KR101252791B1 - Apparatus and method for correcting bias for digital sensor - Google Patents

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김현수
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Abstract

PURPOSE: A bias correction device for a digital sensor is provided to prevent accumulation of errors in various terminals provided with a digital sensor, thereby markedly improving performance and functions of the terminal. CONSTITUTION: A digital sensor(200) is a temperature-based digital sensor which outputs digital data having bias which varies on temperature changes. A data processor(100) includes multiple bias correction devices for estimating and compensating in real time the variation of bias depending on temperature changes. The multiple bias correction devices process smoothing or filtering using moving average method, on the digital data of X, Y, and Z axes received from the digital sensor. A processing unit(300) finds the angle of a platform using the detection values of the digital sensor which are corrected by the multiple bias correction devices. [Reference numerals] (200) Digital sensor; (300) Processing;

Description

디지털 센서 바이어스 보정장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CORRECTING BIAS FOR DIGITAL SENSOR}Digital Sensor Bias Compensator and Method {APPARATUS AND METHOD FOR CORRECTING BIAS FOR DIGITAL SENSOR}

본 발명은 디지털 센서 바이어스 보정기법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 타입의 관성센서를 사용하는데 필요한 바이어스 보정기법에 관한 것이다.The present invention relates to a digital sensor bias correction technique, and more particularly to a bias correction technique required to use a digital type inertial sensor.

일반적으로 관성센서는 아날로그 방식을 많이 사용해 왔으나 바이어스 보정과 디지털 변환 관련 회로를 별도로 구성해야 하고, 더욱이 여러 개의 센서를 채용할 때는 축간 오차 발생 등의 문제로 인해, 단축 센서를 채용하지만 현재는 대부분 디지털 타입의 센서를 채용하고 있다. 디지털센서는 이미 내부에 다양한 회로들이 내장되어 있어 사용하기 간단하며, 다중 센서를 채택하더라도 반도체 공정상의 문제가 아니면 축간 오차가 매우 작은 특징을 갖는다.In general, the inertial sensor has been used a lot of analog methods, but circuits related to bias correction and digital conversion must be configured separately. In addition, when using multiple sensors, single axis sensors are adopted due to problems such as error between axes. We adopt type sensor. Digital sensors are easy to use because they already have a variety of circuits built-in, and even if multiple sensors are used, the error between axes is very small unless it is a problem in the semiconductor process.

그러나, 디지털 센서는 온도에 따라 바이어스가 민감하게 변화하는 단점이 있기 때문에 이를 제대로 보정하지 못하면 시간이 경과할수록 온도 변화에 의한 오차가 계속 누적되는 문제점을 나타내고 이러한 문제점은 디지털센서의 사용을 제약하는 매우 큰 걸림돌이 된다. However, since the digital sensor has a disadvantage in that the bias is sensitively changed with temperature, if it is not properly corrected, errors due to temperature change accumulate over time. It becomes a big stumbling block.

아날로그 센서와 다르게 디지털 센서의 경우, 온도 변화에 따라 민감하게 변화하는 바이어스 특성을 나타내기 때문에, 차량용 추측항법에서 주행 방향에 오차가 누적되는 현상이 발생하고 개인 휴대 단말기에서는 동작 감지나 자세 결정에 오류가 발생하여 센서의 효용성이 떨어지는 문제를 일으킨다. Unlike an analog sensor, a digital sensor exhibits a bias characteristic that changes sensitively with temperature changes, so that errors accumulate in the driving direction in vehicle dead reckoning and errors in motion detection or attitude determination in a personal portable terminal. Occurs, causing the problem that the utility of the sensor falls.

만일, 온도 변화에 따른 바이어스의 변화를 제거할 수 있다면 디지털 센서의 효용성을 획기적으로 개선할 수 있으며, 차량이나 개인 휴대단말기에 디지털 센서를 채용하는 비율을 높이는 효과를 가져오게 될 것이다. 또한 기존 아날로그 센서를 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 디지털 센서가 대체할 수 있다면, 보다 다양한 응용 기술이 개발되거나 보급되는 계기가 마련될 것이다.If the change in the bias due to temperature change can be eliminated, the utility of the digital sensor can be improved drastically, and the effect of increasing the ratio of employing the digital sensor in a vehicle or a personal portable terminal will be brought. In addition, if existing analog sensors can be replaced by digital sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical System), more diverse application technologies will be developed or spread.

본 발명의 목적은, 디지털 센서의 데이터 시그널을 처리하는 과정에서 온도에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추적하여 보정하는 디지털 센서 데이타를 사용하도록 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a digital sensor bias correction device that uses digital sensor data for tracking and correcting a bias that changes with temperature in real time in the process of processing a data signal of a digital sensor.

본 발명의 부가적인 특성 및 이점들은 아래의 설명에 기재될 것이며, 부분적으로는 상기 설명에 의해 명백해지거나 본 발명의 실행을 통해 숙지될 것이다. 본 발명의 목표 및 다른 이점들은 특히 아래 기재된 설명 및 부가된 도면뿐만 아니라 청구항에서 지적한 구조에 의해 구현될 것이다.Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be apparent from the description, or may be learned by practice of the invention. The objectives and other advantages of the present invention will be realized and attained by the structure particularly pointed out in the claims, as well as the following description and the annexed drawings.

