KR102143462B1 - Ahrs 센서, 그 바이어스 및 스케일 오차 보정 장치 및 방법 - Google Patents

Ahrs 센서, 그 바이어스 및 스케일 오차 보정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 AHRS 센서와 이 센서의 오차를 보정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 오차 보정 장치가 AHRS 센서에 보정 동작 시작을 지시하면 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 오차 보정 장치는 AHRS 센서의 방향을 제어하고, AHRS 센서는 이에 포함되어 있는 각속도 센서 및 가속도 센서의 바이어스 및 스케일을 보정한다.

Description

AHRS 센서, 그 바이어스 및 스케일 오차 보정 장치 및 방법 {AHRS SENSOR AND APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING BIAS AND SCALE ERROR THEREOF}
본 발명은 AHRS 센서와 관련된 것으로서, 더욱 상세하게는 AHRS 센서와 AHRS 센서 내의 관성 센서의 바이어스 및 스케일 오차를 보정할 수 있는 보정 장치 및 방법에 관한 것이다.
MEMS 기반 관성 센서는 소형이고 가격이 저렴한 이유로 소형의 무인 항공기나 로봇의 진동, 자세 및 방위각을 측정하는 용도로 사용된다. 하지만 관성 센서의 가속도, 각속도 및 자기 출력 값은 바이어스 안정도가 낮으며 온도 변화에 따른 미소 바이어스 변동을 가진다. 또한 수 %의 스케일 오차도 가진다.
AHRS(Attitude Heading Reference System)는 AHRS 모듈, AHRS 센서라고도 불리는데, 그 내부에 MEMS 기반 관성 센서를 포함하고 있어서, 관성 센서의 출력 데이터인 3축 가속도, 3축 각속도 및 3축 자기 데이터 값을 이용하여 3축 회전 각도(roll, pitch, yaw)를 계산하여 출력한다. 따라서 관성 센서의 바이어스 및 스케일 오차는 AHRS 센서가 3축 회전 각도(roll, pitch, yaw)를 계산하는 데 정확성을 감소시킨다. 이로 인해 AHRS 센서를 정밀성이 요구되는 산업용 로봇이나 장비에 이용하기 어려운 면이 있다.
공개특허공보 10-2010-0003575
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내부에 있는 관성 센서의 바이어스 및 스케일 오차를 실험적으로 그리고 실시간으로 보정할 수 있는 AHRS 센서를 제공하는 것이다.
또한 AHRS 센서 내부에 있는 관성 센서가 가지고 있는 바이어스 및 스케일 오차를 AHRS 센서 단위로 실험적으로 그리고 실시간으로 보정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 AHRS 센서는, 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 관성 센서, 센서 보정 장치로부터 보정 동작 시작을 지시받아 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 보정 동작을 수행하는 보정부, 그리고 상기 관성 센서의 출력과 상기 제1 및 제2 바이어스, 그리고 상기 제1 및 제2 스케일을 이용하여 3축 회전 각도를 계산하는 연산부를 포함한다.
상기 센서 보정 장치와 통신 연결할 수 있는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 보정부는 상기 센서 보정 장치로부터 상기 보정 동작 시작을 지시받으면 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 보정 동작을 수행할 수 있다.
상기 센서 보정 장치는 상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 관성 센서의 방향을 제어할 수 있다.
상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서를 미리 정해져 있는 시간 동안 고정시키고, 상기 보정부는 상기 3축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 상기 수집된 데이터의 평균을 이용하여 상기 제1 바이어스를 계산하며, 상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서를 360도 회전시키고, 상기 보정부는 상기 관성 센서가 360도 회전하면서 출력하는 각속도를 수집하여 적분하고 상기 수집된 적분값과 상기 제1 바이어스를 이용하여 상기 제1 스케일을 계산할 수 있다.
상기 센서 보정 장치는 어느 한 축의 가속도 센서가 위로 향하도록 상기 관성 센서를 고정한 채 상기 보정부가 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제1 출력값을 수집하고, 상기 센서 보정 장치는 상기 어느 한 축의 가속도 센서가 아래로 향하도록 상기 관성 센서를 고정한 채 상기 보정부가 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제2 출력값을 수집하며, 상기 보정부는 상기 제1 및 제2 출력값을 이용하여 상기 제2 바이어스 및 제2 스케일을 계산할 수 있다.
