KR101331956B1 - 아날로그 ｍｅｍｓ 센서를 이용하는 고정밀 ｉｎｓ 모듈 및 그 구동 방법 - Google Patents

아날로그 ｍｅｍｓ 센서를 이용하는 고정밀 ｉｎｓ 모듈 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈 및 그 구동 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈는 이동형 위성통신 단말의 가속도를 측정하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도 센서; 상기 이동형 위성 통신 단말의 각속도를 측정하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS 각속도 센서; 측정된 상기 가속도의 평균값을 구해 평균 가속도를 산출하는 가속도 계산부; 측정된 상기 각속도의 평균값을 구해 평균 각속도를 산출하는 각속도 계산부; 및 산출된 상기 평균 가속도와 상기 평균 각속도를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 처리하는 DSP 칩을 포함할 수 있다.

Description

아날로그 ＭＥＭＳ 센서를 이용하는 고정밀 ＩＮＳ 모듈 및 그 구동 방법{HIGH PRECISION INS MODULE USING ANALOG MEMS SENSOR AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 INS(Inertial Navigation System) 모듈에 관한 것으로, 특히, 이동형 위성통신 단말에서 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 처리할 수 있는 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
최근 이동통신 기술이 발달함에 따라 사용자의 위치를 파악하여 새로운 서비스를 제공하기 위한 위치 결정 기술이 개발되고 있다. 이러한 위치 결정 방법으로 GPS와 INS가 결합되어 단말기의 현 위치를 계산 및 공유하는 방법이 대두되고 있다.
특히, 자세각 및 방위각 정보가 정밀하게 요구되는 이동형 위성통신 단말에는 정밀한 위성추적을 위해서 고정밀 INS(Inertial Navigation System) 모듈이 필요하다. 고정밀 INS 모듈은 크기가 크고 고가인 기계식 고정밀 자이로 센서를 사용하여 구현된다.
이동형 위성통신 단말의 소형화로 소형의 INS 모듈이 요구되어, MEMS 센서를 이용하고 있다. 이러한 MEMS 센서는 소형이면서 저가이지만 정밀도가 높지 않다. 그래서 MEMS 센서를 이용하여 INS 모듈을 구현하면 기계식이나 광섬유 방식에 비해 정밀도가 떨어져서 누적오차의 증가로 정밀한 항법 장치로 사용하기에는 부적합하다.
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 결정할 수 있는 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈은 이동형 위성통신 단말의 가속도를 측정하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도 센서; 상기 이동형 위성 통신 단말의 각속도를 측정하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS 각속도 센서; 측정된 상기 가속도의 평균값을 구해 평균 가속도를 산출하는 가속도 계산부; 측정된 상기 각속도의 평균값을 구해 평균 각속도를 산출하는 각속도 계산부; 및 산출된 상기 평균 가속도와 상기 평균 각속도를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 결정하는 DSP 칩을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 MEMS 가속도 센서는 아날로그 방식의 3축 가속도 센서로 구현하고, 각 축의 가속도 값을 서로 다른 출력단자를 통해 출력하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가속도 계산부는 OP AMP(Operational Amplifier)로 구현하되, 각 축의 가속도의 평균값을 구하도록 3개의 OP AMP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가속도 계산부는 상기 MEMS 가속도 센서의 각 축의 가속도 값을 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력받고, 상기 MEMS 가속도 센서의 출력단자와 상기 OP AMP의 반전단자(-) 사이 각각에 제1 저항이 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가속도 계산부는 상기 OP AMP의 반전단자(-)와 상기 OP AMP의 출력단자 사이 각각에 제2 저항이 연결되어 피드백루프를 형성하고, 상기 제2 저항의 크기는 상기 제1 저항의 크기를 상기 MEMS 가속도 센서의 개수로 나눈값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 MEMS 각속도 센서는 아날로그 방식의 3축 각속도 센서이고, 각 축의 각속도 값을 서로 다른 출력단자를 통해 출력하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 각속도 계산부는 OP AMP(Operational Amplifier)로 구현하되, 각 축의 각속도의 평균값을 구하도록 3개의 OP AMP로 구현되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 각속도 계산부는 상기 MEMS 각속도 센서의 각 축의 각속도 값을 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력받고, 