본 발명은 온도변화에 민감하게 변화하는 디지털 센서의 바이어스 변화를 실시간으로 보정함으로써 디지털 센서를 채용하고 있는 다양한 단말기의 오차 누적 현상을 없애게 되고, 이는 단말기의 동작 성능과 기능을 획기적으로 개선할 수 있는 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법을 구현하였다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정방법은 차량항법용 추측항법 및 관성항법에 사용될 수 있고, 개인휴대 장치에 설치되어 자세, 위치, 방향 등의 검출에 사용될 수 있다.The present invention eliminates the error accumulation phenomenon of various terminals employing the digital sensor by correcting the bias change of the digital sensor that is sensitive to temperature change in real time, which can drastically improve the operation performance and function of the terminal. A bias compensation device and method for a digital sensor are implemented. The bias correction method of the digital sensor according to the present invention can be used for dead reckoning and inertial navigation for vehicle navigation, and can be installed in a personal portable device and used for detecting posture, position, direction, and the like.

본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법은 비포마켓(before market)의 차량항법 장치는 물론, 디지털 센서(예: 자이로센서)를 구비한 애프터 마켓(after market)의 차량항법 장치에도 장착 가능하며, 보행자용 항법장치(예: 스마트폰 등), 그리고 로봇이나 게임 리모컨(예: wii 등)의 자세 검출 및 이의 응용에 적용될 수 있다.The bias correction device and method of the digital sensor according to the present invention can be mounted on a vehicle navigation device of an after market equipped with a digital sensor (eg, a gyro sensor) as well as a vehicle navigation device of a before market. It can be applied to the detection of pedestrian navigation devices (eg smartphones) and robots or game remote controllers (eg wii) and their applications.

도1은 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정의 개념도.
도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도.
도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도.
도4는 자이로 센서의 바이어스 변화와 온도 변화의 패턴을 나타낸 그래프.
도5는 스무딩 에러버지 기법에 따른 스무딩 효과를 나타낸 그래프.
도6은 자이로 센서의 추정결과를 나타낸 그래프.
도7의 a)는 본 발명에 따른 바이어스 추정 결과를 나타낸 그래프.
도7의 b)는 본 발명에 따라 자이로 센서 검출값의 보정 결과를 나타낸 그래프.
1 is a conceptual diagram of a digital sensor bias correction in accordance with the present invention.
2 is a block diagram of a TBEC device block according to a first embodiment of the present invention;
3 is a block diagram of a TBEC device block according to a second embodiment of the present invention;
4 is a graph showing a pattern of a bias change and a temperature change of a gyro sensor.
5 is a graph illustrating a smoothing effect according to a smoothing error bug technique.
6 is a graph showing the estimation result of the gyro sensor.
Figure 7 a) is a graph showing the bias estimation result in accordance with the present invention.
7B is a graph showing a correction result of the gyro sensor detection value according to the present invention.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정장치는In order to achieve the above object, the digital sensor bias correction device according to the present invention is

온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터를 출력하는 디지털 센서와, 상기 디지털 센서로부터 수신된 X축, Y축, Z축 데이터를 수신하여 처리하는 다수의 바이어스 보정장치(TBEC, Temperature-based Bias Estimation & Correction)들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서와, 상기 바이어스 보정장치들을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼의 각도(또는 자세)를 구하는 처리부를 포함하여 구성되며,A digital sensor for outputting digital data having a characteristic of changing bias according to temperature change, and a plurality of bias compensators for receiving and processing X, Y, and Z axis data received from the digital sensor (TBEC, Temperature- a data processing processor for estimating and correcting a bias change according to a temperature change, including based bias estimation & corrections, and a processor for calculating an angle (or posture) of the platform based on a detected value of a digital sensor corrected through the bias correctors. Including,

상기 데이터 처리 프로세서는, 상기 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제1바이어스 보정부와, 상기 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제2바이어스 보정부와, 상기 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제3바이어스 보정부를 포함하여 구성된다.The data processing processor includes a first bias correction unit configured to estimate and correct a bias that changes according to a temperature change with respect to the X-axis data, and a second bias estimation unit that estimates and corrects a bias that changes according to a temperature change with respect to the Y-axis data. And a second bias correction unit for estimating and correcting a bias that changes with temperature change with respect to the Z-axis data.

본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정기법은 디지털 센서가 장착된 단말기 내부에 소프트웨어 형태로 탑재될 수 있다.The digital sensor bias correction technique according to the present invention may be mounted in the form of software in a terminal equipped with a digital sensor.

즉, 기존에는 디지털 센서로부터 생성된 디지털 데이터를 단말기 내부의 프로세서가 받아서 그 때의 바이어스만을 보정하였으나, 본 발명은 디지털 센서로부터 생성된 디지털 데이터를 프로세서가 받아서 처리하는 과정에서 온도에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추적하여 보정한다. That is, in the past, the processor inside the terminal receives digital data generated from the digital sensor and corrects only the bias at that time. However, in the present invention, the bias that changes according to temperature in the process of receiving and processing the digital data generated from the digital sensor Track and correct in real time.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도1은 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a digital sensor bias correction according to the present invention.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정장치는 디지털 센서(200), 데이터 처리 프로세서(100), X-TBEC(110, 또는 제1바이어스 보정부), Y-TBEC(120 또는 제2바이어스 보정부), Z-TBEC(130, 제3바이어스 보정부), 그리고 처리부(300)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 1, the digital sensor bias correction apparatus according to the present invention includes a digital sensor 200, a data processing processor 100, an X-TBEC 110, or a first bias correction unit, and a Y-TBEC 120. Or a second bias correction unit), a Z-TBEC 130 (a third bias correction unit), and a processing unit 300.

