KR20040062912A - 외부 간섭 자계에 강인한 Dual Electric Compass - Google Patents

Abstract

본 발명은 Magnetic Field Sensor를 이용하여 단일 방향으로 들어오는 외부의 간섭 자계에서도 절대 방위각을 측정하는 기법에 관한 것이다.

Magnetic Field Sensor로 이루어진 Electric Compass는 지구 자계를 검출하여 절대 방위각을 지시한다. 하지만 Electric Compass에 발생하는 오차 때문에 지구 자기장에 의한 절대 방위각을 지시하지 못할수도 있다. 이런 오차의 종류는 도2에서 어떤 외부의 간섭 없이 설계상 발생하는 센서 옵셋오차, 크기 불일치오차, 비 직교오차, 비 수평오차의 측정 오차와 외부의 간섭자기장에 의해서 발생하는 외부 간섭 오차로 분류할 수 있다.

현재까지의 기술로는 고정된 위치에 있는 외부 자기장의 간섭에 대해서는 많이 쓰고 있는 1회전 보정 방법이 있지만 순간적인 외부환경에 의해 발생되는 오차에 대해서는 보정되지 않는다. 그래서 현재까지의 Electric Compass는 Mobile Robot의 자율 주행 시스템을 위한 Dead Reckoning 센서로는 부적합했다. 이것을 보완하기 위해 두개의 컴파스(dual compass)와 마이크로프로세스(micro controller)를 이용하여 단일 방향 외부 자기장에 강한 Dual Electric Compass 발명하게 되었다.

Electric Compass가 가지는 시불변오차는 Compass가 장착된 Robot의 내부 환경변화에 따른 자화원의 이동 및 변형으로 나타나며, 이 경우는 1회전 보정에 의한 고전적 방법으로 최초 보정할 수 있다. 이후에 Mobile Robot이 주행 중에 변화될 수 있는 철문, 엘리베이터등 단일 방향 외부환경에 의한 시변오차는 Dual Electric Compass로서 본 발명에서 제시된 방법으로 보정하여 절대 방위를 지시 할 수 있다.

Description

외부 간섭 자계에 강인한 Dual Electric Compass {Robust Dual Electric Compass to External Magnetic Field Interference}

지금까지는 항법시스템을 위한 방위각센서의 일반적인 방식은 자기저항센서이다. 이 센서는 퍼멀로이 조각으로 만들며, 이것의 전기저항은 적용된 자기장의 변화에 따라 변한다. 센서의 감도는 정의된 축을 가지고 있으며, 통합된 회로로 제작된다. 최근의 자기저항센서는 0.1 milligauss 이하의 측정감도와 단일 칩 형태로 1㎲이하의 응답속도를 가진다. Mobile Robot의 정확한 위치추정을 위해 사용되는 DR 시스템에서 방위각 측정을 위해서 최근에는 빠른 응답속도와 소형이고 반도체 형태의 경제적인 자기저항센서를 이용한 Electric Compass를 사용하는데 Compass의 정밀도가 0.1°이하인 제품을 많이 사용한다. 그러나 Electric Compass의 최대 단점은 외부의 간섭 자기장에 민감하게 반응하여 방향 오차가 발생하기 쉽다.

실질적으로, Compass에서 지구자기장은 근처의 철을 함유하는 물질에 의해서 다른 자기장의 왜곡에 의해 부과된다. 예로 Mobile Robot의 방위 측정을 위하여 Compass를 부착할 때 Robot의 Body에 의한 영향을 받으며, 이와 같은 영향에 대한 신뢰할 수 있는 방위 측정을 위해서 요구된다. 도3은 Compass를 장착한 Robot을 1회전시키면, Compass의 x축 및 y축의 출력을 나타내었다. 도3의 (2)번 원은 원점 (0, 0)에 생성된 원으로 외부 자기장의 간섭이 없을 때의 이상적인 Compass 출력을 나타내었고, 중심을 Xoff와 Yoff를 가지는 원은 지구자기장에 Robot의 차체 프레임의 간섭이 더해져서 원점에서 이동되고 변형 된 형태를 보여 준다.

