 대상인 움직이는 물체의 가속도, 속도, 방향, 거리 등의 다양한 정보를 제공하는 부품이다. 관성 센서는 인가되는 가속도에 의해 관성체에 작용하는 관성력을 검출한다. 관성 센서는 크게 가속도계(Accelerometer)와 각속도계(Gyroscope)로 분류되며, 레이저를 이용한 방식과 비기계식 방식도 개발되고 있다. 응용 분야는 자동차의 에어백, 캠코더, 핸드폰, 일반 가전 등의 움직임 센서 등을 비롯하여 비행기·차량의 항법 및 제어 등 매우 광범위하다.

관성 센서를 이용하여 측정이 가능 것 중의 하나가 물체의 자세에 대한 방위이다. 물체의 요(yaw), 롤(roll), 피치(pitch) 값을 관성 센서를 이용하여 측정한다. 물체의 자세에 대한 방위는 각속도계를 주로 이용한다. 그러나, 각속도계의 경우 충격에 약하며 가격이 고가인 동시에, 소형 전자기기에 사용될 수 있을 정도로 작은 크기로 제조하기가 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 각속도계를 이용하는 경우, 적분과정에서 발생하는 적분상수로 인한 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 즉, 사용자가 소정 각도로 회전시키다가 회전을 멈추더라도, 적분상수에 의해 계속적인 회전이 진행되는 것으로 인식할 수 있다는 문제점이 있었다.

각속도계를 사용하지 않고 가속도계만으로 물체의 방위를 측정하는 경우, 롤 및 피치 값은 계산될 수 있으나, 요 값은 계산하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가속도계를 사용하여 물체의 방위를 측정하는 요각 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 물체의 롤 및 피치 값을 이용하여 요 값을 계산하는 요각 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 요각 측정 방법은, 가속도를 측정하는 단계와, 측정된 가속도로부터 롤 및 피치 값을 계산하는 단계와, 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 단계를 포함한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 요각 측정 장치는, 가속도를 측정하는 측정 모듈과, 측정 모듈이 측정한 가속도로부터 롤 및 피치 값을 계산하고 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 계산 모듈을 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 요각 측정 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째,　가속도계만으로 요 값을 구할 수 있는 장점이 있다.

둘째,　피치 및 롤 값으로부터 요 값을 계산할 수 있는 장점도 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 요각 측정 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에서 가속도로부터 피치 및 롤 값을 계산하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 1의 (a)는 가속도계의 측정 방향을 나타낸다. 도 1에서 가속도계는 중력 방향과 수직한 평면 상에서 직교하는 x축 방향과 y축 방향 및 z축 방향의 가속도를 측정한다.

도 1의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 가속도계를 이용하여 피치 값을 측정하는 방법을 나타낸다. x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때, 피치(θ)는 다음과 같다.

피치 θ = arcsin(a_x/g)

가속도계를 이용하여 피치 값을 측정하는 방법은 실시예에 따라 다양한 방법 으로 계산될 수 있다.

도 1의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따라 가속도계를 이용하여 롤 값을 측정하는 방법을 나타낸다. Y축 방향 가속도를 a_y라 할 때, 이미 피치가 발생한 것을 전제로 하면, 도 1의 (b)에서 중력 가속도의 연직 성분은 g·cosθ가 된다. 따라서, 롤(Φ)은 다음과 같다.

롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ))

가속도계를 이용하여 롤 값을 측정하는 방법은 실시예에 따라 다양한 방법으로 계산될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에서 피치 및 롤 값을 이용하여 요 값을 계산하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 2의 (a)는 피치가 발생한 것을 전제로 롤 및 요 각속도의 벡터 방향을 나타낸다. 도 2의 (a)에서 ω_y는 롤 각속도 벡터를 나타내고 ω_z는 요 각속도 벡터를 나타낸다. 요 각속도 벡터는 실제 요 벡터가 아닌 실제 요 벡터에 대한 프로젝트 된 벡터를 나타낸다.

도 2의 (b)는 도 2의 (a)를 측면에서 나타낸 것이다. 도 2의 (b)로부터 시간 t에 대하여 롤 각속도 벡터 ω_y, 요 각속도 벡터 ω_z 및 피치 θ는 다음과 같은 관계가 성립한다.

sinθ(t) = ω_y(t) / ω_z(t)

따라서, ω_z(t) = ω_y(t) / sinθ(t)

위 식으로부터, 요(Ψ) 는 아래의 공식으로 근사값이 계산될 수 있다.

