KR101756941B1 - 방위각 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방위각 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이 장치는 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 인덱스와 함께 기억하며, 지자기 센서로부터 측정된 지자기 값을 캘리브레이션을 통하여 도출된 변환식에 대입하여 제1 방위각을 산출하고, 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산하며, 기준 인덱스와 일정 거리 내에 있는 인덱스에 대응하는 복수의 비교 지자기 데이터와 지자기 값의 비교를 통하여 최종 인덱스를 결정함으로써 최종 방위각을 계산한다.

Description

방위각 측정 장치 및 방법 {Apparatus and method for measuring azimuth angle}

본 발명은 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 방위각 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

지자기계(magnetometer)는 일정한 위치에서 지구의 자기장을 측정하는 센서이다. 일반적인 캘리브레이션을 통한 방위각 측정 방법은 다음과 같다. 먼저 한 지점에서 지자기 센서를 360도 회전시키면서 일정한 각도마다 지자기를 측정하여 지자기 데이터를 수집한다. 수집된 지자기 데이터를 그래프로 표현하면 타원 형태를 띄게 되는데, hard-iron과 soft-iron이라는 계산을 거쳐 타원을 단위 원으로 변환할 수 있는 변환식을 도출하여 캘리브레이션을 마친다. 그런 다음 지자기 센서를 이용하여 지자기를 측정하고 측정된 지자기 데이터를 변환식에 대입함으로써 방위각을 계산한다.

그런데 이와 같은 방법으로 방위각을 측정하면, 한번 hard-iron 및 soft-iron 변환식이 도출되면 캘리브레이션을 위해 수집된 지자기 데이터는 더 이상 사용되지 않고 삭제되며, 변환식을 이용하여 방위각을 계산하므로 정밀도가 떨어질 수 밖에 없다. 특히 타원 접선의 기울기가 일반 원에 비해 타원의 장축 또는 단축 부근에서 급격히 변하거나 서서히 변하는 것과 같이, 지자기 데이터 타원의 장축과 단축 부근에서 각도의 변환이 커지거나 작아지므로 정밀한 방위각 측정이 어렵다.

등록특허공보 10-0735494

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 이용하여 보다 정밀한 방위각을 측정할 수 있는 방위각 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 방위각 측정 장치는, 지자기를 측정하는 지자기 센서, 상기 지자기 센서로부터 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 인덱스와 함께 기억하는 기억부, 그리고 상기 지자기 센서로부터 측정된 지자기 값을 상기 캘리브레이션을 통하여 도출된 변환식에 대입하여 제1 방위각을 산출하고, 상기 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산하며, 상기 기준 인덱스와 일정 거리 내에 있는 인덱스에 대응하는 복수의 비교 지자기 데이터와 상기 지자기 값의 비교를 통하여 최종 인덱스를 결정함으로써 제2 방위각을 계산하는 신호 처리부를 포함한다.

상기 지자기 데이터는 적어도 제1 및 제2 축 데이터를 포함하고, 상기 신호 처리부는 상기 비교 지자기 데이터의 제1 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제1 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제1 축 인덱스를 찾아내고 상기 비교 지자기 데이터의 제2 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제2 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제2 축 인덱스를 찾아내어 상기 제1 축 인덱스와 상기 제2 축 인덱스의 중간 값 또는 편차가 가장 작은 인덱스를 최종 인덱스로 결정할 수 있다.

상기 지자기 데이터는 상기 지자기 센서를 360도 회전시키면서 미리 정해진 각도마다 지자기를 측정하여 수집되며, 상기 신호 처리부는 상기 지자기 데이터를 이용하여 hard-iron 및 soft-iron 변환을 수행함으로써 상기 변환식을 도출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 방법은, 지자기 값을 측정하는 단계, 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 인덱스와 함께 기억하는 단계, 상기 측정된 지자기 값을 상기 캘리브레이션을 통하여 도출된 변환식에 대입하여 제1 방위각을 산출하는 단계, 상기 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산하는 단계, 그리고 상기 기준 인덱스와 일정 거리 내에 있는 인덱스에 대응하는 복수의 비교 지자기 데이터와 상기 지자기 값의 비교를 통하여 최종 인덱스를 결정함으로써 제2 방위각을 계산하는 단계를 포함한다.