이와 같이 차량의 차체의 의한 간섭은 시간에 대해 일정한 값을 가지므로 보정될 수 있다. 보정은 아래의 과정을 통하여 수행 될 수 있다.

i) 차량에 컴파스를 장착하고, 수평공간에서 1회전시킨다.

ii) X와 Y의 센서 측정값의 최대값과 최소값을 찾는다.

iii) 4개의 값을 사용하여 X와 Y센서의 크기와 제로 옵셋값을 구한다.

이런 1회전 보정 방법은 기존에 나와 있는 방법으로서 고정된 외부 자계의 영향에 대해 쉽게 보정할 수 있다.

이미 알려진 것처럼 외부 자기장의 크기는 소스로부터 거리의 제곱에 역으로 비례한다. 이를 전제로 해서 Compass배치를 같은 방향 수평으로 정렬하고 일정한 거리로 서로로부터 분리된 Dual Electric Compass를 사용한다. 이는 지구 자기장이 측정 되는 방향은 측정 지역으로부터 동일하기 때문에 두개의 Compass를 분리 해도 방위각 측정에는 영향을 미치지 않는다. 그리고 동일 방향에 의한 외부 간섭이 각각의 Compass에 미치는 영향은 방향은 같지만 크기가 다르게 출력이 된다. 도3에서는 단일 방향 외부 자계에 대한 Compass 1,2의 출력 변화를 나타낸 것이다. 측정 장소에서 지구 자계의 방향과 크기는 동일하다. 외부 자계의 영향에 대한 Compass의 출력은 방향은 같고 크기는 자계의 영향에 가까운 Compass 1이 크게 나타나는 것을 알수 있다. 만약 지구 자계의 영향만 있다면 기준 자화원 상의 어떤 한점으로 나타 난다. 지구 자계에 의한 Compass 1,2의 출력 에같이 나타나게 된다.

(1)

단일 방향 외부 자계에 의한 Compass 1,2의 출력는 다음과 같다.

(2)

여기서는 동일한 외부 자계의영향이다. 크기가 다른 것은 Compass의 측정 거리에 의해서 차이가 나는 것이다.

이런 출력의 크기 변화를 이용하여 다음과 같은 실시간 보정 방법을 제시한다. 먼저 1회전 보정에 의해 지구 자계에 의한 기준 자화원을 구한다. 여기서 구한 자화원의 크기는 식 (3)과 같다.

(3)

여기서 동일한 외부 자계의 영향은 방향은 같지만 크기가 다르므로 그림 2와 같이 두개의 점을 지나는 직선과 기준 자화원이 만나는 점이 지구 자계의 크기와 방향이다.

도3에서 두개의 점을 지나는 직선은 식 (4)와 같이 나타낸다.

(4)

식(4)를 식(3)에 대입해서 X,Y를 구하고 이를 식(5)에 대입해서 방위각을 구한다.

(5)

이런 보정 방법은 Compass 1,2의 출력에 대한 차이를 가지고 실행한 것이다. 이는 Dual Electric Compass의 거리와 외부 자계의 세기에 따라 보정할 수 있는 범위를 가지고 있다. 자계의 크기는 거리에 제곱에 반비례한다. 이는 측정 하는 곳에서 Compass 1,2간의 거리가 외부 자계의 거리와 관계를 가진다. 보정 알고리즘을 적용하기 위해 Compass 1,2간의 거리가 외부 간섭 자계의 영향에 대한 거리보다 커야함을 알 수 있다. 외부 간섭의 거리보다 작을 경우 Compass 1,2가 비슷하게 출력되는데 이는 A/D변환에 의한 양자화 오차를 감안한다면 어느 정도 출력의 차이가 있어야지 보다 정확한 보정 알고리즘을 적용할 수 있다.

