KR101878253B1 - 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법 - Google Patents

자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3축 자이로센서 신호와 융합되는 3축 지자기센서 신호에 대해 융합 전 지자기센서 주변 환경에 의해 발생하는 자계왜곡에 대해 자계패턴 분석을 수행하고, 이를 통해 지자기 보정 계수를 추출함으로써 자계왜곡을 보상하여 자세 및 방위각 측정장치의 방위각 추정 정밀도를 높일 수 있도록 하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법은 3축 자이로센서와 3축 지자기센서를 통하여 측정되는 신호를 마이크로프로세서에서 융합하고 분석하여 방위각(요(Yaw)) 자세 정보를 출력하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법에 있어서, 3축 자이로센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계와; 3축 지자기센서 신호를 수집하여 수평 자기벡터로 변환하고, 변환된 수평 자기벡터를 통하여 원의 방정식 형태로 표현되는 수평 자기벡터 관계를 유도하여 방정식 계수를 추정하고, 이로부터 수평 자기벡터의 왜곡 보정계수를 산출하는 단계와; 상기 산출된 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계와; 상기 3축 자이로센서 신호와 3축 지자기센서 신호로부터 각각 산출된 방위각(요)을 융합하여 자계왜곡이 보정된 방위각(요)을 추정하는 단계;를 포함한다.

Description

자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법 {GEOMAGNETIC SENSOR SIGNAL PROCESSING METHOD OF DEVICE FOR MEASURING POSTURE AND AZIUTH ANGLE}
본 발명은 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3축 자이로센서 신호와 융합되는 3축 지자기센서 신호에 대해 융합 전 지자기센서 주변 환경에 의해 발생하는 자계왜곡에 대해 자계패턴 분석을 수행하고, 이를 통해 지자기 보정 계수를 추출함으로써 자계왜곡을 보상하여 자세 및 방위각 측정장치의 방위각 추정 정밀도를 높일 수 있도록 하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자세 및 방위각 측정장치는 3축 자이로센서 신호에 대하여 3축 가속도센서와 3축 지자기센서 신호를 융합하여 보정함으로써 3차원 공간에서 롤(Roll), 피치(Pitch)로 명명된 자세와 요(Yaw)로 명명된 방위각을 정밀하게 추정할 수 있는 장치로서, 이동 로봇과 무인항공기 및 차량의 항법장치로 널리 이용되고 있다.
한편, 자세 및 방위각 측정장치에서 방위각(요)의 오차가 발산되는 것을 방지하고 일정한 범위의 정확도를 유지하기 위해 3축 지자기센서 신호를 처리하여 이용하는데, 지구 자기장은 크기가 매우 작기 때문에 지자기센서 주변의 물체 및 환경의 영향에 의해 신호가 왜곡되고 이로 인해 방위각 오차가 발생하게 된다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 GPS(Global Positioning System), 자이로컴퍼스 등 방위각 정보를 출력하는 외부장치나 센서를 이용하여 방위각을 보정하는 방법이 개시되어 있고, 지자기센서 사용 전 좌우, 상하 방향으로 각각 센서를 회전시켜 측정한 지자기센서 신호로부터 보정에 필요한 정보를 산출한 후 이를 지자기센서 신호에 일괄적으로 적용하여 왜곡을 보상하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 지자기센서 신호로부터 산출된 수평 자기벡터의 패턴을 원점이 임의의 위치에 있는 타원 모델로 가정하고 지자기센서 사용 중 연속적으로 측정된 신호로부터 반복적 최소자승법 및 RANSAC 알고리즘을 통해 타원 모델 계수를 추정한 후 이로부터 지자기센서의 보정에 필요한 계수를 산출하여 왜곡을 보상하는 방법이 개시되어 있으며, 특정한 보정용 지그에서 미리 수집한 보정 계수 테이블을 통해 지자기센서가 장착된 객체가 이동할 때 그 위치에 따라 해당 테이블의 보정 계수를 전송하여 왜곡을 보상하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 외부장치나 센서를 이용하여 보정하는 방법은 부가적인 장치로 인한 전체 시스템의 크기 및 가격이 증가한다는 문제점 외에도, GPS와 같이 실내 환경에서 사용할 수 없는 장치의 경우 결과적으로 방위각 정보를 보정할 수 없다는 문제점이 있다. 