KR101503046B1 - inertial measurement unit and method for calibrating the same - Google Patents
inertial measurement unit and method for calibrating the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR101503046B1 KR101503046B1 KR1020130099881A KR20130099881A KR101503046B1 KR 101503046 B1 KR101503046 B1 KR 101503046B1 KR 1020130099881 A KR1020130099881 A KR 1020130099881A KR 20130099881 A KR20130099881 A KR 20130099881A KR 101503046 B1 KR101503046 B1 KR 101503046B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- sensor
- calibration
- value
- gyro sensor
- acceleration sensor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
- G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/02—Rotary gyroscopes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
본 발명은 다축 감지 장치의 교정 방법에 관련된 것이다. 본 발명의 다축 감지 장치의 교정 방법은 다축 감지 장치의 가속도 센서 또는 지자계 센서에 대해서 교정을 자동으로 수행하고, 그에 따라 교정된 가속도 센서 또는 지자계 센서의 측정값을 자이로 센서의 교정에 활용함으로써 다축 감지 장치의 교정을 별도의 교정 장치 없이 자동으로 수행할 수 있다. The present invention relates to a method of calibrating a multi-axis sensing device. The calibration method of the multi-axis sensing device of the present invention automatically performs calibration with respect to an acceleration sensor or a geomagnetic sensor of a multi-axis sensing device and uses the measured values of the calibrated acceleration sensor or geomagnetic sensor to calibrate the gyro sensor The calibration of the multi-axis sensing device can be performed automatically without a separate calibration device.
Description
본 발명은 다축 감지 장치에 관련된 것이다. The present invention relates to a multi-axis sensing device.
최근 스마트폰, 휴대용 게임기, 리모컨, 무인 정찰기 등 다양한 분야에서 다축 감지 장치(inertial measurement unit: IMU)가 채용되고 있다. 다축 감지 장치는 임의의 방향에 대한 위치 또는 방향을 측정하기 위한 것으로, 가속도 센서, 지자계 센서, 자이로스코프 센서를 포함하여 이루어질 수 있다. Recently, an inertial measurement unit (IMU) has been adopted in various fields such as smart phones, portable game machines, remote controllers, and unmanned reconnaissance machines. The multi-axis sensing device is for measuring a position or direction in an arbitrary direction, and may include an acceleration sensor, a geomagnetic sensor, and a gyroscope sensor.
도 1은 다축 감지 장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면 다축 감지 장치(1)는 인쇄회로기판(40)과, 그에 장착되는 집적회로 형태의 가속도 센서(10), 지자계 센서(20), 자이로 센서(30)를 구비한다. FIG. 1 is a view schematically showing an example of a multi-axis sensing device. 1, the
이와 같이 여러 종류의 센서를 포함하는 다축 감지 장치(1)의 경우는, 정확한 자세 값을 측정하기 위하여 복수의 센서들을 교정(calibration)할 필요가 있는데, 다축 감지 장치(1)의 복수의 센서를 교정하기 위한 방법으로는 다축 감지 장치(1)의 배향을 임의로 변경시켜주는 특별한 교정 장치를 사용하기도 한다. In the case of the
도 2는 다축 감지 장치의 배향을 임의로 변경시켜주는 교정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing a calibration apparatus for arbitrarily changing the orientation of the multi-axis sensing apparatus.
도 2을 참조하면, 교정 장치(5)에 다축 감지 장치(1)를 장착하고 교정 장치(5)로 다축 감지 장치(1)의 배향을 임의로 변경시켜 준다. 교정 장치(5)는 그에 장착된 다축 감지 장치(1)의 자세에 대한 정보를 출력하므로 이를 참값으로 하여 다축 감지 장치(1)의 각 센서들을 교정할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
그런데 이러한 방법은 별도의 교정 장치가 요구되기 때문에, 수시로 교정이 필요하거나 실시간으로 교정이 필요한 상황에는 적용되기 어려운 문제가 있다. However, since such a method requires a separate calibration device, there is a problem that it is difficult to apply to situations requiring calibration from time to time or requiring calibration in real time.
또한 별도의 교정 장치 없이 각 센서의 특성을 고려하여 교정을 수행하는 방법이 사용되기도 하는데 이러한 교정 방법은 잡음(noise) 및 외란(perturbation)에 취약하고, 지자계 센서와 가속도 센서의 교정 방법이 상이함으로 인하여 알고리즘의 계산이 복잡해진다. 또한 자이로 센서에 대해서는 가속도 센서 및 지자계 센서의 측정 정보를 이용하는 방법이 제공되지 못한다는 문제가 있다. Also, there is a method of calibrating by taking into consideration the characteristics of each sensor without a separate calibration device. Such a calibration method is vulnerable to noise and perturbation, and the calibration method of the geomagnetic sensor and the acceleration sensor is different The computation of the algorithm becomes complicated. Further, there is a problem that a method of using the measurement information of the acceleration sensor and the geomagnetic sensor can not be provided for the gyro sensor.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 별도의 교정 장치 없이도 다축 감지 장치에 포함된 복수의 센서를 통합적 및 자동적으로 교정하는 방법 및 그러한 교정 기능을 구비하는 다축 감지 장치를 제공하고자 한다. In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is to provide a method for integrally and automatically correcting a plurality of sensors included in a multi-axis sensing apparatus without a separate calibration apparatus, and a multi-axis sensing apparatus having such a calibration function .
본 발명의 일 실시예에 따른 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 가속도 센서 또는 지자계 센서와, 자이로 센서를 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법으로서, An automatic calibration method of a multi-axis sensing device according to an embodiment of the present invention is an automatic calibration method of an multi-axis sensing device including an acceleration sensor or a geomagnetic sensor and a gyro sensor,
(a) 상기 다축 감지 장치가 임의의 방향으로 회전함에 따라서 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 측정값이 취득되는 단계;(a) acquiring a measured value of the acceleration sensor or the geodetic sensor as the multi-axis sensing device rotates in an arbitrary direction;
(b) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 내부 교정값이 산출되는 단계;(b) calculating an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor;
(c) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 내부 교정값을 이용하여 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 측정값이 교정되는 단계;(c) calibrating a measurement value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor using an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor;
(d) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 교정된 측정값을 이용하여 자이로 센서의 내부 교정값을 산출하는 단계를 포함한다. (d) calculating an internal calibration value of the gyro sensor using the measured value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor.
또한 상기 (b) 단계는 상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 타원체 맞춤을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. Also, the step (b) may include performing ellipsoid fitting using the measured values of the acceleration sensor.
또한 상기 (b) 단계는 상기 타원체 맞춤 시의 아웃 라이어를 제외하고 타원체 맞춤을 재차 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step (b) may further include performing the ellipsoid fitting again, excluding the outlier at the time of fitting the ellipsoid.
또한 상기 (d) 단계는 상기 다축 감지 장치의 회전에 따라서 상기 가속도 센서에서 측정되는 중력 벡터를 이용하여 상기 자이로 센서의 크기 조정 인자(scale factor)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. Also, the step (d) may include calculating a scale factor of the gyro sensor using the gravity vector measured by the acceleration sensor in accordance with the rotation of the multi-axis sensing device.
또한 상기 (d) 단계는 소정의 시간 동안의 교정된 가속도 센서의 측정값 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여, 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step (d) may further include the step of calculating a bias value of the gyro sensor using the measured value of the calibrated acceleration sensor for a predetermined time and the frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor .
또한 상기의 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 상기 가속도 센서의 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함할 수 있다. The automatic calibration method of the multi-axis sensing device may further include an external calibration step of calculating a conversion relationship between the coordinate system of the acceleration sensor or the coordinate system of the gyro sensor.
