KR101170781B1 - 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법 및 장치 - Google Patents

기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자이로스코프에 의해 측정되는 주행체의 주행 각속도를, 엔코더(encoder)에 의해 측정되는 주행체 바퀴 각속도로부터 계산된 주행체의 주행 회전각 데이터를 이용하여 산출한 주행 각속도 보정팩터(factor)를 이용하여 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 외부의 환경변화에 의한 오차요인이 큰 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 보정하기 위하여, 주행체를 실제 사용하기 전 예비 주행에서 엔코더(encoder)에 의해 주행체 바퀴 각속도를 측정하고, 측정된 바퀴 각속도로부터 주행체의 주행 회전각을 계산하며, 계산된 주행 회전각 데이터를 이용하여 주행 각속도 보정팩터를 산출한다. 이에 따라 이후 상기 주행체의 실제 사용을 위한 주행시 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 상기 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정함으로써, 신뢰성있는 주행 각속도를 측정할 수 있게 한다.
주행체, 자이로스코프, 엔코더, 각속도, 보정

Description

기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COMPENSATING MEASUREMENTS OF GYROSCOPE USING REFERENCE ROTATION ANGLE}
본 발명은 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자이로스코프에 의해 측정되는 주행체의 주행 각속도를, 엔코더(encoder)에 의해 측정되는 주행체 바퀴 각속도로부터 계산된 주행체의 주행 회전각 데이터를 이용하여 산출한 주행 각속도 보정팩터(factor)를 이용하여 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
자이로스코프는 주행 물체에 부착되어 그 주행 물체의 회전하는 각속도를 측정하는 센서로서 널리 이용되고 있다. 자이로스코프는 항공기 등에 사용되는 고가의 것으로부터 실내 모바일 로봇 등의 작은 물체에 사용되는 것까지 다양한 종류가 있다. 특히 최근에는 초소형 정밀기계 기술인 멤스(MEMS, micro electro mechanical system)를 활용한 자이로 센서 등이 일상 생활에 편리한 기계들에 많이 적용되고 있다. 그러나 이러한 MEMS 형태의 자이로스코프는 고가의 자이로스코프에 비하여 크기가 작고, 가벼우며, 가격이 저렴한 반면, 온도의 변화, 시간의 흐름 등 외부의 환경변화에 의한 오차 요인에 의해 그 특성 변화가 크기 때문에 사용이 제한적이 되어 왔다.
또한 모바일 로봇 등에 달린 바퀴의 각속도를 측정하는 엔코더(encoder)를 이용하여 그 주행 각속도 및 주행 회전각을 측정하는 것도 가능하다. 그러나 이 경우 모바일 로봇 주행시, 고르지 않은 주행 환경, 즉 울퉁불퉁한 바닥이나 전선 등 이물질 위의 주행, 또는 바퀴의 미끄러짐 현상 등에 의하여 오차가 누적되기 쉽고, 이에 따라 치명적인 오차를 유발하게 되므로, 엔코더만을 이용한 주행 회전 각속도 측정 역시 한계가 있어 왔다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 외부의 환경변화에 의한 오차요인이 큰 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 보정하기 위하여, 주행체를 실제 사용하기 전 예비 주행에서 엔코더(encoder)에 의해 주행체 바퀴 각속도를 측정하고, 측정된 바퀴 각속도로부터 주행체의 주행 회전각을 계산하며, 계산된 주행 회전각 데이터를 이용하여 주행 각속도 보정팩터를 산출한다. 이에 따라 이후 상기 주행체의 실제 사용을 위한 주행시 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 상기 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정함으로써, 신뢰성있는 주행 각속도를 측정할 수 있게 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 바퀴를 이용하여 이동하는 주행체의 주행 각속도를 측정하기 위한 자이로스코프의 오차를 보정하는 방법은, (a) 특정 주기를 가지는 샘플링 시점
Figure 112011084436810-pat00143
에 있어서, 상기 바퀴의 회전 각속도(이하 '바퀴 각속도'라 한다)를 측정하는 엔코더에 의해 측정된 바퀴 각속도로부터 상기 주행체의 회전각(이하 '기준 회전각'이라 한다)
Figure 112011084436810-pat00144
을 산출하는 단계; (b) 상기 기준 회전각 산출시, 자이로스코프에 의해 상기 주행체의 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)
Figure 112011084436810-pat00145
가 측정되는 단계; 및 (c) 상기 산출된 기준 회전각 및 측정된 주행 각속도의 데이터로부터,
Figure 112011084436810-pat00146
를 만족하는 주행 각속도 보정팩터(factor)
Figure 112011084436810-pat00147
및
Figure 112011084436810-pat00148
를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 h는, 상기 기준 회전각 산출 및 상기 주행 각속도 측정을 수행하는 샘플링 주기인 것을 특징으로 한다.