상기 지자기 데이터는 적어도 제1 및 제2 축 데이터를 포함하고, 상기 제2 방위각 계산 단계는, 상기 비교 지자기 데이터의 제1 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제1 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제1 축 인덱스를 찾아내고 상기 비교 지자기 데이터의 제2 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제2 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제2 축 인덱스를 찾아내어 상기 제1 축 인덱스와 상기 제2 축 인덱스의 중간 값 또는 편차가 가장 작은 인덱스를 최종 인덱스로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 지자기 센서를 360도 회전시키면서 미리 정해진 각도마다 지자기를 측정하여 상기 지자기 데이터를 수집하는 단계, 그리고 상기 지자기 데이터를 이용하여 hard-iron 및 soft-iron 변환을 수행함으로써 상기 변환식을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 방위각 측정 장치 및 방법에 의하면, hard-iron 및 soft-iron 변환식을 이용하여 1차 방위각을 계산하고, 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터와 1차 방위각을 이용하여 2차 방위각을 계산함으로써 보다 정밀한 방위각을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 지자기 센서가 측정한 지자기 데이터를 도시한 그래프다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정을 위한 hard-iron 변환을 도시한 그래프다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정을 위한 soft-iron 변환을 도시한 그래프다.
도 5는 도 1에 도시한 기억부에 저장되어 있는 지자기 데이터를 테이블 형태로 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 방위각을 결정하는 방법을 도시한 예시도이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정 장치의 블록도이다.

도 1을 참고하면 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정 장치(100)는 신호 처리부(110), 지자기 센서(120), 그리고 기억부(130)를 포함한다.

지자기 센서(120)는 지자기를 측정하며 2축 또는 3축 MEMS(Micro Electro Mechanical System)로 이루어질 수 있다.

기억부(130)는 방위각 측정 장치(100)에 의해 사용되는 실행 코드와 방위각 측정 및 캘리브레이션을 위한 지자기 데이터를 저장한다. 기억부(130)는 신호 처리부(110)로부터의 요청에 따라 지자기 데이터를 기억하고, 명령어 또는 지자기 데이터를 신호 처리부(110)에 제공한다. 기억부(130)는 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 하드 디스크 드라이브, 메모리 카드 등을 포함할 수 있다.

신호 처리부(110)는 명령어를 실행하고 데이터를 생성하거나 사용하는 동작을 한다. 신호 처리부(110)는 방위각 측정 장치(100)의 컴포넌트들 간의 입력 및 출력 데이터를 처리할 수 있으며, 예를 들면, 지자기 센서(120)의 캘리브레이션, 방위각 계산, 지자기 데이터 처리 등의 작업을 수행할 수 있다. 신호 처리부(110)는 단일 칩, 다수의 칩 또는 다수의 전기 부품 상에 구현될 수 있으며, 예를 들어, 전용 또는 임베디드 프로세서, 단일 목적 프로세서, 컨트롤러, 또는 주문형 반도체(ASIC) 등으로 이루어질 수 있다.

그러면 도 2 내지 도 4를 참고하여 방위각 측정 장치(100)의 캘리브레이션 동작에 대하여 설명한다. 도 2는 도 1에 도시한 지자기 센서가 측정한 지자기 데이터를 도시한 그래프이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정을 위한 hard-iron 및 soft-iron 변환을 각각 도시한 그래프다.

먼저 지자기 센서(120)를 회전 장치(도시하지 않음)에 의하여 360도 회전을 시키면서 미리 정해진 각도마다 지자기를 측정하여 지자기 데이터를 수집한다. 이때 지자기 센서(120)가 2축인 경우 지자기 데이터는, 도 3에 도시한 것처럼, 2차원 평면 그래프(x, y)로 나타낼 수 있으며, 3축인 경우 3차원 입체 그래프(x, y, z)로 나타낼 수 있다. 지구 상의 위도, 경도, 고도 및 지형에 따라 차이가 나지만 이렇게 수집된 지자기 데이터는 대부분 (x, y)는 타원, (x, y, z)는 럭비공과 같은 형태를 보인다. 미리 정해진 각도는 예를 들면 1도, 0.1도, 1/36도일 수 있으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.

수집된 지자기 데이터는 기억부(130)에 저장되고, 도 3에 도시한 것처럼, 저장된 지자기 데이터를 이용하여 타원의 중심점을 영점(0, 0)으로 이동하는 hard-iron 변환을 수행한다. 그런 후, 도 4에 도시한 것처럼, 이동된 타원의 장축과 단축을 같은 크기로 만들고, 결과적으로 반지름이 '1'인 원으로 만드는 soft-iron 변환을 수행한다. 이와 같이 hard-iron 및 soft-iron 변환을 수행함으로써 타원으로 표현되는 지자기 데이터를 중심이 (0, 0)이고 단위 원인 데이터로 변환해 주는 변환식을 얻을 수 있다.