또한 상기 (b) 단계는 상기 지자계 센서의 측정값을 이용하여 타원체 맞춤을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. Also, the step (b) may include performing ellipsoid fitting using the measured values of the geomagnetic sensor.
또한 상기 (b) 단계는 상기 타원체 맞춤 시의 아웃 라이어를 제외하고 타원체 맞춤을 재차 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step (b) may further include performing the ellipsoid fitting again, excluding the outlier at the time of fitting the ellipsoid.
또한 상기 (d) 단계는 상기 다축 감지 장치의 회전에 따라서 상기 지자계 센서에서 측정되는 중력 벡터를 이용하여 상기 자이로 센서의 크기 조정 인자(scale factor)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. Also, the step (d) may include calculating a scale factor of the gyro sensor using the gravity vector measured by the geomagnetic sensor according to the rotation of the multi-axis sensing device.
또한 상기 (d) 단계는 소정의 시간 동안의 교정된 지자계 센서의 측정값 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여, 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step (d) may further include calculating a bias value of the gyro sensor using the measured value of the geomagnetic sensor and the frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor for a predetermined period of time .
또한 상기 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 상기 지자계 센서의 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함할 수 있다. The automatic calibration method of the multi-axis sensing device may further include an external calibration step of calculating a conversion relationship between the coordinate system of the geomagnetic sensor or the coordinate system of the gyro sensor.
또한 상기 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 상기 가속도 센서의 좌표계, 지자계 센서 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함할 수 있다. The automatic calibration method of the multi-axis sensing apparatus may further include an external calibration step of calculating a conversion relationship between the coordinate system of the acceleration sensor, the geodetic sensor coordinate system, or the coordinate system of the gyro sensor.
또한 상기 (b) 단계는 상기 다축 감지 장치를 일 방향 및 그의 정 반대 방향으로 회전시킴에 따라 측정된 지자기 벡터 값을 이용하여 상기 지자계 센서의 내부 교정값이 산출되는 단계일 수 있다. Also, the step (b) may be a step of calculating the internal calibration value of the geomagnetic sensor using the geomagnetism vector value measured by rotating the multi-axis sensing device in one direction and its opposite direction.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 자이로 센서를 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법으로서, 상기 다축 감지 장치에 상대적으로 위치 고정된 카메라를 이용하여 기준 물체를 추적하고, 상기 기준 물체에 대한 상기 카메라의 상대적 위치 정보를 산출하는 단계와, 상기 기준 물체에 대한 상기 카메라의 상대적 위치 정보 및 상기 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 자이로 센서의 내부 교정값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. An automatic calibration method for a multi-axis sensing apparatus according to another embodiment of the present invention is a method for automatically calibrating a multi-axis sensing apparatus including a gyro sensor, which tracks a reference object using a camera fixed in position relative to the multi- Calculating the internal calibration value of the gyro sensor using the relative positional information of the camera with respect to the reference object and the measurement value of the gyro sensor, calculating the relative position information of the camera with respect to the reference object, .
또한 상기 다축 감지 장치의 자동 교정 방법은 소정의 시간 동안의 상기 기준 물체에 대한 상기 카메라의 상대적 위치 정보 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. Also, the automatic calibration method of the multi-axis sensing apparatus may include a step of calculating a bias value of the gyro sensor by using the relative position information of the camera with respect to the reference object for a predetermined time and the frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor And a step of calculating
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기의 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 수록하며, 컴퓨터로 판독이 가능한 매체가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a program for performing the method of any one of the above, and a computer readable medium may be provided.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다축 감지 장치는, 몸체와, 상기 몸체에 상대 고정된 가속도 센서 또는 지자계 센서와, 상기 몸체에 상대 고정된 자이로 센서와, 상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 측정값을 이용하여 상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 내부 교정값을 산출하는 내부 교정부와, 상기 가속도 센서의 교정된 측정값 또는 상기 지자계 센서의 교정된 측정값과, 상기 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 자이로 센서의 내부 교정값을 산출하는 자이로 센서 교정부를 구비할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-axis sensing device including a body, an acceleration sensor or a geomagnetic sensor relatively fixed to the body, a gyro sensor relatively fixed to the body, An internal calibration unit for calculating an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor by using the measured value of the acceleration sensor or the calibration value of the geomagnetic sensor and the measured value of the gyro sensor And a gyro sensor calibration unit for calculating an internal calibration value of the gyro sensor using the gyro sensor.
또한 상기 다축 감지 장치는, 상기 가속도 센서의 좌표계 또는 상기 지자계 센서의 좌표계와, 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 값을 산출하는 외부 교정부를 더 포함할 수 있다. The multi-axis sensing device may further include an external calibration unit for calculating a coordinate value between the coordinate system of the acceleration sensor or the coordinate system of the geomagnetic sensor and the coordinate system of the gyro sensor.
또한 상기 내부 교정부는 상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 측정값을 이용하여 타원 맞춤을 수행하는 타원체 맞춤부를 구비할 수 있다. The internal calibration unit may include an ellipsoidal fitting unit for performing elliptical fitting using the measured values of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor.
또한 상기 다축 감지 장치는 상기 몸체에 상대 고정된 카메라를 더 구비할 수 있다.In addition, the multi-axis sensing device may further include a camera fixed relative to the body.
본 발명의 일 측면에 따른 다축 감지 장치의 교정 방법에 따르면, 별도의 교정 장치 없이도 다축 감지 장치에 포함된 복수의 센서를 통합적 및 자동적으로 교정할 수 있다.According to the calibration method of the multi-axis sensing device according to one aspect of the present invention, a plurality of sensors included in the multi-axis sensing device can be integrally and automatically calibrated without a separate calibration device.
도 1은 다축 감지 장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 다축 감지 장치의 각 센서들을 교정하기 위한 종래의 교정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 가속도 센서, 지자계 센서 및 자이로 센서의 센서 좌표계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 감지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4의 다축 감지 장치의 내부 교정부의 개략적인 구성도이다.
도 6은 다축 감지 장치의 센서 좌표계 간의 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 4의 관성 측정 유닛의 자동 교정 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 타원 맞춤을 수행하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 타원 맞춤을 수행한 결과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 카메라를 이용하여 촬영한 영상을 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 1 is a view schematically showing an example of a multi-axis sensing device.
2 is a schematic view of a conventional calibration device for calibrating each sensor of a multi-axis sensing device.
3A to 3C are views schematically showing a sensor coordinate system of an acceleration sensor, a ground magnetic sensor and a gyro sensor, respectively.
4 is a schematic block diagram of a multi-axis sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic configuration diagram of an internal calibration unit of the multi-axis sensing apparatus of FIG.
6 is a view schematically showing a relationship between sensor coordinate systems of a multi-axis sensing device.
Fig. 7 is a flowchart schematically illustrating a method of automatically calibrating the inertia measurement unit of Fig. 4; Fig.
Fig. 8 is a view schematically showing performing elliptical fitting.
9 is a view schematically showing a result of performing ellipse fitting.
10 is a view schematically showing an image photographed using a camera.
이하 본 발명의 일부 실시예에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
다축 감지 장치는 관성을 측정하는 가속도 센서 및 자이로 센서를 구비하며, 지자기를 감지하여 절대적 배향을 측정하는 지자계 센서를 추가적으로 구비하기도 한다. 다축 감지 장치의 마련되는 여러 종류의 센서는 각각의 기준 좌표계를 구비하며 자신의 기준 좌표계를 기준으로 그 상대적인 배향의 측정값을 출력한다. The multi-axis sensing device includes an acceleration sensor and a gyro sensor for measuring the inertia, and may further include a geomagnetic sensor for sensing the geomagnetism and measuring the absolute orientation. Various types of sensors provided in the multi-axis sensing device have respective reference coordinate systems and output measurement values of their relative orientations with reference to their reference coordinate system.
