KR20050070323A - 기울기의 영향을 보상하여 방위각을 연산하는 지자기센서, 및 그 연산방법 - Google Patents

Abstract

지자기 센서가 개시된다. 본 지자기 센서는, 펄스 신호를 생성하여 구동신호로써 출력하는 구동펄스 발생 회로, 상호 직교하는 X축 및 Y축 방향으로 형성된 2축 플럭스게이트를 구비하며, 구동신호에 의해 발생된 자기에 대응되는 2축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력하는 지자기 측정부, 중력가속도를 이용하여 X축 및 Y축 각각을 기준으로 기울어진 회전각인 피치각 및 롤각을 측정하는 가속도센서, 및 가속도센서에서 측정된 피치각 및 롤각을 이용하여 지자기 측정부에서 출력되는 각각의 전압값을 보상함으로써 정규화인자를 추출하고, 정규화인자를 이용하여 전압값을 정규화한 후, 방위각을 연산하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 기울어진 상태에서도 정확한 방위각을 연산할 수 있게 된다.

Description

기울기의 영향을 보상하여 방위각을 연산하는 지자기 센서, 및 그 연산방법 { Geomagnetic sensor for calibrating azimuth with compensating the effect of tilt and calibration method thereof }

본 발명은 지자기 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가속도 센서를 포함하여 현재의 기울어진 정도를 측정한 후, 그 기울어진 정도를 방위각 측정에 반영함으로써 정확한 방위각을 추출할 수 있는 지자기 센서에 관한 것이다.

지자기 센서란, 인간이 느낄 수 없는 지구 자기의 세기 및 방향을 측정해 주는 장치로써, 특히, 플럭스게이트(flux-gate)를 사용한 지자기 센서를 플럭스게이트 형 지자기 센서라 한다.

플럭스게이트형 지자기 센서란 퍼말로이(permalloy)와 같은 고투자율 재료를 자심으로 사용하여 구동권선(coil)에 의해 여기자장을 가하고 그 자심의 자기포화 및 비선형 자기 특성을 이용하여 외부자장에 비례하는 2차 고조파 성분을 측정하므로써 외부자장의 크기 및 방향을 측정하는 장치를 의미한다.

이러한 플럭스게이트(flux-gate)형 자기센서는 1930년대 말에 개발된 것으로서, 여러 다른 형태의 지자기 센서와 비교할 때, 감도가 좋고, 경제적이며, 상대적으로 소형으로 제조될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 전력소모가 적으며, 출력신호 안정도(long-term stability)가 우수하다는 장점도 아울러 가지고 있어, 미약자계 검출 및 지구의 절대방향 계측과 더불어 광맥 탐사, 표적탐지, 그리고 인공위성의 자세 제어 및 우주 탐사용에 이르기까지 민수용 및 군사용으로 가장 널리 사용되고 있고, 현재도 성능향상을 위한 연구가 지속적으로 추진되고 있다.

특히, 최근 들어, MEMS(Micro electro mechanical system)기술이 점차 발전함에 따라, 이를 이용하여 저소비전력형의 초소형 플럭스게이트 센서의 개발 시도가 추진되고 있다.

도 1은 종래의 플럭스게이트형 지자기 센서(10)의 일반적인 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 따르면, 종래의 지자기 센서는, 구동신호생성부(11), 지자기 측정부(12), 신호처리부(13),및 제어기(14)를 포함하고 있다.

구동신호생성부(11)는, 지자기 측정부(12)를 구동시킬수 있는 전기적 신호를 인가하는 역할을 한다. 이러한 전기적 신호는, 일반적으로 펄스 파 및 그 상태가 반전된 반전 펄스 파를 사용한다.

지자기 측정부(12)는 3축 플럭스게이트를 이용할 수도 있으나, 휴대폰과 같은 소형장치에 장착되기 위해서는 지자기 센서(10) 자체의 크기가 작아야 하므로, 2축 플럭스게이트를 이용하는 것이 바람직하다. 2축 플럭스 게이트를 이용한 경우, 지자기 측정부(12)는 상호 직교하는 두개의 플럭스게이트를 포함한다. 또한, 각 플럭스게이트는 사각링 또는 바 형태의 자성체 코어, 자성체 코어에 권선된 구동 코일 및 검출코일을 포함한다. 구동 코일은 구동신호생성부(11)에서 출력되는 전기적 신호를 수신하여 자성체 코어를 여자(勵磁)시키는 역할을 하고, 검출코일은 구동코일의 구동에 의해 발생된 자기로부터 유도된 기전력을 검출하는 역할을 한다.

