KR101107538B1 - 센서-기반 배향 시스템 - Google Patents

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Abstract

선형 가속도계들을 사용하여, 3개 축 중 임의의 축 또는 그 모든 축에 대한 회전을 포함하는, 오브젝트의 위치 변경을 측정하는 방법이 개시된다. 추가적인 이용을 위해, 6차원 정보, 즉, 3차원에서의 변환 및 3개 축에 대한 회전을 측정 및 공급하도록 2개의 다른 3D 선형 가속도계를 통합하는 선형 가속도계를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 2개의 선형 가속도계 센서는 6 자유도에 있어서의 변수 중 하나를 제외한 모두를 결정하는데 이용된다. 제 3 가속도계로부터의 출력은 제 6 의 회전 자유도를 결정하는데 필요한 데이터를 생성한다. 따라서, 헤딩 (즉, 요 또는 방위각) 에 있어서의 변경을 검출하기 위한 자이로스코프에 대한 필요성이 회피될 수도 있다.

Description

센서-기반 배향 시스템{SENSOR-BASED ORIENTATION SYSTEM}
본 출원은 2006년 3월 15일자로 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도되어 있고 본 명세서에 참조로서 명백히 포함되는, 명칭이 "센서-기반 배향 시스템 (Sensor-based Orientation System)" 인 미국특허 가출원 제 60/783,196 호를 우선권 주장한다.
본 개시물은 일반적으로 배향 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 3차원 공간에 있어서 이동체의 선형 변환에 부가하여 그 이동체에 있어서의 롤, 피치 및 요 (yaw) 를 감지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
물리적 상태 또는 현상을 검출 또는 측정하는데 이용가능한 매우 다양한 센서들이 존재한다. 다수의 산업적, 상업적 또는 과학적 콘텍스트에 있어서 일반적으로 이용되는 센서의 타입은 선형 가속도계이다. 지구의 중력 벡터의 방향을 검출함으로써, 선형 "3D" 가속도계는 오브젝트의 변환 (각 회전없이 선형 이동) 을 측정하는데 이용될 수 있으며, 또한, 이는 ("롤" 또는 "피치" 와 관련된 각 가속도와 같은) "기울기", 자유낙하, 및 쇼크를 감지할 수 있다. 상이한 타입 및 감도의 가속도계들은 소형 공의 롤링, 전해액 또는 중수의 시프트/흐름, 진자의 흔들림, 또는 정확도와 감도를 변경시키는 다른 기계적 수단과 같은 임의의 다양한 물리적 현상을 이용함으로써 기능할 수도 있다. 더 복잡한 공지된 선형 가속도계들은 지구의 자기장을 통한 이동을 감지하거나 다른 자기적 또는 광학적 현상을 이용할 수도 있다.
하지만, 현재, 종래의 비용-효과적인 선형 가속도계들을 이용하여, 디바이스의 배향에 있어서의 변경 및 롤 또는 피치에 있어서의 대응하는 변경 (즉, 각 가속도) 과 선형 움직임 (통상적인 직교 좌표계에 대한 가속도) 간을 구별하는 것은 어렵거나 불가능하다. 이동체의 "헤딩" 또는 요에 있어서의 변경은 종래의 선형 가속도계에 의해서는 전혀 감지될 수 없다. 일반적으로, 비교적 고가이고 복잡하며 섬세한 자이로스코프가 이동가능한 오브젝트의 요, 롤 및 피치와 같은 회전 자유도에 있어서의 시프트 또는 변경을 감지하는 수단으로서 기능한다. 마이크로 전자기계 시스템 (MEMS) 기술에 있어서의 최신 개발은 2축 자이로스코프의 개발을 허용하였지만, 통상적으로, 회전축 당 하나인 3개의 자이로스코프가 이용된다. 따라서, 비교적 간단한 가속도계 센서들을 이용하여, 요 뿐아니라 롤 및 피치에 있어서의 변경을 포함하는 모두 6 자유도에 있어서의 오브젝트의 이동을 신뢰성있게 측정하는 방법 및 수단이 당업계에 필요하다.
본 명세서에 개시된 실시형태들은 실제로 임의의 이동가능 오브젝트에 대한 모두 6 자유도에 있어서의 이동을 측정하는 프로세스 및 장치를 제공함으로써 상술한 필요성을 해결한다.
3개의 선형 가속도계가 그러한 측정에 필요한 모든 데이터를 생성한다. 2개의 가속도계는 이들 가속도계와 관련된 동일 선상의 2개의 포인트에 대한 위치에 있어서의 변경을 검출하는데 필요한 데이터를 제공하지만, 첫번째 2개와 동일 선상이 아니게 배치된 제 3 의 가속도계는, 존재한다면, 첫번째 2개의 가속도계들을 연결하는 가상의 축의 위치 또는 배향에 있어서의 변경을 평가하기에 적절한 데이터를 생성한다.
도 1은, 국부적 수평면에 관하여 도시되고 또한 선택된 좌표축들이 도시된 종래 기술의 가속도계 또는 "기울기" 센서의 사시도이다.