상기 단계(c) 이후, (d) 상기 자이로스코프의 주행 각속도 측정시, 상기 단 계(c)에서 산출된 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정된 주행 각속도를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(d) 이후, (e) 상기 보정된 주행 각속도로부터, 주행체의 회전각(이하 '주행 회전각'이라 한다)을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(c) 이후, (f) 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기 위한 조건이 충족된 경우, 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(a)의 기준 회전각은, 수식
Figure 112008059001300-pat00001
에 의해 구해질 수 있으며, 상기
Figure 112008059001300-pat00002
은 바퀴 반지름이고, 상기
Figure 112008059001300-pat00003
은 두 바퀴의 중심 간의 직선 거리이고, 상기
Figure 112008059001300-pat00004
은 오른쪽 바퀴의 회전 각속도이고, 상기
Figure 112008059001300-pat00005
은 왼쪽 바퀴의 회전 각속도이고, 상기
Figure 112008059001300-pat00006
는 시간변수이다.
상기 단계(c)의 상기 주행 각속도 보정팩터는, 행렬방정식
Figure 112011006821553-pat00007
에 의해 구해질 수 있으며, 상기 q는,
Figure 112011006821553-pat00008
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00009
및
Figure 112011006821553-pat00010
는 주행 각속도 보정팩터이고, 상기 G는
Figure 112011006821553-pat00011
이고, 상기 G1 은
Figure 112011006821553-pat00012
이고, 상기 G2 는
Figure 112011006821553-pat00013
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00014
은 상기 단계(b)에서 샘플링 주기마다 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고, 상기 h는 샘플링 주기이고, 상기 z는
Figure 112011006821553-pat00015
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00016
는 상기 단계(a)에서 샘플링 주기마다 산출된 기준 회전각이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00017
은 각 샘플링 시점을 나타내는 샘플링 번호이다.
보정된 주행 각속도는, 수식
Figure 112011006821553-pat00149
에 의해 산출될 수 있고, 상기
Figure 112011006821553-pat00150
는 시간 t에 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00151
는 보정된 주행 각속도이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00152
및
Figure 112011006821553-pat00153
는 주행 각속도 보정팩터이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 바퀴를 이용하여 이동하는 주행체의 주행 각속도를 측정하기 위한 자이로스코프의 오차를 보정하는 장치는, 주행체 바퀴의 회전 각속도(이하 '바퀴 각속도'라 한다)를 측정하는 엔코더; 측정된 바퀴 각속도로부터 상기 주행체의 회전각(이하 '기준 회전각'이라 한다)
Figure 112011084436810-pat00154
을 산출하는 기준 회전각 산출모듈; 주행체의 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)
Figure 112011084436810-pat00155
를 측정하는 자이로스코프; 상기 산출된 기준 회전각 및 측정된 주행 각속도의 데이터로부터,
Figure 112011084436810-pat00156
를 만족하는 주행 각속도 보정팩터(factor)
Figure 112011084436810-pat00157
및
Figure 112011084436810-pat00158
를 산출하는 주행 각속도 보정팩터 산출모듈; 및 상기 엔코더, 상기 기준 회전각 산출모듈, 상기 자이로스코프 및 상기 주행 각속도 보정팩터 산출모듈을 제어하여 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정과 관련된 일련의 처리를 담당하는 제어부를 포함하고, 상기 h는, 상기 기준 회전각 산출 및 상기 주행 각속도 측정을 수행하는 샘플링 주기인 것을 특징으로 한다.
상기 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치는, 산출된 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 자이로스코프에 의해 측정되는 각속도를 보정하는 주행 각속도 보정모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 주행 각속도 보정모듈은, 보정된 주행 각속도로부터, 주행체의 회전각을 산출하는 기능을 더 포함할 수 있다.