한편, 신호 처리부(13)는 검출코일에서 외부자계의 세기에 비례하는 전압성분이 유도되면, 이를 증폭, 쵸핑(chopping)하는 등의 일련의 처리를 한 후 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력하는 역할을 한다.

가속도센서(15)는, 지자기 측정부(12)와 같이 상호 직교하는 두개의 X축(롤축) 및 Y축(피치축) 플럭스게이트로 구현되어, 피치각(pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 연산하는 역할을 한다. 피치각이란, 지자기 센서(10)가 놓여진 평면 상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축 중 Y축을 중심으로 회전시키는 경우에 X-Y평면과의 사이각을 의미한다. 롤각이란 X축을 중심으로 회전 시키는 경우에 측정되는 X-Y평면과의 사이각을 의미한다.

제어부(14)는 이러한 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 소정의 정규화인자를 이용하여 소정 범위의 값으로 정규화(normallize)한 후, 소정 수식에 대입하여 방위각(azimuth)을 연산하게 된다. 정규화인자란 센서의 출력 값을 +1과 -1사이의 값으로 매핑시키는 정규화 과정에 필요한 인자로써, 바이어스 인자(bias factor) 및 스케일 인자(scale factor) 등이 이에 해당한다.

이러한 정규화인자는, 지자기 센서를 한바퀴 돌리면서 그때마다 측정되는 지자기 센서값을 기록한 후 그 최대값 및 최소값을 결정하고, 이를 소정 수식에 대입함으로써 연산할 수 있다. 이와 같이 지자기 센서를 회전시키면서 최대값 및 최소값을 구하여 정규화인자를 결정하는 과정을 보정작업이라 한다.

하지만, 보정작업을 수행하는 과정 중에 지자기 센서가 기울어 지게 되면, 그 기울어진 정도에 따라 지자기 센서의 출력값이 달라지게 되므로, 최대값 및 최소값도 잘못 측정될 수 있다. 즉, 방위각 연산에 필요한 이러한 정규화인자들은 보정 작업 중에 발생하는 기울기에도 영향을 받게 된다.

따라서, 정규화인자를 산출하여 방위각을 제대로 연산하기 위해서는, 수평상태에서 지자기 센서를 회전시키면서 최대값, 최소값 및 평균값을 측정하여야 하는데 회전하는 도중에 흔들릴 수 있으며, 또한 휴대폰 등에 내장하는 경우 장착위치의 한계로 인해 부득이 기울어지게 내장할 수 밖에 없는 경우에는 수평상태를 맞추기가 어려워진다. 이에 따라, 기울기에 의해 최대값 및 최소값이 잘못 측정될 수 있고, 이에 따라 정규화인자가 잘못 연산되어 최종적으로 구해진 방위각에 오차가 발생하게 된다.

이와 같이, 보정시에 기울어진 각도에 의해 보정후에 발생하는 방위각의 측정오차를 살피면, 다음 표와 같다.

보정시에 기울어진 각도	보정후에 발생하는 측정 오차
0도	≤ 3도
3도	≤6도
5도	≤8도
10도	≤12도
20도	≤20도
30도	≤30도

표 1과 같이 보정시에 기울어진 각도가 크면 클수록, 보정 후에 발생하는 측정오차도 커지게 된다. 따라서, 일정 각도 이상 기울어지면, 지자기 센서는 올바른 방위를 표시할 수 없게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은, 현재의 기울기를 측정한 후 이를 반영하여 정규화인자에 보상해 줌으로써, 기울기를 고려한 정규화를 할 수 있으며, 이에 따라 정확한 방위각을 연산할 수 있는 지자기 센서, 그 정규화방법, 및 방위각 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 지자기 센서는, 펄스 신호를 생성하여 구동신호로써 출력하는 구동펄스 발생 회로, 상기 구동신호에 의해 구동되어 지자기에 대응되는 소정의 전압값을 출력하는 지자기 측정부, 상기 지자기 센서의 피치각 (pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 측정하는 가속도센서, 및 상기 가속도센서에서 측정된 피치각 및 롤각을 이용하여 상기 지자기 측정부에서 출력되는 전압값을 보상한 후 정규화하여, 방위각을 연산하는 제어부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 지자기 측정부는, 상기 지자기 센서가 이루는 평면상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축 방향으로 형성된 2축 플럭스게이트를 구비함으로써, 상기 구동신호에 의해 발생된 자기에 대응되는 상기 2축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 지자기 센서가 소정회수 회전하면서 측정한 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트의 실제 측정값에 각각 상기 피치각 및 롤각을 반영하여 보상한 후, 보상된 값 중 최대값 및 최소값을 이용하여 정규화 인자(normalizing factor)를 연산함으로써, 기울기에 의한 영향이 보상된 정규화 인자를 얻을 수 있게 된다. 상기 정규화인자는 소정 수식으로 표현되는 바이어스인자 및 스케일인자를 포함한다.