상기 MEMS 각속도 센서의 출력단자와 상기 OP AMP의 반전단자(-) 사이 각각에 제1 저항이 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 각속도 계산부는 상기 OP AMP의 반전단자(-)와 상기 OP AMP의 출력단자 사이 각각에 제2 저항이 연결되어 피드백루프를 형성하고, 상기 제2 저항의 크기는 상기 제1 저항의 크기를 상기 MEMS 각속도 센서의 개수로 나눈값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈의 구동 방법은 다수의 아날로그 방식의 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도 센서를 통해 이동형 위성통신 단말의 가속도를 측정하는 단계; 다수의 아날로그 방식의 MEMS 각속도 센서를 통해 상기 이동형 위성 통신 단말의 각속도를 측정하는 단계; 측정된 상기 가속도의 평균값을 구해 평균 가속도를 산출하는 단계; 측정된 상기 각속도의 평균값을 구해 평균 각속도를 산출하는 단계; 및 산출된 상기 평균 가속도와 상기 평균 각속도를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 결정함으로써, 이동형 위성통신 단말에서 요구되는 가속도 정보와 각속도 정보의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 결정함으로써, 소형 저가의 MEMS 센서를 이용하기 때문에 이동형 위성통신 단말을 소형화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 결정함으로써, 소형 저가의 MEMS 센서를 이용하기 때문에 이동형 위성통신 단말의 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 INS 모듈의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 가속도를 산출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 가속도를 산출하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 제1 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 제2 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈 및 그 구동 방법을 첨부한 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다. 명세서 전체를 통하여 각 도면에서 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서는 이동형 위성통신 단말에서 다수의 MEMS 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 각각 측정하고, 그 측정한 가속도와 각속도의 평균값을 산출하여 그 산출한 결과를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 각각 결정할 수 있는 INS 모듈을 제안한다.
이때, 이동형 위성통신 단말은 자세각 및 방위각 정보가 정밀하게 요구되는 차량용 OTM(On-The-Move) 위성통신 단말, 항공기용 OTM 위성통신 단말 등을 포괄하는 개념일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 INS 모듈의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 INS 모듈은 다수의 MEMS 가속도 센서(110), 다수의 MEMS 각속도 센서(120), 컴퍼스(compass) 센서(130), 가속도 계산부(140), 각속도 계산부(150), 및 DSP(Digital Signal Processor) 칩(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
다수의 MEMS 가속도 센서(110)는 3축 가속도 센서로 이동형 위성통신 단말의 가속도를 각각 측정할 수 있다. 그리고 다수의 MEMS 각속도 센서(120)는 3축 각속도 센서로 이동형 위성통신 단말의 각속도를 각각 측정할 수 있다.
또한, 컴퍼스 센서(130)는 이동형 위성통신 단말의 헤딩(heading) 정보를 측정할 수 있다.
가속도 계산부(140)는 다수의 MEMS 가속도 센서(110)를 통해 측정된 가속도의 평균값을 구해 평균 가속도를 산출할 수 있는데, 이를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 가속도를 산출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, MEMS 가속도 센서(110) n개를 사용하는 경우 각 MEMS 가속도 센서(110)의 출력값 V1, V2, ..., Vn을 더하여 그 더한 값을 n으로 나누면 그 나눈값 (V1+V2+...+Vn)/n은 MEMS 가속도 센서(110)의 평균값이 될 수 있다.
이때, 잡음은 각 MEMS 가속도 센서(110)들 간에 다른 위치에서 나타나므로 MEMS 가속도 센서(110) 1개를 사용하는 것에 비해 잡음 감소 효과가 MEMS 가속도 센서(110)의 개수에 따라 개선될 수 있다.
따라서 이러한 MEMS 가속도 센서를 이용하면 정밀한 가속도 정보를 얻는 것이 가능하다. 현재 기술로는 MEMS 센서를 이용한 자세각 오차율은 0.1도 수준이지만 MEMS 센서를 10개 이상 사용하게 되면 그 정밀도가 크게 개선될 수 있다.
각속도 계산부(150)는 다수의 MEMS 각속도 센서(120)를 통해 측정된 각속도를 제공받아 제공받은 각속도의 평균값을 구해 평균 각속도를 산출할 수 있다.
이때, 각속도 계산부(150)의 동작원리는 가속도 계산부(140)의 동작원리와 동일하다.