도 3a 내지 도 3c는 각각 가속도 센서(110), 지자계 센서(120) 및 자이로 센서(130)의 좌표계, 즉 센서 좌표계를 도시한 것이다. 도 3a 내지 도 3c에서 보듯이 각각의 센서는 서로 다른 물리량을 측정하며 좌표축이 서로 다른 방향으로 설정될 수 있다. 3A to 3C show the coordinate system of the
또한 이러한 센서들은 다축 감지 장치의 몸체, 주로는 인쇄회로기판에 장착되어 있는데, 각 센서의 센서 좌표계는 다축 감지 장치의 몸체의 좌표계와 일치되지 않고 소정의 변환 관계를 가지고 다르게 구성될 수 있다. In addition, these sensors are mounted on the body of the multi-axis sensing device, mainly a printed circuit board, and the sensor coordinate system of each sensor can be configured differently with a predetermined conversion relationship not coinciding with the coordinate system of the body of the multi-
한편 센서들에 대한 교정 작업은 크게 내부 교정(intrinsic calibration)과, 외부 교정(extrinsic calibration)으로 구분된다. On the other hand, calibration work for sensors is divided into intrinsic calibration and extrinsic calibration.
내부 교정이라 함은 각 센서의 자체적인 출력값을 교정하는 것으로서, 주로 측정값(raw data)을 교정해 주기 위한 파라미터를 산출하는 과정에 해당한다. Internal calibration refers to calibrating the output value of each sensor itself, and it mainly corresponds to the process of calculating parameters for calibrating the raw data.
어떠한 센서가 n개의 축을 가진다고 한다면 그 센서는 다음과 같이 수학적으로 모델링될 수 있다. If a sensor has n axes, the sensor can be mathematically modeled as follows.
여기서 는 교정 이전의 로우(raw) 데이터 측정값(measurment raw vector)이며, 은 교정 이후의 원하는 결과값(calibrated vector)이다. 또한 S는 n×n 스케일 팩터 행렬(n×n scale factor matrix)로서 측정값과 교정값 사이의 비율 관계를 정하는 값이며, 은 측정값과 교정값 사이의 편향의 정도를 나타내는 바이어스 벡터(bias vector)이다. here Is a raw data measure before calibration, Is the desired calibrated vector after calibration. Also, S is an n × n scale factor matrix (n × n scale factor matrix) which defines a ratio relationship between measured values and calibration values, Is a bias vector indicating the degree of deviation between the measured value and the calibration value.
외부 교정이라 함은 복수의 센서 좌표계 간의 관계를 산출하는 것으로서, 주로 센서 좌표계 간의 변환 행렬을 산출하는 과정이 이에 해당된다. 센서들의 좌표계는 서로 정확하게 일치되지 않으므로 이러한 외부 교정을 통하여 센서 좌표계 간의 정확한 변환 관계를 산출할 수 있다. 따라서 외부 교정을 통하여 각 센서들에 대한 신뢰성을 더욱 증진시킬 수 있다. External calibration refers to calculating the relationship between a plurality of sensor coordinate systems, and is mainly a process of calculating a transformation matrix between sensor coordinate systems. Since the coordinate systems of the sensors do not exactly coincide with each other, an accurate conversion relationship between the sensor coordinate systems can be calculated through such external calibration. Therefore, reliability of each sensor can be further improved through external calibration.
외부 교정은 로봇의 핸드-아이 교정(hand-eye) 교정에 사용되는 다음의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다. The external calibration can be calculated using the following equation (2) used for the hand-eye calibration of the robot.
여기서, A 및 B는 센서 측정값이며 특수 직교군(special orthogonal group, SO(3) 회전 행렬) 또는 특수 유클리디언 군(special Euclidean group, SE(3))일 수 있다.
Where A and B are sensor measurements and can be a special orthogonal group or a special Euclidean group SE.
상기의 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 감지 장치 및 이를 이용한 다축 감지 방법에 대해서 설명한다. Based on the above technical background, a multi-axis sensing apparatus according to an embodiment of the present invention and a multi-axis sensing method using the same will be described.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 감지 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 4 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a multi-axis sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면 본 실시예의 다축 감지 장치(2)는 몸체(미도시)와, 센서부(100), 내부 교정부(200), 자이로 센서 교정부(300), 외부 교정부(400)를 구비하며, 다축 감지 장치(2)에 상대적으로 위치가 고정된 카메라(500)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 내부 교정부(200), 자이로 센서 교정부(300) 및 외부 교정부(400)는 물리적으로 구분되어 있는 복수의 연산 장치, 즉 복수의 마이크로 프로세서일 수도 있으나, 하나의 마이크로프로세서 내에서 소정의 기능을 소행하는 소프트웨어의 형태로 구현될 수도 있다. 또한 내부 교정부(200), 자이로 센서 교정부(300) 또는 외부 교정부(400)에 해당하는 연산 장치는 다축 감지 장치(2)의 몸체에 내장된 형태로 구성될 수도 있고, 다축 감지 장치(2)의 몸체와는 별도로 분리된 형태로 마련된 것일 수도 있다. 그 연산 장치가 다축 감지 장치(2)와 몸체와 별도로 마련된 경우라도 연산 장치와 다축 감지 장치(2)는 유선 또는 무선 통신으로 연결된다.4, the
센서부(100)는 관성 측정 센서에 해당하는 가속도 센서(110) 및 자이로 센서(130)와, 지자기에 대한 배향을 측정하는 지자계 센서(120)를 포함하며, 각 센서들은 다축 감지 장치(2)의 몸체에 구비된 인쇄회로기판에 고정되어 서로에 대해서 상대적으로 위치 고정되며, 다축 감지 장치(2)의 몸체와 일체로서 회전 및 이동된다.The
내부 교정부(200)는 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120) 각각에 대한 내부 교정값, 즉 스케일 팩터와 바이어스 벡터를 산출하기 위한 것이다. 도 5는 본 실시예의 내부 교정부(200)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면 내부 교정부(200)는 타원체 맞춤부(210), 아웃 라이어(out-lier) 제거부 및 교정 인자 산출부(230)를 구비한다. The
타원체 맞춤부(210)는 센서의 측정값을 받아 이에 대해서 타원체 맞춤 알고리즘(ellipsoid fitting)을 수행하는 부분이다. 타원체 맞춤부(210)는 본 실시예의 다축 감지 장치(2)가 임의의 방향으로 회전함에 따라서 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)로부터 측정된 측정값을 가지고 타원체 맞춤 알고리즘을 수행한다. 타원체 맞춤 알고리즘을 수행하는 구체적인 방법은 본 출원의 발명자에 의한 대한민국 등록특허 제10-1209571호에 개시되어 있는 내용에 기재되어 있으므로 이를 원용하기로 한다. The ellipsoidal
아웃 라이어 제거부(220)는 타원체 맞춤에 있어서 타원체로부터 크게 이탈되는 아웃 라이어에 해당하는 측정값을 에러로 인식하고 이를 제거하는 역할을 하는 부분이다. 아웃 라이어는 타원체로부터 미리 정해진 범위 이상의 거리로 이탈되는 측정값인데 아웃 라이어 제거부(220)는 이러한 아웃 라이어를 포착하여 제외한다. 아웃 라이어 제거부(220)에 의해서 측정값에서 아웃 라이어가 제외되면, 타원체 맞춤부(210)는 아웃 라이어가 배제된 측정값에 대해서 재차 타원체 맞춤을 수행한다. The