상기 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치는, 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기 위한 조건이 충족되었는지를 체크하는 보정팩터 재산출 조건 체크모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치는, 주행 각속도 보정팩터를 산출하기 위한 주행체의 구동을 제어하는 주행체 구동 제어모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 주행 각속도 보정팩터는, 행렬방정식
Figure 112011006821553-pat00159
에 의해 구해질 수 있고, 상기 q는,
Figure 112011006821553-pat00160
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00161
및
Figure 112011006821553-pat00162
는 주행 각속도 보정팩터이고,
상기 G는
Figure 112011006821553-pat00163
이고, 상기 G1 은
Figure 112011006821553-pat00164
이고, 상기 G2 는
Figure 112011006821553-pat00165
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00166
은 샘플링 주기마다 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고, 상기 h는 샘플링 주기이고, 상기 z는
Figure 112011006821553-pat00167
이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00168
는 샘플링 주기마다 산출된 기준 회전각이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00169
은 각 샘플링 시점을 나타내는 샘플링 번호이다.
보정된 주행 각속도는, 수식
Figure 112011006821553-pat00170
에 의해 산출될 수 있고, 상기
Figure 112011006821553-pat00171
는 시간 t에 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00172
는 보정된 주행 각속도이고, 상기
Figure 112011006821553-pat00173
및
Figure 112011006821553-pat00174
는 주행 각속도 보정팩터이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 자이로스코프의 오차를 보정하는 방법으로 산출한 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정된 주행 각속도를 산출하는 주행체를 제공한다.
본 발명에 의하면, 외부의 환경변화에 의한 오차요인이 큰 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 보정하기 위하여, 주행체를 실제 사용하기 전 예비 주행에서 엔코더(encoder)에 의해 주행체 바퀴 각속도를 측정하고, 측정된 바퀴 각속도로부터 주행체의 주행 회전각을 계산하며, 계산된 주행 회전각 데이터를 이용하여 주행 각속도 보정팩터를 산출한다. 이에 따라 이후 상기 주행체의 실제 사용을 위한 주행시 자이로스코프의 주행 각속도 측정값을 상기 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정함으로써, 신뢰성있는 주행 각속도를 측정할 수 있게 하는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 주행체(100) 및, 주행 각속도 보정팩터(factor) 산출을 위해 측정하는 기준 회전각을 도시한 도면이다. 본 도면에는 두 바퀴(110, 120)를 가진 주행 체(100)가 도시되어 있다. 이와 같은 주행체(100)에는 자동 청소로봇과 같이 자동제어에 의해 주행하는 모바일 로봇 등이 포함될 수 있다.
이러한 주행체(100)에 부착된 자이로스코프에서 측정되는 주행체(100)의 주행시 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)는 다음과 같은 수식으로 표현된다.
Figure 112008059001300-pat00029
여기서
Figure 112008059001300-pat00030
는 자이로스코프에서 시간 t에 측정되는 주행 각속도이며,
Figure 112008059001300-pat00031
는 오차가 없는 이상적인 주행 각속도, s는 스케일 팩터 오차(scale factor error), b는 바이어스 오차(bias error)를 의미한다. 스케일 팩터는 자이로스코프의 회전속도가 얼마만큼의 출력 voltage로 표현되는가를 나타내는 것이다. 보통 mV/°(degree)/sec의 단위로 표시한다. 예를 들어 scale factor가 20mV/°/sec인 자이로의 출력 voltage가 200mV라면, 이 자이로스코프가 10°/sec의 각속도로 회전하고 있다는 것을 나타낸다. Scale factor를 구하는 방법은 0부터 일정 단위만큼 각속도를 증가시키면서 그때의 출력되는 voltage를 구하여 그 값을 선형화시켜서 구한다. 또한 바이어스는 자이로스코프가 완벽히 정지상태일 때 출력되는 voltage 값이다.
상기 수학식 1로부터 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure 112008059001300-pat00032
여기서 상기
Figure 112008059001300-pat00033
및
Figure 112008059001300-pat00034
는 주행 각속도 보정팩터이고,
Figure 112008059001300-pat00035
,
Figure 112008059001300-pat00036
이다. s는 스케일 팩터 오차(scale factor error), b는 바이어스 오차(bias error)를 의미한다. 자이로스코프가 측정한 주행체(100)의 주행 각속도에, 상기 수학식 2에 따라
Figure 112008059001300-pat00037
및
Figure 112008059001300-pat00038
를 적용하면, 오차가 보정된 주행체(100)의 실제 각속도
Figure 112008059001300-pat00039
를 구할 수 있게 된다. 상기
Figure 112008059001300-pat00040
및
Figure 112008059001300-pat00041
를 이하에서는 '주행 각속도 보정팩터'라 칭한다.