상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서의 6면이 순서에 따라 각각 위로 향하도록 고정하고, 상기 보정부는 상기 순서에 따라 상기 3축 가속도 센서로부터 중력에 의한 가속도를 수집하여 각 면이 중력에 대하여 기울어진 각을 아크탄젠트 함수를 이용하여 계산하고, 상기 6면에 대한 상기 기울어진 각을 평균하여 중력 가속도의 방향을 보정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 AHRS 센서 보정 장치는, AHRS 센서의 방향을 제어하는 모터, 그리고 상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하고, 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 모터를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 AHRS 센서는 상기 보정 동작 시작을 지시받으면 상기 보정 동작 시나리오에 따라 3축 각속도 센서의 바이어스 및 스케일을 보정하고, 3축 가속도 센서의 바이어스 및 스케일을 보정한다.
AHRS 센서 보정 장치는 적어도 하나의 상기 AHRS 센서를 수납하는 센서 홀더, 그리고 상기 모터에 결합되어 있으며 상기 센서 홀더를 고정하는 고정부를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 홀더는 서로 수직인 3개의 면으로 이루어져 있으며, 2개의 맞닿은 면 사이에는 가림막이 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 AHRS 센서의 오차 보정 방법은, 상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하는 단계, 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 AHRS 센서의 방향을 제어하는 단계, 그리고 상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 단계를 포함한다.
상기 제1 바이어스 및 제1 스케일 보정 단계는, 상기 AHRS 센서를 미리 정해져 있는 시간 동안 고정시키고, 상기 3축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 상기 수집된 데이터의 평균을 이용하여 상기 제1 바이어스를 계산하는 단계, 그리고 상기 AHRS 센서를 360도 회전시키고, 상기 AHRS 센서가 360도 회전하면서 출력하는 각속도를 수집하여 적분하고 상기 수집된 적분값과 상기 제1 바이어스를 이용하여 상기 제1 스케일을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 바이어스 및 제2 스케일 보정 단계는, 어느 한 축의 가속도 센서가 위로 향하도록 상기 AHRS 센서를 고정한 채 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제1 출력값을 수집하는 단계, 상기 어느 한 축의 가속도 센서가 아래로 향하도록 상기 AHRS 센서를 고정한 채 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제2 출력값을 수집하는 단계, 그리고 상기 제1 및 제2 출력값을 이용하여 상기 제2 바이어스 및 제2 스케일을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
이 오차 보정 방법은 상기 AHRS 센서의 6면이 순서에 따라 각각 위로 향하도록 고정하는 단계, 상기 순서에 따라 상기 3축 가속도 센서로부터 중력에 의한 가속도를 수집하여 각 면이 중력에 대하여 기울어진 각을 아크탄젠트 함수를 이용하여 계산하는 단계, 그리고 상기 6면에 대한 상기 기울어진 각을 평균하여 중력 가속도의 방향을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서에 의하면 AHRS 센서 내부에 있는 관성 센서의 바이어스 및 스케일 오차를 실험적으로 그리고 실시간으로 정밀하게 보정할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 보정 장치 및 방법에 의하면 AHRS 센서 내부의 관성 센서가 가지고 있는 바이어스 및 스케일 오차를 AHRS 센서 단위로 실험적으로 그리고 실시간으로 정밀하게 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 홀더의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서가 장착되어 있는 센서 홀더의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서의 보정 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 홀더가 AHRS 센서 보정 장치에 장착되어 있는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서와 도 4에 도시한 제어부의 블록도이다.