도 2는 움직임의 6 자유도에 관하여 가속도를 측정함에 있어서 사용하기 위한, 메트릭 보드 상에 3개의 가속도계 센서들이 존재하는 본 개시물의 일 양태를 도시한 것이다.
도 3은 4개의 수직으로 정렬된 가속도계 센서의 어레이 및 각각의 센서의 축에 대응하는 출력 데이터를 도시하고, 또한, 하나의 센서가 다른 센서에 비해 반전된 2개의 수평으로 정렬된 센서와 함께 대응하는 출력 데이터를 도시한 것이다.
도 4는 소정의 기울기 각도 τ에 대응하는 좌표계의 x축 상의 가속도에 있어서의 변경의 결정을 도시한 기하학적 도면이다.
도 5는 선형 변환을 경험하는 메트릭 보드 상의 2개의 가속도계-타입 센서의 출력 센스를 도시한 것이다.
도 6은 축 S-S 에 대한 회전을 경험하는 메트릭 보드 상의 2개의 가속도계-타입 센서의 대향하는 출력 센스를 도시한 것이다.
도 7은 클록 및 MPROC 조합과 3개의 가속도계 센서 사이의 동작 접속을 나타낸 단순 개략도이다.
도 8은 본 개시물의 방법의 일 양태를 도시한 플로우차트이다.
도 9는 본 개시물의 다른 양태를 도시하는 도면으로, 움직임의 6 자유도에 대한 가속도들을 측정하는데 사용하기위한, 메트릭 보드 상의 두 개의 가속도계 센서들을 도시한다.
본 개시 방법은 오브젝트의 배향 및 선형 움직임이 감지 및 측정되게 한다. 개시된 방법들은 항공전자공학 및 지상 교통, 원격통신, 원격 감지 및 사진, 사람 또는 화물의 전자 추적 및 모니터링, 사람, 제품 및 소비자 전자기기 제품의 보안을 포함하지만 이에 한정되지 않는 매우 다양한 필드 및 환경에서 유리한 애플리케이션을 찾을 것이라고 예상된다.
본 개시 방법에 의해, 선택된 오브젝트의 선형 움직임 및 3차원 배향은 신뢰성있게 측정될 수 있다. 그 후, 이에 의해 생성된 움직임 및 위치 데이터는 임의의 적절한 수단에 의해 다른 시스템 컴포넌트들 또는 프로세서들에 송신될 수 있다. 예를 들어, 3차원 위치에 있어서의 원하지 않는 변경의 측정치는, 적절한 배향으로부터의 (예를 들어, 수직에 대한) 일탈이 조정되게 하기 위한 예를 들어 자세 제어 시스템에 제공될 수 있다. 또는, 추가적인 예로써, 오브젝트의 가속도 및 배향이 소정의 파라미터 외부에 있도록 동시에 측정된다면, 경보 시스템이 시그널링 및 작동될 수도 있다. 소비자 전자기기에 있어서, 6차원 정보는 조이스틱과 같은 게임 디바이스를 제어하고, 입력 및 메뉴 선택의 관점에서 사용자 상호작용을 허용하며 디지털 스틸 카메라 및 비디오 카메라에 대한 이미지 안정화를 제공하는데 사용될 수 있다.
다양한 상이한 타입 및 기능에 있어서, 선형 가속도계는 광범위한 과학적 및 산업적 애플리케이션에서 널리 이용된다. 3차원 가속도계는 다수의 상이한 레벨의 복잡성 및 비용에서 일반적으로 이용가능하며, 가장 널리 이용되는 마이크로 전자기계 시스템 (MEMS) 센서들 중 하나이다. 도 1은 기울기 센서로서 기능하는 종래의 선형 가속도계를 도시한 것이다. 가속도계 센서는 선형 움직임 (즉, 국부적 수평면과 같은 임의의 평면에서의 변환) 을 감지할 수 있으며, 그 변환은 적어도 2개의 축 (예를 들어, Xh 및 Yh) 을 참조하여 측정될 수 있다. 또한, 그러한 가속도계는 오브젝트의 기울기의 측정치 (도 1에서 시사된 바와 같이, 롤 또는 피치) 를 제공할 수 있다. 따라서, 단일 3D 가속도계에 있어서, 직교 좌표 공간 (x, y, z) 에 있어서의 오브젝트의 움직임이 감지될 수 있고, 중력의 방향이 오브젝트의 롤 (τ) 및 피치 (
Figure 112011000223340-pat00001
) 를 추정하기 위해 감지될 수 있다. 본 방법 및 장치의 현저한 이점은 그러한 일반적으로 이용가능하고 비교적 적절한 비용의 3D 가속도계들 중 3개가 기능적으로 조합되어, 제 6 변수에 있어서의 변경, 즉, 종종 방위각 또는 "헤딩" 으로 지칭되는 요 (
Figure 112011000223340-pat00002
) 의 변경을 감지할 수 있다는 것이다.