상기 디지털 센서(200)는 온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터를 출력하는 센서이다.The digital sensor 200 is a sensor that outputs digital data having a characteristic that the bias also changes with temperature changes.

상기 데이터 처리 프로세서(100)는 상기 디지털 센서(200)와 직접 연결되어 센서의 검출값을 I2C(I-square-C, 일명 '아이스퀘어시'라 함)통신이나 SPI(Serial Peripheral Interface, 주변장치용 직렬 인터페이스)통신 또는 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter, 범용 비동기화 송수신) 통신을 통해 직접 수신하고 처리한다. The data processing processor 100 is directly connected to the digital sensor 200 so that the detected value of the sensor is I2C (I-square-C, also known as 'ice square') communication or SPI (Serial Peripheral Interface, peripheral device). It receives and processes directly through serial interface communication or UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) communication.

데이터 처리 프로세서(100)가 수신한 검출값에는 자세를 포함한 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함하는 것으로 가정하며, 데이터 처리 프로세서(100)는 각 축 별로 온도변화에 근거한 바이어스 추정 및 보정기능(Temperature-based Bias Estimation and Correction)을 수행하는 장치들(예: X-TBEC(110), Y-TBEC(120), Z-TBEC(130))로 구성된다. 아날로그 센서의 경우 1개 축(예: Z축)의 데이터만을 포함하지만, 디지털 센서의 경우 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함한다.It is assumed that the detection value received by the data processing processor 100 includes data of three axes including the posture (for example, the X axis, the Y axis, and the Z axis), and the data processing processor 100 has a temperature for each axis. It is composed of devices (eg, X-TBEC 110, Y-TBEC 120, and Z-TBEC 130) that perform a bias-based bias estimation and correction function. Analog sensors only contain data from one axis (eg Z-axis), while digital sensors contain data from three axes (eg X-axis, Y-axis and Z-axis).

상기 X-TBEC(110, 제1바이어스 보정부)은 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다.The X-TBEC 110 (first bias correction unit) is an apparatus block for estimating and correcting a bias that changes according to temperature change with respect to the X-axis data.

상기 Y-TBEC(120, 제2바이어스 보정부)은 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다.The Y-TBEC 120 (second bias correction unit) is an apparatus block for estimating and correcting a bias that changes according to temperature change with respect to Y-axis data.

상기 Z-TBEC(130, 제1바이어스 보정부)은 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다.The Z-TBEC 130 (first bias correction unit) is an apparatus block for estimating and correcting a bias that changes according to temperature change with respect to Z-axis data.

상기 처리부(300)는 상기 TBEC장치 블록들(110, 120, 130)을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼(예: 차량)의 각도(또는 자세)를 구한다. 상기 처리부(300)에서 이루어지는 계산을 수식으로 나타내면 아래 [수식 1]과 같다.The processor 300 obtains an angle (or posture) of a platform (eg, a vehicle) based on the detected value of the digital sensor corrected through the TBEC device blocks 110, 120, and 130. When the calculation performed by the processing unit 300 is represented by a formula, it is as follows.

[수식 1][Equation 1]

θt = θt-1 + δθt θ t = θ t-1 + δθ t

여기서, 상기 θt 는 최종 각도이고, 상기 'δθt'는 각도 변화량(디지털 센서의 검출값(Xt)에 해당)이다. Here, θ t is the final angle and 'δθ t ' is the angle change amount (corresponding to the detected value X t of the digital sensor).

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시예에 따른 TBEC장치 블록(or 바이어스 보정장치 블록)은 디지털 센서를 실장한 단말이 동작하지 않는 상태 즉, 멈춘 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 일반 네비게이션이나 스마트폰 용으로 사용된다. 2 is a block diagram of a TBEC device block according to a first embodiment of the present invention. The TBEC device block (or bias correction device block) according to the present embodiment estimates and corrects the bias on the premise that the terminal equipped with the digital sensor is not operating, that is, the stopped state, and is used for general navigation or smartphone. do.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 각 TBEC장치 블록(110 내지 130)은 온도변화 검출부(110A), 바이어스 검출부(110B), 동작 검출부(110C), 온도별 바이어스 추정부(110D), 실시간 바이어스 보정부(110E)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, each of the TBEC device blocks 110 to 130 according to the first embodiment of the present invention includes a temperature change detector 110A, a bias detector 110B, an operation detector 110C, and a bias bias for each temperature. The unit 110D includes a real time bias correction unit 110E.

상기 온도변화 검출부(110A)는 상기 디지털 센서(200) 주변의 온도 변화를 검출한다. 디지털 센서(200)가 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다.The temperature change detector 110A detects a temperature change around the digital sensor 200. Since the digital sensor 200 is sensitive to temperature, it is necessary to accurately detect the temperature change to estimate the accurate bias.