도 6은 각속도 바이어스 및 스케일 보정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 가속도 바이어스 및 스케일 보정을 설명하기 위한 개략도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 홀더의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서가 장착되어 있는 센서 홀더의 개략도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서의 보정 장치의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 홀더가 AHRS 센서의 보정 장치에 장착되어 있는 개략도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서와 도 4에 도시한 제어부의 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 센서 홀더(200)는 일정한 두께를 가지고 서로 수직인 3개의 평평한 4각 면, 즉 x면(210), y면(220), z면(230)으로 이루어져 있으며, 2개의 맞닿은 면 사이에 부채꼴 모양의 3개의 가림막(240)이 구비되어 있다. 이들 3개의 면(210, 220, 230)과 3개의 가림막(240)으로 생성되는 내부 공간에 AHRS 센서(300)를 넣고 보정을 수행할 수 있으며, 3개의 면(210, 220, 230)과 3개의 가림막(240)은 AHRS 센서(300)가 흔들리거나 움직이지 않도록 지지하는 역할을 한다. 가림막(240) 사이로 AHRS 센서(300)를 넣고 뺄 수 있어야 하므로 가림막(240)의 크기 및 모양은 그 사이가 적당히 여유 있는 공간이 있도록 설계할 필요가 있다.
센서 홀더(200)에 AHRS 센서(300)를 넣고 보정을 수행하는 동안은 충진재를 센서 홀더(200)와 AHRS 센서(300) 사이의 빈 공간에 채워 AHRS 센서(300)가 움직이지 않도록 한다.
센서 홀더(200)에 하나의 AHRS 센서(300)만을 넣고 보정을 수행할 수도 있으나, 생산성 및 제조 효율을 높이기 위하여 하나의 센서 홀더(200)에 복수의 AHRS 센서(300)를 넣고 한꺼번에 보정하는 것이 좋다. 도 2에는 예시적으로 3개의 AHRS 센서(300)가 센서 홀더(200)에 넣어져 있는 것으로 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 AHRS 센서 보정 장치는 제어부(110), 모터 구동부(120), 전원(130), 모터(140), 디스크(150), 수직판(160), 바닥판(170) 및 나사 다리(180)를 포함한다.
AHRS 센서 보정 장치는 센서 홀더(200)를 장착하여 180도, 360도 또는 임의의 각도로 회전할 수 있도록 이루어진다. 이 보정 장치는 엔코더가 장착된 모터(140)와 모터 구동부(120)로 구동되며 제어부(110)의 명령에 따라 180도, 360도 또는 임의의 각도로 회전하게 된다. 모터(140)는 스텝 모터가 좋으나 이에 한정되지 않는다. 스텝 모터의 경우 증분 엔코더를 장착하여 모터(140)의 상대 회전각을 알 수 있으며, 엔코더의 인덱스 신호로부터 절대 회전각을 판별할 수 있다.
모터(140) 축에 연결된 디스크(150)는 센서 홀더(200)를 끼울 수 있는 홈이 있으며, 이 홈에 센서 홀더(200)를 끼우고 클램프(190)로 고정하게 된다. 모터(140)는 바닥판(170)에서 수직으로 서 있는 수직판(160)에 장착된다. 바닥판(170)의 수평도를 조절하기 위해서 바닥판(170)에는 4 개의 수평 조절용 나사 다리(180)를 가진다. 이 나사 다리(180)를 각각 돌려 바닥판(170)을 수평하게 만들 수 있다.
도 5를 참고하면 본 발명의 실시예에 따른 AHRS 센서(300)는 관성 센서(310), 보정부(320) 및 연산부(330)를 포함하고, 보정 동작이 요구될 때 AHRS 센서 보정 장치의 제어부(110)와 연결되어 제어부(110)로부터의 지시에 따라 보정 동작을 수행한다.
이를 위하여 제어부(110)는 AHRS 센서(300)에 구비되어 있는 커넥터(도시하지 않음)에 통신선을 연결하여 AHRS 센서(300)와 신호를 주고받는다. 통신 방식으로 RS-232C 통신 또는 CAN 통신 방식을 이용할 수 있다.
관성 센서(310)는 MEMS 기반 센서로 이루어지며, 3축의 각속도 센서, 3축의 가속도 센서 및 3축의 자기 센서를 구비하여 해당 센서의 데이터를 출력한다.