도 2를 참조한다. 본 개시물에 따르면, 바람직하지만 필수적이진 않은 2개의 동일한 3D 가속도계들 (20, 20') 이 자동차, 원격통신, 무선 또는 사진 디바이스, 항공기 등과 같은 관심 오브젝트와 관련된 메트릭 보드 (22) 상에 이격된 관계로 배치되어 있다. 3차원 공간에 있어서의 2개의 가속도계들 (20, 20') 의 정확한 배치는, 그들의 선형 분리 거리가 고정된다면 중요하지 않으며, 그 거리들에 대한 유의도 및 움직임의 정도가 모니터링되어야 한다. 일 실시형태에 있어서, 가속도계들 (20, 20') 은 평탄한 보드 (22) 의 대략 대각선으로 대향한 코너들에 위치된다. 각각의 가속도계는 국부적 수평면 (25, 25') 을 갖는 것으로 간주될 수도 있으며, 이 국부적 수평면 (25, 25') 은 메트릭 보드 (22) 내에 포함되거나 그에 평행할 수도 있다. 보드 (22) 는, 그 변환 및 회전이 감지 및 모니터링될 오브젝트 또는 디바이스 (미도시) 내에서 고정된다.
본 개시물은, 제 3 가속도계 (23) 와 함께 제 1 가속도계 (20) 및 제 2 가속도계 (20') 의 출력을 적분하여 요구된 "6차원" 데이터 매트릭스 (x, y, z,τ,
Figure 112011000223340-pat00003
,
Figure 112011000223340-pat00004
) 를 제공하는 방법을 제공한다. 선형 가속도계들이 제 2 모멘텀 측정을 제공하기 때문에, 가속도계들 (20, 20', 23) 에 의해 행해진 이동 측정치는 (선형 또는 각 속도에 있어서) 변경율을 획득하기 위해 한번 적분된 후, 절대 측정치, 즉, 위치에 있어서의 변경 또는 기울기의 절대 측정치를 획득하기 위해 한번더 적분되어야 한다.
도 2의 고려는 2개의 가속도계 (20, 20') 단독으로 충분히 검출될 수 없는 움직임의 정도만이 이들 2개의 가속도계 (20, 20') 를 연결하는 선에 의해 정의된 가상의 축 (R-R) 에 대한 회전임을 시사한다. 관심 오브젝트에 관한 보드 (22) 의 배향에 의존하여, 이러한 회전은 롤 (τ), 피치 (
Figure 112011000223340-pat00005
) 또는 요 (
Figure 112011000223340-pat00006
) 에 있어서의 변경에 대응할 수도 있어서, 2-센서 디바이스는 3개 타입의 회전 모두를 신뢰성있게 검출하기에 불충분하다. 본 발명은 도 9에 도시된 바와 같이, 6D 정보(x, y, z,θ,
Figure 112011000223340-pat00007
,
Figure 112011000223340-pat00008
) 를 측정하고 제공하기 위해 두 개의 3D 선형 가속도계를 적분하는 방법을 개시한다. 상기 보드의 반대쪽 코너에 배치된 두 개의 3D 가속도계는 선형 이동을 감지할 수 있고-센서들은 유사한 출력들을 보인다(도 5 참조), 배향 변경을 감지할 수 있다-센서들은 반대되는 출력들을 보인다(도 6 참조).
도 3은 가속도 센서들의 출력 응답 대 중력에 대한 배향을 그래픽적으로 도시한 것이다. 각각의 센서의 개별 배향이 나타내어지면, 중력 가속도가 센서들의 어레이에 있어서의 각각의 센서에 대한 각각의 감도축 (axis of sensitivity) 에 대해 측정된다. 4개의 센서들의 어레이가 도 3에 도시되어 있으며 (또는, 대안적으로, 단일 센서가 상이한 시간에 4개의 상이한 위치에 도시됨), 그 배향은 관측가능하다 (센서들 상의 백색 코너 마커들의 위치를 나타냄). 센서들의 x-y 좌표 평면들 (x 감도축 및 y 감도축에 의해 정의됨) 은 중력 벡터에 평행이어서, 최상위 센서는 x축을 따른 중력으로 인한 가속도를 제외하고 제로 출력을 나타낸다. 유사하게, 어레이에 있어서 최하위 센서는, 가속도 측정이 최상위 센서에 대한 x축의 반전으로 인해 대향 "센스" 를 갖는 출력이라는 것을 제외하고, 중력 가속도만을 나타낸다. 어레이의 2개의 측면 센서들은, 각각의 2개의 평행이지만 대향하게 지향된 y 감도축을 따른 중력 가속도를 갖는 일치된 출력을 생성한다. 모든 센서 축들은 설계에 의해 서로 수직이고 임의의 오정렬은 가속도 측정 에러를 발생시킴을 유의해야 한다. 다음의 설명에 있어서, 센서 축들은 완전히 정렬되고 서로 수직이며, 센서들 자체는 센서 (20) 의 x, y, z축이 센서들 (20' 및 23) 의 x, y, z축과 완전히 정렬되는 방식으로 평면 (22) 에 위치된다고 가정한다.
또한, 도 3은 단일 센서가 센서의 z 감도축에 관한 데이터를 어떻게 출력할 것인지를 나타낸다. 도면의 우하측에 있어서, 단일 센서의 x-y 좌표 평면은 중력 벡터에 대해 수직이다. 따라서, x 감도축 및 y 감도축에 대응하는 출력은 제로이지만, z 감도축에 따른 가속도는 중력 가속도 상수 g 와 동일하거나, 또는 센서의 z 감도축의 지향성 "센스" 를 역전시키기 위하여 센서가 반전되면 -g 와 동일하다.