상기 동작 검출부(110C)는 디지털 센서(200)가 탑재된 플랫폼(예: 일반 네비게이션 or 스마트 폰)의 동작을 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 플랫폼의 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성한다.The motion detector 110C may detect an operation of a platform (for example, a general navigation or a smart phone) on which the digital sensor 200 is mounted, and determine whether the platform is operated by using a threshold technique. Create a flag that can be used.

상기 바이어스 검출부(110B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서(200)의 바이어스를 검출하고 그 검출 데이터를 온도별 바이어스 추정부 (110D)로 전달한다.The bias detector 110B detects a bias of the digital sensor 200 that changes according to time and temperature, and transfers the detected data to a temperature-specific bias estimator 110D.

상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 동작 검출부(110C)로부터 플래그를 전달받고, 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 검출된 데이터를 전달받는다.The bias estimation unit 110D for each temperature receives a flag from the motion detection unit 110C, and receives data detected from the temperature change detection unit 110A and the bias detection unit 110B.

상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 플랫폼의 동작 정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 전달받은 데이터를 참조하여 디지털 센서(200)의 온도변화에 따른 바이어스를 계산한다.The temperature bias estimation unit 110D may refer to data received from the temperature change detection unit 110A and the bias detection unit 110B when the flag of the operation detection unit 110C indicates that the platform is stopped. Calculate the bias according to the temperature change of (200).

상기 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)가 계산한 바이어스를 이용하여 실시간으로 상기 디지털 센서의 측정값(200)을 보정한다. 디지털 센서(200)의 측정값을 보정하고 나서 그 결과를 다시 상기 바이어스 검출부(110B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출할 수 있다.The real-time bias correction unit 110E corrects the measured value 200 of the digital sensor in real time using the bias calculated by the temperature bias estimator 110D. By correcting the measured value of the digital sensor 200 and feeding the result back to the bias detector 110B, the bias detection function can be continuously updated and precise bias can be detected.

도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시예에 따른 TBEC장치 블록은 디지털 센서를 실장한 단말이 동작하는 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 자동차에 내장되는 네비게이션용으로 사용된다. 3 is a block diagram of a TBEC device block according to a second embodiment of the present invention. The TBEC device block according to the present embodiment estimates and corrects a bias on the premise that a terminal equipped with a digital sensor operates, and is used for navigation embedded in an automobile.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록(110 내지 130)은 온도변화 검출부(110A), 바이어스 검출부(110B), 동작 검출부(110C), 온도별 바이어스 추정부(110D), 실시간 바이어스 보정부(110E), 주행 중 바이어스 추정부(110F)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the TBEC device blocks 110 to 130 according to the second embodiment of the present invention may include a temperature change detector 110A, a bias detector 110B, an operation detector 110C, and a bias estimation unit for each temperature. 110D, a real time bias correcting unit 110E, and a bias estimating unit 110F while driving.

상기 온도변화 검출부(110A)는 상기 디지털 센서(200) 주변의 온도 변화를 검출한다. 디지털 센서(200)가 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다.The temperature change detector 110A detects a temperature change around the digital sensor 200. Since the digital sensor 200 is sensitive to temperature, it is necessary to accurately detect the temperature change to estimate the accurate bias.

상기 동작 검출부(110C)는 차량의 주행여부를 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 차량의 주행이나 정지여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성한다. 상기 제1실시예에 따른 동작 검출부(110C)는 디지털 센서(200)에서 출력되는 디지털 데이타만을 이용하여 플랫폼의 주행여부를 판별하였으나, 본 실시 예에 따른 동작 검출부(110C)는 GPS(Global Positioning System)나 차속센서와 같은 외부장치로부터 GPS신호와 차속펄스를 인가받아 차량의 주행과 정지여부를 보다 정확히 판별할 수 있다.The motion detector 110C may detect whether the vehicle is driven and generates a flag for determining whether the vehicle is driven or stopped by using a threshold technique. The motion detector 110C according to the first embodiment determines whether the platform is driven by using only the digital data output from the digital sensor 200, but the motion detector 110C according to the present embodiment uses the GPS (Global Positioning System). GPS signals and vehicle speed pulses are applied from external devices such as the vehicle speed sensor and the vehicle speed sensor to determine whether the vehicle is running and stopped more accurately.

상기 바이어스 검출부(110B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서(200)의 바이어스를 검출하고 그 검출된 데이터를 온도별 바이어스 추정부 (110D)로 전달한다.The bias detector 110B detects a bias of the digital sensor 200 that changes with time and temperature, and transfers the detected data to a temperature-specific bias estimator 110D.

상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 차량의 주행상태임을 나타내는 것일 때, 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)는 GPS(또는 차속센서)로부터 GPS신호(또는 차속펄스)를 인가받아, 주행 중에 바이어스(B2)를 추정한다. 그리고 추정한 바이어스 값(B2)을 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)로 전달한다.When the flag of the motion detector 110C indicates that the vehicle is in a driving state, the bias estimator 110F receives the GPS signal (or the vehicle speed pulse) from the GPS (or the vehicle speed sensor) while driving and the bias ( Estimate B2). The estimated bias value B2 is transferred to the real time bias correction unit 110E.