이렇게 변환식을 얻음으로써 캘리브레이션을 마치게 되면 지자기 센서(120)에서 측정된 지자기 값을 변환식을 통하여 방위각으로 쉽게 변환할 수 있게 된다.

그러면 캘리브레이션을 위한 지자기 데이터와 변환식을 이용하여 보다 더 정밀하게 방위각을 구할 수 있는 방법에 대하여 도 5 내지 도 7을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 5는 도 1에 도시한 기억부에 저장되어 있는 지자기 데이터를 테이블 형태로 도시한 개략도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 방위각 측정 방법을 도시한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 방위각을 결정하는 방법을 도시한 예시도이다.

먼저 앞서 설명한 바와 같이 캘리브레이션을 마치고 변환식이 구해져 있는 상황이라 가정한다. 예를 들어 캘리브레이션을 위한 지자기 데이터가 1/36도 간격으로 수집되어 있다면, 도 5에 도시한 것처럼, 36*360=12,960개의 (x, y) 데이터가 테이블 형태로 기억부(120)에 저장된다. 테이블은 인덱스(index), X축 데이터 및 Y축 데이터를 포함한다. 인덱스는 방위각과 일대일 대응하며 인덱스와 1/36를 곱하면 방위각이 된다. 따라서 방위각이 0도인 인덱스 '0'부터 방위각이 359.97도인 인덱스 '12959'까지 수집된 지자기 데이터가 인덱스와 함께 차례로 테이블에 배열된다.

도 6을 참고하면, 먼저 방위각 측정 장치(100)는 지자기 센서(120)를 이용하여 지자기를 측정한다(S110). 그리고 측정된 지자기 값(x, y)을 변환식에 대입하여 제1 방위각을 계산한다(S120). 계산된 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산한다(S130). 기준 인덱스는 제1 방위각에 36을 곱하면 된다. 예를 들어, 도 7에 도시한 것처럼, 계산된 제1 방위각이 93도라면 기준 인덱스는 '3348'이 된다.

그런 후 기준 인덱스를 기준으로 하여 일정한 거리 내에 있는 지자기 데이터를 탐색한다(S140). 즉, 측정된 지자기 값(x, y)과 기억부(130)에 저장되어 있는 지자기 데이터(X, Y)를 각각 비교하여 기준 인덱스에 근접해 있는 가장 가까운 지자기 데이터를 찾아낸다. 예를 들어 측정된 지자기 값(x, y)이 (-1122.51, 1655.23)라면 기준 인덱스(3348)를 기준으로 예를 들어 상하 18 인덱스 내(인덱스 3330 내지 3366)에 있는 지자기 데이터를 비교한다. 그러면 기준 인덱스에 근접해 있으면서 측정된 지자기 값과 가장 가까운 값인 X=-1122.53과 Y=1655.24를 찾아낼 수 있다.

찾아낸 X와 Y의 인덱스가 같으면 해당 인덱스가 최종 인덱스가 되고, 다르면 X와 Y 인덱스의 중간 값 또는 편차가 작은 값을 최종 인덱스로 결정한다(S150). 예시에 따르면 X 인덱스는 3341이 되고, Y 인덱스는 3349가 되며 따라서 최종 인덱스는 3345가 된다. 최종 인덱스를 제2 방위각으로 변환하여(S160) 측정된 지자기 값에 대응하는 최종 방위각을 계산한다. 결국 예시에 의하면 최종 방위각은 3345/36=92.92도가 된다.

만일 X 인덱스와 Y 인덱스의 중간 값이 정수가 아니라서 X 인덱스와 Y 인덱스의 중앙에 두 개의 인덱스가 존재한다면 두 개의 인덱스 중 기준 인덱스에 가까운 인덱스를 최종 인덱스로 결정할 수 있다. 이와 달리 X 인덱스와 Y 인덱스 중 지자기 데이터와 지자기 값의 차이가 더 작은 쪽의 인덱스에 가까운 두 개의 인덱스 중 하나를 최종 인덱스로 결정할 수도 있으며, 다양한 방법으로 최종 인덱스를 결정할 수 있다.

앞서 단순히 변환식에 의해서 계산된 방위각은 93도이나 본 발명의 실시예에 따른 방위각 측정 방법에 의하여 계산된 최종 방위각은 92.92도로 캘리브레이션을 위한 지자기 데이터와 변환식을 함께 이용하여 방위각을 산출함으로써 보다 더 정밀하게 방위각을 측정할 수 있다. 즉, 변환식을 통해서 개략적인 방위각을 도출해 낼 수 있으며, 변환식을 얻기 위하여 수집된 지자기 데이터를 사용하게 되면 보다 실제적인 방위각을 얻을 수 있게 된다.