위의 공식은 피치 θ가 0도나 90도에 가까워지면 적용할 수 없으므로 0도나 90도에 가까운 각도에서는 제한을 걸어줘야 한다.

상기 공식을 사용하여 각 조건에서 실제 측정된 요 값은 다음과 같다.

피치(θ)	(-)피치일 때 측정된 요(Ψ)		(+)피치일 때 측정된 요(Ψ)
	롤 Φ = -80	롤 Φ = +80	롤 Φ = -80	롤 Φ = +80
10	이상동작	이상동작	-414	383
20	-222	243.5	-221	241.5
40	-120	125	-122	127
60	-89	91.5	-92	94.5
80	-72.5	77	-83	84.5

상기 표와 같이 피치 값을 변화 시키면서 롤을 -80에서 +80까지 변화시키면 측정된 요 값의 범위가 상이하므로 이러한 편차를 줄이기 위하여 다음과 같은 스케일팩터를 사용하여 보정한다.

상수 m, 피치 θ일 때, 스케일팩터 Y는 다음과 같다.

따라서, 요(Ψ)는 다음과 같다.

삭제

상기 공식은 피치 값이 존재하고 롤 값이 변함과 동시에 요 값이 변하는 상황에서 요에 대한 근사값을 계산할 수 있다. 본 발명은 일반적으로 3차원 포인팅 디바이스 등 사용자가 한 손으로 들고 조작하는 핸드 핼드 디바이스(hand-held device)에서 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에 대한 순서도이다.

가속도계를 이용하여 물체의 자세에 대한 가속도를 측정한다(S310). 가속도계는 중력 방향과 수직한 평면 상에서 직교하는 x축 방향과 y축 방향 및 z 축 방향의 가속도를 측정한다.

측정된 가속도를 이용하여 롤 및 피치 값을 계산한다(S320). x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 피치 θ = arcsin(a_x/g)이 된다. 또한, y축 방향 가속도를 a_y라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ))이 된다. 가속도계를 이용하여 롤 및 피치 값을 측정하는 방법은 실시예에 따라 다양한 방법으로 계산될 수 있다.

계산된 피치 값이 0도 또는 90도 인지 판단한다(S330). 계산된 피치 값이 0도 또는 90도인 경우 요 값은 계산될 수 없으므로, 계산된 피치 값이 0도나 90도가 아닌 경우에만 다음 단계가 진행된다.

계산된 피치 값이 0도 또는 90도가 아닌 경우, 계산된 롤 Φ 및 피치 θ 을 이용하여 요 값을 계산한다(S340).

전술한 바와 같이, 요(Ψ)는 다음과 같다.

상술한 요각 측정 방법에서 S310 단계 및 S320 단계는 롤 및 피치 값을 계산하지 않고 관성 센서로 측정 하는 단계로 대치될 수 있다.

삭제

상술한 요각 측정 방법은 피치 값이 존재하고 롤 값이 변함과 동시에 요 값이 변하는 상황에서 적용될 수 있다. 상술한 요각 측정 방법은 일반적으로 3차원 포인팅 디바이스 등 사용자가 한 손으로 들고 조작하는 핸드 핼드 디바이스(hand-held device)에서 적용될 수 있다.

또한, 상술한 각 단계들은 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되거나 생략되는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 모션 센서에 대한 블록도이다.

3차원 포인팅 디바이스는 측정 모듈(410) 및 계산 모듈(420)을 포함하는 요각 측정 장치(400)와 처리 모듈(430), 출력 모듈(440)을 포함한다.

측정 모듈(410)은 가속도계 등의 센서로서, 3차원 포인팅 디바이스에서 중력 방향과 수직한 평면 상에서 직교하는 x축 방향과 y축 방향 및 중력 방향과 수평한 z축 방향의 가속도를 측정한다. 측정 모듈(410)은 측정된 x축 방향 가속도 와 y 방향 가속도 및 z축 방향 가속도를 계산 모듈(420)에 전달한다.

계산 모듈(420)은 측정 모듈(410)이 측정한 가속도로부터 3차원 포인팅 디바이스의 방위를 계산한다. 계산 모듈(420)은 측정된 x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 피치 θ = arcsin(a_x/g)로 계산한다. 또한, 계산 모듈(420)은 측정된 y축 방향 가속도를 a_y라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ))로 계산한다. 계산 모듈(420) 롤 및 피치 값을 계산하는 방법은 실시예에 따라 다양한 방법으로 계산될 수 있다.