한편, 본 지자기 센서에서 그 실제 출력값을 소정범위로 매핑시키는 정규화방법은, (a) 상기 지자기 센서를 소정 회수 회전시키면서 지자기에 대응되는 소정의 전압값을 측정하는 단계, (b) 상기 (a)단계를 수행하는 중에 상기 지자기 센서의 피치각 및 롤각을 측정하는 단계, (c) 상기 피치각 및 롤각을 반영하여 상기 전압값을 보상하는 단계, (d) 상기 보상된 전압값 중 최대값 및 최소값을 이용하여, 소정의 정규화인자를 연산하는 단계, 및 (e) 상기 정규화인자를 이용하여 상기 지자기전압값을 정규화하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (a)단계는, 상기 지자기 센서가 이루는 평면상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축 방향으로 형성된 2축 플럭스게이트를 이용하여 상기 지자기에 대응되는 전압값을 얻을 수 있다.

이 경우, 상기 (a)단계는, 상기 2축 플럭스게이트에 구동펄스신호를 인가하는 단계, 및 상기 구동펄스신호에 의해 발생된 자기에 대응되는 상기 2축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 (b)단계는, 상호직교하는 X축 및 Y축 가속도 센서를 이용하여 중력가속도를 통해 피치각 및 롤각을 연산할 수 있다.

연산된 피치각 및 롤각을 소정 수식에 대입하여 X축 및 Y축 플럭스게이트의 실제 전압값을 보상한 후, 전체 보상된 전압값 중에서 최대값 및 최소값을 결정하여 이를 이용하여 정규화 인자를 연산할 수 있다. 이러한 정규화 인자는, 바이어스 인자(bias factor) 및 스케일 인자(scale factor)를 포함한다.

이에 따라, 기울기에 의한 영향이 보상된 정규화인자를 이용하여 정규화함으로써, 방위각 연산시에 기울기에 따른 오차가 줄어들게 된다.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지자기 센서(100)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2에 따르면, 본 지자기 센서(100)는, 구동신호생성부(110), 지자기측정부(120), 신호처리부(130), 제어부(140), 가속도센서(150),및 메모리(160)를 포함한다.

구동신호생성부(110)는 지자기측정부(120)를 구동시키는 구동신호를 생성하여 출력하는 역할을 한다. 구동신호로는 일반적으로 펄스파형 및 반전 펄스 파형을 사용할 수 있다. 즉, 구동신호생성부(110)는 펄스발생부(111) 및 펄스 증폭부(112)를 포함함으로써, 펄스발생부(111)에서 생성되어 출력된 펄스를 펄스 증폭부(112)가 증폭 및 반전 증폭하여 출력하게 된다.

펄스증폭부(112)는 수개의 증폭기 및 반전기를 사용함으로써 펄스발생부 (111)를 통해 출력된 펄스를 증폭 및 반전증폭함으로써, 서로 위상이 반대인 두 펄스 신호를 출력한다.

지자기측정부(120)는 상호 직교하는 X축 및 Y축상에 형성되는 두개의 X축 및 Y축 플럭스게이트 (flux-gate)를 포함한다. 지자기측정부(120)는 X축 및 Y축 플럭스게이트에 각각 전달된 펄스신호 및 반전펄스신호에 의해 구동되며, 그 구동에 의해 발생된 기전력에 대응되는 검출신호를 출력한다. 도 2에서, X축 및 Y축 플럭스게이트는 사각링 형태의 두 자성체코어가 각각 X, Y축 두 방향으로 길이방향을 갖도록 설치하며, 자성체코어들 각각에는 구동코일 및 검출코일이 권선되어 있다. 구동코일에 구동펄스가 인가되면, X축 및 Y축 플럭스게이트에 자기가 발생하고, 이에 따른 유도기전력을 검출코일을 통해 검출할 수 있게 된다.

