KR102351946B1 - 확장 칼만 필터 기반 자율적 자력계 교정 기법 - Google Patents

확장 칼만 필터 기반 자율적 자력계 교정 기법 Download PDF

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Abstract

시스템 및 방법은 자이로스코프(22)와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하고 자력계(10)와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 것을 제공할 수 있다. 또한, 제 1 센서 데이터, 제 2 센서 데이터 및 확장 칼만 필터는 자력계(10)를 교정하는 데 사용될 수 있다. 일 예시에서, 자력계(10)의 샘플링 레이트는 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 증가되고, 자력계(10)의 샘플링 레이트는 자력계(10)의 교정 후에 감소된다.

Description

확장 칼만 필터 기반 자율적 자력계 교정 기법{EXTENDED KALMAN FILTER BASED AUTONOMOUS MAGNETOMETER CALIBRATION}
실시예는 일반적으로 자력계 교정에 관한 것이다. 특히, 실시예는 확장 칼만 필터(extended Kalman filter: EKF) 기반 자율적 자력계 교정에 관한 것이다.
자력계(magnetometer)는 일반적으로 자기장의 강도와 방향을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 소형화된 자력계는 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터와 같은 핸드헬드 디바이스의 나침반으로 사용될 수 있다. 그러나, 소형화된 자력계의 다른 자성 물체에 대한 민감도는 정확도에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 인근의 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착된 자화된 강자성 컴포넌트는 핸드헬드 디바이스의 자력계에 "강철 효과(hard-iron effect)"를 생성할 수 있다. 또한, 인근 PCB의 정상적으로 자화되지 않은 강자성 컴포넌트 상에 간섭 자기장을 유도하는 지구의 자기장으로부터 "연철 효과(soft-iron effect)"가 초래될 수 있다. 강철 효과 및 연철 효과는 둘 다, 자력계의 측정치가 3 차원(3D) 공간에서 구체가 아닌 타원체를 형성하게 한다.
종래의 "타원체 피팅(ellipsoid fitting)" 솔루션은 원 측정점(raw measurment points)을 타원체의 표면에서 구체의 표면으로 재배치하기 위해 자력계에 대한 최적화된 교정 파라미터를 결정하고자 할 수 있지만, 상당한 개선의 여지가 남아 있다. 예를 들어, 자력계로부터의 측정 데이터 세트가 작거나 불규칙적으로 분포하는 경우, "오버피팅(overfitting)"이 발생할 수 있으며, 이는 결과적으로 교정 결과를 악화시킬 수 있다. 또한, 종래의 타원체 피팅 솔루션은 디바이스의 사용자에게 핸드헬드 디바이스를 사용하여 "8자(Figure 8)"와 같은 어색하고, 불편하며/하거나 복잡한 제스처를 수행하도록 촉구할 수 있다. 또한, 종래의 타원체 피팅 솔루션은 수동 트리거링에 의존할 수 있으며, 이는 추가적으로 사용자 경험에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
실시예의 다양한 이점은 다음의 명세서 및 첨부된 청구범위를 읽음으로써 그리고 다음의 도면을 참조함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 실시예에 따른 자력계 교정 환경의 예의 도면이다.
도 2 및 도 3은 실시예에 따른 교정 장치를 동작시키는 방법의 예의 흐름도이다.
도 4는 실시예에 따른 시스템의 예의 블록도이다.
도 5는 실시예에 따른 교정 결과의 예의 도면이다.
이제 도 1을 참조하면, 자력계(10)(예를 들어, 마이크로 전기 기계 시스템/MEMS 칩으로 구현됨)가 자율적으로 교정되는 환경이 도시된다. 도시된 예에서, 자력계(10)는, 하나 이상의 강철 효과 컴포넌트(14)(예를 들어, 스피커 자석) 및 하나 이상의 연철 효과 컴포넌트(16)(예를 들어, 전자기 간섭/EMI 차폐, 나사, 배터리 접촉)를 또한 포함하는 인쇄 회로 보드(PCB)(12)에 장착된다. 강철 효과 컴포넌트(14)는 자력계(10)의 측정 정확도에 영향을 주는 자화된 강자성 컴포넌트일 수 있다. 연철 효과 컴포넌트(16)는, 지자기장(geomagnetic field)(18)에 의해 연철 효과 컴포넌트(16) 상에 유도되는 간섭 자기장으로 인해 역시 자력계(10)의 측정 정확도에 영향을 주는 정상적으로 자화되지 않은 강자성 컴포넌트일 수 있다. 도시된 자력계(10)는 자력계(10)로부터의 센서 데이터, 자이로스코프(22)로부터의 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터(EKF)를 사용하여 자력계(10)를 교정하는 교정 장치(20)에 결합된다.