교정 인자 산출부(230)는 타원체 맞춤부(210)의 결과를 이용하여 각 센서에 대한 내부 교정 인자, 즉 스케일 팩터 행렬과 바이어스 벡터를 산출하는 역할을 한다. 스케일 팩터 행렬을 산출하는 방법으로는 SDP(semi-definite programming) 알고리즘을 수행하여 타원 스케일 인자값과 바이어스 값을 산출하고, 타원 스케일 인자값에 SVD(singular value decomposition)을 수행하여 스케일 팩터 행렬을 산출하는 과정을 포함할 수 있다. 교정 인자를 산출하는 구체적인 방법은 앞서 언급한 대한민국 등록특허 제10-1209571호에 개시되어 있는 내용에 자세하게 기재되어 있으므로 이를 원용하기로 한다. The calibration
상술한 바와 같이 내부 교정부(200)는 다축 감지 장치(2)가 임의로 회전될 때의 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120)의 측정값을 입력받아 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120) 각각의 내부 교정 인자를 산출한다. 내부 교정부(200)에서 내부 교정 인자가 산출되면 이를 이용하여 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120)의 측정값(I)으로부터 교정된 측정값(O)을 얻을 수 있다. As described above, the
한편, 이상에서는 지자계 센서(120)의 내부 교정을 위하여 타원체 맞춤을 이용하는 것으로 설명하였으나, 지자계 센서(120)의 내부 교정은 다축 감지 장치(2)를 일 방향 및 그의 정반대 방향으로 회전시키면서 지자기 벡터를 측정하는 방법을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 설명하자면, 지자계 센서(120)는 일정한 크기 및 방향을 가지는 지자기 벡터를 측정하는 것인데, 다축 감지 장치(2), 즉 지자계 센서(120)의 배향이 180도로 회전한 정반대가 되면 지자계 센서(120)는 동일한 크기를 가지되 방향만이 반대가 된 지자기 벡터를 계측하게 된다. 따라서 지자계 센서(120)에서 측정된 지자기 벡터 값이 동일한 크기를 가지되 방향만이 반대가 되도록, 지자계 센서(120)의 스케일 팩터 행렬 및 바이어스 백터를 포함한 교정 인자가 산출될 수도 있는 것이다.In the above description, the ellipsoidal fitting is used for internal calibration of the
자이로 센서 교정부(300)는 자이로 센서(130)의 내부 교정을 수행하는 역할을 하는 부분이다. 자이로 센서(130)는 자동 교정이 어려우므로 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120) 중 적어도 어느 하나의 교정된 출력값을 이용하여 교정을 수행한다. 즉 자이로 센서 교정부(300)는 다축 감지 장치(2)를 임의로 회전하면서 얻은 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 교정된 측정값을 기준으로 하여, 자이로 센서(130)의 내부 교정 인자, 즉 스케일 팩터 행렬 및 바이어스 벡터를 산출한다. The gyro
자이로 센서 교정부(300)가 자이로 센서(130)의 교정 인자를 산출하기 위한 방법으로는 공간 상에 고정된 특정 방향, 예컨대 중력 방향 또는 자북 방향을 기준으로 하여 이들에 대한 다축 감지 장치(2)의 배향의 변화를 이용할 수도 있다. 예를 들어 자이로 센서 교정부(300)가 가속도 센서(110)의 교정된 출력값을 이용하여 자이로 센서(130)를 교정하는 경우에는, 다축 감지 장치(2)의 회전에 따라 가속도 센서(110)에서 측정되는 중력 벡터의 변화량을 이용하여, 자이로 센서(130)의 스케일 팩터 행렬을 산출할 수 있다. 또한 자이로 센서 교정부(300)가 지자계 센서(120)의 교정된 측정값을 이용하여 자이로 센서(130)를 교정하는 경우에는, 다축 감지 장치(2)의 회전에 따라 지자계 센서(120)에서 측정되는 지자기 벡터의 변화량을 이용하여 자이로 센서(130)의 스케일 팩터 행렬을 산출할 수도 있다. In order to calculate the calibration factor of the
한편 자이로 센서(130)의 바이어스 벡터는, 일정 시간 동안 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 교정된 측정값의 변화가 경미하고, 자이로 센서(130)의 측정값의 변화가 경미한 경우, 즉 다축 측정 장치의 움직임이 경미한 것으로 인식되는 경우에 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 교정된 측정값 및 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역에서의 해석을 통하여 산출될 수 있다. 일례로서 STFT(short time Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), FFT(fast Fourier transform) 또는 DTW(dynamic time warping) 등의 신호처리를 이용하여 일정시간 변화가 경미한 것으로 인식하여 자이로 센서(130)의 바이어스를 획득할 수 있다. On the other hand, the bias vector of the
또한 자이로 센서 교정부(300)는 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 교정값을 사용하는 대신에 카메라(500)에 의해서 촬영된 영상을 이용하여 자이로 센서(130)의 내부 교정 인자를 산출할 수도 있다. 즉 카메라(500)가 촬영된 영상에서 정지물을 포착 및 추적하고 다축 감지 장치(2)가 임의로 회전함에 따라서 그 정지물의 상대적인 배향을 측정한 다음, 이를 기준으로 자이로 센서 교정부(300)가 자이로 센서(130)의 내부 교정 인자, 특히 스케일 팩터 행렬을 산출할 수도 있다. 한편 자이로 센서(130)의 바이어스 벡터는 일정 시간동안 카메라(500)의 촬영 영상에서 취득한 특정한 물리량 벡터의 변화가 경미하고 자이로 센서(130)의 변화가 경미한 경우, 즉 다축 감지 장치(2)의 움직임이 경미한 경우에 주파수 영역의 해석을 통하여 자이로 센서(130)의 바이어스를 산출할 수 있다. The gyro
카메라(500)가 촬영된 영상에서 정지물을 포착 및 추적하기 위한 방법으로는 PTAM(parellel tracking and mapping) 알고리즘이 활용될 수 있다. PTAM 알고리즘은 G.Klein 과 D.Murray에 의한 논문 "Parallel tracking and Mapping for small AR workspaces"" (proc. sixth IEEE and ACM international symposium on Mixed and augmented Reality (ISMAR '07), pp225-234, 2007) 및 http://www.robots.ox.ac.uk/~gk/PTAM에 설명되어 있으므로 이를 원용하기로 한다. As a method for capturing and tracking a still object in the captured image of the
외부 교정부(400)는 가속도 센서(110), 지자계 센서(120) 및 자이로 센서(130)의 교정된 측정값을 이용하여 각 센서의 좌표계 사이의 변환 값을 산출하는 부분이다. 본 실시예의 다축 감지 장치(2)를 임의로 회전시킴에 따라서 가속도 센서(110), 지자계 센서(120) 및 자이로 센서(130)의 교정된 측정값을 얻을 수 있는데, 각각의 센서는 동일한 회전에 대하여 그에 수반되는 물리량을 측정하는 것이므로 이들 사이에는 상호 관련성을 가진다. 각 센서의 교정된 측정값을 이용하여 외부 교정값을 구하는 과정은 수학식 2의 X를 구하는 과정에 해당된다.The
도 6은 가속도 센서(110)와 지자계 센서(120) 사이의 관계를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 가속도 센서(110)와 지자계 센서(120) 좌표계는 동일한 배향으로 설정되어 있다는 보장이 없으므로, 외부 교정부(400)는 동일한 다축 감지 장치(2)의 회전에 따라서 각 센서에서 출력되는 교정 측정값을 이용하여 가속도 센서(110)와 지자계 센서(120) 사이의 상대적 배향, 즉 가속도 센서(110) 좌표계와 지자계 센서(120) 좌표계 사이의 회전 변환 행렬(T)을 산출한다. 외부 교정부(400)에 의해서 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120) 사이의 회전 변환 관계가 산출되면 이를 이용함으로써 다축 감지 장치(2)의 지자기 벡터에 대한 상대적인 가속을 산출할 수 있으므로, 다축 감지 장치(2)의 동서남북 방향의 가속 상황도 측정이 가능하다. 6 is a view schematically showing the relationship between the
외부 교정부(400)는 가속도 센서(110)와 지자계 센서(120) 사이의 변환 관계 외에 가속도 센서(110)와 자이로 센서(130) 사이의 변환 관계, 지자계 센서(120)와 자이로 센서(130) 사이의 변환 관계도 동일한 방법으로 산출할 수 있다. 이와 같이 외부 교정부(400)에 의해서 센서 좌표계 들 간의 변환 관계가 산출됨으로써 각 센서의 센서 좌표계에 대한 교정이 가능하다. 또한 외부 교정부(400)는 카메라(500)의 좌표계와, 가속도 센서(110), 지자계 센서(120) 및 자이로 센서(130)의 좌표계와의 변환 관계도 산출할 수 있다.