한편, 신호처리부(130)는 이러한 유도기전력을 일정한 처리과정을 거쳐 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각의 전압값으로 변화하여 출력하는 역할을 하는 부분을 의미한다. 구체적으로는, 신호처리부(130)는, 쵸핑회로부(131), 제1증폭부(132), 필터(133), 제2증폭부(134) 및 A/D 컨버터(A/D convertor : 135)를 포함한다.

지자기 측정부(120)로부터 출력된 X축 및 Y축 플럭스게이트에 유도된 전기적 신호는, 쵸핑회로부(131)가 내장된 수개의 스위치를 제어하여 쵸핑(chopping)하게 된다.

쵸핑된 전기적 신호는 제1증폭부(132)에서 차동증폭된 후, 필터(133)를 통해 일정 범위의 신호만으로 필터링하고, 제2증폭부(134)에서 최종적으로 증폭하게 된다. 증폭된 신호는 A/D 컨버터(135)에서 디지털 전압값으로 변환하여 출력하게 된다.

한편, 가속도센서(150)는 상호직교하는 X축 및 Y축 방향으로 설치된 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서를 포함하여, 각 축 가속도 센서에서 측정된 전압값으로부터 피치각 및 롤각을 연산하게 된다.

도 3에서는, 이러한 지자기 측정부(120) 및 가속도센서(160)가 내장된 지자기센서(100) 상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축을 표시하고 있다. X축을 기준으로 회전시킨 경우, X-Y 평면과의 각도가 점차 커지게 되는데, 이러한 각도를 롤각(roll angle : φ)이라 하고, 따라서 X축은 다른 말로 롤축이라 할 수 있다. 한편, Y축을 기준으로 회전시킨 경우, X-Y 평면과의 각도가 점차 커지게 되는데, 이러한 각도를 피치각(pitch angle : θ)이라 하고, 따라서 Y축은 다른 말로 피치축이라 할 수 있다.

한편, 메모리(160)는 가속도 센서(150)에서 측정된 피치각 및 롤각, 현 위치에서의 복각(λ), 지자기 측정부(120)가 소정 회수 회전하면서 측정하는 전압값등에 대한 정보가 저장되어 있는 부분이다.

제어부(140)는 메모리(160)에 저장된 정보를 소정 수식에 대입하여 방위각을 연산하게 된다. 한편, 지자기 측정부(120)에서 측정된 지자기 전압값은 각각 sin함수 및 cos함수로 표현되는바, 제어부(140)는 방위각 연산을 위해서 측정된 실제의 지자기전압값을 소정 범위의 값으로 매핑시키는 정규화를 수행할 필요가 있다. 이 때, 정규화를 시키기 위해서는 소정의 정규화인자를 필요로 한다. 정규화인자로는 일반적으로 바이어스인자(bias factor) 및 스케일인자(scale factor)가 사용된다. 이러한 정규화인자는 일반적으로 다음과 같은 수식을 통해 연산될 수 있다.

상기 식에서, X_bias 및 Y_bias 는 각각 X축 및 Y축 전압값의 바이어스 인자, X _scal 및 Y_scal 은 각각 X축 및 Y축 전압값의 스케일 인자, X_max , X_min은 각각 X축 전압값의 최대값 및 최소값, 그리고, Y_max , Y_min은 각각 Y축 전압값의 최대값 및 최소값을 나타낸다.

한편, 수학식 1에서 사용되는 각 축 전압값의 최대값 및 최소값은, 지자기 센서(100)를 수평상태에서 소정 회수 회전시키면서 측정된 전압값을 메모리(160)에 기록한 후, 그 중에서 최대 전압값 및 최소 전압값을 결정하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 지자기센서(100)가 내장된 휴대폰상에서, 방위각을 측정하기 위해 휴대폰을 회전시키는 경우에 기준이 되는 회전축을 도시하고 있다. 즉, 도 4에서 X-Y 평면에 수직인 Z축을 기준으로 휴대폰을 회전시키면서, 측정된 X축 및 Y축 전압값 중에서 각각에 대한 최대값 및 최소값을 결정하게 된다. 이 때, 피치각 및 롤각은 각각 0°인 상태, 즉, 수평상태를 유지하여야 한다. 하지만, 상술한 바와 같이 이러한 회전과정에서 흔들림이 일어나서 수평상태가 깨어질 수 있고, 자체 내장상태가 기울어진 상태여서 수평상태를 맞추는 것이 힘든 경우가 생길 수 있다.