보다 상세히 설명되는 바와 같이, 교정 장치(20)는 두 가지 관측의 독특한 기술적 적용을 제공할 수 있는데, 1) 동일한 위치에서, 디바이스의 방위에 관계없이 환경 자기장의 크기는 일정하고, 2) 교정된 자력계 측정치의 변화는 자이로스코프를 통해 측정될 수 있는 디바이스 방위의 변화에 맞춰 조정된다. 보다 구체적으로, 강철 효과 및 연철 효과는 이러한 두 가지 관측에 기초하여 실시간으로 결정 및/또는 정량화될 수 있다. 결과적으로, 도시된 접근법은 불편하거나 복잡한 제스처를 사용자에게 요구하지 않으면서 작고 불균일하게 분포된 측정 데이터 세트에 대한 효과적인 교정을 가능하게 한다. 실제로, 도시된 솔루션은 (예를 들어, 사용자에게 투명한) 배경에서 실행되는 교정 동작의 자동 트리거링을 가능하게 할 수 있다.
도 2는 교정 장치를 작동시키는 방법(24)을 도시한다. 방법(24)은 일반적으로 이미 설명된 교정 장치(20)(도 1)와 같은 교정 장치에서 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 방법(24)은, 하나 이상의 모듈로서, RAM(random access memory), ROM(read only memory), PROM(programmable ROM), 펌웨어, 플래시 메모리 등과 같은 머신 또는 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장된 로직 명령어의 세트로, 예를 들어, PLA(programmable logic array), FPGA(field programmable gate array), CPLD(complex programmable logic device)와 같은 구성가능 로직으로, 예를 들어, ASIC(application specific integrated circuit), CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 또는 TTL(transistor-transistor logic) 기술과 같은 회로 기술을 사용하는 일정 기능 하드웨어 로직으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 도시된 처리 블록(26)은 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 것을 제공하며, 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터는 블록(28)에서 획득될 수 있다. 블록(30)은 제 1 센서 데이터, 제 2 센서 데이터 및 EKF를 사용하여 자력계를 교정할 수 있다.
보다 상세히 설명되는 바와 같이, 블록(30)은 EKF에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 블록(30)은, 다음과 같이 작성될 수 있는 자력계 측정 모델을 사용할 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00001
여기서, Bp는 자력계 센서 측정치이고,
A는 지구 좌표계로부터 물체 좌표계(body coordinate)로의 디바이스의 회전 행렬이고,
B는 지구 좌표계의 자기장이다. 정의에 의해, 이것은 [0, by, bz] 일 수 있으며, 여기서 by와 bz는 지구의 자기장 모델에 따라 테스트 위치로부터 계산될 수 있다,
bsensor는 자력계의 측정 바이어스이고(일정한 값일 수 있음),
ε는 자력계의 측정 오차이다(백색 잡음으로 모델링될 수 있음).
연철 및 강철 효과
이미 설명된 바와 같이, 자력계는 강철 및 연철 효과에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 간섭을 고려하여, 측정 모델은 다음과 같이 재작성될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00002
여기서, W는 비-직교 오차 행렬 WnonOrth, 이득 오차 행렬 Wgain 및 연철 효과 행렬 Wsoft를 포함하는 3 × 3 대칭 행렬이고, b는 센서로부터의 바이어스 bsensor 및 인쇄 회로 기판으로부터의 강철 효과 bPCB를 포함하는 3 × 1 강철 행렬이다.
식 (2)에서, W 및 b가 알려지면, 교정된 측정치는 다음과 같이 쉽게 정의될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00003
관측 #1－일정한 크기
이미 언급했듯이, 동일한 위치에서는 장치의 방위에 관계없이 환경 자기장의 크기가 일정하다는 관측이 이루어질 수 있다. 따라서, 다음식이 공식화될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00004
위의 수학식은 b를 중심으로 하는 타원체의 표면에 놓여있는 벡터 Bp의 궤적을 정의하는 일반적인 수식일 수 있다. 따라서, 타원체 피팅 알고리즘을 적용하여 교정 파라미터 W 및 b를 획득할 수 있다.