The
다음으로 본 실시예의 다축 감지 장치(2)를 이용한 자동 교정 방법의 일례를 정리하여 설명한다. Next, an example of an automatic calibration method using the
도 7은 본 실시예의 다축 감지 장치(2)를 이용한 복수의 센서에 대한 자동 교정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 7 is a flowchart schematically showing an automatic calibration method for a plurality of sensors using the
도 7을 참조하면 본 실시예의 다축 감지 장치(2)의 자동 교정 방법은, 다축 감지 장치(2)의 복수의 센서들을 통합적으로 교정하는 방법으로, 다축 감지 장치(2)를 임의의 방향으로 회전하는 단계(S20), 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 측정값을 취득하는 단계(S30,S32), 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)에 대한 내부 교정을 수행하는 단계, 자이로 센서(130)에 대한 내부 교정을 수행하는 단계 및 각 센서에 대한 외부 교정을 수행하는 단계(S90)를 포함한다. 7, the automatic calibration method of the
다축 감지 장치(2)를 임의의 방향으로 회전하는 단계(S20)는, 가속도 센서(110), 지자계 센서(120), 자이로 센서(130) 및 카메라(500)를 포함한 복수의 센서를 구비하는 다축 감지 장치(2)를 준비(S10)하고 이를 임의의 방향으로 회전시키는 단계이다. 다축 감지 장치(2)가 회전되면 그에 고정된 각종의 센서도 일체로서 함께 회전된다. 다축 감지 장치(2)의 임의의 회전은 사용자에 의해서 의도적으로 수행될 수도 있으나, 다축 감지 장치(2)를 구비한 장치의 사용 과정의 일환으로 자연스럽게 이루어질 수도 있다. The step S20 of rotating the
가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 측정값을 취득하는 단계(S30,S32)는, 다축 감지 장치(2)의 임의의 회전에 의한 가속도 또는 지자기 벡터에 대한 방향 변화를 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)로 측정하는 단계이다. 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120)의 측정값은 정확한 가속도 값 또는 지자계 값임을 보장할 수 없으므로 이에 대한 교정이 필요하다. The steps S30 and S32 of acquiring the measured values of the
가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120)를 내부 교정하는 단계는, 가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120) 각각의 스케일 팩터 행렬 및 바이어스 벡터를 포함하는 내부 교정값을 산출하는 단계이다. 본 단계는 앞서 설명한 내부 교정부(200)에 의해서 수행될 수 있다.The step of internally calibrating the
먼저 가속도계 센서를 내부 교정하는 단계에 대해서 설명한다. 가속도계 센서를 내부 교정하는 단계는 가속도 센서(110)의 측정값으로 타원체 맞춤을 수행하는 단계(S40)와, 타원체 맞춤 시의 아웃 라이어를 제거하는 단계(S50)와, 내부 교정 인자를 산출하는 단계(S60)를 포함한다. 이때 타원체 맞춤을 수행하는 단계(S40)와 아웃 라이어를 제거하는 단계(S50)는 반복적으로 수행될 수 있다. First, the step of internally calibrating the accelerometer sensor will be described. The step of internally calibrating the accelerometer sensor includes performing an ellipsoid fitting with the measured value of the
도 8은 센서 측정값에 대해서 타원체 맞춤을 수행한 것을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 가속도 측정값에 대해서 타원체 맞춤을 수행하면 측정값(EL)이 타원체 상에 위치됨을 알 수 있다. 이때 일부 측정값은 타원체로부터 멀리 위치되게 되는데 이는 측정 에러에 해당하는 아웃 라이어(OL)로 분류된다. 아웃 라이어(OL)의 선정은 타원체로부터 미리 정해진 거리 이상으로 떨어져 있는가를 기준으로 할 수 있다. FIG. 8 is a view schematically showing the ellipsoid alignment performed on sensor measured values. FIG. As shown in FIG. 8, when the ellipsoid fitting is performed on the acceleration measurement value, it can be seen that the measurement value EL is located on the ellipsoid. At this time, some measured values are located far from the ellipsoid, which is classified as an outlier (OL) corresponding to the measurement error. The selection of the outlier (OL) can be based on whether the ellipsoid is separated by a predetermined distance or more.
아웃 라이어(OL)에 해당하는 측정값은 제외되고, 나머지 측정값만을 이용하여 타원체 맞춤이 재차 수행(S40)될 수 있다. 에러에 해당하는 아웃 라이어가 제외된 상태로 다시 타원체 맞춤을 수행하면 타원체 맞춤의 정확성이 더욱 높아질 수 있다. The measurement values corresponding to the outliers OL are excluded and the ellipsoid alignment can be performed again using only the remaining measurement values (S40). If the ellipsoid fitting is performed again with the outlier corresponding to the error removed, the accuracy of the ellipsoid fitting can be further increased.
내부 교정 인자를 산출하는 단계(S60)에서는 상술한 방법으로 타원체 맞춤을 수행하여 얻은 결과에 대하여 SDP 알고리즘 및 SVD 알고리즘을 수행함으로써 스케일 팩터 행렬과 바이어스 벡터가 산출된다. 스케일 팩터와 바이어스 벡터를 산출하는 방법은 앞서 언급한 대한민국 등록특허 제10-1209571에 기재되어 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 이를 원용하는 것으로 갈음한다. In step S60 of calculating the internal correction factor, the scale factor matrix and the bias vector are calculated by performing the SDP algorithm and the SVD algorithm on the result obtained by performing the ellipsoid fitting by the above-described method. The method of calculating the scale factor and the bias vector is described in the above-mentioned Korean Patent No. 10-1209571, and a detailed description thereof is omitted here.
도 9는 산출된 내부 교정 인자를 이용하여 교정된 측정값을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이 교정된 측정값(SL)은 원점을 기준하는 구의 표면 상에 위치한다. 즉 교정된 측정값은 바이어스를 가지지 않으며, 센서의 방향에 따라서 민감도도 일정함을 알 수 있다. Fig. 9 is a view schematically showing a calibrated measurement value using the calculated internal correction factor. As shown in Fig. 9, the calibrated measured value SL is located on the surface of the sphere relative to the origin. That is, the calibrated measurement value has no bias and the sensitivity is also constant depending on the direction of the sensor.