그리고 지자기센서 사용 전 신호를 보정하는 방법은 많이 이용되고 있으나 사용 중 주변 물체나 환경의 변화에 의해 발생하는 자계왜곡에 대해서 실시간으로 보상할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 타원 모델을 이용하여 계수를 추정한 후 왜곡을 보상하는 방법은, 이론적으로는 명백하지만, 강성 왜곡이 대부분인 실제 응용에 있어서 타원 모델의 계수를 추정하는 반복적 최소 자승법 및 RANSAC 과정에 많은 시간이 소요되어 방법의 구성상 신호처리 시간 문제를 발생시키게 된다. 그리고 보정용 지그를 이용하여 객체의 위치에 따라 보상하는 방법은 광학식 모션캡처장치가 이용되는 한정된 공간에서만 적용되므로 일반적이지 않을 뿐만 아니라, 제작된 보정용 지그 역시 자계왜곡을 발생시키는 물체(환경)가 될 수 있으므로 적합한 보정 계수 테이블을 추출할 수 없는 한계가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0113380호 (2016.09.29.)
본 발명은 종래의 자세 및 방위각 측정장치에서 지자기센서 신호를 처리하는 방법에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 자세 및 방위각 측정장치에서 지자기센서 신호의 자계왜곡에 대한 자계패턴을 분석하고 이를 통해 지자기 보정 계수를 추출하여 자계왜곡을 보상함으로써 측정장치의 방위각(요) 추정 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법은 3축 자이로센서와 3축 지자기센서를 통하여 측정되는 신호를 마이크로프로세서에서 융합하고 분석하여 방위각(요(Yaw)) 자세 정보를 출력하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법에 있어서, 3축 자이로센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계와; 3축 지자기센서 신호를 수집하여 수평 자기벡터로 변환하고, 변환된 수평 자기벡터를 통하여 원의 방정식 형태로 표현되는 수평 자기벡터 관계를 유도하여 방정식 계수를 추정하고, 이로부터 수평 자기벡터의 왜곡 보정계수를 산출하는 단계와; 상기 산출된 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계와; 상기 3축 자이로센서 신호와 3축 지자기센서 신호로부터 각각 산출된 방위각(요)을 융합하여 자계왜곡이 보정된 방위각(요)을 추정하는 단계;를 포함한여 이루어진다.
여기에서, 상기 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계에서, 각축이 왜곡된 3축 지자기센서 신호를 왜곡 보정계수가 적용된 다음의 수평 자기벡터 보정 변환식을 통하여 보정된 수평 자기벡터로 변환하여 방위각(요)을 산출하게 된다.
[수학식]
Figure 112017032048526-pat00001
(여기서, XH, YH는 각축의 왜곡이 보정된 수평 자기벡터, X'H, Y'H는 각축의 왜곡된 수평 자기벡터, cx, cy는 각축의 오프셋으로써 왜곡 보정계수를 나타낸다)
한편, 상기 수평 자기벡터 보정 변환식의 각축에 대한 보정 계수를 산출하기 위해, 상기 3축 지자기센서 신호를 복수 개 수집하여 수평 자기벡터 변환식을 통해 수평 자기벡터로 변환하고, 변환된 수평 자기벡터를 다음의 수학식과 같이 정의된 원의 방정식을 이용하여 방정식 계수를 추정하게 된다.
[수학식]
Figure 112017032048526-pat00002
(여기서, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다)
또한, 상기 원의 방정식 계수가 추정하고 추정된 원의 방정식 계수로부터 왜곡 보정계수를 추출하기 위해서 다음의 수학식과 같이 복수(n) 개 산출된 수평 자기벡터로부터 최소자승법을 이용하게 된다.
