KR101861250B1

KR101861250B1 - 3축 자력계의 직교성 보정방법

Info

Publication number: KR101861250B1
Application number: KR1020170137749A
Authority: KR
Inventors: 손대락
Original assignee: 손대락
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-05-25
Also published as: KR20170120550A

Abstract

본 발명은 3축 자력계의 직교성 보정방법에 관한 것으로, 3축 자력계의 직교성을 보정할 수 있어, 드론 등에 부착하여 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능하다.

Description

3축 자력계의 직교성 보정방법{Orthogonality correction method for 3-axis magnetometer}

본 발명은 자기장 크기 측정 기술에 관련한 것으로, 특히 3축 자력계의 직교성 보정방법에 관한 것이다.

MAD(Magnetic Anomaly Detection) 기술은 군사적인 목적 뿐만 아니라 지질학적인 목적으로 사용되고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2012-0133709호(2012. 12. 11) 등에서 플럭스게이트(Fluxgate)를 이용한 자력계를 제안하고 있다.

항공기 분야에서는 정교한 직교성을 가지지 못할 경우 항공기가 흔들리게 되므로, 3축 플럭스게이트 자력계가 사용되지 못하고, 스칼라 자력계가 사용되어 왔다. 최근 작은 크기의 드론(Drone)이 군사용 항공기들을 대체하고 있는 추세이다.

본 발명자는 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등에 이용되는 작은 크기의 드론에 탑재할 수 있는 3축 자력계의 직교성 보정 기술에 대한 연구를 하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0133709호(2012. 12. 11)

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등에 이용되는 작은 크기의 드론에 탑재할 수 있는 3축 자력계의 직교성 보정방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 서로 직교하도록 설치되는 3개의 x, y, z축 자력계를 포함하는 3축 자력계의 직교성 보정방법이 상기 3개의 x, y, z축 자력계 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정하는 자기장 세기 측정단계와; 상기 자기장 세기 측정단계에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정하는 직교성 오차 보정단계를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 직교성 오차 보정단계가 상기 자기장 세기 측정단계에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구하는 자기장 세기값 보정단계와; 상기 자기장 세기값 보정단계에 의해 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득하는 자기장 크기 획득단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 직교성 보정을 위한 행렬은 상기 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성이 보장되는 3축의 자기장 안에서 실험적으로 구해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 3축 자력계의 직교성 보정방법이 상기 직교성 오차 보정단계에 의해 직교성 보정된 자기장 크기를 전송하는 자기장 크기 전송단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 자기장 크기 전송단계에서 직교성 보정된 자기장 크기가 RS232C 통신 인터페이스를 통해 드론의 주제어부로 전송되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 드론용 3축 플럭스게이트 자력계의 직교성을 보정할 수 있어, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능한 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 3축 자력계의 직교성 보정방법의 일 실시예의 구성을 도시한 흐름도이다.
도 2 는 드론용 3축 플럭스게이트 자력계의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3 은 드론용 3축 플럭스게이트 자력계의 측정회로부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 3축 자력계의 직교성 보정방법의 일 실시예의 구성을 도시한 흐름도이다. 본 발명에 따른 3축 자력계의 직교성 보정방법은 서로 직교하도록 설치되는 3개의 x, y, z축 자력계를 포함하는 3축 자력계의 직교성 보정을 수행한다. 이 때, 3개의 x, y, z축 자력계가 플럭스게이트일 수 있다.

도 1 에 도시한 바와 같이, 자기장 세기 측정단계(10)에서 3축 자력계가 3개의 x, y, z축 자력계 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정한다.

그 다음, 직교성 오차 보정단계(20)에서 3축 자력계가 상기 자기장 세기 측정단계(10)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정한다. 예컨대, 직교성 오차 보정단계(20)가 자기장 세기값 보정단계(21)와, 자기장 크기 획득단계(22)를 포함할 수 있다.

자기장 세기값 보정단계(21)에서 3축 자력계가 상기 자기장 크기 측정단계(10)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구한다.

그리고, 자기장 세기 획득단계(22)에서 3축 자력계가 상기 자기장 세기값 보정단계(21)에 의해 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득한다.

3축 자력계의 3개의 x, y, z축 자력계에 의해 각각 센싱되어 자기장 세기 측정단계(10)에 의해 각각 측정된 자기장 세기가 B_mx, B_my, B_mz이라면, 3개의 x, y, z축 자력계가 직교성이 있을 경우, 자력계의 회전에 상관없이 자기장의 크기(magnetitude) B_mt는 일정하다.