도 5는 2개의 3D 가속도계들 (20, 20') 이 z축 (40; 아마도 중력 벡터) 에 평행한 "드롭 (drop)" 과 같은 선형 이동을 감지할 수 있음을 시사한다. 그러한 환경에 있어서, 가속도계들 (20, 20') 은 일반적으로 평행 벡터들 (도면에서 지향성 화살표로 나타냄) 을 따라 동일한 방향으로 이동하고, 따라서, 유사한 출력을 생성한다. 대조적으로, 도 6에 의해 나타낸 바와 같이, 2개의 가속도계들 (20, 20') 은 (예를 들어, 임의의 소정의 가상의 회전축 (S-S) 에 관한) 배향을 감지할 수 있으며, 이는 그 가속도계들이 대향하게 지향된 벡터들을 따라 이동하고 따라서 대향하는 출력들을 생성하기 때문이다.
2개 가속도계 시스템의 감지 부족을 극복하기 위하여, 제 3 의 선형 가속도계 (23) 가 제공된다. 제 3 의 가속도계 센서 (23) 는 각각 센서 넘버 1 (20) 으로부터 및 센서 넘버 2 (20') 로부터의 고정된 분리 거리에 배치되고, 센서들 (20, 20') 의 위치에 의해 정의된 가상의 축 (R-R) 에서 떨어져 위치된다 (즉, 3개의 센서들 (20, 20', 및 23) 은 동일한 가상의 평면 내에 있지만 동일 선상에 배열되진 않음). 부가적인 센서 컴포넌트 (23) 는 "6개 축" 이동, 즉, 선형 (x, y, z) 및 회전 (τ,
Figure 112011000223340-pat00009
,
Figure 112011000223340-pat00010
) 의 관측 및 식별을 허용한다. 따라서, 도 2에 도시된 3개 센서 어레이는 3개의 가속도계 (20, 20', 23) 의 배치에 의해 정의된 평면 (예를 들어, 메트릭 보드 (22)) 의 모두 6개의 움직임 정도를 효과적으로 검출 및 기술할 수 있다.
가속도계들이 그 가속도계를 탑재하는 오브젝트의 배향에 의존하여 중력을 감지하기 때문에 (도 3), 본 개시물에 따른 장치의 상이한 축들은 오브젝트에 의해 경험되는 중력 및 임의의 다른 가속도의 측정을 감지 및 리포트한다. 본 발명에 관하여, 중력은 항상 존재함을 유의해야 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기울기 가속도는 각 (τ) 의 사인 (sine) 과 중력의 곱으로부터 결정된다. 예를 들어, 가속도계 (20, 20', 또는 23) 의 x 감도축에 대한 가속도가 ax로서 지정되면, sine τ = ax/g 이고, 여기서, g 는 중력으로 인한 가속도 (~9.8m/s2) 이다. 따라서, x축에서 1도 (1°) 의 기울기에 대해, △ax = sin (1°)g
Figure 112011000223340-pat00011
17.45mg 의 x축에 대한 가속도 변경이 존재한다. 따라서, 가속도계 생성 측정치의 품질은, 대략 1°의 기울기가 관측 및 리포트된다면 17.45mg 보다 우수해야 한다.
도 5를 다시 참조하면, 2개의 3D 가속도계 또는 센서들 (20, 20') 각각은 3개의 감도축 (x, y, z) 을 가진다. z축 (40) 이 중력 벡터와 정렬된다면, 어떠한 이동도 없을 시에, 센서 넘버 1 (20) 은 감도축에 대하여 각각 0g, 0g, 및 1g 의 가속도를 경험 및 리포트하고, 센서 넘버 2 (20') 도 유사하게 경험 및 리포트한다. 오직 z축 (40) 만을 따라 선형 이동이 존재한다면, 양 센서들 (20, 20') 은 0g, 0g 및 az+1g 의 가속도를 리포트하며, 여기서, az 는 z축 (40) 을 따른 이동으로 인한 가속도를 나타낸다. 다른 x축 및 y축에 대한 선형 움직임 및 가속도가 동일한 개념적 프레임워크로 분석된다.
또한, 각 이동이 검출 및 평가된다. 도 6에 도시된 바와 같이 축 (S-S; 이는 센서의 감도축 중 하나에 평행할 수도 있거나 평행하지 않을 수도 있음) 에 대한 회전이 발생하면, 2개의 센서들 (20 및 20') 은 도 6의 직선 지향성 화살표에 의해 시사된 바와 같이 대향 "센스" 를 갖는 변경을 리포트한다. 축 (S-S) 에 대한 회전은 센서 넘버 1 (20) 이 센서의 감도축에 대하여 각각 0g, 0g, 및 az+1g 의 가속도를 경험 및 리포트하게 할 것이다. 대조적으로, 센서 넘버 2 (20') 는 센서의 감도축에 대하여 각각 0g, 0g, 및 -az+1g 의 가속도를 경험 및 리포트하며, 여기서, z축에 따른 가속도는 중력 가속도로부터 감산된다. 특히, 회전 움직임과 선형 움직임 양자의 조합은 z축에 따른 가속도의 크기에 있어서의 불균형을 야기할 것이다. 따라서, 각각의 가속도 az 의 크기가 센서들 (20, 20') 에 의해 동일하다고 리포트되지 않으면, 디바이스는 회전 움직임과 선형 움직임의 조합을 나타낸다. 또한, 당업자는 동일한 개념이 다른 직교축에 대한 회전에 적용된다는 것을 바로 이해할 것이다.