반면, 상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 차량의 주행정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 검출된 데이터를 전달받아, 상기 제1실시예와 동일하게 디지털 센서(200)의 온도변화에 따른 바이어스(B1)를 계산한다. 그리고, 계산된 온도변화에 따른 바이어스 값(B1)은 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)로 전달된다.On the other hand, when the flag of the motion detector 110C indicates that the vehicle is stopped, the temperature bias estimator 110D receives the data detected by the temperature change detector 110A and the bias detector 110B. As in the first embodiment, the bias B1 is calculated according to the temperature change of the digital sensor 200. In addition, the bias value B1 according to the calculated temperature change is transmitted to the real-time bias correction unit 110E.

상기 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)로부터 차량의 주행정지 시에 계산된 바이어스 값(B1)이 전달되면, 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)로부터 전달받은 바이어스 추정값(B2)과 비교한다.When the real-time bias correction unit 110E receives the bias value B1 calculated at the time of stopping the vehicle from the temperature bias estimation unit 110D, the bias estimation value received from the bias estimation unit 110F during the driving. Compare with (B2).

실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)의 바이어스 값(B1)과 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)의 바이어스 추정값(B2)을 비교하고, 최적의 바이어스를 판별하여 실시간으로 상기 디지털 센서의 측정값을 보정한다.The real time bias correcting unit 110E compares the bias value B1 of the bias estimation unit 110D for each temperature with the bias estimation value B2 of the bias estimating unit 110F while driving, and determines an optimum bias in real time. To correct the measured value of the digital sensor.

상기 실시간 바이어스 보정부(110E)의 보정을 수식으로 나타내면 아래 [수식 2]과 같다.When the correction of the real-time bias correction unit 110E is represented by a formula, Equation 2 below.

[수식 2][Equation 2]

실시간 바이어스 보정부의 보정결과 값 = ((B1 x 8) + (B2 x 1) / 9)Calibration result of real-time bias compensator = ((B1 x 8) + (B2 x 1) / 9)

이러한, 바이어스 보정은 실시간으로 진행되며, 실시간 바이어스 보정부(110E)는 보정된 그 결과값을 상기 바이어스 검출부(110B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스 검출이 가능하도록 한다.The bias correction is performed in real time, and the real-time bias correction unit 110E feeds back the corrected result value to the bias detection unit 110B to continuously update the bias detection function and enable precise bias detection.

본 실시예는 상기 제1실시예에서 동작이 없는 경우만 바이어스 추정을 수행했던 한계를 극복하고 주행 중에도 바이어스를 추정할 수 있는 기능을 제안한다.This embodiment proposes a function that overcomes the limitation of bias estimation only when there is no operation in the first embodiment and estimates the bias while driving.

도4는 자이로 센서의 바이어스 변화와 온도 변화의 패턴을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a pattern of a bias change and a temperature change of a gyro sensor.

도4에 도시된 바와 같이, 디지털 센서(200, 이하, '자이로 센서'라 한다)의 바이어스 변화는 온도 변화와 동일한 패턴으로 움직인다. 본 발명은 자이로 센서(200)의 바이어스 변화가 온도 변화와 동일한 패턴으로 움직인다는 사실을 이용한다.As shown in FIG. 4, the bias change of the digital sensor 200 (hereinafter referred to as a gyro sensor) moves in the same pattern as the temperature change. The present invention takes advantage of the fact that the bias change of the gyro sensor 200 moves in the same pattern as the temperature change.

본 발명에 따른 데이터 처리 프로세서(100)는 자이로 센서(200)의 초기 동작시 초기 바이어스를 추정하여 바이어스 초기값을 설정한다.The data processing processor 100 according to the present invention sets an initial bias value by estimating an initial bias during an initial operation of the gyro sensor 200.

이후, 상기 데이터 처리 프로세서(100)는 자이로 센서(200)의 검출값에 대해서 아래의 [수식3]에 의해 스무딩(smoothing) 또는 필터링(filtering)을 수행한다. 자이로 센서(200)의 검출값은 노이즈(Noise)로 인하여, 들죽날쭉하므로 스무딩 에버러지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering) 처리하게 된다. 본 발명에 따른 자이로 센서(200)의 검출 주기는 50Hz 샘플링 단에서 수행하는 것이 바람직하다.Thereafter, the data processing processor 100 performs smoothing or filtering on the detection value of the gyro sensor 200 by Equation 3 below. Since the detected value of the gyro sensor 200 is jagged due to noise, the gyro sensor 200 is subjected to smoothing or filtering according to a smoothing average technique. The detection cycle of the gyro sensor 200 according to the present invention is preferably performed at a 50 Hz sampling stage.

[수식 3][Equation 3]

[Smoothing or Filtering][Smoothing or Filtering]

Figure 112012027115609-pat00001
Figure 112012027115609-pat00001

Figure 112012027115609-pat00002
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Figure 112012027115609-pat00003
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Figure 112012027115609-pat00004
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Figure 112012027115609-pat00005
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Figure 112012027115609-pat00006
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Figure 112012027115609-pat00007
Figure 112012027115609-pat00008
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Figure 112012027115609-pat00009
Figure 112012027115609-pat00009

여기서, 상기 'S'는 스무딩된 자이로 센서값이고, 상기 'n'은 시간 인덱스이고, 상기 'x'는 원래의 자이로 센서값이다.Here, 'S' is a smoothed gyro sensor value, 'n' is a time index, and 'x' is an original gyro sensor value.