[수학식]
Figure 112017032048526-pat00003
(여기서, xn, yn은 각축의 n번째 수평 자기벡터, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다)
상기 최소자승법을 통하여 추정된 원의 방정식 계수로부터 다음의 수학식을 통하여 왜곡 보정계수를 산출하게 된다.
[수학식]
Figure 112017032048526-pat00004
(여기서, cx, cy는 각축의 왜곡 보정계수, a, b는 원의 방정식 계수를 나타낸다)
본 발명에 따른 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법은 지자기센서 신호의 자계왜곡 패턴을 분석하여 지자기 보정 계수를 추출하고, 이를 통하여 자계왜곡을 처리함으로써 측정장치의 방위각(요) 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 이러한 측정장치를 이용한 객체의 동적인 분석 및 제어와 응용 역시 정밀하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 자세 및 방위각 측정장치의 방위각(요) 추정 방법을 나타낸 블록도,
도 2는 자계왜곡 양상에 따른 수평 자기벡터의 패턴을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따라 자계왜곡 중 강성왜곡에 대한 신호처리 방법이 포함된 자세 및 방위각 측정장치의 방위각(요) 추정 방법을 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예 설명에 앞서, 먼저 종래 일반적인 자세 및 방위각 측정장치의 방위각(요) 추정 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래 일반적인 자세 및 방위각 측정장치의 방위각(요) 추정 방법을 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 방위각(요)을 추정하는 방법은 자세 및 방위각 측정장치의 마이크로프로세서에서 3축 자이로센서 신호(100)와 3축 지자기센서 신호(200)를 수집하는 것으로부터 시작한다.
상기 3축 자이로센서 신호(100)는 측정장치가 장착되는 객체의 3축 회전각속도를 의미하므로 이를 기준 좌표계(관성좌표계, 항법좌표계 등 운용자가 설정한 좌표계로써, 대상과 달리 움직임에도 변화가 없는 기준 고정좌표계)로의 변환과정이 필요하며, 이는 자세 미분방정식(110) 및 이의 적분 과정을 통해 수행되게 된다. 여기서 자세 미분방정식(110)은 대표적으로 다음의 수학식 1과 같은 오일러각 방식을 이용하게 된다. 즉, 자세 미분방정식(110)의 적분은 기준좌표계에서의 자세 및 방위각을 의미한다.
Figure 112017032048526-pat00005
여기서, φ, θ, ψ는 각각 기준 좌표계에 대한 롤, 피치, 요 회전각이고, ω x , ω y , ω z 는 각축의 자이로센서 신호를 나타낸다.
또한, 3축 지자기센서 신호(200)는 측정장치가 장착되는 객체의 3축 지구자계강도를 의미하며, 이는 다음의 수학식과 같은 수평 자기벡터 변환식(210)을 통해 수평 자기벡터로 변환될 수 있다.
Figure 112017032048526-pat00006
여기서, XH, YH는 각축의 수평 자기벡터이고, mx, my, mz는 각각 3축 지자기센서 신호이며, φ, θ는 각각 기준 좌표계에 대한 롤, 피치 회전각을 나타낸다.
그리고 상기 수학식 2의 수평 자기벡터로부터 다음의 수학식 3과 같은 역탄젠트 변환을 통해 방위각(요)를 산출할 수 있다.
Figure 112017032048526-pat00007
여기서 ψ는 요 회전각이고, XH, YH는 각축의 수평 자기벡터를 나타낸다.
상기 3축 자이로센서 신호(100)에 의한 방위각(요)은 적분 과정에서 신호의 잡음에 의한 오차의 누적이 필연적으로 발생하지만, 3축 지자기센서 신호(200)로부터 산출된 방위각(요)은 적분 과정이 없으므로 오차의 누적이 발생하지 않고 일정한 정밀도를 유지할 수 있게 된다. 따라서, 이 두 신호를 기반으로 신호융합 필터(300)를 이용하여 안정된 방위각(요)를 추정할 수 있게 되는데, 이때 신호융합 필터(300)는 상보필터나 칼만필터 계열(칼만필터, 확장칼만필터, 무향칼만필터 등)이 주로 이용된다.