상기 수학식 2를 적용하여 주행 각속도 보정팩터
Figure 112008059001300-pat00042
및
Figure 112008059001300-pat00043
를 구하는 식을 이하에서 유도한다. 주행 각속도 보정팩터를 구하기 위해, 주행체를 실제 주행 시키기 전에 주행 각속도 보정팩터 산출을 위한 예비 주행을 시키는 것이 바람직하다. 예를 들어 주행체(100)가 자동 청소 로봇일 경우, 실내 청소를 위한 주행을 시작하기 전 주행 각속도 보정팩터 산출을 위하여 예비 주행을 하도록 하는 것이 좋다. 예비 주행은 주행체(100)가 향하는 전방 방향(heading)이 1 회전을 하도록 할 수 있다.
이와 같이 예비 주행시, 샘플링 주기를 h로 하여 각 주기 경과시마다 자이로스코프가 측정한 주행체(100)의 주행 각속도를
Figure 112008059001300-pat00044
라 하고, 또한 상기 각 주기 경과시마다 주행체(100)의 주행시 회전각(이하 '기준 회전각'이라 한다)을
Figure 112008059001300-pat00045
라 한다. 여기서
Figure 112008059001300-pat00046
은 각 샘플링 시점을 나타내는 샘플링 번호를 의미한다. 도면을 참조하면, 상기 기준 회전각
Figure 112008059001300-pat00047
은 각각 방향 u (10)를 기준으로 하여 측정된 각도이다. 즉, 주행체(100)가 주행시 향하는 전방 방향(heading)이 u 0 (10.0)일 경우 기준 회전각은
Figure 112008059001300-pat00048
, u 1 (10.1)일 경우 기준 회전각은
Figure 112008059001300-pat00049
과 같이 표현된다. 이때 상기 수학식 2로부터 다음 수학식 3이 성립함을 알 수 있다.
Figure 112008059001300-pat00050
이를
Figure 112008059001300-pat00051
로 확장하면 수학식 4를 얻는다.
Figure 112008059001300-pat00052
이를 행렬방정식 형태로 나타내면,
Figure 112008059001300-pat00053
로 나타내지며, 여기서
Figure 112008059001300-pat00054
,
Figure 112008059001300-pat00055
,
Figure 112008059001300-pat00056
이고,
Figure 112008059001300-pat00057
,
Figure 112008059001300-pat00058
는 각각
Figure 112008059001300-pat00059
를 의미한다.
이로부터 주행 각속도 보정팩터
Figure 112008059001300-pat00060
및
Figure 112008059001300-pat00061
를 구성요소로 하는 행렬인
Figure 112008059001300-pat00062
를 수학식 6으로 나타낼 수 있게 된다.
Figure 112008059001300-pat00063
여기서 'T'는 전치행렬(transposed matrix)임을 나타내고, '-1'은 역행렬임을 나타낸다.
이때, 기준 회전각
Figure 112008059001300-pat00064
은, 상기 자이로스코프가 주행 각속도를 측정하는 주기마다 엔코더에 의해 측정된 바퀴 각속도로부터 산출해낸다.
즉, 주행 각속도 보정팩터
Figure 112008059001300-pat00065
및
Figure 112008059001300-pat00066
를 구하기 위해 주행체를 예비 주행시키면서, 엔코더에 의해 소정의 샘플링 주기로 측정된 바퀴 각속도로부터 산출해낸 기준 회전각(
Figure 112008059001300-pat00067
) 데이터와, 상기 각 샘플링 주기마다 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도 (
Figure 112008059001300-pat00068
) 데이터로부터 상기 수학식 6에 따른 연산을 통해 주행 각속도 보정팩터
Figure 112008059001300-pat00069
및
Figure 112008059001300-pat00070
를 구하게 되는 것이다.
이하에서는 엔코더에 의해 소정의 샘플링 주기로 측정된 바퀴 각속도로부터 기준 회전각(
Figure 112008059001300-pat00071
)을 산출하는 방법을 설명한다.