보정부(320)는 AHRS 센서 보정 장치와 연동하여 관성 센서(310)의 출력 데이터를 획득하고 이를 이용하여 각속도의 바이어스 및 스케일, 가속도의 바이어스 및 스케일, 중력 가속도의 방향을 보정한다. 즉, 도 4에 도시한 것처럼 센서 홀더(200)에 AHRS 센서(300)가 넣어져 있고 센서 홀더(200)가 AHRS 센서 보정 장치의 디스크(150)에 장착되어 있어 모든 준비가 완료되면 제어부(110)는 보정 동작의 시작을 AHRS 센서(300)의 보정부(320)에 알리고 미리 정해진 보정 동작 시나리오에 따라 모터(140)가 동작하도록 AHRS 센서 보정 장치를 제어한다. 이에 대응하여 보정부(320)도 보정 동작 시나리오에 따른 관성 센서(310)의 출력 데이터를 획득하고 이를 이용하여 보정을 수행한다. 보정 동작 시나리오는 AHRS 센서(300)의 방향, 시간 간격, 측정 회수 등으로 정의될 수 있으며, 넓은 의미로는 각속도 센서의 바이어스 및 스케일, 가속도 센서의 바이어스 및 스케일 및 중력 가속도의 방향 보정 등 AHRS 센서(300) 전체의 보정을 위한 시나리오를 포함한다.
제어부(110)는 AHRS 센서(300)의 보정부(320)에 보정 동작 시작을 알리거나 어떠한 보정을 수행해야 하는지 지시할 수 있고, 보정부(320)는 이에 따라 해당 보정을 수행한다.
연산부(330)는 보정부(320)에 의하여 보정이 완료되면 관성 센서(310)의 출력 데이터와 보정부(320)에 의한 보정 데이터를 이용하여 AHRS 센서(300)의 출력인 3축 회전 각도(roll, pitch, yaw)를 계산한다.
보정부(320)는 보정 알고리즘으로 구현되어 CPU 또는 MCU 등으로 구현되는 연산부(330) 내에 실장될 수 있다. 따라서 AHRS 센서 보정 장치는 AHRS 센서(300)가 자체적으로 보정을 수행할 수 있도록 외부 환경을 만들어 주고 AHRS 센서(300) 내부의 보정 알고리즘을 이용하여 센서 자체적으로 보정을 수행하게 된다.
이와 같은 방법으로 AHRS 센서(300)를 실험적으로 또한 실시간으로 보정을 수행할 수 있으며, AHRS 센서(300)를 제조하면서 제품 출하 전에 이러한 보정을 수행함으로써 센서의 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그러면 AHRS 센서 보정 장치와 AHRS 센서(300)의 보정부(320)가 각속도 및 가속도 센서의 바이어스 및 스케일에 대하여 보정을 하는 방법에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.
도 6은 각속도 바이어스 및 스케일 보정을 설명하기 위한 개략도이고, 도 7은 가속도 바이어스 및 스케일 보정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6을 참고하면, 각속도 센서의 바이어스를 계산하기 위해서 AHRS 센서 보정 장치는 AHRS 센서(300)를 일정 시간 동안 움직이지 않도록 고정한다. 예를 들면 수 초 정도의 시간 동안 x축, y축, z축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 수집한 데이터의 평균을 내어 각속도 센서의 바이어스를 계산한다.
그리고 스케일을 계산할 때는 AHRS 센서 보정 장치가 AHRS 센서(300)를 정밀하게 360도 회전시키고 360도 회전하였을 때 실제 측정되는 회전량과 비교함으로써 보정해야 할 스케일을 계산할 수 있다.
각속도 센서 데이터의 실제 측정 값(ωmeasure)은 실제 값(ωreal)에 바이어스와 스케일 변화가 포함되어 있으며, 다음 [수학식 1]과 같이 표현된다. 여기서 각속도 센서의 바이어스와 스케일은 상수라고 가정한다.
[수학식 1]
Figure 112018132017355-pat00001
AHRS 센서(300)가 회전하지 않는다면 실제 값(ωreal)이 0이 되기 때문에 바이어스는 다음 [수학식 2]와 같이 계산된다. 즉, 멈춘 상태에서 수집된 데이터의 평균이 각속도 센서의 바이어스가 된다.