한편, 상기 3축 지자기센서 신호(200)는 센서 주변의 물체 및 환경에 따라 자계왜곡이 발생하게 되는데, 이는 강성왜곡(Hard-iron Distortion)과 약성왜곡(Soft-iron Distortion)으로 구분된다.
도 2는 이러한 자계왜곡 양상에 따른 수평 자기벡터의 패턴을 나타낸 그래프로서, 도 2의 좌측은 강성왜곡 수평 자기벡터 패턴을, 도 2의 우측은 약성왜곡 수평 자기벡터 패턴의 일례를 나타낸 것이다.
도 2의 좌측에 도시된 강성왜곡이 포함된 수평 자기벡터는 다음의 수학식과 같이 표현된수 있다.
Figure 112017032048526-pat00008
여기서, X'H, Y'H는 각축의 왜곡된 수평 자기벡터, XH, YH는 각축의 왜곡 전 수평 자기벡터, cx , cy는 각축의 왜곡된 오프셋을 나타낸다.
또한, 도 2의 우측에 도시된 약성왜곡이 포함된 수평 자기벡터는 다음의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017032048526-pat00009
여기서, X'H, Y'H는 각축의 왜곡된 수평 자기벡터, XH, YH는 각축의 왜곡 전 수평 자기벡터, δ는 회전 변화량, sx, sy는 각축의 스케일 변화량을 나타낸다.
이러한 자계왜곡은 지자기센서 신호(200)로부터 방위각(요)을 산출할 때 반드시 오차를 발생시키게 되므로 보정을 해줘야만 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 자이로센서 신호(100)로부터 방위각(요)를 산출하고, 지자기센서 신호(200)를 별도 수집하여 수평 자기벡터를 산출하고, 원의 방정식 형태로 표현되는 수평 자기벡터 관계를 유도하여 방정식 계수를 추정하고 이로부터 수평 자기벡터의 왜곡 보정계수를 산출하며, 산출된 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호(200)로부터 방위각(요)을 산출한 후, 자이로센서 신호(100)와 지자기센서 신호(200)로부터 각각 산출된 방위각(요)을 융합하는 과정을 통하여 자계왜곡이 보정된 방위각 정보를 추정하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 자계왜곡 중 강성왜곡에 대한 신호처리 방법이 포함된 자세 및 방위각 측정장치의 방위각(요) 추정 방법을 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 지자기센서 신호(200)는 다음의 수학식과 같은 수평 자기벡터 보정 변환식(230)을 통해 보정된 수평 자기벡터로 변환된다.
Figure 112017032048526-pat00010
여기서, XH, YH는 각축의 왜곡이 보정된 수평 자기벡터, X'H, Y'H는 각축의 왜곡된 수평 자기벡터, cx, cy는 각축의 오프셋으로써 왜곡 보정계수를 나타낸다.
한편, 상기 수학식 6의 수평 자기벡터 보정 변환식(230)의 각축에 대한 보정 계수를 결정하기 위해 3축 지자기센서 신호(200)를 복수 개, 바람직하게는 3개를 초과하여 수집하여 수평 자기벡터 변환식(210)을 통해 수평 자기벡터로 변환한다. 변환된 수평 자기벡터가 3개를 초과하게 되면 다음의 수학식과 같이 정의된 원의 방정식을 이용하여 계수를 추정하게 된다.
Figure 112017032048526-pat00011
여기서, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다.
원의 방정식 계수를 추정한 후, 이로부터 왜곡 보정계수를 추출(220)하기 위해서 다음의 수학식과 같이 3개를 초과하여 산출된 수평 자기벡터로부터 최소자승법을 이용하게 된다.
Figure 112017032048526-pat00012
여기서, xn, yn은 각축의 n번째 수평 자기벡터, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다.
상기 수학식 8의 최소자승법을 통해서 추정된 원의 방정식 계수로부터 다음의 수학식와 같이 왜곡 보정계수를 추출할 수 있게 된다.