도5는 스무딩 에버러지 기법에 따른 스무딩 효과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph illustrating a smoothing effect according to a smoothing Everest technique.

스무딩(Smoothing)의 장점은 도5의 a)에 도시된 바와 같이, 튀는 값을 제거해 주는 장점이 있으나 도5의 b)에 도시된 바와 같이, 시간 지연 문제가 발생하므로 스무딩(smoothing)값은 바이어스 추정에만 사용하는 것이 바람직하다.The advantage of smoothing is that as shown in a) of FIG. 5, there is an advantage of eliminating the bouncing value. However, as shown in b) of FIG. 5, the smoothing value is biased because a time delay problem occurs. It is preferable to use only for estimation.

도6은 자이로 센서의 추정결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the estimation result of the gyro sensor.

본 발명에 따른 온도별 바이어스 추정부(110D)는 계산된 바이어스 값을 이용하여 온도 변화에 따른 바이어스 변화율을 계산한다. Temperature bias estimation unit 110D according to the present invention calculates the bias change rate according to the temperature change using the calculated bias value.

상기 데이터 처리 프로세서(100)는 기존에 초기 바이어스를 계산하는 구간에서 온도에 따른 바이어스의 변화율도 함께 계산해야 한다. 초기의 이 바이어스 값과 바이어스 변화율은 이후의 온도변화에 따른 바이어스 추정에 사용된다.The data processing processor 100 should also calculate the rate of change of the bias according to the temperature in the section for calculating the initial bias. This initial bias value and the rate of change of the bias are used to estimate the bias following the temperature change.

바이어스 변화율은 도6에 도시된 바와 같이, 대략 1도의 온도 변화당 -6.4 ~ -7.2 구간으로 형성된다.As shown in FIG. 6, the bias change rate is formed in the range of -6.4 to -7.2 per temperature change of approximately 1 degree.

도7의 a)는 본 발명에 따른 바이어스 추정 결과를 나타낸 그래프이다.7A is a graph showing a bias estimation result according to the present invention.

본 발명은 확보된 바이어스 변화율을 이용하여, 이후 주행 중 바이어스 추정을 수행한다. 도7의 a)에서, 'gyroBias'는 자이로 센서(200)의 원래 바이어스 값이고, 'estBias'는 주행 정지시 추정한 바이어스 값(제1실시예)이고, 'EstBias'는 주행시 추정한 바이어스 값(제2실시예)이다.The present invention performs bias estimation while driving by using the secured bias change rate. In a) of FIG. 7, 'gyroBias' is an original bias value of the gyro sensor 200, 'estBias' is a bias value (first embodiment) estimated at driving stop, and 'EstBias' is a bias value estimated at driving. (Second embodiment).

도7의 b)는 본 발명에 따라 자이로 센서 검출값의 보정 결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 추정된 바이어스 값(B1, B2)을 자이로 센서(200)의 검출값에 반영하여 보정을 수행한다.7B is a graph showing a correction result of the gyro sensor detection value according to the present invention. The real-time bias correction unit 110E according to the present invention reflects the estimated bias values B1 and B2 to the detection values of the gyro sensor 200 to perform correction.

도7의 b)에서, 'RawGyroZ'는 보정전의 자이로 센서(200)의 검출값이고, 'fbGyro'는 주행 정지시 추정한 바이어스를 적용하여 보정된 자이로 센서(200)의 검출값(제1실시예)이고, 'FBGyro'는 주행시 추정한 바이어스를 적용하여 보정된 자이로 센서(200)의 검출값(제2실시예)이다.In FIG. 7B, 'RawGyroZ' is a detection value of the gyro sensor 200 before correction, and 'fbGyro' is a detection value of the gyro sensor 200 corrected by applying a bias estimated when the driving stops (first embodiment). For example, 'FBGyro' is a detection value (second embodiment) of the gyro sensor 200 corrected by applying a bias estimated during driving.

본 발명의 제1실시 예에서처럼, 만일, 주행 정지로 판단된 직후, 바이어스 추정을 실시할 경우 초기화와 동일한 동작을 수행한다. 즉, 초기 바이어스 추정 후 바이어스 변화율을 검지하는 과정을 다시 수행한다. 만일, 정지 이후 다시 주행이 개시되면, 상기 제1실시 예의 경우, 바이어스 변화율 추정 알고리즘을 벗어나게 된다.As in the first embodiment of the present invention, if it is determined that the driving stops immediately after the bias estimation is performed, the same operation as the initialization is performed. That is, after the initial bias estimation, the process of detecting the bias change rate is performed again. If driving starts again after stopping, the bias change rate estimation algorithm is out of the case of the first embodiment.

이상에서 설명한 상기 디지털 센서 바이어스 보정방법은 하드웨어적으로 구현될 수도 있고, 소프트웨어적으로도 구현될 수 있다.The digital sensor bias correction method described above may be implemented in hardware or in software.