도 5에서는, 이와 같이 수평상태가 깨진 경우에 발생하는, 회전과정에서 수평상태를 유지한 경우의 최대 지자기전압값 및 기울임 오차가 발생한 경우의 최대 지자기전압값의 차이를 도시하고 있다. 즉, 도 4에서, Z축을 기준으로 소정 각도씩 회전하는 경우, 수평상태가 유지된 상태에서의 실제 측정값이 Y_m 이라면, 복각(λ)의 영향을 고려하여 Y축 최대 지자기 전압값은 Y_max= Y_m /cosλ로 표현될 수 있다. 하지만, 소정 피치각(θ)만큼의 기울기 오차가 발생한 경우, 실제 Y축 지자기전압값은 Y_a로 측정되게 된다. 이에 따라서 최대 지자기 전압값은 Y_max ^'= Y _a /cosλ로 연산되게 된다. 따라서, 기울임에 의해서 대략 (Y_m-Y_a) /cosλ 정도의 오차가 발생하게 된다. 마찬가지로, 최소값에 대해서도 실제측정전압값과 수평상태에서의 측정 전압값의 차이 때문에 소정범위의 오차가 발생하게 된다. 결과적으로, 잘못된 최대값 및 최소값을 사용하여 오프셋인자 및 스케일인자와 같은 정규화인자를 연산하게 되고, 정규화 결과도 이에 따라 오차가 생기게 된다.

따라서, 제어부(140)는 가속도센서(150)에서 피치각 및 롤각이 0°가 아닌 상태, 즉, 기울어진 상태임이 감지되면, 이러한 기울어짐에 의한 영향을 보상하여 주어야 한다. 이를 위해, 도 5에서, Y_a를 Y_m으로 매핑시킴으로써 최대지자기값을 Y_max에 가깝게 보상해줄 수 있다.

즉, 지자기 센서(100)를 Z축을 기준으로 소정 각도씩 회전시키면서, 측정되는 각 Y_a 값을 기울기의 영향을 반영하여 보상한 후, 메모리(160)에 기록하게 된다. 제어부(140)는 지자기 센서(100)의 회전이 완료되면, 기록된 Y축 전압값 중 최대값 및 최소값을 결정하여 이를 통해 정규화 인자를 연산하게 된다.

한편, 도 5는 피치각이 변하는 방향으로 기울어진 상태를 도시하고 있으나, 이는 롤축이 변하는 방향으로 기울어진 경우에도 마찬가지로 적용되어, X축 플럭스게이트 전압값의 최대값 및 최소값을 결정 할 수 있게 된다.

이상과 같이 기울기, 즉 피치각 및 롤각을 반영하여 지자기 측정부(120)의 출력값을 보상하는 방법은 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.

X_c = X_s / cos(θ+λ)

Y_c = Y_s / cos(φ+λ)

수학식 2에서, X_c 및 Y_c는 각각 보상된 X축 및 Y축 전압값, X_s 및 Y _s 는 각각 X축 및 Y축의 실제 전압값, θ는 피치각, φ는 롤각, 그리고, λ는 복각을 나타낸다.

수학식 2에 따라 보상된 X축 및 Y축 전압값이 연산되면, 그 값을 메모리(160)에 모두 기록한 후, 지자기센서(100)의 회전이 끝나면, 기록된 값 중 최대값 및 최소값을 결정하게 된다.

결정된 최대값 및 최소값을 수학식 1에 대입함으로써, X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값의 정규화 인자를 연산하게 된다.

상술한 바와 같이 정규화 인자란 X축 및 Y축 플럭스게이트의 실제 출력값을 소정 범위의 값으로 매핑시키는 정규화를 하는데 필요한 인자를 의미한다. 수학식 1에 의해 구해진 정규화인자인 바이어스 인자 및 스케일 인자를 이용하여 정규화를 수행하는 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.

수학식 3에서, X 및 Y는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 전압값, X_norm 및 Y_norm는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 정규화된 전압값, X_max 및 X_min 는 각각 X의 최대값 및 최소값, Y_max 및 Y_min는 각각 Y의 최대값 및 최소값을 나타낸다.