관측 #2－자이로스코프 조정
종래의 타원체 피팅 기술에는 현실적인 한계가 있을 수 있기 때문에, 교정된 자력계 측정치의 변화가 자이로스코프를 통해 측정될 수 있는 장치 방위의 변화에 맞춰 조정된다는 또 다른 관측이 이루어질 수 있다. 따라서, 다음 수학식이 공식화될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00005
여기서,
Ak 및 Ak +1은 시간 k 및 k+1에서의 회전 매트릭스 A이고,
Bcal,k 및 Bcal,k +1은 시간 k 및 k+1에서 교정된 자력계 측정치이고,
ωx, ωy, ωz는 3 축 교정된 자이로스코프 측정치이며,
dt는 시간 k와 k+1 사이의 시간 간격이다.
확장 칼만 필터( EKF ) 교정
관측 #1 및 관측 #2에서, 칼만 필터 상태는 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00006
여기서, W11-W23은 연철 행렬 W의 요소이다. 따라서, 상태 전이 모델은 다음과 같이 작성될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00007
여기서,
ωx,k, ωx,k, ωx,k는 시간 k에서 교정된 자이로스코프 값이고,
εω는 교정된 자이로스코프의 측정 잡음이다.
따라서 관측 모델은 다음과 같이 작성될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00008
여기서, Bp,k +1은 시간 k+1 에서 교정되지 않은 자력계 측정치이다.
선형 상태 전이 수학식 (10) 내지 (12) 및 비선형 관측 함수(13)를 사용함으로써, EKF 수학식을 적용하여 교정된 자력계 측정치, 연철 매트릭스 및 강철 벡터를 결정할 수 있다.
측정 품질 평가
이상적인 교정 후에, 교정된 모든 자력계 측정치는 구체 표면에 위치할 수 있다. 따라서, 자력계 측정치의 크기의 표준 편차는 교정 품질 분석을 수행하는데 사용될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00009
대략적으로, 품질 인덱스는 다음에 의해 각도 측정 오차로 전달될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00010
도 5는 일상적 사용 시나리오로부터의 교정 결과(27)를 도시한다. 도시된 예에서, (예를 들어, 5초와 같은 비교적 짧은 시간 프레임에 걸쳐) 디바이스에 대한 통상적인 픽업 및 풋-다운 동작 중에 교정 데이터 세트(29)가 수집되고, 교정 데이터 세트(29)는 자력계의 교정 파라미터를 결정하는 데 사용된다. 도시된 도면의 나머지 점들은 8자 동작 동안 (예를 들어, 30초와 같은 더 긴 시간 프레임에 걸쳐) 캡처된 테스트 데이터 세트를 나타낸다. 교정 데이터 세트(29)의 동작은 최소한의 회전 운동을 포함하고 교정 공간의 작은 영역만을 커버하지만, 테스트 데이터 세트는 교정된 구체(31)에 잘 맞춰 조정된다는 점에 특히 주목해야 한다.
이제 도 3을 참조하면, 자력계를 교정하는 보다 상세한 방법(32)이 도시된다. 방법(32)은 일반적으로 예를 들어 이미 설명된 교정 장치(20)(도 1)와 같은 교정 장치에서 구현될 수 있다. 특히, 방법(32)은 하나 이상의 모듈로서, RAM, ROM, PROM, 펌웨어, 플래시 메모리 등과 같은 머신 또는 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장된 로직 명령어의 세트로, 예를 들어, PLA, FPGA, CPLD와 같은 구성가능 로직으로, 예를 들어, ASIC, CMOS 또는 TTL의 기술과 같은 일정 기능 하드웨어 로직으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
도시된 처리 블록(34)은 (예를 들어, 사용자 요청에 응답하여) 교정이 수동으로 시작되었는지 여부를 판정한다. 그렇지 않다면, 교정된 자력계 센서 데이터 스트림이 블록(36)에서 판독될 수 있고, 교정된 자력계 센서의 품질 인덱스가 블록(38)에서 계산될 수 있다. 블록(38)은 예를 들어 이미 설명된 수학식 (14)와 같은 수식의 사용을 수반할 수 있다. 블록(40)에서는 자력계의 측정 품질이 불량인지(예를 들어, 특정 임계치 아래로 떨어졌는지) 여부에 대한 판정이 이루어질 수 있다. 그렇지 않다면, 블록(36)에서 자력계 센서 데이터 스트림의 판독이 반복될 수 있다. 자력 측정기의 측정 품질이 불량이거나 수동으로 교정이 시작되었다면, 도시된 블록(42)은 자이로스코프를 활성화시키고 자력계의 샘플링 레이트를 증가시킨다. 이와 관련하여 자력계가 교정되지 않을 때 전원이 꺼진 상태에서 자이로스코프를 유지하면 전력을 보존하고/하거나 배터리 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 자력계는 정상 동작 동안 또는 교정을 자동 트리거할지 여부를 판정할 때 상대적으로 낮은 샘플링 레이트(예를 들어, 1Hz)로 동작될 수 있고, 교정 중에 더 높은 샘플링 레이트(예를 들어, 100Hz)로 동작될 수 있다. 이러한 접근법은 최적의 정확성을 보장하면서 추가적으로 전력을 보존하고/하거나 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.