예시적인 하드웨어적인 구현에 의하면, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정방법은 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(micro processors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수도 있다.According to an exemplary hardware implementation, the digital sensor bias correction method according to the present invention may include application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), and FPGAs ( It may be implemented using at least one of field programmable gate arrays, processors, controllers, micro-controllers, microprocessors, and electrical units for performing other functions.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. May be constructed by selectively or in combination. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

본 발명은 온도변화에 민감하게 변화하는 디지털 센서의 바이어스 변화를 실시간으로 보정함으로써 디지털 센서를 채용하고 있는 다양한 단말기의 오차 누적 현상을 없애게 되고, 이는 단말기의 동작 성능과 기능을 획기적으로 개선할 수 있는 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법을 구현하였다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정방법은 차량항법용 추측항법 및 관성항법에 사용될 수 있고, 개인휴대 장치에 설치되어 자세, 위치, 방향 등의 검출에 사용될 수 있다.The present invention eliminates the error accumulation phenomenon of various terminals employing the digital sensor by correcting the bias change of the digital sensor that is sensitive to temperature change in real time, which can drastically improve the operation performance and function of the terminal. A bias compensation device and method for a digital sensor are implemented. The bias correction method of the digital sensor according to the present invention can be used for dead reckoning and inertial navigation for vehicle navigation, and can be installed in a personal portable device and used for detecting posture, position, direction, and the like.

본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법은 비포마켓(before market)의 차량항법 장치는 물론, 디지털 센서(예: 자이로센서)를 구비한 애프터 마켓(after market)의 차량항법 장치에도 장착 가능하며, 보행자용 항법장치(예: 스마트폰 등), 그리고 로봇이나 게임 리모컨(예: wii 등)의 자세 검출 및 이의 응용에 적용될 수 있다.The bias correction device and method of the digital sensor according to the present invention can be mounted on a vehicle navigation device of an after market equipped with a digital sensor (eg, a gyro sensor) as well as a vehicle navigation device of a before market. It can be applied to the detection of pedestrian navigation devices (eg smartphones) and robots or game remote controllers (eg wii) and their applications.

100 : 데이터 처리 프로세서 110 : X-TBEC
110A : 온도변화 검출부 110B : 바이어스 검출부
110C : 동작 검출부 110D : 온도별 바이어스 추정부
110E : 실시간 바이어스 보정부 110F : 주행 중 바이어스 추정부
120 : Y-TBEC 130 : Z-TBEC
200 : 디지털 센서 300 : 처리부
100: data processing processor 110: X-TBEC
110A: temperature change detector 110B: bias detector
110C: motion detection unit 110D: temperature bias estimation unit
110E: real time bias correction unit 110F: bias estimation unit while driving
120: Y-TBEC 130: Z-TBEC
200: digital sensor 300: processing unit

Claims (7)