Figure 112017032048526-pat00013
여기서, cx, cy는 각축의 왜곡 보정계수, a, b는 원의 방정식 계수를 나타낸다.
상기의 과정을 통하여 왜곡 보정계수가 추출되면, 산출된 왜곡 보정계수를 수평 자기벡터 보정 변환식(230)에 적용하여 지자기센서 신호(20)를 보정된 수평 자기벡터로 변환하고, 보정된 수평 자기벡터를 통하여 방위각(요)을 산출하게 된다. 상기 지자기센서 신호(200)로부터 산출된 방위각(요)은 자이로센서 신호(100)로부터 산출된 방위각(요)과 신호융합필터(300)를 통하여 융합되어 자계왜곡이 보정된 방위각(요)이 추정되게 된다.
상기 과정에서 왜곡 보정계수를 추출하는 과정은 자세 및 방위각 측정장치가 동작하는 중에 수행될 수 있으므로, 결과적으로 자계왜곡에 대한 실시간 보상이 가능해진다.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 3축 자이로센서 신호
110 : 자세 미분방정식
200 : 3축 지자기센서 신호
210 : 수평 자기벡터 변환식
220 : 왜곡 보정계수 추출식
230 : 수평 자기벡터 보정 변환식
300 : 신호융합 필터

Claims (5)

  1. 마이크로프로세서에서 3축 자이로센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계(a)와; 3축 지자기센서 신호를 수집하여 수평 자기벡터로 변환하고, 변환된 수평 자기벡터를 통하여 원의 방정식 형태로 표현되는 수평 자기벡터 관계를 유도하여 방정식 계수를 추정하고, 이로부터 수평 자기벡터의 왜곡 보정계수를 산출하는 단계(b)와; 상기 산출된 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계(c)와; 상기 3축 자이로센서 신호와 3축 지자기센서 신호로부터 각각 산출된 방위각(요)을 융합하여 자계왜곡이 보정된 방위각(요)을 추정하는 단계(d);를 포함하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법으로서,
    상기 왜곡 보정계수를 이용하여 지자기센서 신호로부터 방위각(요)을 산출하는 단계에서, 각축이 왜곡된 3축 지자기센서 신호를 왜곡 보정계수가 적용된 수평 자기벡터 보정 변환식
    Figure 112018039797277-pat00021
    (여기서, XH, YH는 각축의 왜곡이 보정된 수평 자기벡터, X'H, Y'H는 각축의 왜곡된 수평 자기벡터, cx, cy는 각축의 오프셋으로써 왜곡 보정계수를 나타낸다)을 통하여 보정된 수평 자기벡터로 변환하여 방위각(요)을 산출하고,
    상기 수평 자기벡터 보정 변환식의 각축에 대한 보정 계수를 산출하기 위해, 상기 3축 지자기센서 신호를 복수 개 수집하여 수평 자기벡터 변환식을 통해 수평 자기벡터로 변환하고, 변환된 수평 자기벡터를 수학식
    Figure 112018039797277-pat00022
    (여기서, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다)과 같이 정의된 원의 방정식을 이용하여 방정식 계수를 추정하며,
    상기 원의 방정식 계수가 추정하고 추정된 원의 방정식 계수로부터 왜곡 보정계수를 추출하기 위해서 수학식
    Figure 112018039797277-pat00023
    (여기서, xn, yn은 각축의 n번째 수평 자기벡터, a, b, c는 중심이 임의의 위치에 있고 반지름이 임의의 크기를 갖는 원의 방정식을 구성하는 계수를 나타낸다)과 같이 복수(n) 개 산출된 수평 자기벡터로부터 최소자승법을 이용하고,
    상기 최소자승법을 통하여 추정된 원의 방정식 계수로부터 수학식
    Figure 112018039797277-pat00024
    (여기서, cx, cy는 각축의 왜곡 보정계수, a, b는 원의 방정식 계수를 나타낸다)을 통하여 왜곡 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 자세 및 방위각 측정장치의 지자기센서 신호처리 방법.
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