전술한 개념들을 적용하고 센서의 소정의 감도축에 대한 τ에 있어서의 각도를 통해 기울기로 인한 가속도에 대한 식 (sine τ = ax/g (또는 ay/g) 등) 을 이용하면, 각각의 센서 (20, 20', 23) 는, 특정 센서가 선택된 시간 인터벌 동안에 선형 또는 회전 이동하는 방법을 시그널링하는 출력을 생성한다. 전술된 바와 같이, 그 후, 각각의 가속도계 센서 출력들의 방향 및 크기가 CPU 에 의해 측정되고, 비교 및 대비되어, 그 위치가 모니터링되는 오브젝트의 총 움직임을 계산한다. 가속도계들 (20, 20') 로부터의 출력만이, 총 오브젝트가 3D 공간을 통해 변환 비회전 이동을 경험한 정도의 계산을 공지의 알고리즘들을 이용하여 허용하고, 또한, 하나의 선택된 축에 대한 회전이 대향하는 지향성 "센스" 의 출력들을 생성하는 2개의 센서들 (20, 20') 에 의해 검출 및 측정될 수 있기 때문에, 3D 공간에 있어서의 2 자유도 (예를 들어, "롤" 및 "피치") 에 있어서의 회전이 또한 계산될 수도 있다.
첫번째 2개의 센서들을 "연결"하는 축 (R-R) 에서 떨어져 위치된 제 3 의 센서 (23) 는 축 (R-R) 자체가 회전을 경험했는지, 즉, 메트릭 보드 (22) 의, 및 따라서 관심 오브젝트의 측정되지 않은 제 3 의 자유도 (예를 들어, "요" 또는 "방위각") 에 있어서의 회전 변경이 존재하였는지를 판정하기에 충분한 출력 데이터를 생성한다.
모두 6 자유도 (x, y, z,τ,
Figure 112011000223340-pat00012
,
Figure 112011000223340-pat00013
) 에 있어서의 변경을 모니터링하는 방법은 시간 제로 (t0) 에서 3개의 가속도계 센서들 (20, 20', 및 23) 각각에 초기 좌표 (X0, Y0, Z0) 를 할당한 후, 임의의 적절히 선택된 좌표계에 기초하여 그 좌표들에 있어서의 변경을 연산하는 것을 포함한다. 이 방법에 따르면, 각각의 센서 (20, 20', 및 23) 의 3D 좌표가 초기화되고, 그 후, 관심 오브젝트는 모니터링될 움직임을 경험하게 한다. 가속도계 센서들 (20, 20', 및 23) 각각의 출력이 수신되고, 선택된 좌표계에 대한 각각의 센서의 위치 변경을 생성하기 위해 이중-적분 식으로의 입력으로서 사용된다.
위치 변경을 계산하는 알고리즘, 즉, 후속 시간 (t1) 에 단일의 소정 센서와 관련된 좌표를 결정하기 위한 알고리즘은,
Figure 112011000223340-pat00014
일 것이고, 여기에서, X0 은 시간 제로 (t0) 에서의 특정 센서의 x좌표이고, 또한, 시간 제로에서, Y0 는 센서의 y좌표이며 Z0 는 센서의 z좌표이다. 모두 3개의 좌표 축에 관한 가속도의 적분은, 당업자의 프로그래밍 기술 내에서 프로그램을 구동하는 프로세싱 유닛에 의해 수행될 수도 있는 계산법이다. 다른 2개의 센서들 각각과 관련된 후속 좌표 (X1, Y1, Z1) 는 각각의 센서의 출력 데이터를 입력으로서 사용하여 수학식 1의 알고리즘을 유사하게 구동함으로써 연산된다. 대응하는 좌표를 갖는 각각의 센서가 보드 (22) 상에 위치된 포인트의 3D 이동을 기술하기 때문에 (또한, 일반적으로, 평면을 정의하기 위하여 3개 포인트를 취함), 3개의 센서들 및 시간의 함수로서 연산된 그 대응하는 좌표들은 차이 (t1-t0) 로서 정의된 측정 드웰 동안 보드 (22) 의 위치 및 배향에 있어서의 변경을 기술한다.