DSP 칩(160)은 가속도 계산부(140)에서 산출된 평균 가속도와 각속도 계산부(150)에서 산출된 평균 각속도를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 결정할 수 있다. DSP 칩(160)은 가속도 정보, 각속도 정보, 헤딩 정보, 및 GPS or DGPS 정보 뿐 아니라 이러한 정보를 이용하여 위치 정보 및 자세 정보도 출력할 수 있다.
이때, 본 발명은 정밀도를 높이기 위해서는 MEMS 센서를 40개 이상 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 본 발명은 좀더 정밀도를 높이기 위해서는 MEMS 센서를 100개 이상 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 100개의 MEMS 센서 및 그 측정된 평균값을 취하는 기능을 하나의 칩으로 구현함으로써, 좀더 소형이면서 고정밀의 INS를 구현하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 가속도를 산출하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서와 MEMS 각속도 센서는 아날로그 방식으로 구현할 수 있는데, 아날로그 방식은 각 축의 가속도 또는 각속도의 출력값을 A/D 변환없이 그대로 출력 단자에 내보내는 방식으로 3축 가속도 센서 또는 3축 각속도 센서는 X축, Y축, Z축의 출력값이 각각 다른 핀으로 출력될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 가속도의 평균값과 각속도의 평균값을 구하는 구성은 동일하기 때문에 여기서는 가속도의 평균값을 구하는 구성만을 일례로 설명하기로 한다.
MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn은 아날로그 센서로 구현되고, 가속도 계산부는 OP AMP(Operational Amplifier) AMP-X, AMP-Y, AMP-Z로 구현될 수 있다.
MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn의 각 축의 출력값은 OP AMP AMP-X, AMP-Y, AMP-Z의 반전입력단자(-)로 입력되고 OP AMP AMP-X, AMP-Y, AMP-Z의 비반전입력단자(+)는 그라운드에 연결될 수 있다. 예컨대, MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn의 각 X축의 출력값은 OP AMP AMP-X의 반전입력단자(-)로 입력되고, MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn의 각 Y축의 출력값은 OP AMP AMP-Y의 반전입력단자(-)로 입력되며, MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn의 각 Z축의 출력값은 OP AMP AMP-Z의 반전입력단자(-)로 입력될 수 있다.
MEMS 가속도 센서 MA1, MA2, ..., MAn의 출력단자와 OP AMP AMP-X, AMP-Y, AMP-Z의 반전입력단자(-) 사이 각각에는 기 설정된 크기의 저항 R이 연결될 수 있다.
이때, 저항은 그 크기가 너무 작으면 회로에 문제가 생길 수 있기 때문에 일정 크기 이상을 사용해야 하는데, 예컨대, 1K, 10K 등으로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 OP AMP AMP-X, AMP-Y, AMP-Z의 출력단자 AX-a, AY-a, AZ-a로 평균값을 출력하기 위하여 반전입력단자(-)와 출력단자 AX-a, AY-a, AZ-a 사이에는 저항 Rfb이 연결되어 피드백루프(feedback loop)를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 피드백루프는 출력단자 AX-a, AY-a, AZ-a 각각의 출력값으로 OP AMP AMP-X, AMP-Y, AMP-Z 각각의 반전입력단자(-)로 입력된 값들의 평균값이 되도록 동작할 수 있다.
이때, 저항 Rfb의 크기는 R의 크기를 MEMS 가속도 센서의 개수로 나눈값이 된다.
이렇게 각 센서의 출력값을 OP AMP에서 합하는 과정에서 신호가 반전되는데, DSP 칩에서 신호를 재 반전시켜 측위값을 계산하게 된다.
한편, 3축 가속도 센서와 3축 각속도 센서가 한 칩으로 구현되는 경우도 있는데, 이 경우에는 센서당 1개의 레지스터를 사용하여도 평균값 연산을 처리할 수 있다.
이러한 아날로그 방식은 센서의 개수 n이 증가함에 따라 랜덤 잡음이 줄어들게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 제1 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, MEMS 가속도 센서를 10개를 사용하는 경우, 그림 (a), (b), (c)는 MEMS 가속도 센서 1개 예컨대, 도 1의 MEMS 가속도 센서 1, MEMS 가속도 센서2, MEMS 가속도 센서 3에서 측정한 가속도 값을 나타내고, 그림 (d)는 MEMS 가속도 센서 10개의 가속도 값을 평균하여 산출된 평균 가속도 값을 나타내고 있다.