블록(44)에서는 확장된 칼만 필터(EKF)가 초기화될 수 있으며, 도시된 블록(46)은 교정된 자력계 센서 데이터 스트림을 판독한다. 블록(48)에서는 디바이스(예를 들어, 핸드헬드 디바이스 및/또는 자력계 및 자이로스코프를 포함하는 시스템)가 회전 운동을 시작했는지 여부에 관한 판정이 이루어질 수 있다. 그렇지 않은 경우, 블록(48)이 반복될 수 있다. 일단 회전이 검출되면, 블록(50)은 시간 k에서 교정되지 않은 자력계 센서 데이터 스트림(예를 들어, 교정 파라미터가 자력계에 인가되지 않은 센서 데이터)을 판독할 수 있다. 또한, 도시된 블록(52)은 시간 k에서 자이로스코프 센서 데이터 스트림의 판독을 제공한다. 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 자이로스코프 센서 데이터 스트림은 교정되거나 교정되지 않을 수 있다. 블록(54)에서는 EKF 예측이 수행될 수 있는데, EKF는 블록(56)에서 업데이트/수정될 수 있다. 교정되지 않은 자이로스코프의 경우, 블록(56)은 자이로스코프의 오프셋을 교정하는 것을 또한 포함할 수 있다.
자이로스코프 바이어스를 고려한 EKF 교정
교정되지 않은 자이로스코프는 자력계와 함께 자동으로 교정될 수 있게 하는 선형 상태 전이 모델을 가질 수 있다. 이러한 접근법은 더 나은 성능을 제공할 수 있다. 특히, 상태 벡터는 디음과 같이 선택될 수 있다,
Figure 112017044646152-pct00011
여기서 bω는 자이로스코프 측정치의 오프셋 벡터이다.
따라서, 상태 전이 모듈은 다음과 같이 작성될 수 있다.
Figure 112017044646152-pct00012
여기서,
bxw,k, byw,k, bzw,k는 시간 k에서의 bω의 요소이고,
εb는 bω의 오프셋 불안정 잡음이다.
관측 모델은 수학식(13)과 동일할 수 있다. 위 모델과 함께, EKF가 자이로스코프 교정 프로세스에 적용될 수 있다.
블록(58)은 블록(54 및 56)으로부터 획득된 교정 데이터/파라미터를 사용하여 품질 인덱스를 계산할 수 있다. 따라서, 블록(58)은 예를 들어 이미 설명된 수학식(14)과 같은 수식의 사용을 수반할 수 있다.
도시된 블록(60)은 새로운 교정 파라미터의 품질이 충분히 양호한지 또는 타임 아웃이 발생했는지 여부를 판정한다. 그렇지 않은 경우, 블록(50)이 반복될 수있다. 새로운 교정 파라미터의 품질이 충분히 양호하거나 타임 아웃이 발생한 경우, 교정이 중지될 것인지 여부에 대한 판정이 블록(62)에서 이루어질 수 있다. 그렇지 않은 경우, 블록(64)은 (예를 들어, 상대적으로 낮은 측정 잡음을 갖는) EKF로부터의 교정된 자력계 측정치를 출력하고 블록(50)으로 복귀할 수 있다. 교정이 중지될 경우, 도시된 블록(66)은 (예를 들어, 이전 교정 파라미터를 갖는) 교정된 자력계 센서 데이터 스트림을 판독하고, 도시된 블록(68)은 교정된 자력계의 품질 인덱스를 계산한다. 또한, 교정되지 않은 자력계 센서 데이터 스트림은 블록(70)에서 판독될 수 있으며, 도시된 블록(72)은 새로운 교정 파라미터의 적용 및 품질 인덱스의 계산을 제공한다.
블록(74)에서 새로운 교정 파라미터로부터 더 양호한 품질이 초래되는 것으로 판정되면, 블록(76)은 새롭게 계산된 교정 파라미터를 갱신 및 저장할 수 있다. 또한, 도시된 블록(78)은 자이로스코프를 비활성화시키고 자력계의 샘플링 레이트를 감소시킨다. 블록(74)에서, 새로운 교정 파라미터들로부터 더 나은 품질이 초래되지 않는다고 판정되면, 블록(74)은 블록(44)에서 EKF의 초기화를 반복할 수 있다.