[수학식 2]
Figure 112018132017355-pat00002
각속도 센서의 스케일을 보정하는 방법은 AHRS 센서(300)를 한 바퀴(360도) 회전시키면서 각속도를 적분할 때 360도가 되는지 비율을 구해 보는 것이다. 360도보다 작은 값이 측정된다면 스케일 값은 1보다 커질 것이고 360도보다 큰 값이 측정된다면 스케일 값은 1보다 작아질 것이다.
스케일 보정 방법을 수식으로 정리하면 다음 [수학식 3]과 같다. 각속도 센서 데이터의 실제 측정 값(ωmeasure)을 한 바퀴 회전하여 적분하면 실제 값(ωreal)에 바이어스와 스케일에 의한 변화가 포함되어 있을 것이다.
[수학식 3]
Figure 112018132017355-pat00003
스케일에 대하여 정리하면 다음 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112018132017355-pat00004
여기서 바이어스 값은 이미 알고 있기 때문에 상기 [수학식 4]로 스케일을 계산할 수 있게 된다.
<각속도 센서의 바이어스 계산 방법>
1. AHRS 센서(300)를 센서 홀더(200)에 고정하고 센서 홀더(200)를 AHRS 센서 보정 장치의 디스크(150)에 장착하여 AHRS 센서(300)를 움직이지 않게 고정한다.
2. AHRS 센서(300)가 고정되어 있는 상태에서 수 초간 각속도 출력 데이터 (ωx,ωy,ωz)를 수집한다.
3. 수집한 데이터의 각각의 평균을 구하면 [수학식 2]에 의해 각속도의 x축, y축, z축 바이어스가 된다.
<각속도 센서의 스케일 계산 방법>
1. AHRS 센서(300)를 센서 홀더(200)에 고정하고 센서 홀더(200)를 AHRS 센서 보정 장치의 디스크(150)에 장착하여 AHRS 센서(300)를 움직이지 않게 고정한다.
2. x축 각속도 출력 데이터 (ωx)에 대하여 적분을 시작한다.
3. x축을 기준으로 AHRS 센서(300)를 천천히 360도 회전시킨다.
4. x축 각속도 출력 데이터의 적분을 종료한다.
5. x축 적분 값으로부터 [수학식 4]에 의해 x축 스케일을 계산한다.
6. 2 내지 5의 과정을 y축과 z축에 대하여 동일하게 수행한다.
그러면 가속도 센서의 바이어스 및 스케일 보정 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
가속도 센서의 바이어스와 스케일은 지구 표면의 중력이 1g라는 사실을 활용하여 계산된다. 도 7을 참고하면, 먼저 AHRS 센서(300)를 +x축이 위를 향하도록 AHRS 센서 보정 장치에 고정한다. 그리고 가속도 값을 1차 측정한다. 다시 AHRS 센서(300)의 -x축이 위를 향하도록 방향을 180도 회전하여 고정한다. 그리고 가속도 값을 2차 측정한다. 이 과정에서 가속도 센서는 x축으로 작용하는 중력가속도의 최댓값과 최솟값을 측정한다. 그리고 측정된 값들로부터 x축에 대한 가속도 센서의 바이어스와 스케일을 계산한다.
가속도 센서 데이터의 실제 측정 값(ameasure)은 센서가 고정되어 있을 때 측정되는 실제 중력 값(ag)에 바이어스와 스케일 변화가 포함되어 있으며, 다음 [수학식 5]와 같이 표현된다. 여기서 가속도 센서의 바이어스와 스케일은 상수라고 가정한다.
[수학식 5]
Figure 112018132017355-pat00005
바이어스 계산을 위해, 1차와 2차 측정값을 더하면 다음과 같은 [수학식 6]이 된다.
[수학식 6]
Figure 112018132017355-pat00006
이 식을 정리하면 다음 [수학식 7]과 같이 바이어스를 계산할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018132017355-pat00007
스케일 계산을 위해, 1차와 2차 측정값을 빼면 다음과 같은 [수학식 8]이 된다.
[수학식 8]
Figure 112018132017355-pat00008
이 식을 정리하면 다음 [수학식 9]와 같이 스케일을 계산할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018132017355-pat00009
<가속도 센서의 바이어스와 스케일 계산 방법>
1. AHRS 센서(300)를 센서 홀더(200)에 고정하고 센서 홀더(200)를 AHRS 센서 보정 장치의 디스크(150)에 장착하여 x축이 위로 향하도록 AHRS 센서(300)를 고정한다.
2. x축의 가속도를 1차 측정 한다.