계산 모듈(420)은 계산된 피치 θ와 롤 Φ에서, 요 값을 계산한다.

전술한 바와 같이, 요(Ψ)는 다음과 같다.

다만, 피치 값이 0도 또는 90 도인 경우 계산할 수 없으므로, 계산 모듈(420)은 요 값에 대하여 NULL 값을 반환하는 것이 바람직하다.

삭제

처리 모듈(430)은 측정 모듈(410)이 측정한 x축, y축 및 z축 방향 가속도와 계산 모듈(420)이 계산한 요, 롤, 피치 값을 보정한다. 처리 모듈(430)은 각각의 값에 나타나는 오차를 선형 보간등의 보정 방법에 의하여 보정을 한다.

출력 모듈(430)은 처리 모듈(430)에 의하여 보정된 x축, y축 및 z축 방향 가 속도와 요, 롤, 피치 값을 출력한다. 바람직하게는 출력 모듈(430)은 디지털 신호로 출력하는 것이 바람직하다. 출력된 신호는 모션 센서가 사용되는 모바일 기기, 게임기, 포인팅 디바이스 등 다양한 장치에서 사용된다.

상술한 모션 센서는 피치 값이 존재하고 롤 값이 변함과 동시에 요 값이 변하는 상황에서 사용될 수 있다. 상술한 모션 센서는 일반적으로 3차원 포인팅 디바이스 등 사용자가 한 손으로 들고 조작하는 핸드 핼드 디바이스(hand-held device)에서 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 3차원 포인팅 디바이스에 대한 블록도이다.

3차원 포인팅 디바이스는 측정 모듈(410) 및 계산 모듈(420)을 포함하는 요각 측정 장치(400)와 입력 모듈(530), 처리 모듈(540), 송신 모듈(550), 수신 모듈(560), USB 연결부(570)를 포함한다.

측정 모듈(410)은 가속도계로서, 3차원 포인팅 디바이스에서 중력 방향과 수직한 평면 상에서 직교하는 x축 방향과 y축 방향의 가속도를 측정한다. 측정 모듈(410)은 측정된 x축 방향 가속도 와 y 방향 가속도를 계산 모듈(420)에 전달한다.

계산 모듈(420)은 측정 모듈(410)이 측정한 가속도로부터 3차원 포인팅 디바이스의 방위를 계산한다. 계산 모듈(420)은 측정된 x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 피치 θ = arcsin(a_x/g)로 계산한다. 또한, 계산 모듈(420)은 측정된 y축 방향 가속도를 a_y라 할 때, 본 발 명의 일 실시예에 따라 롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ))로 계산한다. 계산 모듈(420) 롤 및 피치 값을 계산하는 방법은 실시예에 따라 다양한 방법으로 계산될 수 있다.

계산 모듈(420)은 계산된 피치 θ와 롤 Φ에서, 요 값을 계산한다.

전술한 바와 같이, 요(Ψ)는 다음과 같다.

다만, 피치 값이 0도 또는 90 도인 경우 계산할 수 없으므로, 계산 모듈(420)은 요 값에 대하여 NULL 값을 반환하는 것이 바람직하다.

삭제

입력 모듈(530)은 3차원 포인팅 디바이스의 버튼이나 휠에 대한 입력을 받는다. 바람직하게는 입력 모듈(530)은 좌측 및 우측 버튼과 휠로 구성되어 일반적인 포인팅 디바이스에 상응하는 동작을 입력 받아 입력 신호를 처리 모듈(540)에 전달한다.

처리 모듈(540)은 계산 모듈(420)이 계산한 방위를 통하여 3차원 포인팅 디바이스의 이동 변위를 산출한다. 또한, 처리 모듈(540)은 입력 모듈(530)이 전달한 입력 신호를 처리한다.

송신 모듈(550)은 처리 모듈(540)이 처리한 3차원 포인팅 디바이스의 이동 변위 및 입력 신호를 RF 방식 또는 블루투스 방식 등 다양한 무선 송신 방법으로 송신한다.

수신 모듈(560)은 송신 모듈(550)이 송신한 3차원 포인팅 디바이스의 이동 변위 및 입력 신호를 RF 방식 또는 블루투스 방식 등 다양한 무선 수신 방법으로 수신한다.

수신 모듈(560)이 수신한 3차원 포인팅 디바이스의 이동 변위 및 입력 신호는 USB 연결부(570)를 통하여 컴퓨터(미도시)로 출력된다. 다만, USB 뿐만 아니라 다양한 연결 방법에 의하여 컴퓨터로 출력될 수 있다. 컴퓨터는 이동 변위 및 입력 신호를 통하여 포인터를 움직이는 등의 동작을 수행한다.