그러나, 3개의 x, y, z축 자력계가 직교성이 없다면, 자력계의 회전에 따라 전체 자기장의 크기 B_mt가 상이해진다.

직교성 오차 보정단계(20)에서 3축 자력계는 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 행렬 연산을 통해 보정한다.

먼저, 3축 자력계가 자기장 세기 측정단계(10)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구한다.

위 식에서, B_cx, B_cy, B_cz는 직교성 보정된 x, y, z축의 자기장 세기값이고, T₁₁ 내지 T₃₃은 직교성 보정을 위한 행렬의 인자들로, 상기 3개의 x, y, z축 플럭스게이트가 직교성을 이룬 상태에서 실험적으로 구해질 수 있는 값들이다. 즉, 상기 직교성 보정을 위한 행렬은 상기 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성이 보장되는 3축의 자기장 안에서 실험적으로 구해질 수 있다.

그 다음, 3축 자력계가 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득한다.

직교성 보정된 자기장 세기 B_ct는 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 상관없이 일정한 값이 된다. 이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 3축 자력계의 직교성을 보정할 수 있어, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능해진다.

한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 3축 자력계의 직교성 보정방법이 자기장 크기 전송단계(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 자기장 크기 전송단계(30)에서 3축 자력계가 상기 직교성 오차 보정단계(20)에 의해 직교성 보정된 자기장 크기를 전송한다.

예컨대, 상기 자기장 크기 전송단계(30)에서 직교성 보정된 자기장 크기가 RS232C 통신 인터페이스를 통해 드론의 주제어부(도면 도시 생략)로 전송되도록 구현될 수 있다.

도 1 에 도시한 3축 자력계의 직교성 보정방법을 수행하는 드론용 3축 플럭스게이트 자력계를 도 2 를 통해 알아본다. 도 2 는 드론용 3축 플럭스게이트 자력계의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 2 에 도시한 바와 같이, 직교성 보정된 드론용 3축 플럭스게이트 자력계는 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)와, 3개의 측정회로부(120)와, 제어부(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)는 서로 직교하도록 설치된다. 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)는 제1권선(111)과 제2권선(112)을 포함한다. 예컨대, 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)가 균일한 자기장을 발생시키는 솔레노이드로 구현될 수 있다.

자기 소스(Magnetic source)에 의한 외부 자기장이 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 제1권선(111)과 제2권선(112)에 인가되면, 외부 자기장에 따른 전압신호가 각각 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)로부터 출력된다.

상기 3개의 측정회로부(120)는 상기 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110) 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정한다.

상기 제어부(130)는 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 크기 오차를 보정한다.

예컨대, 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)가 헬름홀츠 코일로 구현된 경우, 헬름홀츠 코일간의 직교성이 0.1도 이상일 경우 제어부(130)가 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정하도록 구현될 수 있다.

이 때, 상기 제어부(130)는 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 행렬 연산을 통해 보정한다. 상기 직교성 보정을 위한 행렬은 상기 3개의 x, y, z축 플럭스게이트가 직교성을 이룬 상태에서 실험적으로 구해질 수 있다.

먼저, 상기 제어부(130)가 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구한다.

그 다음, 상기 제어부(130)가 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득한다. 직교성 보정된 자기장 세기는 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 직교성 오차에 상관없이 일정한 값이 된다. 이 때, 직교성 보정된 3축 자기장 크기 B_cx, B_cy, B_cz 또는 자기장 크기 B_ct는 RS232C 등의 통신 인터페이스를 통해 드론의 주제어부(도면 도시 생략)로 전달될 수 있다.

도 3 은 드론용 3축 플럭스게이트 자력계의 측정회로부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다. 도 3 에 도시한 바와 같이, 측정회로부(120)는 오실레이터(121)와, 증폭기(122)와, 보상권선(123)과, 복조기(124)와, 저역필터(125)와, 피드백 증폭기(126)와, AD컨버터(127)를 포함하여 이루어진다.

상기 오실레이터(121)는 특정 주파수 신호를 출력한다.

상기 증폭기(122)는 상기 오실레이터(121)에 의해 출력되는 특정 주파수 신호를 증폭하여 플럭스게이트(110)의 제1권선(111)에 인가한다.

자기 소스(Magnetic source)에 의한 외부 자기장이 3개의 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 제1권선(111)과 제2권선(112)에 인가되면, 상기 보상권선(123)은 플럭스게이트(110)의 제2권선(112)에 의해 유도되는 전류에 의해 보상 자기장을 발생시켜 외부 자기장에 따른 전압신호가 출력된다.