도 7을 참조한다. 본 방법의 최적 성능에 대한 유의도는 모든 가속도계 센서들 (20, 20', 23) 로부터의 측정치의 동시적 또는 준-동시적 판독이다. 동시적 판독치가 수신되고, 디지털 신호 프로세서 및 적절한 DRAM 에 의해 레코딩될 수도 있다. 대안적인 실시형태에 있어서, 측정 신호들이 수신 및 "시간-스탬프"될 수도 있다. 후속하여, 시간-스탬프된 데이터는, 네비게이션 또는 이미지 안정화 시스템에서 채용되는 알고리즘들과 같은 임의의 다양한 공지의 움직임 검출 알고리즘들로의 통합 및, 필요하다면, 추가적인 프로세싱을 위해 상관될 수 있다. 도 7은 별개의 센서들 (20, 20', 23) 이 공통 클럭 (34) 과 동작적으로 관련된 프로세서 (32) 에 데이터를 제공하여 그 센서들 (20, 20', 23) 로부터 별개로 수신된 데이터의 조정된 "데이터 스탬핑" 을 제공하는 것을 도시한 것이다. 단일 기준 클럭을 가짐으로써, 정확한 상대적 시간 스탬핑이 달성될 수 있다. 프로세서 (32) 는 센서들 (20, 20', 23) 로부터 가속도 측정 데이터를 요청 및 수신한다. 센서 응답에 있어서 상대적인 지연이 존재할 수도 있기 때문에, 프로세서 (32) 는 기준 클럭 (34) 에 따라 센서들 (20, 20', 및 23) 로부터의 개별적 측정치에 시간 스탬프를 할당한다. 그 후, 이들 시간 스탬프는 그 측정치들을 상관시키고, 옵션적으로, 공통 시간에 대한 센서들 (20, 20', 및 23) 로부터의 개별 가속도계 측정치를 보간하는데 사용된다. 옵션적으로, 프로세서 (32) 는 또한, 측정 잡음을 감소시키기 위한 원래 측정치들의 저역통과 필터링, 원래 센서 측정치들의 적분, 보간, 또는 움직임 검출 및 전파에 유리한 것으로 간주될 수도 있는 임의의 다른 기능과 같은 어떠한 측정 프로세싱을 수행할 수도 있다.
전술한 예에 있어서, 개별 휴먼은, 그 움직임이 모니터링되는 오브젝트로서 고려될 수도 있다. 휴먼의 움직임은 약 10Hz 의 범위 내인 것으로 추정될 수도 있다. 따라서, 100Hz 업데이트 레이트에서의 센서들 (20, 20', 23) 의 구동은, 측정 및 모니터링되는 움직임의 대역폭의 10배에서 매 10msec 마다 측정치를 생성할 것이다. 따라서, 시간 스탬핑은, 다중의 센서들 (20, 20', 23) 로부터의 측정치를 적절히 정렬시키기 위해 5msec 미만의 정확도로 수행되어야 한다. 특히, 절대 시간은 중요하지 않은데, 이는 그 절대 시간 내의 임의의 에러는 모든 센서들로부터의 측정치들에 공통일 것이기 때문이다. 추적되는 플랫폼의 역학이 높을수록 그 움직임을 감지 및 기술하기 위해 더 많은 샘플링 레이트가 필요하게 되고, 따라서, 더 우수한 시간 스탬핑이 요구된다. 하지만, 매우 바람직하게는, 동일한 클럭이 상이한 센서들로부터의 측정치들을 시간 스탬핑하기 위해 사용되는 것이다.
도 8은, 예를 들어, 이미지 안정화 루틴에 있어서 사용될 수도 있는 바와 같은 본 개시 방법의 통상적인 애플리케이션에 대한 콜 플로우를 제공한다. 애플리케이션을 개시할 시에, 클럭 (34) 는 시스템에 대한 공통 타이밍을 초기화하기 위해 리셋된다. 클럭의 리셋과 동시에 또는 그 직후에, 어떠한 선택된 시간 제로 (t0) 에서, 모든 센서들 (20, 20', 23) 에 대한 좌표가 초기화되고, 예를 들어, 센서 넘버 1 (20) 의 좌표가 (x, y, z)1 0 로 초기화되고, 센서 넘버 2 (20') 의 좌표가 (x, y, z)2 0 로 초기화되며, 센서 넘버 3 (23) 에 대한 좌표가 (x, y, z)3 0 로 초기화된다. 애플리케이션이 구동하고, 센서 1 (20) 의 전체 각 및 선형 움직임 (존재한다면) 이 검출되고 측정되어 프로세서 (32) 로 송신되고, 이에 의해, 센서 1 (20) 에 대한 데이터가 시간 스탬핑 및 레코딩된다. 유사하게, 센서 넘버 2 (20') 의 완전한 움직임 (존재한다면) 이 검출되고 측정되어 프로세서 (32) 로 송신되고, 센서 2 (20') 에 대한 수신 데이터가 또한 시간 스탬핑 및 레코딩된다. 측정 레코딩 및 시간 스탬핑은 프로세서 (32) 에 의해 제어된 샘플링 레이트로 수행된다.