온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터 값을 출력하는 디지털 센서(200)와;
상기 디지털 센서로부터 수신된 X축, Y축, Z축의 디지털 데이터를 수신하여 스무딩 에러버지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering)처리하는 다수의 바이어스 보정장치들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 실시간으로 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서(100)와;
상기 바이어스 보정장치들을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼의 각도를 구하는 처리부(300)를 포함하여 구성되며,
상기 데이터 처리 프로세서(100)는,
상기 X축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제1바이어스 보정부(110)와;
상기 Y축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제2바이어스 보정부(120)와;
상기 Z축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제3바이어스 보정부(130)를 포함하여 구성되며,
상기 제1 내지 3바이어스 보정장치(110~130)는 각각,
상기 디지털 센서 주변의 온도 변화를 검출하는 온도변화 검출부(110A)와;
디지털 센서가 탑재된 플랫폼의 동작을 검출하고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성하는 동작 검출부(110C)와;
시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서의 바이어스를 검출하는 바이어스 검출부(110B)와;
상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)에서 검출된 데이터를 참조하여 디지털 센서의 온도변화에 따른 바이어스를 계산하는 온도별 바이어스 추정부(110D)와;
상기 계산된 바이어스를 이용하여 실시간으로 상기 디지털 센서의 검출값을 보정하는 실시간 바이어스 보정부(110E)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치.
A digital sensor 200 for outputting a digital data value having a characteristic of changing a bias according to a temperature change;
Temperature change including a plurality of bias correction devices for smoothing or filtering according to a smoothing error technique by receiving digital data of X, Y, and Z axes received from the digital sensor A data processing processor (100) for estimating and correcting a bias change in real time;
Comprising a processing unit 300 for obtaining the angle of the platform by the detection value of the digital sensor corrected through the bias correction device,
The data processing processor 100,
A first bias correction unit (110) for estimating and correcting a bias that changes according to temperature change in real time with respect to the digital data of the X-axis;
A second bias correction unit (120) for estimating and correcting a bias that changes according to a temperature change in real time with respect to the digital data of the Y-axis;
Comprising a third bias correction unit 130 for estimating and correcting the bias in accordance with the temperature change in real time with respect to the digital data of the Z-axis,
The first to third bias correction device (110 to 130), respectively,
A temperature change detector (110A) for detecting a temperature change around the digital sensor;
A motion detector 110C for detecting a motion of the platform on which the digital sensor is mounted and generating a flag for determining whether to operate by using a threshold technique;
A bias detector (110B) for detecting a bias of the digital sensor that changes with time and temperature;
A temperature bias estimator 110D for calculating a bias according to a temperature change of the digital sensor by referring to the data detected by the temperature change detector 110A and the bias detector 110B;
And a real-time bias correction unit (110E) for correcting the detection value of the digital sensor in real time using the calculated bias.
삭제delete 온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터 값을 출력하는 디지털 센서(200)와;
상기 디지털 센서로부터 수신된 X축, Y축, Z축의 디지털 데이터를 수신하여 스무딩 에러버지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering)처리하는 다수의 바이어스 보정장치들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 실시간으로 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서(100)와;
상기 바이어스 보정장치들을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼의 각도를 구하는 처리부(300)를 포함하여 구성되며,
상기 데이터 처리 프로세서(100)는,
상기 X축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제1바이어스 보정부(110)와;
상기 Y축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제2바이어스 보정부(120)와;
상기 Z축의 디지털 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추정하고 보정하는 제3바이어스 보정부(130)를 포함하여 구성되며,
상기 제1 내지 3바이어스 보정장치(110~130)는 각각,
상기 디지털 센서 주변의 온도 변화를 검출하는 온도변화 검출부(110A)와;
외부장치로부터 GPS신호와 차속펄스를 인가받아 차량의 주행과 정지여부를 검출하는 동작 검출부(110C)와;
시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서의 바이어스를 실시간으로 검출하는 바이어스 검출부(110B)와;
상기 동작 검출부의 검출정보가 차량 주행중인 것으로 나타나면, GPS로부터 GPS신호를 인가받아, 주행에 따른 바이어스를 추정하는 주행 중 바이어스 추정부(110F)와;
상기 동작 검출부의 검출정보가 차량 정지상태인 것으로 나타나면, 상기 온도변화 검출부와 바이어스 검출부에서 검출된 데이터를 참조하여 디지털 센서의 온도변화에 따른 바이어스를 계산하는 온도별 바이어스 추정부(110D)와;
상기 온도별 바이어스 추정부(110D)의 바이어스 값과 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)의 바이어스 추정값을 실시간으로 상기 디지털 센서의 검출값에 반영하여 보정을 수행하는 실시간 바이어스 보정부(110E)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치.
A digital sensor 200 for outputting a digital data value having a characteristic of changing a bias according to a temperature change;
Temperature change including a plurality of bias correction devices for smoothing or filtering according to a smoothing error technique by receiving digital data of X, Y, and Z axes received from the digital sensor A data processing processor (100) for estimating and correcting a bias change in real time;
Comprising a processing unit 300 for obtaining the angle of the platform by the detection value of the digital sensor corrected through the bias correction device,
The data processing processor 100,
A first bias correction unit (110) for estimating and correcting a bias that changes according to a temperature change in real time with respect to the digital data of the X-axis;
A second bias correction unit (120) for estimating and correcting a bias that changes according to a temperature change in real time with respect to the digital data of the Y-axis;
Comprising a third bias correction unit 130 for estimating and correcting the bias in accordance with the temperature change in real time with respect to the digital data of the Z-axis,
The first to third bias correction device (110 to 130), respectively,
A temperature change detector (110A) for detecting a temperature change around the digital sensor;
A motion detection unit (110C) for detecting whether the vehicle is driven or stopped by receiving a GPS signal and a vehicle speed pulse from an external device;
A bias detector 110B for detecting in real time a bias of a digital sensor that changes with time and temperature;
A bias estimating unit (110F) for estimating a bias according to the driving by receiving a GPS signal from the GPS when the detection information of the motion detecting unit indicates that the vehicle is traveling;
A temperature bias detector (110D) for calculating a bias according to a temperature change of the digital sensor by referring to the data detected by the temperature change detector and the bias detector when the detection information of the motion detector is in a vehicle stop state;
It includes a real-time bias correction unit 110E for performing correction by reflecting the bias value of the bias estimation unit 110D for each temperature and the bias estimation value of the bias estimation unit 110F during driving in real time to the detection value of the digital sensor. Digital sensor bias correction device, characterized in that configured to.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)는
지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출할 수 있도록, 상기 보정된 디지털 센서의 검출값을 상기 바이어스 검출부로 피드백하는 것을 특징으로 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치.
The method of claim 1 or 3, wherein the real-time bias correction unit 110E
And feeding back the detected value of the corrected digital sensor to the bias detector so as to continuously update the bias detection function and detect a precise bias.
삭제delete 삭제delete 제1항 또는 3항에 있어서, 상기 스무딩 에버러지는,
하기 수식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치.
Figure 112013015020332-pat00010

(여기서, 상기 'S'는 스무딩된 자이로 센서값이고, 상기 'n'은 시간 인덱스이고, 상기 'x'는 원래의 자이로 센서값이다)
The method of claim 1 or 3, wherein the smoothing ever
Digital sensor bias correction device, characterized in that calculated according to the following formula.
Figure 112013015020332-pat00010

(Where 'S' is a smoothed gyro sensor value, 'n' is a time index and 'x' is the original gyro sensor value)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009020094A (en) * 2007-07-10 2009-01-29 Freescale Semiconductor Inc Sensor unit
JP2009192495A (en) * 2008-02-18 2009-08-27 Furuno Electric Co Ltd Navigation system

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