이 때, 보상권선(123)은 제2권선(112)에 의해 전류가 유도되어 흐르게 되고 이로 인해 보상권선(123)은 보상 자계를 발생시켜 플럭스 게이트(110)에 인가되도록 함으로써 보상 자계가 외부자계를 상쇄하는 방향으로 인가한다. 따라서, 3축 플럭스 게이트 자력계의 특성이 파괴되는 것을 방지하여 센서의 동작 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.

상기 복조기(124)는 상기 오실레이터(121)로부터 특정 주파수 신호를 전달받아 상기 보상권선(123)에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력을 반송 주파수 신호로 변조하여 출력한다.

상기 저역필터(125)는 상기 복조기(124)에 의해 출력되는 반송 주파수 신호를 저역 필터링하여 출력한다.

상기 피드백 증폭기(126)는 상기 저역필터(125)에 의해 저역 필터링된 신호와 기준신호를 비교하여 출력한다.

상기 AD컨버터(127)는 상기 피드백 증폭기(126)에 의해 출력되는 아날로그 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

상기 AD컨버터(127)에 의해 출력되는 디지털 신호가 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기이며, 제어부(130)는 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기를 이용해 위에 설명한 방법으로 x, y, z축 플럭스게이트(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정한다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 자기장 크기 측정 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하며, 이 보정방법은 자기저항효과, 자기임피던스효과 등을 원리를 사용하고 있는 3축의 자력계에도 적용이 가능하다.

100 : 게이트 자력계
110 : 플럭스게이트
111 : 제1권선
112 : 제2권선
120 : 측정회로부
121 : 오실레이터
122 : 증폭기
123 : 보상권선
124 : 복조기
125 : 저역필터
126 : 피드백 증폭기
127 : AD컨버터
130 : 제어부

Claims

서로 직교하도록 설치되며 제1권선과 제2권선을 각각 포함하되, 자기 소스(Magnetic source)에 의한 외부 자기장이 제1권선과 제2권선에 인가되면, 외부 자기장에 따른 전압신호를 각각 출력하는 3개의 x, y, z축 자력계를 포함하는 3축 자력계의 직교성 보정방법에 있어서,
상기 3개의 x, y, z축 자력계 각각의 제2권선에 의해 전류가 유도되는 3개의 보상권선이 상기 3개의 x, y, z축 자력계에 외부 자기장을 상쇄하는 방향으로 보상 자기장을 각각 인가하고, 상기 3개의 보상권선 각각에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력 신호로부터 3개의 x, y, z축 자력계 각각의 자기장 세기를 측정하는 자기장 세기 측정단계와;
상기 자기장 세기 측정단계에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구하는 자기장 세기값 보정단계를 포함하는 직교성 오차 보정단계를;
포함하되,
상기 자기장 세기 측정단계에서:
출력이 매우 큰 3개의 x, y, z축 자력계 각각의 출력을 직접적으로 이용하여 자기장 세기를 구하지 않고, 출력이 작은 3개의 보상권선 각각에 의해 발생되는 보상 자기장을 이용한 간접적인 측정으로 3개의 x, y, z축 자력계 각각의 자기장 세기를 구함으로써 3개의 x, y, z축 자력계의 특성이 파괴되는 것을 방지해 3축 자력계를 보호하는 3축 자력계의 직교성 보정방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자기장 세기 측정단계가:
오실레이터가 특정 주파수 신호를 출력하는 단계와;
복조기가 오실레이터로부터 특정 주파수 신호를 전달받아 상기 보상권선에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력을 반송 주파수 신호로 변조하여 출력하는 단계와;
저역필터가 복조기에 의해 출력되는 반송 주파수 신호를 저역 필터링하여 출력하는 단계와;
피드백 증폭기가 저역필터에 의해 저역 필터링된 신호와 기준신호를 비교하여 출력하는 단계와;
AD컨버터가 피드백 증폭기에 의해 출력되는 아날로그 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 측정 자기장 세기로 출력하는 단계를;
포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자력계의 직교성 보정방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 직교성 오차 보정단계가:
상기 자기장 세기값 보정단계에 의해 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득함으로써 3개의 x, y, z축 자력계 회전시 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 의해 발생하는 자기장의 크기 오차를 보정하는 자기장 크기 획득단계를;
더 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자력계의 직교성 보정방법.
제 3 항에 있어서,
상기 3축 자력계의 직교성 보정방법이:
상기 직교성 오차 보정단계에 의해 직교성 보정된 자기장 크기를 전송하는 자기장 크기 전송단계를;
더 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 자력계의 직교성 보정방법.