주행체(100)의 두 바퀴(110, 120)의 반지름을 r , 두 바퀴의 중심을 잇는 축 의 길이의 반을 R 이라 하면, 상기 주행체의 주행시 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)
Figure 112008059001300-pat00072
는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008059001300-pat00073
여기서
Figure 112008059001300-pat00074
은 오른쪽 바퀴(110)의 선속도,
Figure 112008059001300-pat00075
은 왼쪽 바퀴(120)의 선속도이다. 이 경우 선속도는 수학식 8과 같이 표현된다.
Figure 112008059001300-pat00076
Figure 112008059001300-pat00077
,
여기서
Figure 112008059001300-pat00078
은 오른쪽 바퀴의 각속도,
Figure 112008059001300-pat00079
은 왼쪽 바퀴의 각속도를 의미한다. 이를 이용하여 주행 각속도를 표현하면 수학식 9와 같다. 전술한 바와 같이
Figure 112008059001300-pat00080
및
Figure 112008059001300-pat00081
은 엔코더에 의해 측정될 수 있다.
Figure 112008059001300-pat00082
이로부터 주행시 회전각(기준 회전각)은 수학식 10과 같이 표현된다.
Figure 112008059001300-pat00083
즉, 이와 같은 과정을 통해 전술한 바와 같이 소정의 샘플링 주기로 측정된 바퀴 각속도로부터 각 주기 경과시점의 기준 회전각(
Figure 112008059001300-pat00084
)을 산출할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)의 구성을 나타내는 도면이다. 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)는, 제어부(201), 엔코더(202), 기준 회전각 산출모듈(203), 자이로스코프(204) 및 주행 각속도 보정팩터 산출모듈(205)을 포함할 수 있으며, 주행 각속도 보정모듈(206), 보정팩터 재산출 조건 체크모듈(207) 및 주행체 구동 제어모듈(208)을 더 포함할 수 있다.
제어부(201)는 이하에서 설명하는 오차보정 장치(200)의 각 구성요소를 제어 하여 자이로스코프의 오차 보정과 관련된 일련의 처리를 담당한다.
엔코더(202)는 주행체(100) 바퀴의 회전 각속도(이하 '바퀴 각속도'라 한다)를 측정한다. 즉, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이
Figure 112008059001300-pat00085
및
Figure 112008059001300-pat00086
을 측정하게 된다.
기준 회전각 산출모듈(203)은 엔코더에서 측정된 상기 바퀴 각속도로부터 상기 주행체(100)의 주행시 회전각을 산출한다. 주행 각속도 보정팩터 산출을 위한 주행체(100)의 예비 주행에서는 도 1을 참조하여 전술한 기준 회전각
Figure 112008059001300-pat00087
을 산출하게 된다.
자이로스코프(204)는 주행체의 주행시 회전 각속도, 즉, 도 1을 참조하여 전술한 주행 각속도를 측정한다. 즉, 자이로스코프(204)는 주행 각속도 보정팩터 산출을 위한 주행체(100)의 예비 주행에서는 도 1을 참조하여 전술한 주행 각속도
Figure 112008059001300-pat00088
을 측정하게 된다. 한편 자이로스코프(204)는 예비 주행 후의 실제 주행에서도 주행 각속도를 측정하는데, 이때 측정된 주행 각속도는, 예비 주행을 통해 산출된 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00089
및
Figure 112008059001300-pat00090
)를 적용하여 보정되며 그 보정식은 수학식 2에 나타난 바와 같다.
주행 각속도 보정팩터 산출모듈(205)은 예비 주행에서 측정된 기준 회전각 (
Figure 112008059001300-pat00091
)및 주행 각속도(
Figure 112008059001300-pat00092
) 데이터를 이용하여 주행 각속도 보정팩터
Figure 112008059001300-pat00093
및
Figure 112008059001300-pat00094
를 산출한다. 그 산출식은 수학식 6에 나타나 있고, 산출 과정도 도 1을 참조하여 전술하였다.