도 8 을 다시 참조하면, 정확한 데이터 프로세싱은, 개별 측정치를 획득하는데 요구된 시간이 바람직하게 설명되는 것을 요구함을 알 수 있다. 따라서, 프로세서 (32) 는 (변환 및/또는 회전 이동이 발생하고 있을 수도 있는) 일 시간주기 동안, 센서 넘버 1 (20) 에 대한 측정 드웰뿐 아니라 센서 넘버 2 (20') 에 대한 측정 드웰의 시간 인터벌 또는 "델타" 를 연산한다. 측정 드웰은 측정 샘플링 레이트에 의해 정의되고, t1-t0 와 동일하며, 여기서, t0 는 이전 측정의 시간 스탬프이고, t1 은 현재 측정의 시간 스탬프이다. 전체 관측 주기는 드웰 주기들로 이루어지고, 이 시간주기 동안에 발생된 임의의 움직임을 설명하기 위해 위치 변경 및 회전 변경이 전체 관측 주기에 걸쳐 적분되어야 한다. 예를 들어, 100Hz 샘플링 레이트에서, 10msec 지속기간 각각에서 100개의 드웰들이 적분되어, 1초 관측 주기 내에서 오브젝트의 선형 및 회전 위치에 있어서의 변경을 생성할 수 있다.
그 후, 센서 넘버 1 (20) 에 대한 위치 좌표들이 상기 수학식 1 을 사용하여 시간 t1 에서 계산된다. 센서 넘버 2 (20') 에 대한 위치 좌표들이 연산된다.
마지막으로, 센서 넘버 3 (23) 에 의해 제공된 움직임 검출 및 측정이 6 자유도, 관측 및 프로세싱에 대해 유사하게 프로세싱될 수 있다. (x, y, z,τ,
Figure 112011000223340-pat00015
,
Figure 112011000223340-pat00016
) 에 있어서의 임의의 변경이, 센서들 (20, 20' 및 23) 에 대한 시간 t1 에서의 "신규한" 좌표들 (즉, (x, y, z)1 1, (x, y, z)2 1 및 (x, y, z)3 1) 의 완전한 결정을 허용하는 센서 1 및 2 (20, 20') 및 센서 3 (23) 의 좌표들에 의해 정의된 평면 (22) 의 위치를 연산, 업데이트, 및 레코딩하는데 이용된다. 이러한 프로세스는, 움직임이 하위 애플리케이션에 대해 관측될 필요가 있는 동안에 반복된다. 그 후, 신규한 애플리케이션이 클럭 리셋으로 재개되고, 센서들 (20, 20' 및 23) 에 대한 좌표들이 재-초기화되며, 원할 경우, 그 방법이 반복될 수도 있다.
당업자는 임의의 다양한 서로 다른 기술 및 기법을 이용하여 정보 및 신호들이 표현될 수도 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기의 설명 전반에 걸쳐 참조될 수도 있는 데이터, 명령, 커맨드(commands), 정보, 신호, 비트, 심볼, 및 칩은 전압, 전류, 전자기파, 자계 또는 자성 입자, 광계 또는 광자, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수도 있다.
또한, 당업자는 본 명세서에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수도 있음을 인식할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 대체 가능성을 분명히 설명하기 위하여, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 단계들이 주로 그들의 기능의 관점에서 상술되었다. 그러한 기능이 하드웨어로 구현될지 소프트웨어로 구현될지는 전체 시스템에 부과된 특정 애플리케이션 및 설계 제약조건들에 의존한다. 당업자는 설명된 기능을 각각의 특정 애플리케이션에 대하여 다양한 방식으로 구현할 수도 있지만, 그러한 구현의 결정이 본 발명의 범주를 벗어나게 하는 것으로 해석하지는 않아야 한다.
본 명세서에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적회로 (ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA), 또는 다른 프로그래머블 로직 디바이스, 별개의 게이트 또는 트랜지스터 로직, 별개의 하드웨어 컴포넌트들, 또는 본 명세서에서 설명된 기능들을 수행하도록 설계되는 이들의 임의의 조합으로 구현 또는 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안적으로, 그 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로 제어기, 또는 상태 기계일 수도 있다. 또한, 프로세서는 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합된 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 기타 다른 구성물로서 구현될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어에서, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈에서, 또는 그 2 개의 조합물에서 직접 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 랜덤 액세스 메모리 (RAM), 플래시 메모리, 판독 전용 메모리 (ROM), 전기적 프로그래머블 ROM (EPROM), 전기적 소거가능 프로그래머블 ROM (EEPROM), 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되어, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수도 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수도 있다. 대안적으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC에 상주할 수도 있다. ASIC 은 사용자 단말기에 상주할 수도 있다. 대안적으로, 프로세서 및 저장 매체는 별개의 컴포넌트로서 사용자 단말기에 상주할 수도 있다.