도 1은 Dual Electric Compass의 전체 구성도

도 2는 Electric Compass가 가지는 오차 분류

도 3은 외부 간섭에 의한 자화원의 변형

도 4는 Dual Electric Compass 회로도

도 5는 방위각 출력 프로그램

도 6는 Dual Electric Compass 보정 알고리즘

도 7는 실제 제작되어진 Dual Electric Compass

도 8은 실제 실험 환경

도 9는 실험 1에서 보정하지 않았을 때 Compass1,2의 방위각

도 10은 실험 1에서 보정된 방위각과 실제 방위각

도 11은 보정된 방위각과 실제 방위각의 오차

도 12는 실험 2에서 보정하지 않았을 때 Compass1,2의 방위각

도 13은 실험 2에서 보정된 방위각과 실제 방위각

도 14는 보정된 방위각과 실제 방위각의 오차

도1은 Dual Electric Compass 모듈이다.

- Clock Generator(4)에서는 20Mhz의 고주파를 발생시킨다.

- 분주기(3)를 통하여 Compass Circuit, A/D Converter,

Micro Processor에 적절한 주파수로 분주를 한다.

- Flip Circuit(2)에서 Compass Circuit에 내장된 Flip Coil에 적절한

지자기를감지하기 위한 파형을 형성한다.

- Dual Electric Compass Circuit(1)에서는 지자기를 감지하여 적절한

레벨로 아날로그 값을

증폭하여 출력한다.

- A/D Converter(6)에서 아날로그 값을 Sampling and Hold 시켜

디지털 값으로변환시킨다.

- Micro Processor(5)에서 디지털 값을 받아서 1회전 보정 및 본

발명에서 제안하는 보정 알고리즘을 적용하여 외부적인 Noise를

제거한 후 RS-232(9) 값과PWM(8)값으로 출력한다.

- 전원(7)은 +5~12V로서 다른 외부 장치와 유동적으로 사용할 수

있도록 하였다.

도2는 Electric Compass의 오차를 분류한 것이다.

- 센서 옵셋

Electric Compass에서의 옵셋은 센서 자체의 옵셋과 연결된 증폭기의 옵셋에 의해 발생한다. 이것은 브릿지 회로에 연결된 자기저항소자의 허용오차(tolerances)와 온도 드리프트에 의존한다.

- 센서의 출력크기 불일치

Compass에서 출력되는 x축센서와 y축센서의 감도차에 의한 편차와 증폭기 증폭율에 의해 편차가 생긴다.

- 비 직교 오차

Compass를 구성하는 x축과 y축 방향 센서의 제조상의 비 직교에 의해 발생하며, 최대의 오차가 생길 수 있다. 그림 3.2와 같이 직각 좌표에의 오차가 발생한다.

- 비 수평 오차

이 오차는 Electric Compass를 설치할 때 진행방향과 Compass 모듈의 방향의 불일치에 의해 발생한다.

- 경사 오차

지금까지 설명한 Compass 시스템에서는 자기장 센서의 측정 축이 수평일 경우에 성립한다. 다시 말해서 Compass가 수평이 아닐 때는 경사 오차가 발생한다.

- 시불변 오차

Electric Compass가 설치된 곳이 철제 프레임등으로 이루어진 곳에서 발생하는 오차이다.

- 시변 오차

Compass가 외부의 간섭 영향 즉 철문, 엘리베이터등 철 구조물로 이루어진 곳에서 발생하는 오차이다.

도3에서는 아무런 외부 간섭이 없고 지구 자기장만이 존재 하는 곳에서 1회전 하였을 때의 자화원(2)과 철 구조물 등으로 이루어진 곳에 설치하고 1회전을 했을 때의 자화원(1)의 변화를 나타낸것이다.

도4에서는 실제 Dual Electric Compass를 제작하기 위한 회로도이다. Magnetic Field Sensor(1)는 두 개를 사용하고 Sensor의 출력을 증폭하고 온도에 대한 보상을 하기 위해 (2)와 같이 구성 하였다. (3)은 증폭되어진 Electric Compass출력 부분이다.