가속도에 대한 내부 교정 인자가 산출되면 이를 이용하여 이후 측정되는 측정값을 효과적으로 교정(S70)할 수 있다. 따라서 다축 감지 장치(2)는 신뢰성 있는 가속도 값을 출력할 수 있게 된다. When the internal calibration factor for the acceleration is calculated, it is possible to effectively calibrate the measured value to be measured subsequently (S70). Therefore, the
지자계 센서(120) 역시 가속도 센서(110)와 동일한 방법으로 내부 교정이 가능하다. 즉 지자계 센서(120)의 측정값에 따라 타원체 맞춤을 수행하고, 아웃 라이어를 제거하고 다시 타원체 맞춤을 수행하고, 그 결과를 토대로 내부 교정 인자를 산출하는 방법으로 지자계 센서(120)에 대한 내부 교정이 가능하다. 따라서 지자계 센서(120)는 이후의 측정값에 대하여 내부 교정을 수행(S72)함으로써, 이를 구비한 다축 감지 장치(2)는 사용자에게 신뢰성 있는 지자기 방향 정보를 제공할 수 있게 된다. The
한편, 지자계 센서(120)의 내부 교정 인자를 산출하는 방법으로는 타원체 맞춤을 이용한 교정 방법 외에도, 다축 감지 장치(2)의 대칭 회전(S22)하고, 그의 측정값을 취득(S36)하여, 내부 교정 인자를 산출(S66)하는 방법이 이용될 수도 있다. 즉 지자계 센서(120)를 일 방향 및 그 반대 방향으로 회전시키면서 지자기 벡터를 측정하면 지자기 벡터가 동일한 크기로 방향만 반대로 측정되어야 한다는 사실을 이용하여, 지자계 센서(120)의 스케일 팩터 행렬과 바이어스 벡터를 산출할 수 있다. As a method of calculating the internal calibration factor of the
가속도 센서(110) 및 지자계 센서(120)에 대한 내부 교정이 완료되면, 자이로 센서(130)에 대한 내부 교정을 수행하는 단계가 수행된다. When the internal calibration for the
자이로 센서(130)의 내부 교정을 수행하는 단계는, 공간 상에 정지한 기준 방향을 검출하는 단계와, 이를 이용하여 자이로 센서(130)의 내부 교정 인자를 산출하는 단계(S80)를 포함한다. The step of performing internal calibration of the
공간 상에 정지한 기준 방향을 검출하는 단계는, 교정된 가속도 센서(110)를 이용하여 중력 벡터를 검출하는 단계(S75) 혹은 교정된 지자계 센서(120)를 이용하여 지자계를 검출하는 단계(S82) 중 어느 하나일 수 있다. The step of detecting a stationary reference direction on the space may include the step of detecting a gravity vector using the calibrated
내부 교정 인자를 산출하는 단계(S80)는 자이로 센서(130)의 스케일 팩터를 산출하는 단계(S802)와, 자이로 센서(130)의 바이어스를 산출하는 단계(S804)를 포함한다. 기준 방향으로 중력 벡터를 이용하는 경우에 자이로 센서(130)의 스케일 팩터 산출하는 단계(S802)는 다축 감지 장치(2)를 임의의 방향으로 천천히 회전하면서 교정된 가속도 센서(110)로 중력 벡터를 감지하고 이에 대한 다축 감지 장치(2)의 상대적인 회전을 산출한 다음, 자이로 센서(130)의 측정값과 비교하여 자이로 센서(130)의 스케일 팩터 행렬을 산출하는 과정을 포함할 수 있다. The step of calculating the internal correction factor S80 includes a step S802 of calculating the scale factor of the
또한 자이로 센서(130)의 바이어스를 산출하는 단계(S804)는, 일정 시간 동안 다축 감지 장치(2)의 이동이 경미한 경우에 STFT(short time Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), FFT(fast Fourier transform) 혹은 DTW(dynamic time warping) 등의 신호 처리 방법을 이용하여 자이로 센서 측정 값 및 가속도 센서(110) 또는 지자계 센서(120)의 측정값이 경미한 것으로 인식하여 자이로 센서(130)의 바이어스를 획득하는 방법을 포함할 수 있다. The step of calculating the bias of the gyro sensor 130 (S804) may include a short time Fourier transform (STFT), a wavelet transform, a fast Fourier transform (FFT) The
한편, 기준 방향으로서 지자기 벡터를 이용하는 경우에는, 다축 감지 장치(2)를 임의의 방향으로 회전하면서 교정된 지자계 센서(120)로 지자기 벡터를 감지(S82)하고 이를 이용하여 자이로 센서(130)의 스케일 팩터를 산출하는 방법이 이용될 수 있다. 이 경우에도 바이어스 값을 산출하기 위해서는 일정 시간 동안 가속도 센서(110) 혹은 지자계 센서(120)의 측정값 또는 교정된 측정값의 변화가 경미한 경우에 주파수 영역의 해석을 통하여 자이로 센서(130)의 바이어스 벡터를 산출할 수 있다. When the geomagnetism vector is used as the reference direction, the
이상에서는 지자계 센서(120)의 내부 교정을 위하여 타원체 맞춤을 이용하는 것으로 설명하였으나, 지자계 센서(120)의 내부 교정 인자를 산출하는 과정(S66)은 다축 감지 장치(2)를 일 방향 및 정 반대 방향으로 대칭 회전시키면서(S22), 지자기 벡터를 측정(S36)하는 방법으로써 수행될 수도 있음은 앞서 설명한 바와 같다. 이러한 방법으로 지자계 센서(120)의 내부 교정이 이루어지면 이의 교정된 측정값을 이용하여 동일한 방법으로 자이로 센서(130)의 내부 교정값을 산출할 수 있다. In the above description, the ellipsoidal fitting is used for internal calibration of the
한편, 자이로 센서(130)를 내부 교정하기 위한 방법으로는 카메라(500)가 이용될 수도 있다. 카메라(500)로서 정지한 기준 물체를 포착 및 추적(S84)하고 기준 물체에 대한 다축 감지의 배향을 산출(S74)함으로써 자이로 센서(130)의 스케일 팩터를 산출(S82)할 수 있다. 도 10은 PTAM 소프트웨어를 사용하여 카메라로 정지한 물체를 추적하는 것을 간략화한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이 카메라(500)로 촬영한 영상에 정지한 물체(OB)의 윤곽선을 이용하여 초기 특징 맵(initial feature map)(DL)을 추출하고 이로부터 카메라의 상대적인 위치를 산출할 수 있다. 카메라의 위치 변동과 자이로 센서(130)의 측정 값의 변동 사이의 관계를 이용하여 자이로 센서(130)의 스케일 팩터가 산출된다. 자이로 센서(130)의 바이어스 값은 일정 시간동안 다축 감지 장치(2)의 이동이 경미한 경우에 기준 물체에 대한 카메라(500)의 회전각 및 자이로 센서(130)의 측정값에 대한 주파수 영역의 해석을 통해서 산출될 수 있다. Meanwhile, as a method for internally calibrating the
상기의 방법으로 각 센서에 대한 스케일 팩터 및 바이어스 값을 포함하는 내부 교정값이 산출되면, 각 센서 좌표계에 대한 변환 관계, 즉 외부 교정 인자를 산출하는 단계(S90)가 수행된다. 외부 교정 인자는 각 센서에 측정된 측정값을 수학식 2에 대입하고 해, 즉 X를 구함으로써 산출될 수 있다. When the internal calibration value including the scale factor and the bias value for each sensor is calculated by the above method, the conversion relation for each sensor coordinate system, that is, the external calibration factor is calculated (S90). The external calibration factor can be calculated by substituting the measurement value measured at each sensor into equation (2), that is, by obtaining X.