한편, 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)는, 주행 각속도 보정모듈(206)을 더 포함할 수 있다. 주행 각속도 보정모듈(206)은 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00095
및
Figure 112008059001300-pat00096
)를, 자이로스코프(204)에 의해 측정되는 주행 각속도에 적용하여, 보정된 주행 각속도를 산출한다. 즉, 예비 주행 후의 실제 주행시 측정된 주행 각속도에, 예비 주행을 통해 주행 각속도 보정팩터 산출모듈(205)이 산출한 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00097
및
Figure 112008059001300-pat00098
)를 적용하여, 보정된 주행 각속도를 산출하는 것이다. 그 보정식은 수학식 2에 나타난 바와 같다. 또한 보정된 주행 각속도로부터 주행체(100)의 주행 중 회전각을 산출하는 기능을 더 포함할 수 있으며, 이로부터 주행체(100)의 주행을 제어할 수 있게 해 준다.
또한, 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)는, 보정팩터 재산출 조건 체크모듈(207)을 더 포함할 수 있다. 보정팩터 재산출 조건 체크모듈(207)은 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기 위한 조건이 충족되었는지를 체크한다. 예비 주행을 통해 주행 각속도 보정팩터를 산출한 후, 실제 주행에서, 산출된 주행 각속도 보정팩터를 적용하는데, 실제 주행 중 자이로스코프(204)는 다시 온도, 시간경과 등의 오차요인에 영향을 받아 점차 오차가 커질 수 있는데, 보정팩터 재산출 조건 체크모듈(207)은, 이에 따라 다시 예비 주행을 통해 주행 각속도 보정팩터를 재산출해야 하는지를 결정하는 모듈이다. 예를 들어 자이로스코프가 부착된 주행체(100)의 주행에 따른 열 발생 및 온도증가에 따라 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기로 설정된 경우, 기 설정된 온도 이상이 된 것을 감지하여 주행 각속도 보정팩터를 재산출하도록 결정할 수 있다. 또는 일정 시간 주기로 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기로 설정된 경우, 그 주기가 경과하였음을 체크하여 주행 각속도 보정팩터를 재산출하도록 결정할 수 있다. 이외에도 다양한 재설정 조건이 적용될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상 내에서 자명하다.
또한 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)는, 주행체 구동 제어모듈(208)을 더 포함할 수 있는데, 주행체 구동 제어모듈(208)은 보정팩터 재산출 조건 체크모듈(207)에 의해 주행 각속도 보정팩터를 재산출하도록 결정된 경우, 주행 각속도 보정팩터를 산출하기 위해, 주행체의 예비 주행을 위한 구동을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 방법을 나타내는 순서도이다. 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치(200)는, 주행 각속도 보정팩터 산출을 위한 주행, 즉 예비 주행을 시작한다(S301). 엔코더(202)는 주행체(100) 바퀴(110, 120)의 회전 각속도(
Figure 112008059001300-pat00099
,
Figure 112008059001300-pat00100
)를 측정하고(S302), 기준 회전각 산출모듈(203)은 엔코더(202)에서 측정한 바퀴 각속도(
Figure 112008059001300-pat00101
,
Figure 112008059001300-pat00102
)로부터 상기 주행체의 주행시 회전각(기준 회전각)을 산출한다(S303). 즉, 도 1을 참조하여 전술한 기준 회전각을 산출하게 된다. 한편 자이로스코프(204)는 주행체의 주행시 회전 각속도, 즉, 도 1을 참조하여 전술한 주행 각속도를 측정한다(S304). 즉, 도 1을 참조하여 전술한 주행 각속도를 측정하게 된 다. 매 샘플링 주기가 경과하였는지를 체크하여 기 설정된 회수만큼 기준 회전각 및 주행 각속도를 측정한 후(S305, S306), 측정된 기준 회전각(
Figure 112008059001300-pat00103
) 및 주행 각속도(
Figure 112008059001300-pat00104
) 데이터를 이용하여 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00105
및
Figure 112008059001300-pat00106
)를 산출한다(S307).
이와 같은 예비 주행이 종료하면(S308), 주행체(100)가 실제 주행을 시작한다(S309). 즉 예를 들어 주행체(100)가 자동 청소 로봇인 경우, 실내 청소를 위한 주행을 시작하는 것이다. 이때 자이로스코프(204)는 주행 각속도를 측정하고(S310), 주행 각속도 보정모듈(206)은 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00107
및
Figure 112008059001300-pat00108
)를, 상기 자이로스코프(204)에 의해 측정된 주행 각속도에 적용하여, 보정된 주행 각속도를 산출한다(S311). 주행 각속도 보정팩터(
Figure 112008059001300-pat00109
및
Figure 112008059001300-pat00110
)가 적용된 보정식은 수학식 2에 나타난 바와 같다.