3. x축이 아래로 향하도록 고정한다.
4. x축의 가속도를 2차 측정 한다.
5. x축의 바이어스를 [수학식 7]로 계산한다.
6. x축의 스케일을 [수학식 9]로 계산한다.
7. 1 내지 6의 과정을 y축과 z축에 대해서도 동일하게 수행한다.
그러면 다음으로 중력 가속도의 방향 보정 방법, 즉 MEMS 센서 칩이나 AHRS 센서(300)를 장비에 장착할 때 발생하는 기울어짐을 보상하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
센서 칩을 PCB에 장착하거나, AHRS 센서(300)를 동체에 장착할 때 약간 기울어져 장착될 수 있다. 이렇게 약간의 기울어짐은 중력 가속도의 방향으로 각도를 보정할 때 기울어짐이 반영되어 roll과 pitch 각도가 약간 틀어지도록 작동한다.
이때 센서를 보정하는 방법은 다음과 같다.
센서의 6면에 대하여 중력 벡터 측정과 기울어진 각도를 계산하기 위하여 x- 방향, x+ 방향, y- 방향, y+ 방향, z- 방향, z+ 방향으로 가속도를 측정한다. 여기서 측정된 가속도는 중력에 의한 가속도이다.
첫 번째 예로 x- 방향에 대하여 중력 벡터의 기울어짐을 측정한다면 x축 회전은 측정이 불가능하지만 y축과 z축은 다음과 같이 아크 탄젠트 함수를 사용하여 기울어진 각을 측정할 수 있다.
이렇게 6면이 기울어진 각에 대하여 평균을 내어 실제 센서가 x, y, z 축으로 기울어진 양을 계산하게 된다. 센서가 기울어진 양을 알게 되면 측정된 가속도 데이터를 기울어진 반대 방향으로 회전하여 z축에 정렬되도록 할 수 있다.
[수학식 10] x- 방향
Rx1 = 0
Ry1 = +atan2(-gz, -gx)
Rz1 = -atan2(-gy, -gx)
[수학식 11] x+ 방향
Rx2 = 0
Ry2 = +atan2(+gz, +gx)
Rz2 = -atan2(+gy, +gx)
[수학식 12] y- 방향
Ry3 = 0
Rz3 = +atan2(-gx, -gy)
Rx3 = -atan2(-gz, -gy)
[수학식 13] y+ 방향
Ry4 = 0
Rz4 = +atan2(+gx, +gy)
Rx4 = -atan2(+gz, +gy)
[수학식 14] z- 방향
Rz5 = 0
Rx5 = +atan2(-gy, -gz)
Ry5 = -atan2(-gx, -gz)
[수학식 15] z+ 방향
Rz6 = 0
Rx6 = +atan2(+gy, +gz)
Ry6 = -atan2(+gx, +gz)
최종적으로 기울어진 각도 (Rx, Ry, Rz)는 다음 [수학식 16]과 같이 계산한다.
[수학식 16]
Figure 112018132017355-pat00010
<중력 회전 행렬 계산 방법>
1. AHRS 센서(300)를 센서 홀더(200)에 고정하고 센서 홀더(200)를 AHRS 센서 보정 장치의 디스크(150)에 장착하여 x- 축이 위로 향하도록 AHRS 센서(300)를 고정한다.
2. x축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx1, Ry1, Rz1)을 [수학식 10]과 같이 계산한다.
3. AHRS 센서(300)를 x+ 축이 위로 향하도록 고정한다.
4. x축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx2, Ry2, Rz2)을 [수학식 11]과 같이 계산한다.
5. AHRS 센서(300)를 y+ 축이 위로 향하도록 고정한다.
6. y축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx3, Ry3, Rz3)을 [수학식 12]와 같이 계산한다.
7. AHRS 센서(300)를 y- 축이 위로 향하도록 고정한다.
8. y축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx4, Ry4, Rz4)을 [수학식 13]과 같이 계산한다.