개시된 실시형태들에 대한 상기의 설명은 당업자로 하여금 본 발명을 제조 또는 이용할 수 있도록 제공된다. 이들 실시형태들에 대한 다양한 변형예는 당업자에게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 다른 실시형태들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 설명된 실시형태들에 한정되는 것이 아니라, 본 명세서에서 개시된 원리 및 신규한 특징들과 부합하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

Claims (12)

  1. 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법으로서,
    상기 오브젝트에 대한 가상의 축 상에 배치된 제 1 및 제 2 선형 가속도계를 제공하는 단계;
    상기 제 1 선형 가속도계로, x-y-z 좌표계에 대한 상기 오브젝트의 제 1 선형 이동을 측정하는 단계;
    상기 제 2 선형 가속도계로, 상기 x-y-z 좌표계에 대한 상기 오브젝트의 제 2 선형 이동을 측정하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로, 3개 회전축에 대한 상기 오브젝트의 각 회전을 측정하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로부의 측정으로, 상기 오브젝트의 위치 변경을 결정하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로부의 측정으로, 상기 오브젝트의 배향 변경을 결정하는 단계;
    상기 x-y-z 좌표계에 있어서, 제 1 시각에 상기 가속도계들 각각에 초기 좌표 (X0, Y0, Z0) 를 할당하는 단계; 및
    상기 제 1 시각과 제 2 시각 사이의 상기 가속도계들 각각에 대한 상기 초기 좌표들로부터의 변경을 계산하는 단계를 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배향 변경을 결정하는 단계는 가속도계 감도축에 대해 상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계들의 각각의 출력들을 비교하는 단계를 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배향 변경을 결정하는 단계는 각각의 가속도계 감도축에 대해 상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계들의 각각의 출력들을 비교하는 단계를 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도계들 중 적어도 하나의 감도축에 대한 기울기 가속도를 계산하는 단계를 더 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 x-y-z 좌표계의 축을 따른 상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계의 각각의 가속도 크기에 있어서의 불균형을 감지하는 단계를 더 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도계들 각각에 대한 상기 초기 좌표들로부터 변경을 계산하는 상기 단계는,
    상기 가속도계들 각각으로부터 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 가속도계들 각각으로부터의 상기 데이터를 수학식
    Figure 112011028470007-pat00017

    에 입력하는 단계를 포함하고,
    a 는 축에 대한 가속도이고, X0 는 상기 제 1 시각에서의 가속도계의 x-좌표이고, Y0 는 상기 제 1 시각에서의 가속도계의 y-좌표이고, Z0 는 상기 제 1 시각에서의 가속도계의 z-좌표이고, (X1, Y1, Z1)은 상기 제 2 시각의 상기 x-y-z 좌표계에서의 상기 가속도계의 위치를 정의하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 방법.
  7. 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치로서,
    제 1 선형 가속도계;
    상기 제 1 선형 가속도계에 대해 가상의 축을 정의하도록 위치한 제 2 선형 가속도계;
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로, x-y-z 좌표계에 대한 상기 오브젝트의 선형 이동을 측정하는 수단;
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로, 3개 회전축에 대한 상기 오브젝트의 각 회전을 측정하는 수단; 및
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로부의 측정으로부터, 상기 장치의 위치 및 배향에 있어서의 변경을 결정하는 프로세싱 유닛을 포함하고,
    상기 프로세싱 유닛은, 상기 x-y-z 좌표계에 있어서, 제 1 시각에 상기 가속도계들 각각에 초기 좌표들을 할당하고, 상기 제 1 시각과 제 2 시각 사이의 각각의 가속도계의 좌표들에서의 변경을 계산하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로 상기 오브젝트의 선형 이동을 측정하는 수단은, 가속도계 감도축에 대해 상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계들의 각각의 출력들을 비교하는 수단을 포함하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛은, 상기 가속도계들의 적어도 하나의 감도축에 대한 적어도 하나의 기울기 가속도를 계산하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛은 추가적으로, 상기 x-y-z 좌표계의 축을 따른 상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계의 각각의 가속도 크기에 있어서의 불균형을 감지하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛은 상기 가속도계들 각각으로부터 데이터를 수신하고, 제 2 시각에의 상기 x-y-z 좌표계에서의 상기 가속도계들의 위치들을 이중 적분 수학식으로 계산하는, 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는 장치.
  12. 컴퓨터가 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정할 수 있도록하는 컴퓨터 판독가능 기록 매체로서,
    상기 컴퓨터가 소정의 동작들을 수행할 수 있도록하는 소프트웨어 명령들을 포함하고,
    상기 소정의 동작들은,
    상기 오브젝트에 대한 가상의 축 상에 배치된 제 1 및 제 2 선형 가속도계를 나타내는 정보를 수신하고,
    상기 제 1 선형 가속도계를 나타내는 상기 정보로, x-y-z 좌표계에 대한 상기 오브젝트의 제 1 선형 이동을 결정하고,
    상기 제 2 선형 가속도계를 나타내는 상기 정보로, 상기 x-y-z 좌표계에 대한 상기 오브젝트의 제 2 선형 이동을 결정하고,
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로, 3개 회전축에 대한 상기 오브젝트의 각 회전을 나타내는 정보를 결정하고,
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로부터의 정보로, 상기 오브젝트의 위치에서의 변경을 결정하고,
    상기 제 1 및 제 2 선형 가속도계로부터의 정보로, 상기 오브젝트의 배향에서의 변경을 결정하고, 그리고
    상기 x-y-z 좌표계에 있어서, 제 1 시각에 상기 가속도계들 각각에 초기 좌표 (X0, Y0, Z0) 를 할당하고, 그리고
    상기 제 1 시각과 제 2 시각 사이의 상기 가속도계들 각각에 대한 상기 초기 좌표들로부터의 변경을 계산하는 것을 포함하고,
    상기 컴퓨터는 오브젝트의 배향에 있어서의 변경을 6 자유도에서 결정하는, 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
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