한편 본 도면에 도시되지는 아니하였으나, 상기 보정된 주행 각속도로부터, 주행체의 실제 주행시 회전각(이하 '주행 회전각'이라 한다)을 산출할 수도 있다. 즉, 보정된 주행 각속도를 시간에 관하여 적분하여 상기 주행 회전각을 산출할 수 있다. 상기 산출된 주행 회전각을 이용하여, 주행체(100)의 주행을 제어할 수 있게된다.
도 4는 본 발명에 따라 오차 보정된 경우의 주행 회전각 데이터를 그래 프(400)로 도시한 도면이다. 가로축은 시간축이고, 세로축은 주행체(100)가 주행시 향하는 전방 방향(heading)을, 특정 방향을 기준으로 하는 각도 변위(heading angle)로서 나타낸 주행 회전각 축이다. 주행체(100)의 시간에 따른 실제 주행 회전각 그래프(401), 주행 각속도 보정팩터에 의해 보정된 주행 각속도로부터 산출한 주행 회전각 그래프(402) 및, 자이로스코프에 의해 측정된, 보정되지 않은 주행 각속도로부터 산출한 주행 회전각 그래프(403)가 도시되어 있다. 보정된 주행 회전각 그래프(402)가, 보정되지 않은 주행 회전각 그래프(403)에 비해 실제 주행 회전각 그래프(401)에 더욱 근접하여 있음을 볼 수 있다.
도 1은 주행체 및, 주행 각속도 보정 팩터 산출을 위해 측정하는 기준 회전각을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차보정 방법을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명에 따라 오차 보정된 경우의 주행 회전각 데이터를 그래프로 도시한 도면.

Claims (15)

  1. 바퀴를 이용하여 이동하는 주행체의 주행 각속도를 측정하기 위한 자이로스코프의 오차를 보정하는 방법으로서,
    (a) 특정 주기를 가지는 샘플링 시점
    Figure 112011084436810-pat00175
    에 있어서, 상기 바퀴의 회전 각속도(이하 '바퀴 각속도'라 한다)를 측정하는 엔코더에 의해 측정된 바퀴 각속도로부터 상기 주행체의 회전각(이하 '기준 회전각'이라 한다)
    Figure 112011084436810-pat00176
    을 산출하는 단계;
    (b) 상기 기준 회전각 산출시, 자이로스코프에 의해 상기 주행체의 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)
    Figure 112011084436810-pat00177
    가 측정되는 단계; 및
    (c) 상기 산출된 기준 회전각 및 측정된 주행 각속도의 데이터로부터,
    Figure 112011084436810-pat00178
    를 만족하는 주행 각속도 보정팩터(factor)
    Figure 112011084436810-pat00179
    및
    Figure 112011084436810-pat00180
    를 산출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 h는,
    상기 기준 회전각 산출 및 상기 주행 각속도 측정을 수행하는 샘플링 주기인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c) 이후,
    (d) 상기 자이로스코프의 주행 각속도 측정시, 상기 단계(c)에서 산출된 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정된 주행 각속도를 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(d) 이후,
    (e) 상기 보정된 주행 각속도로부터, 주행체의 회전각(이하 '주행 회전각'이라 한다)을 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c) 이후,
    (f) 주행 각속도 보정팩터를 재산출하기 위한 조건이 충족된 경우, 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(a)의 기준 회전각은,
    수식
    Figure 112008059001300-pat00111
    에 의해 구해지며,
    상기
    Figure 112008059001300-pat00112
    은 바퀴 반지름이고,
    상기
    Figure 112008059001300-pat00113
    은 두 바퀴의 중심 간의 직선 거리이고,
    상기
    Figure 112008059001300-pat00114
    은 오른쪽 바퀴의 회전 각속도이고,
    상기
    Figure 112008059001300-pat00115
    은 왼쪽 바퀴의 회전 각속도이고,
    상기
    Figure 112008059001300-pat00116
    는 시간변수인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)의 상기 주행 각속도 보정팩터는,
    행렬방정식
    Figure 112011006821553-pat00117
    에 의해 구해지며,
    상기 q는,
    Figure 112011006821553-pat00118
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00119
    및
    Figure 112011006821553-pat00120
    는 주행 각속도 보정팩터이고,
    상기 G는
    Figure 112011006821553-pat00121
    이고,
    상기 G1 은
    Figure 112011006821553-pat00122
    이고,
    상기 G2 는
    Figure 112011006821553-pat00123
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00124
    은 상기 단계(b)에서 샘플링 주기마다 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고,
    상기 h는 샘플링 주기이고,
    상기 z는
    Figure 112011006821553-pat00125
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00126
    는 상기 단계(a)에서 샘플링 주기마다 산출된 기준 회전각이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00127
    은 각 샘플링 시점을 나타내는 샘플링 번호인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    보정된 주행 각속도는,
    수식
    Figure 112011006821553-pat00181
    에 의해 산출되고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00182
    는 시간 t에 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00183
    는 보정된 주행 각속도이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00184
    및
    Figure 112011006821553-pat00185
    는 주행 각속도 보정팩터인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 방법.
