KR20050079496A - 복각 검출 기능을 지원하는 지자기 센서 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

복각 검출 기능이 지원되는 지자기 센서가 개시된다. 본 지자기 센서는, 지자기에 대응되는 크기의 전기적 신호를 출력하는 지자기 검출 모듈, 수평상태에서 연산된 방위각이 저장된 메모리, 현 상태의 기울기를 측정하여 틸트각을 산출하는 가속도 센서 모듈, 그리고, 수평상태에서의 방위각, 현 상태의 틸트각, 및 지자기 검출모듈로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 복각을 연산하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 사용자는 간단한 조작만으로 현 상태의 복각을 연산할 수 있다.

Description

복각 검출 기능을 지원하는 지자기 센서 및 그 방법 { Geomagnetic sensor for detecting dip angle and method thereof }
본 발명은 복각 검출 기능을 지원하는 지자기 센서 및 그 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 2축 플럭스게이트를 이용하여 간단한 연산과정을 통해 현 상태의 복각을 연산하여 검출하는 지자기 센서 및 그 검출 방법에 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.
즉, 플럭스게이트형 지자기 센서란 퍼말로이(permalloy)와 같은 고투자율 재료를 자심으로 사용하며, 그 자심을 감은 구동권선(coil)을 통해 여기자장을 가하여 그 자심의 자기포화 및 비선형 자기 특성에 따라 발생하는 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 이러한 지자기 센서의 일반적인 구성을 나타내는 간단한 블럭도이다. 도 1에 따르면, 지자기 센서(10)는, 구동 신호 생성부(11), 지자기검출모듈(12), 신호 처리부(13), 제어부(14), 메모리(15) 및 가속도센서모듈(16)을 포함한다.
구동 신호 생성부(11)는, 지자기 검출모듈(12)을 구동시킬 수 있는 구동신호를 인가하는 역할을 한다. 이러한 전기적 신호로는, 일반적으로 펄스 파 및 그 상태가 반전된 반전 펄스 파를 사용한다.
한편, 지자기 검출모듈(12)은 상호 직교하는 두개의 플럭스게이트를 포함한다. 이 때, 각 플럭스게이트는 사각링 또는 바 형태의 자성체 코어, 자성체 코어에 권선된 구동 코일 및 검출코일을 포함한다. 구동 코일은 구동 신호 생성부(11)에서 출력되는 전기적 구동신호를 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 각 축에 대응되는 전압값을 출력하는 역할을 한다.
제어부(14)는 신호처리부(13)에서 출력된 전압값을 측정하여 현재 지자기 센서(10)가 위치한 방위각을 측정하게 된다. 이 경우, 지자기 검출모듈(12)의 각 플럭스게이트에서 출력되는 전기적 신호는 기울기에 따라 변화가 생기는 데, 이 경우, 그 기울기의 변화가 크면 측정된 방위각의 값에 오류가 발생할 수 있으므로, 기울기(tilt) 보상 알고리즘을 사용하여 기울기의 영향을 보상하여 줄 필요가 있다. 기울기 보상 알고리즘에 따라 기울기의 영향을 보상하기 위해서는, 먼저, 현재 지자기 센서(10)의 기울기, 즉, 피치각(pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 측정하여야 하고, 또한 현재 위치의 복각을 측정하여야 한다.
가속도 센서모듈(16)은 지자기 센서(10)의 중력 가속도를 측정하여 피치각 및 롤각을 연산하는 역할을 한다. 지자기 검출모듈(12)와 같이 상호 직교하는 두개의 가속도 센서로 구현될 수 있다. 피치각 및 롤각은 지자기 센서(10)가 기울어진 정도, 즉, 틸트각(tilt angle)을 의미한다. 구체적으로는, 피치각이란 지자기 센서(10)가 놓여진 평면 상에서 지자기 센서(10)를 중심으로 상호 직교하는 두개의 축(X축 및 Y축) 중 하나의 축을 중심으로 회전시키는 경우에 측정되는 회전각을 의미한다. 롤각이란 다른 하나의 축을 중심으로 회전 시키는 경우에 측정되는 회전각을 의미한다.
일반적으로, 가속도 센서모듈(16)은 일정한 질량을 가지는 추를 이용하여 중력에 의한 추의 움직임을 각도계, 눈금자 또는 지시바늘을 통해 시각적 또는 전기 회로적으로 검사함으로써 피치각 및 롤각을 측정하도록 구현될 수 있다. 가속도 센서모듈(16)에서 측정된 피치각 및 롤각은 메모리(150)에 저장된다.