수학식 3에 의해 정규화가 이루어지면, 지자기 측정부(120)의 출력값은 소정범위의 값으로 매핑되게 된다.

한편, 이러한 정규화 방식은 가속도센서(150)에서도 활용될 수 있다. 즉, 피치각 및 롤각을 측정하기 위하여, 가속도센서(150)는 먼저 X축 및 Y축 가속도 센서의 출력값을 소정 범위의 출력값으로 매핑시키는 정규화처리를 하게 된다. 이를 위해, X축 및 Y축 가속도 센서 출력값에 대한 최대값 및 최소값을 결정하여 정규화인자를 구하고, 이를 이용하여 정규화 처리를 하게 된다.

결과적으로 구해지는 피치각 및 롤각을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

수학식 4에서, Xt_norm은 정규화된 X축 가속도 센서의 출력값, Yt_norm은 정규화된 Y축 가속도 센서의 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각을 나타낸다. 이러한 연산과정을 통해 피치각 및 롤각이 측정되면, 제어부(140)는 이를 방위각 연산 과정에 이용할 수 있게 된다. 한편, 기울기 측정시 이러한 연산과정을 수행하지 않고, 수동으로 최대 90°, 최소 0°로 설정하여 줄 수도 있다.

이상과 같이, 보상된 정규화 인자를 이용하여 정규화가 이루어지면, 방위각을 연산할 수 있다. 2축 플럭스게이트를 이용하는 경우, 제어부(140)는 X축 및 Y축이 이루는 평면에 수직인 가상의 Z축의 출력값을 연산하여 방위각을 연산하게 된다.

즉, 방위각은 세 개의 축으로 표현되는 3차원 공간값이므로 제어부(140)가 측정된 결과들을 가지고 방위각을 계산하기 위해서는 3축의 출력값이 필요하게 된다. 이러한 가상의 정규화된 Z축 출력값은 아래의 수식을 이용하여 연산할 수 있다.

수학식 5에서 Z는 가상의 Z축의 전압값, Z_norm는 Z축 전압값을 정규화한 값을 나타낸다.

이와 같은 방법으로 가상의 Z축 전압값의 정규화값을 연산하게 되면, 제어부(140)에서는 최종적으로 아래의 수식을 이용하여 방위각(azimuth : α)을 연산할 수 있게 된다.

최종적으로 연산된 방위각(α)은 비록 지자기 센서(100)가 기울어진 상태라 하더라도, 그 기울어진 정도를 반영하여 정규화된 출력값으로 연산되므로, 기울기에 따른 오차를 방지할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 지자기 센서(100)에서 방위각을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6에 따르면, 본 지자기 센서(100)를 이용하여 방위각을 측정하기 위해서는 먼저 지자기 센서(100)를 수평상태에서 소정 회수 회전을 시키게 된다(S610).

한편, 지자기센서(100)가 회전하는 동안, 구동신호생성부(110)는 지자기 측정부(120)를 구동시키기 위한 구동펄스 신호를 생성하여 지자기 측정부(120)로 인가한다. 지자기 측정부(120)는 지자기센서(100)가 소정각도로 회전할 때마다 구동펄스 신호에 대응되는 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 출력하고, 제어부(140)는 이러한 전압값을 메모리(160)에 저장하게 된다(S620).

다음으로, 가속도센서(150)에서 기울기, 즉, 피치각 및 롤각을 측정하는 단계가 진행된다(S630). 사용자가 수평상태로 맞추어 놓고 회전을 시킨다고 하더라도, 회전과정에서 기울기 오차가 생길수 있으므로, 피치각 및 롤각을 측정하여 수평상태가 유지되고 있는지를 판단할 수 있다(S640).

기울기오차가 발생하였다면, 제어부(140)는 측정된 피치각 및 롤각을 이용하여 지자기센서값을 보상하게 된다(S650). 이 경우, 상술한 수학식 2에 의해 보상이 이루어진다.

방위각 측정을 위한 회전이 종료될 때까지 이러한 지자기 전압값의 측정 및 보상 과정을 수행하여 메모리(160)에 저장하고, 1회전이 완료되었다고 판단되면(S660), 메모리(160)에 기록된 전압값 중 최대값 및 최소값을 결정하게 된다(S670). 도 6에서는 1회전시키는 경우를 도시하고 있으나, 보다 정밀한 측정을 위하여 2회이상 회전시키면서 보상과정을 수행할 수도 있다.