9. AHRS 센서(300)를 z+ 축이 위로 향하도록 고정한다.
10. z축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx5, Ry5, Rz5)을 [수학식 14]와 같이 계산한다.
11. AHRS 센서(300)를 z- 축이 위로 향하도록 고정한다.
12. z축의 가속도를 측정하고 가속도로부터 중력 벡터의 회전한 각도 (Rx6, Ry6, Rz6)을 [수학식 15]와 같이 계산한다.
13. 중력 벡터의 기울어진 각도 (Rx, Ry, Rz)를 [수학식 16]으로 계산한다.
14. 기울어진 각도로부터 중력 벡터의 회전행렬(Rotation Matrix)을 계산한다.
이와 같은 방법으로 계산함으로써 AHRS 센서(300)의 각속도, 가속도의 바이어스 및 스케일을 보정하고, 중력 가속도의 방향을 보정할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
110: 제어부,
120: 모터 구동부,
130: 전원,
140: 모터,
150: 디스크,
160: 수직판,
170: 바닥판,
180: 나사 다리,
190: 클램프,
200: 센서 홀더,
210, 220, 230: x면, y면, z면
240: 가림막
300: AHRS 센서,
310: 관성 센서,
320: 보정부,
330: 연산부

Claims (14)

  1. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 관성 센서,
    센서 보정 장치로부터 보정 동작 시작을 지시받아 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 보정 동작을 수행하는 보정부, 그리고
    상기 관성 센서의 출력과 상기 제1 및 제2 바이어스, 그리고 상기 제1 및 제2 스케일을 이용하여 3축 회전 각도를 계산하는 연산부
    를 포함하고,
    상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서를 미리 정해져 있는 시간 동안 고정시키고, 상기 보정부는 상기 3축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 상기 수집된 데이터의 평균을 이용하여 상기 제1 바이어스를 계산하며,
    상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서를 360도 회전시키고, 상기 보정부는 상기 관성 센서가 360도 회전하면서 출력하는 각속도를 수집하여 적분하고 상기 수집된 적분값과 상기 제1 바이어스를 이용하여 상기 제1 스케일을 계산하는
    AHRS 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 센서 보정 장치와 통신 연결할 수 있는 커넥터를 더 포함하는 AHRS 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 보정부는 상기 센서 보정 장치로부터 상기 보정 동작 시작을 지시받으면 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 보정 동작을 수행하는 AHRS 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 센서 보정 장치는 상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 관성 센서의 방향을 제어하는 AHRS 센서.
  5. 삭제
  6. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 관성 센서,
    센서 보정 장치로부터 보정 동작 시작을 지시받아 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 보정 동작을 수행하는 보정부, 그리고
    상기 관성 센서의 출력과 상기 제1 및 제2 바이어스, 그리고 상기 제1 및 제2 스케일을 이용하여 3축 회전 각도를 계산하는 연산부
    를 포함하고,
    상기 센서 보정 장치는 어느 한 축의 가속도 센서가 위로 향하도록 상기 관성 센서를 고정한 채 상기 보정부가 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제1 출력값을 수집하고,
    상기 센서 보정 장치는 상기 어느 한 축의 가속도 센서가 아래로 향하도록 상기 관성 센서를 고정한 채 상기 보정부가 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제2 출력값을 수집하며,
    상기 보정부는 상기 제1 및 제2 출력값을 이용하여 상기 제2 바이어스 및 제2 스케일을 계산하는 AHRS 센서.
  7. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 관성 센서,
    센서 보정 장치로부터 보정 동작 시작을 지시받아 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 보정 동작을 수행하는 보정부, 그리고
    상기 관성 센서의 출력과 상기 제1 및 제2 바이어스, 그리고 상기 제1 및 제2 스케일을 이용하여 3축 회전 각도를 계산하는 연산부
    를 포함하고,
    상기 센서 보정 장치는 상기 관성 센서의 6면이 순서에 따라 각각 위로 향하도록 고정하고, 상기 보정부는 상기 순서에 따라 상기 3축 가속도 센서로부터 중력에 의한 가속도를 수집하여 각 면이 중력에 대하여 기울어진 각을 아크탄젠트 함수를 이용하여 계산하고, 상기 6면에 대한 상기 기울어진 각을 평균하여 중력 가속도의 방향을 보정하는 AHRS 센서.