또한 측정된 지자기 값을 수집된 지자기 데이터에 직접 비교하여 방위각을 산출하는 것이므로 타원의 장축이나 단축에 위치하는 지자기 값이라 할지라도 변환식만을 이용하여 방위각을 계산하는 것에 비하여 정밀도가 떨어지지 않게 된다.

지금까지 2차원 지자기 데이터를 이용하여 방위각을 측정하는 방법에 대하여 예시하고 설명하였으나 3차원 지자기 데이터인 경우도 동일한 방식으로 방위각을 측정할 수 있다. 그리고 본 명세서에서 사용된 수치는 예시적인 것으로서 다른 값을 가질 수도 있음은 자명하다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 방위각 측정 장치, 110: 신호 처리부,
120: 지자기 센서, 130: 기억부

Claims (6)

1. 지자기를 측정하는 지자기 센서,
   상기 지자기 센서로부터 캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 인덱스와 함께 기억하는 기억부, 그리고
   상기 지자기 센서로부터 측정된 지자기 값을 상기 캘리브레이션을 통하여 도출된 변환식에 대입하여 제1 방위각을 산출하고, 상기 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산하며, 상기 기준 인덱스와 일정 거리 내에 있는 인덱스에 대응하는 복수의 비교 지자기 데이터와 상기 지자기 값의 비교를 통하여 최종 인덱스를 결정함으로써 제2 방위각을 계산하는 신호 처리부
   를 포함하는 방위각 측정 장치.
2. 제1항에서,
   상기 지자기 데이터는 적어도 제1 및 제2 축 데이터를 포함하고,
   상기 신호 처리부는 상기 비교 지자기 데이터의 제1 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제1 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제1 축 인덱스를 찾아내고 상기 비교 지자기 데이터의 제2 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제2 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제2 축 인덱스를 찾아내어 상기 제1 축 인덱스와 상기 제2 축 인덱스의 중간 값 또는 편차가 가장 작은 인덱스를 최종 인덱스로 결정하는
   방위각 측정 장치.
3. 제1항에서,
   상기 지자기 데이터는 상기 지자기 센서를 360도 회전시키면서 미리 정해진 각도마다 지자기를 측정하여 수집되며,
   상기 신호 처리부는 상기 지자기 데이터를 이용하여 hard-iron 및 soft-iron 변환을 수행함으로써 상기 변환식을 도출하는
   방위각 측정 장치.
4. 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 방법으로서,
   지자기 값을 측정하는 단계,
   캘리브레이션을 위하여 수집된 지자기 데이터를 인덱스와 함께 기억하는 단계,
   상기 측정된 지자기 값을 상기 캘리브레이션을 통하여 도출된 변환식에 대입하여 제1 방위각을 산출하는 단계,
   상기 제1 방위각에 대응하는 기준 인덱스를 계산하는 단계, 그리고
   상기 기준 인덱스와 일정 거리 내에 있는 인덱스에 대응하는 복수의 비교 지자기 데이터와 상기 지자기 값의 비교를 통하여 최종 인덱스를 결정함으로써 제2 방위각을 계산하는 단계
   를 포함하는 방위각 측정 방법.
5. 제4항에서,
   상기 지자기 데이터는 적어도 제1 및 제2 축 데이터를 포함하고,
   상기 제2 방위각 계산 단계는, 상기 비교 지자기 데이터의 제1 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제1 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제1 축 인덱스를 찾아내고 상기 비교 지자기 데이터의 제2 축 데이터와 상기 지자기 값 중 제2 축 값을 비교하여 차이가 가장 작은 제2 축 인덱스를 찾아내어 상기 제1 축 인덱스와 상기 제2 축 인덱스의 중간 값 또는 편차가 가장 작은 인덱스를 최종 인덱스로 결정하는 단계를 포함하는
   방위각 측정 방법.
6. 제4항에서,
   상기 지자기 센서를 360도 회전시키면서 미리 정해진 각도마다 지자기를 측정하여 상기 지자기 데이터를 수집하는 단계, 그리고
   상기 지자기 데이터를 이용하여 hard-iron 및 soft-iron 변환을 수행함으로써 상기 변환식을 도출하는 단계를 더 포함하는
   방위각 측정 방법.

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