그 다음으로, 결정된 최대값 및 최소값을 이용하여 정규화 과정이 이루어진다(S680). 먼저, 정규화인자인 바이어스인자 및 스케일인자를 산출하게 된다(S681). 이상과 같은 정규화인자는 상술한 수학식 1에서 표현한 바 있다.

정규화인자가 얻어지면, 제어부(140)는 이를 수학식 3에 대입하여 실제의 지자기센서값을 정규화하게 된다(S683). 이에 따라, 기울기의 영향을 보상하여 정규화가 이루어진다. 이러한 정규화 방법은 가속도 센서(150)를 이용하여 피치각 및 롤각을 측정하는 과정에서도 사용될 수 있다.

최종적으로, 이러한 정규화된 전압값을 이용하여 방위각을 연산하는 과정이 진행된다(S690). 제어부(140)는, 메모리(160)에 기록된 피치각, 롤각, 복각 등에 대한 정보를 이용하여 상술한 수학식 5로부터 가상의 Z축의 정규화된 출력값을 연산할 수 있다. 그리고 나서, 제어부(140)는 가상의 Z축의 정규화된 출력값 및 기타 정보를 이용하여 수학식 6으로부터 방위각을 연산하게 된다.

이상과 같은 방법으로, 정규화인자를 산출하게 되면 기울기에 의한 영향을 보상할 수 있으므로, 기울어진 환경에서도 정확한 방위각을 연산할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 사용자가 지자기 센서의 정규화를 위하여 회전시키는 가운데 수평을 유지못하고 흔들리게 되거나, 휴대폰 등에 내장하였을 경우에 장착위치의 한계로 인해 수평상태로 내장하기 어려운 경우에도, 그 흔들림에 의한 영향을 보상하여 줌으로써 정확한 정규화인자를 추출할 수 있게 된다. 이를 이용하여 실제 측정된 지자기 전압값을 정규화하면 기울어짐에 의한 영향이 보상되므로, 정확한 방위각을 연산할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 지자기 센서의 일반적인 구성을 나타내는 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 지자기 센서 상에서 피치각 및 롤각 측정의 기준이 되는 두개의 축을 나타내는 모식도,

도 4는 본 발명에 따른 지자기 센서가 내장된 휴대폰상에서 피치각 및 요우각 측정의 기준이 되는 두개의 축을 나타내는 모식도,

도 5는 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 중 발생하는 기울기 오차를 설명하기 위한 모식도, 그리고,

도 6은 본 발명에 따른 지자기 센서에서 기울기 오차를 반영하여 정확한 방위각을 연산하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11, 110 : 구동신호 생성부 12, 120 : 지자기 측정부

13, 130 : 신호처리부 14, 140 : 제어기

150 : 가속도 센서 160 : 메모리

111 : 펄스발생부 112 : 펄스 증폭기

131 : 쵸핑회로부 132 : 제1증폭부

133 : 필터 134 : 제2증폭부

135 : A/D 컨버터(A/D convertor) 100 : 지자기 센서

Claims (13)

1. 펄스 신호를 생성하여 구동신호로써 출력하는 구동펄스 발생 회로;

   상기 구동신호에 의해 구동되어 지자기에 대응되는 소정의 전압값을 출력하는 지자기 측정부;

   수평상태를 기준으로 기울어진 정도를 나타내는 피치각 (pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 측정하는 가속도센서;및

   상기 가속도센서에서 측정된 피치각 및 롤각을 이용하여 상기 지자기 측정부에서 출력되는 전압값을 보상한 후 소정 범위의 값으로 정규화하여, 방위각을 연산하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지자기 측정부는,

   상기 지자기 센서가 이루는 평면상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축 방향으로 형성된 2축 플럭스게이트를 구비하며, 상기 구동신호에 의해 발생된 자기에 대응되는 상기 2축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 지자기 센서가 소정회수 회전하면서 측정된 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트의 측정값에 각각 상기 피치각 및 롤각을 반영하여 보상한 후, 보상된 값 중 최대값 및 최소값을 이용하여 상기 정규화에 사용되는 정규화 인자(normalizing factor)를 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제어부는 아래의 수식을 이용하여 상기 X축 및 Y축 전압값 각각을 보상하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서:

   X_c = X_s / cos(θ+λ)

   Y_c = Y_s / cos(φ+λ)