이상과 같이 본 실시예에 따른 다축 감지 장치(2)의 교정 방법에 의하면, 다축 감지 장치(2)의 교정을 위해서 별도의 교정 장치가 없어도 다축 감지 장치(2)의 복수의 센서를 한꺼번에 내부 교정 및 외부 교정을 수행할 수 있다. As described above, according to the calibration method of the
또한 상기의 교정 방법은 다축 감지 장치(2)의 작동 이전(off-line)에 수행될 수도 있겠으나, 다축 감지 장치(2)의 작동 중(on-line)에서도 수행이 가능하다. 따라서 본 실시예의 다축 감지 장치(2)는 실행 중에 스스로 복수의 센서를 교정할 수 있다. In addition, the above calibration method may be performed off-line before the
또한 본 실시예의 다축 감지 장치(2) 및 이의 교정 방법은 아웃 라이어를 제거함으로써 잡음과 외란에 강건하며, 교정의 정확도가 높다. 따라서 이러한 다축 감지 장치(2)를 이용하면 가속, 회전, 방위 등의 각종의 물리량을 높은 정확도로 측정할 수 있다. In addition, the
상기에서 서술한 단계 중에 각종의 연산 과정을 포함하는 단계들은 마이크로 프로세서를 포함하는 연산 장치에 의해서 수행될 수 있다. 또한 각 단계의 연산을 수행하기 위해서 연산 장치에는 이를 수행하기 위한 프로그램이 탑재될 수 있다. The steps including the various arithmetic operations in the above-described steps may be performed by the arithmetic unit including the microprocessor. In addition, a program for performing this operation may be loaded in the arithmetic unit in order to perform the arithmetic operation of each step.
이상 본 발명의 일부 실시예에 대해 설명하였으나 이는 어디까지나 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 그 기술적 사상의 범주 내에서 얼마든지 다른 형태로 구체화될 수 있다. While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities.
예를 들어 상기의 실시예에서는 다축 감지 장치(2)가 카메라(500)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 카메라(500)를 반드시 다축 감지 장치(2)에 포함될 필요는 없다. For example, in the above embodiment, the
또한 상기의 실시예의 다축 감지 장치(2)는 지자계 센서(120) 및 가속도 센서(110)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 이들 중 어느 하나는 없을 수 있다. Also, the
또한 상기의 실시예에서는 타원체 맞춤을 수행한 다음 아웃 라이어를 제거하고 재차 타원체 맞춤을 수행하는 과정을 반복하는 것으로 설명하였으나, 타원체 맞춤은 한번만 수행되고 아웃 라이어의 제거는 수행되지 않을 수도 있다. Also, in the above embodiment, it is explained that the process of performing the ellipsoid fitting and then removing the outlier and performing the ellipsoid fitting is repeated, but the ellipsoid fitting may be performed only once, and the outlier removal may not be performed.
또한 상기에서는 자이로 센서(130)의 내부 교정값을 산출하기 위해서 가속도 센서(110)의 교정 측정값, 지자계 센서(120)의 교정 측정값 또는 카메라(500)에서 취득한 물리량 벡터 중 어느 하나를 이용하는 것으로 설명하였으나 이들을 종합적으로 사용함으로써 자이로 센서(130)의 교정값에 대한 신뢰성을 더욱 높일 수도 있다. In the above description, in order to calculate the internal calibration value of the
이외에도 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있음은 물론이다.It is needless to say that the present invention can be embodied in various forms.
1,2 ... 다축 감지 장치
110 ... 가속도 센서
120 ... 지자계 센서
130 ... 자이로 센서
200 ... 내부 교정부
300 ... 자이로 센서 교정부
400 ... 외부 교정부
500 ... 카메라1,2 ... multi-axis sensing device
110 ... acceleration sensor
120 ... Earth sensor
130 ... Gyro sensor
200 ... internal gating
300 ... gyro sensor calibration unit
400 ... external control unit
500 ... camera
Claims (20)
(a) 상기 다축 감지 장치가 임의의 방향으로 회전함에 따라서 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 측정값이 취득되는 단계;
(b) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 내부 교정값이 산출되는 단계;
(c) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 내부 교정값을 이용하여 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 측정값이 교정되는 단계;
(d) 상기 가속도 센서 또는 상기 지자계 센서의 교정된 측정값을 이용하여 자이로 센서의 내부 교정값을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 (b) 단계는,
상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 타원체 맞춤을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 (d) 단계는,
상기 다축 감지 장치의 회전에 따라서 상기 가속도 센서에서 측정되는 중력 벡터를 이용하여 상기 자이로 센서의 크기 조정 인자(scale factor)를 산출하는 단계; 및
소정의 시간 동안의 교정된 가속도 센서의 측정값 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여, 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하는 단계;를 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.An automatic calibration method for a multi-axis sensing device including an acceleration sensor or a geomagnetic sensor and a gyro sensor,
(a) acquiring a measured value of the acceleration sensor or the geodetic sensor as the multi-axis sensing device rotates in an arbitrary direction;
(b) calculating an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor;
(c) calibrating a measurement value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor using an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor;
(d) calculating an internal calibration value of the gyro sensor using the measured value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor,
The step (b)
Performing ellipsoid fitting using the measured values of the acceleration sensor,
The step (d)
Calculating a scale factor of the gyro sensor using a gravity vector measured by the acceleration sensor in accordance with rotation of the multi-axis sensing device; And
Calculating a bias value of the gyro sensor using a measured value of the calibrated acceleration sensor for a predetermined time and a frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor, Calibration method.
상기 (b) 단계는,
상기 타원체 맞춤 시의 아웃 라이어를 제외하고 타원체 맞춤을 재차 수행하는 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.The method according to claim 1,
The step (b)
And performing the ellipsoid fitting again except for the outlier at the time of fitting the ellipsoid.
상기 가속도 센서의 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.The method according to claim 1,
And an external calibration step of calculating a conversion relationship between the coordinate system of the acceleration sensor or the coordinate system of the gyro sensor.
상기 (b) 단계는,
상기 지자계 센서의 측정값을 이용하여 타원체 맞춤을 수행하는 단계를 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.The method according to claim 1,
The step (b)
And performing ellipsoid fitting using the measured values of the geomagnetic sensor.
상기 (b) 단계는,
상기 타원체 맞춤 시의 아웃 라이어를 제외하고 타원체 맞춤을 재차 수행하는 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.8. The method of claim 7,
The step (b)
And performing the ellipsoid fitting again except for the outlier at the time of fitting the ellipsoid.
상기 (d) 단계는,
상기 다축 감지 장치의 회전에 따라서 상기 지자계 센서에서 측정되는 중력 벡터를 이용하여 상기 자이로 센서의 크기 조정 인자(scale factor)를 산출하는 단계를 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.8. The method of claim 7,
The step (d)
And calculating a scale factor of the gyro sensor by using a gravity vector measured by the geomagnetic sensor according to the rotation of the multi-axis sensing device.
상기 (d) 단계는,
소정의 시간 동안의 교정된 지자계 센서의 측정값 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여, 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하는 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.10. The method of claim 9,
The step (d)
Further comprising calculating a bias value of the gyro sensor using a measured value of the geomagnetic sensor and a frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor for a predetermined period of time Automatic calibration method.
상기 지자계 센서의 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.8. The method of claim 7,
And an external calibration step of calculating a conversion relationship between the coordinate system of the geomagnetic sensor or the coordinate system of the gyro sensor.
상기 가속도 센서의 좌표계, 지자계 센서 좌표계 또는 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 관계를 산출하는 외부 교정 단계를 더 포함하는 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.The method according to claim 1,
Further comprising an external calibration step of calculating a conversion relation between the coordinate system of the acceleration sensor, the geodetic sensor coordinate system or the coordinate system of the gyro sensor.