제어부(14)는, 기울기 보상을 하는 경우, 신호 처리부(13)에서 출력하는 X축 및 Y축의 출력 전압값을 정규화한 후 가속도 센서모듈(16)에서 측정된 피치각 및 롤각과, 현재 위치에서의 복각을 이용하여 방위각을 연산하게 된다. 복각이란, 지구 자기의 3요소(편각, 복각, 수평 자기력) 중 하나로, 자침을 연직면에서 자유롭게 회전하게 할 때 자침이 수평면과 기울어져 있는 각을 의미한다. 우리 나라의 복각은 대략 50°∼ 60°정도이다.
이러한 복각에 대해서, 종래에는 복각값을 지역에 따라 정해져 있는 상수를 입력하여 사용하던지 아니면 GPS와 같은 외부장치로부터 복각 값을 입력받아 방위각을 연산하였다. 하지만, 지역에 따라 정해져 있는 복각의 값을 사용하는 경우 지역이 바뀌면 그에 맞는 값을 일일이 새로 입력해야 되는 문제점이 있고, 같은 지역이라도 지구 자계의 세기가 왜곡되는 환경하에서는 오차가 있는 복각 값을 사용하게 되는 문제점이 있다. 한편, GPS와 같은 외부장치로부터 복각 값을 입력 받는 경우에는, 그 외부장치와의 통신을 위한 장비가 더 필요하므로, 지자기 센서의 크기 및 제조비용이 증가하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 수평상태에서 측정된 방위각과 현재의 기울기를 이용하여 현 위치의 복각을 연산하여 사용하는 지자기 센서 및 그 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지자기 센서는, 지자기에 대응되는 크기의 전기적 신호를 출력하는 지자기 검출 모듈, 수평상태에서 연산된 방위각이 저장된 메모리, 현 상태의 기울기를 측정하여 틸트각을 산출하는 가속도 센서 모듈, 및 상기 수평상태에서의 방위각, 상기 틸트각, 및 상기 지자기 검출모듈로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 복각을 연산하는 제어부를 포함한다.
이 경우 바람직하게는, 상기 가속도 센서모듈은 상호 직교하는 X축 및 Y축 지자기 센서를 구비하여, 소정의 피치각 및 롤각으로 표현되는 상기 틸트각을 검출할 수 있다.
한편, 보다 바람직하게는, 상기 가속도 센서모듈로부터 검출된 상기 틸트각이 소정 임계각 이하이면, 연산된 상기 복각이 부정확하다는 소정의 경고메시지를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지자기 검출모듈을 구동하는 구동신호를 공급하는 구동신호생성부를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에서의 상기 지자기 검출 모듈은, 상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스 게이트를 구비하여, 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각으로부터 지자기에 대응되는 전기적인 신호를 출력하는 플럭스게이트 지자기 검출 모듈을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 지자기 센서에서의 복각 검출 방법은, (a) 지자기에 대응되는 크기의 전기적 신호를 출력하는 단계, (b) 수평상태에서의 방위각을 검출하여 저장하는 단계, (c) 현 상태의 기울기를 측정하여 틸트각을 산출하는 단계, 및 (d) 검출된 상기 출력값, 상기 방위각, 및 상기 틸트각을 이용하여 복각을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상호 직교하는 X축 및 Y축 가속도 센서를 이용하여 소정의 피치각 및 롤각으로 표현되는 상기 틸트각을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 (a)단계는, 상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각으로부터 상기 지자기에 대응되는 출력값을 검출하는 단계, 및 상기 출력값을 소정 범위의 값으로 정규화(normalizing)하여 상기 전기적 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 (b)단계에서는, 상기 피치각 및 상기 롤각이 각각 0이 되는 경우를 수평상태라고 판단할 수 있다. 따라서, 방위각을 연산하는 소정의 수식에 피치각 및 롤각을 각각 0으로 대입하여 방위각을 연산함으로써 수평상태에서의 방위각으로 활용할 수 있다.
한편, 상기 (c)단계는, 상기 피치각 및 상기 롤각 중 적어도 하나가 기 설정된 소정 임계값을 초과하도록 상기 지자기 센서를 기울이는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 소정 임계값 이하라고 판단되면, 최종적으로 산출된 복각의 값에 오차가 발생할 수 있다는 경고메시지를 표시할 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2에 따르면, 본 지자기 센서(100)는 구동신호 생성부(110), 지자기검출모듈(120), 신호처리부(130), 제어부(140), 메모리(150), 가속도센서모듈(160), 및 디스플레이부(170)를 포함한다.