   X_c 및 Y_c는 각각 보상된 X축 및 Y축 전압값, X_s 및 Y_s 는 각각 X축 및 Y축의 실제 전압값, θ는 상기 피치각, φ는 상기 롤각, 그리고, λ는 복각.
5. 제4항에 있어서,

   상기 정규화인자는 아래의 수식으로 표현되는 바이어스 인자(offset factor) 및 스케일 인자(scale factor)인 것을 특징으로 하는 지자기 센서:

   상기 식에서, X_bias 및 Y_bias 는 각각 X축 및 Y축 전압값의 바이어스 인자, X _scal 및 Y_scal 은 각각 X축 및 Y축 전압값의 스케일 인자, X_max 및 X_min 는 각각 X축 전압값의 최대값 및 최소값, 그리고, Y_max 및 Y_min 은 각각 Y축 전압값의 최대값 및 최소값.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 정규화인자를 아래의 수식에 대입하여 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 정규화하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서:

   X 및 Y는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 전압값, X_norm 및 Y_norm는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 정규화된 전압값, 그리고, λ는 복각.
7. 지자기 센서의 출력값을 소정범위로 매핑시키는 정규화방법에 있어서,

   (a) 상기 지자기 센서를 소정 회수 회전시키면서 지자기에 대응되는 소정의 전압값을 측정하는 단계;

   (b) 상기 (a)단계를 수행하는 중에 상기 지자기 센서의 피치각 및 롤각을 측정하는 단계;

   (c) 상기 피치각 및 롤각을 반영하여 상기 전압값을 보상하는 단계;

   (d) 상기 보상된 전압값 중 최대값 및 최소값을 이용하여, 소정의 정규화인자를 연산하는 단계;및

   (e) 상기 정규화인자를 이용하여 상기 지자기전압값을 정규화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 (a)단계는,

   상기 지자기 센서가 이루는 평면상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축 방향으로 형성된 2축 플럭스게이트를 이용하여 상기 지자기에 대응되는 전압값을 출력하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 (a)단계는,

   상기 2축 플럭스게이트에 구동펄스신호를 인가하는 단계;및

   상기 구동펄스신호에 의해 발생된 자기에 대응되는 상기 2축 플럭스게이트 각각의 전압값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 (c)단계는,

    아래의 수식을 이용하여 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 보상하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법:

    X_c = X_s / cos(θ+λ)

    Y_c = Y_s / cos(φ+λ)

    X_s 및 Y_s 는 각각 X축 및 Y축의 전압값, X_c 및 Y_c는 각각 보상된 X축 및 Y축 전압값, θ는 상기 피치각, φ는 상기 롤각, 그리고, λ는 복각.
11. 제10항에 있어서,

    상기 (d)단계에서 연산되는 상기 정규화인자는,

    아래의 수식으로 표현되는 바이어스 인자(bias factor) 및 스케일 인자(scale factor)인 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법:

    상기 식에서, X_bias 및 Y_bias 는 각각 X축 및 Y축 전압값의 바이어스 인자, X _scal 및 Y_scal 은 각각 X축 및 Y축 전압값의 스케일 인자, X_max 및 X_min 는 각각 X축 전압값의 최대값 및 최소값, 그리고, Y_max 및 Y_min는 각각 Y축 전압값의 최대값 및 최소값.
12. 제11항에 있어서,

    상기 (e)단계는,

    상기 정규화인자를 아래의 수식에 대입하여 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 정규화하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 정규화방법:

    X 및 Y는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 전압값, X_norm 및 Y_norm는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트의 정규화된 전압값, 그리고, λ는 복각.
13. 지자기 센서를 이용하여 방위각을 측정하는 방법에 있어서,

    (a) 상기 지자기 센서를 소정 회수 회전시키면서 지자기에 대응되는 소정의 전압값을 측정하는 단계;

    (b) 상기 (a)단계를 수행하는 중에 상기 지자기 센서의 피치각 및 롤각을 측정하는 단계;

    (c) 상기 피치각 및 롤각을 반영하여 상기 전압값을 보상하는 단계;

    (d) 상기 보상된 전압값 중 최대값 및 최소값을 이용하여, 소정의 정규화인자를 연산하는 단계;

    (e) 상기 정규화인자를 이용하여 상기 지자기전압값을 정규화하는 단계;및

    (f) 정규화된 상기 지자기전압값을 이용하여 방위각을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방위각 측정 방법.