상술한 측정 모듈(410)은 롤 및 피치 값을 측정하고, 계산 모듈(420)은 상기 측정된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하도록 변경될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 3차원 포인팅 디바이스가 동작하는 예시도이다.

사용자가 3차원 포인팅 디바이스(610)를 좌우로 이동한다. 일반적으로 사용자가 3차원 포인팅 디바이스(610)를 들고 있는 경우 피치 값은 0 또는 90도가 아니며, 3차원 포인팅 디바이스를 좌우로 이동할 때 롤링(rolling)이 발생한다. 따라서, 3차원 포인팅 디바이스(610)의 계산 모듈(420)은 상술한 계산 방법에 의하여 롤, 피치, 요 값을 계산할 수 있다.

3차원 포인팅 디바이스(610)의 처리 모듈(420)은 계산된 롤, 피치, 요 값을 통하여 이동 변위를 산출하여 이를 송신 모듈(550), 수신 모듈(560) 및 USB 연결부(570)을 통하여 컴퓨터에 출력한다. 컴퓨터와 연결된 화면(620)은 3차원 포인팅 디바이스(610)의 이동 변위에 따라 포인팅 디바이스 포인터가 움직이게 된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에서 피치 및 롤 값을 계산하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에서 피치 및 롤 값을 이용하여 요 값을 계산하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 방법에 대한 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 모션 센서에 대한 블록도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 3차원 포인팅 디바이스에 대한 블록도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 요각 측정 장치를 포함하는 3차원 포인팅 디바이스가 동작하는 예시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

400: 요각 측정 장치 410: 측정 모듈

420: 계산 모듈 530: 입력 모듈

540: 처리 모듈 550: 송신 모듈

560: 수신 모듈 570: USB 연결부

610: 3차원 포인팅 디바이스

Claims (14)

1. 가속도를 측정하는 단계;

   상기 측정된 가속도로부터 롤 및 피치 값을 계산하는 단계; 및

   상기 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 단계를 포함하는 요각 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피치 값은 상기 측정된 x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때 피치 θ = arcsin(a_x/g) 으로 계산되는 요각 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 롤 값은 상기 측정된 y축 방향 가속도를 a_y라 할 때 롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ)) 으로 계산되는 요각 측정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 요 값은 상기 피치 값을 θ, 상기 롤 값을 Φ, 스케일 팩터를 위한 값을 m 이라 하면 요 Ψ = (Φ / sinθ) * (θ / m) 으로 계산되는 요각 측정 방법.
5. 삭제
6. 롤 및 피치 값을 측정하는 단계; 및

   상기 측정된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 단계를 포함하는 요각 측정 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 요 값은 상기 피치 값을 θ, 상기 롤 값을 Φ, 스케일 팩터를 위한 값을 m 이라 하면 요 Ψ = (Φ / sinθ) * (θ / m) 으로 계산되는 요각 측정 방법.
8. 가속도를 측정하는 측정 모듈; 및

   상기 측정 모듈이 측정한 가속도로부터 롤 및 피치 값을 계산하고 상기 계산된 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 계산 모듈을 포함하는 요각 측정 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 피치 값은 상기 측정된 x축 방향 가속도를 a_x라 하고 중력 가속도를 g라 할 때 피치 θ = arcsin(a_x/g) 으로 계산되는 요각 측정 장치.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 롤 값은 상기 측정된 y축 방향 가속도를 a_y라 할 때 롤 Φ = arcsin(a_y/(g·cosθ)) 으로 계산되는 요각 측정 장치.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 요 값은 상기 피치 값을 θ, 상기 롤 값을 Φ, 스케일 팩터를 위한 값을 m 이라 하면 요 Ψ = (Φ / sinθ) * (θ / m) 으로 계산되는 요각 측정 장치.
12. 삭제
13. 롤 및 피치 값을 측정하는 측정 모듈; 및

    상기 측정 모듈이 측정한 롤 및 피치 값으로부터 요 값을 계산하는 계산 모듈을 포함하는 요각 측정 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 요 값은 상기 피치 값을 θ, 상기 롤 값을 Φ, 스케일 팩터를 위한 값을 m 이라 하면 요 Ψ = (Φ / sinθ) * (θ / m) 으로 계산되는 요각 측정 장치.

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