  8. 바퀴를 이용하여 이동하는 주행체의 주행 각속도를 측정하기 위한 자이로스코프의 오차를 보정하는 장치로서,
    주행체 바퀴의 회전 각속도(이하 '바퀴 각속도'라 한다)를 측정하는 엔코더;
    측정된 바퀴 각속도로부터 상기 주행체의 회전각(이하 '기준 회전각'이라 한다)
    Figure 112011084436810-pat00186
    을 산출하는 기준 회전각 산출모듈;
    주행체의 회전 각속도(이하 '주행 각속도'라 한다)
    Figure 112011084436810-pat00187
    를 측정하는 자이로스코프;
    상기 산출된 기준 회전각 및 측정된 주행 각속도의 데이터로부터,
    Figure 112011084436810-pat00188
    를 만족하는 주행 각속도 보정팩터(factor)
    Figure 112011084436810-pat00189
    및
    Figure 112011084436810-pat00190
    를 산출하는 주행 각속도 보정팩터 산출모듈; 및
    상기 엔코더, 상기 기준 회전각 산출모듈, 상기 자이로스코프 및 상기 주행 각속도 보정팩터 산출모듈을 제어하여 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정과 관련된 일련의 처리를 담당하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 h는,
    상기 기준 회전각 산출 및 상기 주행 각속도 측정을 수행하는 샘플링 주기인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    산출된 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 자이로스코프에 의해 측정되는 각속도를 보정하는 주행 각속도 보정모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 주행 각속도 보정모듈은,
    보정된 주행 각속도로부터, 주행체의 회전각(이하 '주행 회전각'이라 한다)을 산출하는 기능을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는, 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    주행 각속도 보정팩터를 재산출하기 위한 조건이 충족되었는지를 체크하는 보정팩터 재산출 조건 체크모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    주행 각속도 보정팩터를 산출하기 위한 주행체의 구동을 제어하는 주행체 구동 제어모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 주행 각속도 보정팩터는,
    행렬방정식
    Figure 112011006821553-pat00191
    에 의해 구해지며,
    상기 q는,
    Figure 112011006821553-pat00192
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00193
    및
    Figure 112011006821553-pat00194
    는 주행 각속도 보정팩터이고,
    상기 G는
    Figure 112011006821553-pat00195
    이고,
    상기 G1 은
    Figure 112011006821553-pat00196
    이고,
    상기 G2 는
    Figure 112011006821553-pat00197
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00198
    은 샘플링 주기마다 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고,
    상기 h는 샘플링 주기이고,
    상기 z는
    Figure 112011006821553-pat00199
    이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00200
    는 샘플링 주기마다 산출된 기준 회전각이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00201
    은 각 샘플링 시점을 나타내는 샘플링 번호인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    보정된 주행 각속도는,
    수식
    Figure 112011006821553-pat00202
    에 의해 산출되고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00203
    는 시간 t에 자이로스코프에 의해 측정된 주행 각속도이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00204
    는 보정된 주행 각속도이고,
    상기
    Figure 112011006821553-pat00205
    및
    Figure 112011006821553-pat00206
    는 주행 각속도 보정팩터인 것
    을 특징으로 하는 기준 회전각을 이용한 자이로스코프의 오차 보정 장치.
  15. 청구항 1의 방법으로 산출한 주행 각속도 보정팩터를 적용하여 보정된 주행 각속도를 산출하는 주행체.
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