  8. AHRS 센서의 방향을 제어하는 모터, 그리고
    상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하고, 미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 모터를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 AHRS 센서는 상기 보정 동작 시작을 지시받으면 상기 보정 동작 시나리오에 따라 3축 각속도 센서의 바이어스 및 스케일을 보정하되,
    상기 모터가 상기 AHRS 센서를 미리 정해져 있는 시간 동안 고정시키고, 상기 AHRS 센서는 상기 3축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 상기 수집된 데이터의 평균을 이용하여 상기 바이어스를 계산하고,
    상기 모터가 상기 AHRS 센서를 360도 회전시키고, 상기 AHRS 센서는 상기 AHRS 센서가 360도 회전하면서 출력하는 각속도를 수집하여 적분하고 상기 수집된 적분값과 상기 바이어스를 이용하여 상기 스케일을 계산하는
    AHRS 센서 보정 장치.
  9. 제8항에서,
    적어도 하나의 상기 AHRS 센서를 수납하는 센서 홀더, 그리고
    상기 모터에 결합되어 있으며 상기 센서 홀더를 고정하는 고정부
    를 더 포함하는 AHRS 센서 보정 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 센서 홀더는 서로 수직인 3개의 면으로 이루어져 있으며, 2개의 맞닿은 면 사이에는 가림막이 구비되어 있는 AHRS 센서 보정 장치.
  11. 삭제
  12. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 AHRS 센서의 오차 보정 방법으로서,
    상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하는 단계,
    미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 AHRS 센서의 방향을 제어하는 단계, 그리고
    상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 바이어스 및 제1 스케일 보정 단계는,
    상기 AHRS 센서를 미리 정해져 있는 시간 동안 고정시키고, 상기 3축 각속도 센서의 데이터를 수집하고 상기 수집된 데이터의 평균을 이용하여 상기 제1 바이어스를 계산하는 단계, 그리고
    상기 AHRS 센서를 360도 회전시키고, 상기 AHRS 센서가 360도 회전하면서 출력하는 각속도를 수집하여 적분하고 상기 수집된 적분값과 상기 제1 바이어스를 이용하여 상기 제1 스케일을 계산하는 단계
    를 포함하는 오차 보정 방법.
  13. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 AHRS 센서의 오차 보정 방법으로서,
    상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하는 단계,
    미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 AHRS 센서의 방향을 제어하는 단계, 그리고
    상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 바이어스 및 제2 스케일 보정 단계는,
    어느 한 축의 가속도 센서가 위로 향하도록 상기 AHRS 센서를 고정한 채 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제1 출력값을 수집하는 단계,
    상기 어느 한 축의 가속도 센서가 아래로 향하도록 상기 AHRS 센서를 고정한 채 상기 어느 한 축의 가속도 센서의 제2 출력값을 수집하는 단계, 그리고
    상기 제1 및 제2 출력값을 이용하여 상기 제2 바이어스 및 제2 스케일을 계산하는 단계
    를 포함하는 오차 보정 방법.
  14. 3축의 각속도 센서 및 3축의 가속도 센서를 포함하는 AHRS 센서의 오차 보정 방법으로서,
    상기 AHRS 센서로 보정 동작 시작을 지시하는 단계,
    미리 정해져 있는 보정 동작 시나리오에 따라 상기 AHRS 센서의 방향을 제어하는 단계, 그리고
    상기 보정 동작 시나리오에 따라 상기 3축의 각속도 센서의 제1 바이어스 및 제1 스케일을 보정하고, 상기 3축의 가속도 센서의 제2 바이어스 및 제2 스케일을 보정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 AHRS 센서의 6면이 순서에 따라 각각 위로 향하도록 고정하는 단계,
    상기 순서에 따라 상기 3축 가속도 센서로부터 중력에 의한 가속도를 수집하여 각 면이 중력에 대하여 기울어진 각을 아크탄젠트 함수를 이용하여 계산하는 단계, 그리고
    상기 6면에 대한 상기 기울어진 각을 평균하여 중력 가속도의 방향을 보정하는 단계
    를 더 포함하는 오차 보정 방법.
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