구동신호생성부(110)는 지자기 검출모듈(120)을 구동시키는 구동신호를 생성하여 출력하는 역할을 한다. 구동신호로는 일반적으로 펄스파형 및 반전 펄스 파형을 사용할 수 있다. 즉, 구동신호생성부(110)는 펄스발생기(미도시), 펄스제한부(111) 및 펄스 증폭부(112)를 포함함으로써, 펄스발생기에서 생성되어 출력된 펄스를 펄스 제한부(111)가 제어신호에 따라 선택적으로 스위칭한 후, 펄스 증폭부(112)가 증폭 및 반전 증폭하여 출력하게 된다. 펄스제한부(111)로는 앤드게이트가 이용될 수 있으며, 엔드게이트의 일단에 인가된 제어신호에 따라 펄스발생기로부터 출력된 펄스를 출력한다.
펄스증폭부(112)는 수개의 증폭기 및 반전기를 사용함으로써 펄스제한부 (111)를 통해 출력된 펄스에 대해 서로 위상이 반대인 두 펄스 신호를 출력한다.
지자기 검출모듈(120)은 상호 직교하는 두 개의 X축 및 Y축 플럭스게이트 (flux-gate)를 포함하여 이루어 질 수 있다.
지자기 검출모듈(120)은 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, 자성체 코어들 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 한다. 구체적으로는, 신호처리부(130)는, 쵸핑회로부(131), 제1증폭부(132), 필터(133), 제2증폭부(134) 및 A/D 컨버터(A/D convertor : 135)를 포함한다.
지자기 검출모듈(120)로부터 출력된 X축 및 Y축 플럭스게이트에 유도된 전기적 신호는 쵸핑회로부(131)에서 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, 가속도 센서모듈(160)은 3차원 공간을 X,Y,Z 축을 이용하여 표현할 때 x-y 평면에서 x축 방향으로 설치된 X축 가속도 센서와 y축 방향으로 설치된 Y축 가속도 센서를 포함하여, 각 축 가속도 센서에서 측정된 전압값을 정규화한 후, 피치각 및 롤각을 계산하는 작용을 한다. 피치각 및 롤각에 대해서는 상술한 바 있다.
중력가속도는 물체나 기기가 놓인 자세에 따라 다른 영향을 주는데, 가속도 센서모듈(160)은 이러한 물체의 중력가속도를 측정하여 중력가속도 성분 중 가속도 센서의 감지방향과 일치하는 중력가속도 성분을 검출함으로써 수직 방향으로 측정된 중력가속도 방향과의 사이각을 측정함으로써 기울기, 즉, 틸트각을 측정하게 된다.
제어부(140)는 지자기 검출모듈(120) 및 가속도 센서모듈(160)로부터 출력되는 전기적 신호를 소정 범위의 값으로 매핑시키는 정규화 과정을 수행하여야 한다. 이를 위해, 지자기 센서(100)의 개발자는 수평을 유지하면서 지자기센서(100)를 회전시키면서, 지자기 검출모듈(120) 및 가속도 센서모듈(160)로부터 출력되는 전기적 신호를 메모리(150)에 저장한 후, 그 중 최대값 및 최소값을 구하여 정규화 인자를 연산하는데 사용하게 된다. 정규화 인자란 정규화를 수행하는 데 필요한 인자를 의미한다.
제어부(140)는 아래의 수식을 이용하여 정규화 인자를 연산하게 된다.
수학식 1에서, Xfmax 및 Xfmin 은 X축 플럭스게이트의 출력값(Xf)의 최대값 및 최소값, Yfmax 및 Yfmin 은 Y축 플럭스게이트의 출력값(Yf)의 최대값 및 최소값, Xfbias 및 Xfsf는 각각 X축 플럭스게이트의 Bias값 및 Scale factor값, 그리고, Yf bias 및 Yfsf는 각각 Y축 플럭스게이트의 Bias값 및 Scale factor값을 나타낸다. Bias값 및 Scale factor값이란 상술한 정규화 인자를 의미한다.
한편, 제어부(140)는 수학식1에서 연산된 정규화인자를 아래의 수식에 대입하여 정규화를 수행한다.
수학식 2에서, Xfnorm은 정규화된 X축 플럭스게이트 출력값, 그리고, Yfnorm은 정규화된 Y축 플럭스게이트의 출력값, 그리고, λ는 복각을 의미한다.