그림 (d)가 그림 (a), (b), (c)에 비하여 오차율이 확연하게 개선되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 제2 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 다수의 MEMS 가속도 센서를 사용하는 경우, 그림 (a)는 MEMS 가속도 센서 1개에서 측정한 가속도 값을 나타내고, 그림 (b)는 MEMS 가속도 센서 10개의 가속도 값을 평균하여 산출된 평균 가속도 값을 나타내며, 그림 (c)는 MEMS 가속도 센서 20개의 가속도 값을 평균하여 산출된 평균 가속도 값을 나타내고, 그림 (d)는 MEMS 가속도 센서 40개의 가속도 값을 평균하여 산출된 평균 가속도 값을 나타내고 있다.
MEMS 가속도 센서의 개수를 늘려감에 따라 오차율이 점점 개선되는 것을 알 수 있다. 특히, MEMS 센서의 개수를 10개로 하면 0.1도 오차율이 0.03 정도의 수준으로 낮아지고, MEMS 센서의 개수를 20개로 하면 0.02도 수준으로 개선된다.
MEMS 가속도 센서 뿐 아니라 MEMS 각속도 센서도 동일한 방법으로 10개 이상의 센서를 사용하면 가속도 센서와 동일한 수준으로 크게 오차율이 개선될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에 서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스 크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상에서 설명한 실시예들은 일 예로로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: MEMS 가속도 센서
120: MEMS 각속도 센서
130: 컴퍼스 센서
140: 가속도 계산부
150: 각속도 계산부
160: DSP 칩

Claims (10)

  1. 이동형 위성통신 단말의 가속도를 측정하되, 아날로그 방식의 3축 가속도 센서로 구현하고 각 축의 가속도 값을 서로 다른 출력단자를 통해 출력하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도 센서;
    상기 이동형 위성 통신 단말의 각속도를 측정하되, 아날로그 방식의 3축 각속도 센서이고 각 축의 각속도 값을 서로 다른 출력단자를 통해 출력하는 다수의 아날로그 방식의 MEMS 각속도 센서;
    측정된 상기 가속도의 평균값을 구해 평균 가속도를 산출하는 가속도 계산부;
    측정된 상기 각속도의 평균값을 구해 평균 각속도를 산출하는 각속도 계산부; 및
    산출된 상기 평균 가속도와 상기 평균 각속도를 측위를 위한 가속도 정보와 각속도 정보로 처리하는 DSP 칩;
    을 포함하되, 상기 가속도 계산부는 OP AMP(Operational Amplifier)로 구현하되, 각 축의 가속도의 평균값을 구하도록 3개의 OP AMP로 구현되고,
    상기 MEMS 가속도 센서의 각 축의 가속도 값을 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력받으며, 상기 MEMS 가속도 센서의 출력단자와 상기 OP AMP의 반전단자(-) 사이 각각에 제1 저항이 연결되며,
    상기 OP AMP의 반전단자(-)와 상기 OP AMP의 출력단자 사이 각각에 제2 저항이 연결되어 상기 OP AMP의 출력값으로 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력된 값들의 평균값이 되도록 피드백루프를 형성하며,
    상기 제2 저항의 크기는 상기 제1 저항의 크기를 상기 MEMS 가속도 센서의 개수로 나눈값으로 설정되며,
    상기 각속도 계산부는 OP AMP(Operational Amplifier)로 구현하되, 각 축의 각속도의 평균값을 구하도록 3개의 OP AMP로 구현되고,
    상기 MEMS 각속도 센서의 각 축의 각속도 값을 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력받으며, 상기 MEMS 각속도 센서의 출력단자와 상기 OP AMP의 반전단자(-) 사이 각각에 제1 저항이 연결되며,
    상기 OP AMP의 반전단자(-)와 상기 OP AMP의 출력단자 사이 각각에 제2 저항이 연결되어 상기 OP AMP의 출력값으로 상기 OP AMP의 반전단자(-)로 입력된 값들의 평균값이 되도록 피드백루프를 형성하고,
    상기 제2 저항의 크기는 상기 제1 저항의 크기를 상기 MEMS 각속도 센서의 개수로 나눈값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 아날로그 MEMS 센서를 이용하는 고정밀 INS 모듈.
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