도 4는 지자기장 측정 시스템(geomagnetic field measurement system)(80)을 도시한다. 도시된 시스템(80)은 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 컨버터블 태블릿, 스마트폰, PDA(personal digital assistant), MID(mobile Internet device), 웨어러블 컴퓨터, 미디어 플레이어 등과 같은 모바일 디바이스의 일부이거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 시스템(80)은 자력계(82), 자이로스코프(84), 호스트 프로세서(86)(예컨대, 중앙 처리 유닛/CPU) 및 통합형 센서 장치(88)를 포함할 수 있다. 시스템(80)은 또한, 예를 들어 강철 효과 컴포넌트(14)(도 1)와 같은 하나 이상의 강철 효과 컴포넌트 및/또는 예를 들어 연철 효과 컴포넌트(16)(도 1)와 같은 하나 이상의 연철 효과 컴포넌트를 포함할 수 있다.
일반적으로 상대적으로 낮은 전력 하에서 연속적으로 동작할 수 있는 도시 된 통합형 센서 장치(88)는, 자이로스코프(84)와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하기 위한 자이로스코프 모니터(90) 및 자력계(82)와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하기 위한 자력계 모니터(92)를 포함한다. 자이로스코프(84)는 교정 정확도를 보장하기 위해 균일한 샘플링 레이트를 유지하거나 또는 고정밀 타임 스탬프를 사용할 수 있다. 도시된 자력계(82)는 제 2 센서 데이터를 데이터 버퍼(93)에 저장한다. 또한, 교정기(94)(94a-94c)는 제 1 센서 데이터, 제 2 센서 데이터 및 EKF를 사용하여 자력계(82)를 교정할 수 있다. 특히, 도시된 교정기(94)는, 코어 교정 계산을 수행하는 EKF 교정 컴포넌트(94a), 교정된 자력계 측정치가 충분히 양호/정확한지 여부를 판정하는 측정 품질 평가기(94b), 및 EKF 제어기(94c)를 사용한다. 도시된 교정 컴포넌트(94a)는 코어 교정의 결과를 자력계 스토리지(96)뿐만 아니라 데이터 버퍼(93)에 저장한다. EKF 제어기(94c)는, 자력계 측정 품질이 불량이면 EKF 교정 컴포넌트(94a)를 작동/활성화시킬 수 있고, 교정 결과가 수용 가능하거나 교정 타임 아웃이 발생한 경우 EKF 교정 컴포넌트(94a)를 작동억제/비활성화할 수 있고, 교정 결과가 이전 교정 파라미터보다 더 나쁜 경우 EKF 교정 컴포넌트(94a)를 재시작할 수 있다.
자력계 스토리지(96)는 예를 들어 이미 설명된 연철 매트릭스(W) 및 강철 벡터(b)와 같은 자력계 교정 파라미터를 저장할 수 있다. 자이로스코프 스토리지(98)는 예를 들어 자이로스코프 측정 오프셋과 같은 자이로스코프 교정 파라미터를 선택적으로 저장할 수 있다. 이와 관련하여, 교정기(94)는 자이로스코프(84)가 교정되지 않은 상태일 때 자이로스코프(84)의 오프셋을 (점선으로 도시된 바와 같이) 교정할 수 있다. 도시된 장치(88)는 또한, 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 자력계(82)의 샘플링 레이트를 증가시키고 자력계(82)의 교정 후에 자력계(82)의 샘플링 레이트를 감소시키는 자력계 제어기(100)를 포함한다. 일 예에서, 장치(88)는, 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 자이로스코프(84)를 활성화시키고 자력계(82)의 교정 후에 자이로스코프(84)를 비활성화시키는 자이로스코프 제어기(102)를 더 포함할 수 있다. 또한, 움직임 검출기(104)는 자력계(82)와 연관된 회전 이벤트를 검출할 수 있는데, 여기서 제 2 센서 데이터는 회전 이벤트에 대한 응답으로 획득된다.