도5는 Compass의 출력을 확인하고 보정 알고리즘을 위해 Visual C++로 제작한 프로그램이다. 'o'와 '×'는 Compass1,2의 출력이다.

도6은 단일 방향 외부 간섭 영향을 있을 때 변화하는 Compass1의 출력(2)과 Compass2의 출력(3)을 나타낸 것이고 외부 간섭이 없을 때는 기준 자화원(1)상에 Compass1,2의 출력이 나타난다.

도7은 실제 제작된 Dual Electric Compass모듈이다. Compass1(1), Compass(2), TMS2407(3)으로 구성 되어 있다. Compass1(1)과 Compass2(2)가 분리된 것은 본 발명에서 사용하는 보정 알고리즘을 적용하기 위해서 이다. 여기서 Compass1(1)과 Compass2(2)는 약 30Cm정도 거리를 두고 수평으로 정렬하였다.

도8은 보정 알고리즘을 적용하기 위해 Test 구간이다. 단일 방향으로 들어오는 외부 간섭을 위해 철문(1)과 엘리베이터(2) 오른쪽에만 있는 구간을 선택하였다. 실험의 정확도를 높이기 위해 외부의 간섭 영향이 많은 실험1(3)은 외부 간섭과의 거리가 10Cm정도이고 조금 작게 받기 위한 실험2(4)는 외부 간섭과의 거리가 30Cm정도로 하였다.

도9는 본 발명에서 제시한 보정 알고리즘을 사용하지 않고 실험1을 했을 때 Compass1,2의 출력이다. Compass의 방위각의 오차가 20-200°정도 나는 것을 볼 수 있는데 이는 외부의 철문등에 의한 간섭 오차 때문이다. Compass1이 Compass2보다 오차가 크게 나는 것은 Compass1이 철문등에 가까이 있기 때문이다.

도10은 실험 1의 조건에서 Dual Electric Compass보정 알고리즘을 적용하고 실제 방위각과 비교한 것이다. 기존의 보정하기전의 오차보다 확연하게 줄었음을 볼 수 있다.

도11은 보정된 방위각과 실제 방위각의 오차이다. ±8°정도 되는 것을 볼 수 있는데 이는 law-pass filter로서 보정할 수 있다

도12는 본 발명에서 제시한 보정 알고리즘을 사용하지 않고 실험 2를 했을 때 Compass1,2의 출력이다. 실험 1에서 보다 오차가 많이 줄어 든 것을 볼 수 있는데 이는 외부 간섭과의 거리가 실험 1의 조건보다 많이 떨어져 있기 때문이다.

도13은 실험 2의 조건에서 Dual Electric Compass보정 알고리즘을 적용하고 실제 방위각과 비교한 것이다. 기존의 보정하기전의 오차보다 확연하게 줄었음을 볼 수 있다.

도14는 보정된 방위각과 실제 방위각의 오차이다.

본 발명에서 기존에 보정하지 못했던 외부 간섭을 보정함으로서 기존에 개발된 Electric Compass의 단점을 보완 할 수 있다. 또한 대부분 수입에 의존하고 있으며 가격 또한 재료비에 비해 고가이다. 그리고 외부의 물체나 자계의 영향을 쉽게 받기 때문에 실제 차량이나 로봇에 적용하기에는 다소 어려움이 많았다. 따라서 본 발명에서 개발한 Dual Electric Compass를 차량이나 로봇에 장착했을 때 외부의 자계 영향에 의한 방해로부터 절대적인 방위를 지시 할 수 있다. 또한 Mobile Robot등 네비게이션뿐만 아니라 방향을 요구하는 분야에 용이하게 적용할 수 있고 소형화와 저 가격으로 인해 수요가 많을 것으로 예상된다.

Claims (1)

1. 일정한 간격을 가지는 두 개의 전자 컴파스에 간섭되는 외부 자계의 크기 차이를 이용, 외부 간섭 자계의 영향이 있는 장소에서 간섭 자계를 제거하고 보다 정확한 방위를 지시 것을 특징으로 하는 Dual Electric Compass 모듈