상기 (b) 단계는,
상기 다축 감지 장치를 일 방향 및 그의 정 반대 방향으로 회전시킴에 따라 측정된 지자기 벡터 값을 이용하여 상기 지자계 센서의 내부 교정값이 산출되는 단계인 다축 감지 장치의 자동 교정 방법.The method according to claim 1,
The step (b)
Wherein the internal calibration value of the geomagnetic sensor is calculated using the geomagnetism vector value measured by rotating the multi-axis sensing device in one direction and its counterclockwise direction.
상기 몸체에 상대 고정된 가속도 센서 또는 지자계 센서와,
상기 몸체에 상대 고정된 자이로 센서와,
상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 측정값을 이용하여 상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 내부 교정값을 산출하는 내부 교정부와,
상기 가속도 센서의 교정된 측정값 또는 상기 지자계 센서의 교정된 측정값과, 상기 자이로 센서의 측정값을 이용하여 상기 자이로 센서의 내부 교정값을 산출하는 자이로 센서 교정부와,
상기 가속도 센서의 좌표계 또는 상기 지자계 센서의 좌표계와, 상기 자이로 센서의 좌표계 사이의 변환 값을 산출하는 외부 교정부를 구비하고,
상기 내부 교정부는,
상기 가속도 센서 또는 지자계 센서의 측정값을 이용하여 타원 맞춤을 수행하는 타원체 맞춤부를 구비하며,
상기 자이로 센서 교정부는, 상기 몸체의 회전에 따라서 상기 가속도 센서에서 측정되는 중력 벡터를 이용하여 상기 자이로 센서의 크기 조정 인자(scale factor)를 산출하고, 소정의 시간 동안의 교정된 가속도 센서의 측정값 및 상기 자이로 센서의 측정값에 대한 주파수 영역 해석을 이용하여, 상기 자이로 센서의 편향(bias) 값을 산출하도록 구비된 다축 감지 장치.The body,
An acceleration sensor or a geomagnetic sensor relatively fixed to the body,
A gyro sensor relatively fixed to the body,
An internal calibration unit for calculating an internal calibration value of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor using the measurement values of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor,
A gyro sensor calibration unit for calculating an internal calibration value of the gyro sensor by using a calibrated measurement value of the acceleration sensor or a calibrated measurement value of the geomagnetic sensor and a measurement value of the gyro sensor,
And an external calibration section for calculating a conversion value between the coordinate system of the acceleration sensor or the coordinate system of the geomagnetic sensor and the coordinate system of the gyro sensor,
The internal calibrator,
And an ellipsoidal fitting unit for performing elliptical fitting using the measured values of the acceleration sensor or the geomagnetic sensor,
The gyro sensor calibration unit may calculate a scale factor of the gyro sensor using a gravity vector measured by the acceleration sensor in accordance with the rotation of the body and measure a measured value of the calibrated acceleration sensor for a predetermined period of time And a frequency domain analysis of the measured value of the gyro sensor to calculate a bias value of the gyro sensor.
상기 몸체에 상대 고정된 카메라를 더 구비하는 다축 감지 장치.18. The method of claim 17,
And a camera fixed relative to the body.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130099881A KR101503046B1 (en) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | inertial measurement unit and method for calibrating the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130099881A KR101503046B1 (en) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | inertial measurement unit and method for calibrating the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20150022265A KR20150022265A (en) | 2015-03-04 |
KR101503046B1 true KR101503046B1 (en) | 2015-03-24 |
Family
ID=53020300
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020130099881A KR101503046B1 (en) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | inertial measurement unit and method for calibrating the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101503046B1 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105352487B (en) * | 2015-10-13 | 2018-06-15 | 上海华测导航技术股份有限公司 | A kind of accuracy calibrating method of attitude measurement system |
KR20170053068A (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-15 | 삼성전자주식회사 | Apparatus and method calibrating electronic device |
KR102143462B1 (en) * | 2018-12-28 | 2020-08-11 | 한국생산기술연구원 | Ahrs sensor and apparatus and method for compensating bias and scale error thereof |
KR102526278B1 (en) * | 2020-10-19 | 2023-04-28 | 한국과학기술연구원 | Method for self-calibrating one or more of filed sensors which have more than one sensing axis and system performing the same |
KR102521697B1 (en) * | 2020-10-19 | 2023-04-17 | 한국과학기술연구원 | Method for self-calibrating multiple filed sensors which have more than one sensing axis and system performing the same |
KR102542658B1 (en) * | 2022-08-10 | 2023-06-15 | 럭스나인 주식회사 | Apparatus of measuring a vital sign |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20080090215A (en) * | 2007-04-04 | 2008-10-08 | 삼성전자주식회사 | Apparatus and method for calibrating gyro-sensor of mobile robot |
US20110066395A1 (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-17 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for gyroscope calibration |
KR20120041046A (en) * | 2010-10-20 | 2012-04-30 | 한국과학기술연구원 | Autocalibration method and device |
KR20120098321A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-05 | 국방과학연구소 | Apparatus for correction of imu and method thereof |
-
2013
- 2013-08-22 KR KR1020130099881A patent/KR101503046B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20080090215A (en) * | 2007-04-04 | 2008-10-08 | 삼성전자주식회사 | Apparatus and method for calibrating gyro-sensor of mobile robot |
US20110066395A1 (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-17 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for gyroscope calibration |
KR20120041046A (en) * | 2010-10-20 | 2012-04-30 | 한국과학기술연구원 | Autocalibration method and device |
KR20120098321A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-05 | 국방과학연구소 | Apparatus for correction of imu and method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20150022265A (en) | 2015-03-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101503046B1 (en) | inertial measurement unit and method for calibrating the same | |
US11125581B2 (en) | Method and system for calibrating components of an inertial measurement unit (IMU) using scene-captured data | |
Zhou et al. | Use it free: Instantly knowing your phone attitude | |
KR102351946B1 (en) | Extended kalman filter based autonomous magnetometer calibration | |
JP5927776B2 (en) | Portable device | |
US8698503B2 (en) | Geomagnetic application device | |
KR101808095B1 (en) | Method and apparatus for measuring location of user terminal | |
KR101485142B1 (en) | Method and system for a self-calibrated multi-magnetometer platform | |
CN108871311B (en) | Pose determination method and device | |
CN106197410A (en) | For the method and apparatus accurately capturing inertial sensor data | |
CN105910593B (en) | A kind of method and device of the geomagnetic sensor of calibrating terminal | |
JP2016048172A (en) | Image processor, image processing method, and program | |
US20120078562A1 (en) | Geomagnetic sensing device | |
CN110319851B (en) | Sensor correction method, device, equipment and storage medium | |
KR20070043009A (en) | Method and apparatus for calibrating the rotational relationship between two motion sensors of a sensor system | |
JP2012242267A5 (en) | ||
CN106574838B (en) | Pedestrian navigation device and method | |
CN116086493A (en) | Nine-axis IMU calibration method, system, electronic equipment and storage medium | |
Wongwirat et al. | A position tracking experiment of mobile robot with inertial measurement unit (imu) | |
JP5475873B2 (en) | Geomagnetic detector | |
JP6485195B2 (en) | Inclination measuring method and apparatus, electronic apparatus and program | |
KR101352245B1 (en) | Apparatus and method for calibrating azimuth mems magnetic sensor | |
Árvai et al. | Filtering methods for indoor magnetic compass | |
US20210131808A1 (en) | Method for reconstructing the movement of an individual and the signal map of a location | |
Ogata et al. | A robust position and posture measurement system using visual markers and an inertia measurement unit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180302 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190226 Year of fee payment: 5 |