추가 참고 사항 및 예
예 1은, 지자기장 측정 시스템(geomagnetic field measurement system)으로서, 자력계(magnetometer)와, 자이로스코프(gyroscope)와, 하나 이상의 강철 효과 컴포넌트(hard-iron effect components) 및 하나 이상의 연철 효과 컴포넌트(soft-iron effect components)를 포함하는 회로 기판과, 통합형 센서 장치를 포함하되, 상기 통합형 센서 장치는, 상기 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 자이로스코프 모니터와, 상기 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 자력계 모니터와, 상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터(extended Kalman filter)를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 교정기(calibrator)를 포함하는, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 2는, 예 1에 있어서, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 자력계 제어기를 더 포함하는, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 3은, 예 1에 있어서, 상기 통합형 센서 장치는, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 자이로스코프 제어기를 더 포함하는, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 4는, 예 1에 있어서, 상기 자이로스코프는 교정된 자이로스코프인, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 5는, 예 1에 있어서, 상기 자이로스코프는 교정되지 않은 자이로스코프이고, 상기 교정기는 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 6은, 예 1 내지 예 5 중 어느 한 예에 있어서, 상기 교정기는 상기 확장 칼만 필터에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하는, 지자기장 측정 시스템을 포함할 수 있다.
예 7은, 교정 장치로서, 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 자이로스코프 모니터와, 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 자력계 모니터와, 상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 교정기를 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 8은, 예 7에 있어서, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 자력계 제어기를 더 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 9는, 예 7에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 자이로스코프 제어기를 더 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 10은, 예 7에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는, 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 11은, 예 7에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고, 상기 교정기는 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는, 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 12는, 예 7 내지 예 11 중 어느 한 예에 있어서, 상기 교정기는 상기 확장 칼만 필터에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하는, 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 13은, 교정 장치를 동작시키는 방법으로서, 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 단계와, 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 단계와, 상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 단계를 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
예 14는, 예 13에 있어서, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키는 단계와, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 단계를 더 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
예 15는, 예 13에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키는 단계와, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 단계를 더 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
예 16은, 예 13에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는, 방법을 포함할 수 있다.
예 17은, 예 13에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고, 상기 방법은 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는 단계를 더 포함하는, 방법을 포함할 수 있다.
예 18은, 예 13 내지 예 17 중 어느 한 예에 있어서, 상기 확장 칼만 필터에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
예 19는, 명령어의 세트를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 명령어는 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하게 하고, 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하게 하고, 상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하게 하는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 20은, 예 19에 있어서, 상기 명령어는 실행될 때, 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키게 하고, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키게 하는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 21은, 예 19에 있어서, 상기 명령어는 실행될 때, 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키게 하고, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키게 하는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 22는, 예 19에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 23은, 예 19에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고, 상기 명령어는 실행될 때, 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하게 하는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 24는, 예 19 내지 예 23 중 어느 한 예에 있어서, 상기 명령어는 실행될 때, 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 상기 확장 칼만 필터에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하게 하는, 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다.
예 25는, 교정 장치로서, 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 수단과, 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 수단과, 상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 수단을 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 26는, 예 25에 있어서, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키는 수단과, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 수단을 더 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 27은, 예 25에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키는 수단과, 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 수단을 더 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 28은, 예 25에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는, 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 29는, 예 25에 있어서, 상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고, 상기 교정 장치는 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는 수단을 더 포함하는, 교정 장치를 포함할 수 있다.
예 30은, 예 25 내지 예 29 중 어느 한 예에 있어서, 상기 확장 칼만 필터에 대한 하나 이상의 연철 교정 파라미터 및 하나 이상의 강철 교정 파라미터를 결정하는 수단을 더 포함하는 교정 장치를 포함할 수 있다.
이와 같이, 기술은 불충분하고 불균일하게 분포된 데이터로 잘 작동하는 자력계 교정을 제공할 수 있다. 부가적으로, 교정은 예를 들어, 자력계를 포함하는 디바이스를 가지고 걷거나, 픽업 및/또는 풋-다운하는 것과 같은 작은 움직임에 기초하여 수행될 수 있다. 기술은 또한, (예를 들어, 사용자에게 어색하거나 불편하거나 복잡한 제스처를 수행하도록 촉구하지 않고) 파라미터가 자율적으로 업데이트되는 배경에서 자력계 교정을 제공할 수 있다. 또한, 교정 결과 및 파라미터(예를 들어, 강철 벡터, 연철 매트릭스)는 (예를 들어, 최소 회전으로) 신속하게 출력될 수 있다. 자력계 교정은 교정된 자이로스코프 및 교정되지 않은 자이로스코프 모두에서 잘 작동할 수 있다. 또한, 교정하는 동안, 각 반복에서 EKF 계산이 동일하기 때문에 계산이 모든 샘플에 고르게 분산될 수 있다.
실시예는 모든 유형의 반도체 집적 회로("IC") 칩과 함께 사용하도록 적용 가능하다. 이러한 IC 칩의 예는, 프로세서, 제어기, 칩셋 컴포넌트, 프로그램 가능 로직 어레이(PLA), 메모리 칩, 네트워크 칩, 시스템 온 칩(SoC), SSD/NAND 제어기 ASIC 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 또한, 도면의 일부에서, 신호 도체 라인은 라인으로 표시된다. 몇몇은 더 많은 구성 신호 경로를 나타내기 위해 상이할 수 있고, 구성 신호 경로의 번호를 나타내기 위해 번호 레이블을 가질 수 있고/있거나 주 정보 흐름 방향을 나타내기 위해 하나 이상의 끝 부분에 화살표를 가질 수도 있다. 그러나, 이는 제한적인 방식으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 그러한 부가된 세부 사항은 회로의 더 쉬운 이해를 가능하게 하기 위해 하나 이상의 예시적인 실시예와 관련하여 사용될 수 있다. 임의의 표시된 신호 라인은 추가 정보의 유무를 불문하고 실제로 여러 방향으로 이동할 수 있는 하나 이상의 신호를 포함할 수 있으며, 임의의 적합한 유형의 신호 체계, 예를 들어 차동 쌍으로 구현 된 디지털 또는 아날로그 라인, 광섬유 라인 및/또는 단일 종결 라인으로 구현될 수 있다.
비록 실시예들이 동일하게 제한되지는 않지만, 예시적인 크기/모델/값/범위가 주어질 수 있다. 시간이 지남에 따라 제조 기술(예를 들어, 포토리소그래피)이 성숙되면, 더 작은 크기의 디바이스가 제조될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 도시 및 설명의 간략화를 위해, 그리고 실시예의 특정 측면을 모호하게 하지 않기 위해, IC 칩 및 다른 컴포넌트에 대한 공지된 전원/접지 연결은 도면에 도시되거나 도시되지 않을 수도 있다. 또한, 실시예를 모호하게 하는 것을 피하고 또한 블록도 배치의 구현에 관한 세부 사항은 실시예가 구현될 플랫폼에 크게 의존하고 그러한 세부 사항은 당업자가 충분히 이해할 수 있을 것이라는 사실을 고려하여, 배치(arrangements)는 블록도 형태로 도시될 수 있다. 예시적인 실시예를 설명하기 위해 특정 세부사항(예를 들어, 회로)이 제시되는 경우, 실시예는 이러한 특정 세부사항 없이 또는 이들의 변형과 함께 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 설명은 제한하는 것이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본원에서 "결합된"이란 용어는 해당 컴포넌트들 사이의 직접적 또는 간접적인 임의 유형의 관계를 지칭하는데 사용될 수 있으며, 전기적, 기계적, 유체적, 광학적, 전자기적, 전기 기계적 또는 다른 접속부에 적용될 수 있다. 또한, 본원에서 "제 1", "제 2" 등의 용어는, 단지 설명을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있으며, 다르게 표시되지 않는 한 특별한 시간적 또는 순서적 의미를 전달하지 않는다.
이 출원 및 청구범위에서 사용될 때, "중 하나 이상"이란 용어와 결합된 아이템의 리스트는 열거된 아이템의 임의의 조합을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B 또는 C 중 하나 이상"이란 문구는 A; B; C; A 및 B; A 및 C; B 및 C; 또는 A, B 및 C를 의미할 수 있다.
이상의 설명으로부터, 당업자는 실시예들의 광범위한 기술이 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 실시예들은 특정 예와 관련하여 기술되었지만, 도면, 명세서 및 다음의 청구범위를 연구할 때 다른 수정들이 당업자에게 명백해질 것이므로 실시예들의 진정한 범위는 이에 제한되지 않아야 한다.

Claims (29)

  1. 자력계(magnetometer)와,
    자이로스코프(gyroscope)와,
    하나 이상의 자화된 강자성 컴포넌트(magnetized ferromagnetic components) 및 하나 이상의 자화되지 않은 강자성 컴포넌트를 포함하는 회로 기판과,
    통합형 센서 장치를 포함하되,
    상기 통합형 센서 장치는,
    상기 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 자이로스코프 모니터와,
    상기 자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 자력계 모니터 - 상기 제 2 센서 데이터는 연철 효과 및 강철 효과에 의해 영향을 받음 - 와,
    상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터(extended Kalman filter)를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 교정기(calibrator)를 포함 - 상기 확장 칼만 필터는 선형 상태 전이 모델 및 비선형 관측 함수를 사용하여 교정된 자력계 측정치, 연철 매트릭스 및 강철 벡터를 결정하고, 상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 상기 자이로스코프에 의해 측정되는 방위의 변화와 정렬됨 - 하는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합형 센서 장치는, 상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 자력계 제어기를 더 포함하는
    시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합형 센서 장치는, 상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 자이로스코프 제어기를 더 포함하는
    시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로스코프는 교정된 자이로스코프인
    시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로스코프는 교정되지 않은 자이로스코프이고, 상기 교정기는 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합형 센서 장치는 상기 자력계와 연관된 회전 이벤트를 검출하는 움직임 검출기를 더 포함하고, 상기 제 2 센서 데이터는 상기 회전 이벤트에 대한 응답으로 획득되는
    시스템.
  7. 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 자이로스코프 모니터와,
    자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 자력계 모니터 - 상기 제 2 센서 데이터는 연철 효과 및 강철 효과에 의해 영향을 받음 - 와,
    상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 교정기를 포함 - 상기 확장 칼만 필터는 선형 상태 전이 모델 및 비선형 관측 함수를 사용하여 교정된 자력계 측정치, 연철 매트릭스 및 강철 벡터를 결정하고, 상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 상기 자이로스코프에 의해 측정되는 방위의 변화와 정렬됨 - 하는
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 자력계 제어기를 더 포함하는
    장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키고 상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 자이로스코프 제어기를 더 포함하는
    장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는
    장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고, 상기 교정기는 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는
    장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 자력계와 연관된 회전 이벤트를 검출하는 움직임 검출기를 더 포함하되,
    상기 제 2 센서 데이터는 상기 회전 이벤트에 대한 응답으로 획득되는
    장치.
  13. 자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하는 단계와,
    자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하는 단계 - 상기 제 2 센서 데이터는 연철 효과 및 강철 효과에 의해 영향을 받음 - 와,
    상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정하는 단계 - 상기 확장 칼만 필터는 선형 상태 전이 모델 및 비선형 관측 함수를 사용하여 교정된 자력계 측정치, 연철 매트릭스 및 강철 벡터를 결정하고, 상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 상기 자이로스코프에 의해 측정되는 방위의 변화와 정렬됨 - 를 포함하는
    방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키는 단계와,
    상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키는 단계를 더 포함하는
    방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키는 단계와,
    상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키는 단계를 더 포함하는
    방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는
    방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고,
    상기 방법은 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 센서 데이터는 상기 자력계와 연관된 회전 이벤트에 대한 응답으로 획득되는
    방법.
  19. 명령어의 세트를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서,
    상기 명령어는 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨팅 디바이스로 하여금,
    자이로스코프와 연관된 제 1 센서 데이터를 획득하게 하고,
    자력계와 연관된 제 2 센서 데이터를 획득하게 하고 - 상기 제 2 센서 데이터는 연철 효과 및 강철 효과에 의해 영향을 받음 -,
    상기 제 1 센서 데이터, 상기 제 2 센서 데이터, 및 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 자력계를 교정 - 상기 확장 칼만 필터는 선형 상태 전이 모델 및 비선형 관측 함수를 사용하여 교정된 자력계 측정치, 연철 매트릭스 및 강철 벡터를 결정하고, 상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 상기 자이로스코프에 의해 측정되는 방위의 변화와 정렬됨 - 하게 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 명령어는 실행될 때, 상기 컴퓨팅 디바이스로 하여금,
    상기 제 2 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 증가시키게 하고,
    상기 자력계의 교정 후에 상기 자력계의 샘플링 레이트를 감소시키게 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 명령어는 실행될 때, 상기 컴퓨팅 디바이스로 하여금,
    상기 제 1 센서 데이터를 획득하기 전에 상기 자이로스코프를 활성화시키게 하고,
    상기 자력계의 교정 후에 상기 자이로스코프를 비활성화시키게 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정된 자이로스코프로부터 획득되는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 데이터는 교정되지 않은 자이로스코프로부터 획득되고,
    상기 명령어는 실행될 때, 상기 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 상기 자이로스코프의 오프셋을 교정하게 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 센서 데이터는 상기 자력계와 연관된 회전 이벤트에 대한 응답으로 획득되는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  25. 삭제
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 구체 표면(surface of a sphere)에 위치하는
    시스템.
  27. 제 7 항에 있어서,
    상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 구체 표면(surface of a sphere)에 위치하는
    장치.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 구체 표면(surface of a sphere)에 위치하는
    방법.
  29. 제 19 항에 있어서,
    상기 교정된 자력계 측정치의 하나 이상의 변화는 구체 표면(surface of a sphere)에 위치하는
    컴퓨터 판독가능 저장 매체.
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