한편, 피치각 및 롤각을 측정하기 위하여도 정규화 과정이 필요하다. 즉, 가속도 센서모듈(160)은 메모리(150)에 저장된 X축 및 Y축 가속도 센서의 출력값 중 최대값 및 최소값을 아래의 수식에 대입하여 정규화를 수행한다.
수학식 3에서, Xt는 X축 가속도 센서의 출력값, Yt는 Y축 가속도 센서의 출력값, Xtnorm은 정규화된 X축 가속도 센서의 출력값, 그리고, Ytnorm은 정규화된 Y축 가속도 센서의 출력값, Xtmax 및 Xtmin 은 Xt의 최대값 및 최소값, 그리고, Yt max 및 Ytmin 은 Yt의 최대값 및 최소값을 나타낸다. 수학식 1에서 표현된, Xtbias 및 Xt sf는 각각 X축 가속도 센서의 Bias값 및 Scale factor값, 그리고, Ytbias 및 Ytsf는 각각 Y축 가속도 센서의 Bias값 및 Scale factor값을 나타낸다.
수학식 3과 같이 정규화된 X축 및 Y축 가속도 센서의 출력값으로부터 아래의 수식을 이용하여 x-y평면의 피치각(θ) 및 롤각(φ)을 계측할 수 있다.
수학식 4에서 θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각을 나타낸다.
제어부(140)는 상술한 수학식 1 내지 4를 이용하여 지자기 검출모듈(120) 및 가속도 센서모듈(160)로부터 측정된 값을 소정 범위로 매핑시킨 후, 매핑된 값을 이용하여 방위각 등을 연산하게 된다.
한편, 기울기 보상 알고리즘에 따르면, 제어부(140)는 아래의 수식을 이용하여 가상의 Z축의 정규화값을 구할 수 있다.
수학식 5에서, Zf는 가상의 Z축 플럭스게이트 전압값, Zfnorm은 Zf의 정규화된 값을 의미한다. 이에 따라, Zfnorm이 연산되면, 제어부(140)는 아래의 수식을 이용하여 방위각을 연산하게 된다.
수학식 6에서, ψ는 방위각(azimuth), Xfnorm, Yfnorm, Zfnorm는 각각 X축, Y축 및 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값을 의미한다.
한편, 상술한 수학식 1 내지 6에서 사용되는 정규화 인자를 얻기 위해서, 지자기 센서(100)를 표면에 장착하여 정확한 각도로 회전하고 기울일 수 있는 지그(jig)를 구비한 센서 제작자가 이러한 지그를 이용하여 지자기 센서(100)를 회전시키면서 최대값 및 최소값을 측정하여 기록한 후, 이를 이용하여 정규화 인자를 연산하는 것이 바람직하나, 사용자의 편의를 위해 사용자가 이러한 보상(calibration) 알고리즘을 직접 실행하도록 할 수도 있다.
또한, 정확한 방위각을 연산하기보다 신속한 방위각 연산이 요구되는 상황이라면 기울기 보상 알고리즘을 수행하지 않고, 지자기 검출 모듈(120)로부터 출력되는 전기적 신호를 정규화 한 후, 복각이나 피치각, 롤각의 영향을 무시하고 방위각을 연산할 수도 있다.
한편, 수학식 5를 수학식 6에 대입한 후, 복각에 대하여 정리하면 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.
제어부(140)는 수학식 7을 이용하여 현재 위치에서의 복각을 연산하게 된다. 이 경우, 방위각 ψ는 수평상태에서 측정되어 메모리(150)에 기록된 방위각을 사용한다. 즉, 수평상태에서 측정된 방위각과 소정의 기울기로 기울어진 상태에서 측정된 방위각은 일치하여야 하므로, 제어부(140)는 사전에 수평상태, 즉, 피치각 및 롤각이 각각 0이 되는 상태에서 측정되어 메모리(150)에 기록된 방위각을 수학식 7에 대입하여 사용할 수 있다. 한편, 제어부(140)는 가속도 센서모듈(160)로부터 측정된 피치각 θ, 롤각 φ과 지자기 검출모듈(120)로부터 측정된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값을 동시에 이용하여 수학식 7로부터 복각을 연산하게 된다.
구체적인 활용예를 살펴보면, 사용자는 현재 위치에서의 복각을 연산하기 위하여 임의로 지자기 센서(100)를 피치각 40°, 롤각 0°가 되도록 기울인 후, 복각 측정 명령을 입력하게 된다.
제어부(140)는 기 연산되어 메모리(150)에 저장된 수평상태의 방위각을 독출한 후, 피치각 40°, 롤각 0° 및 측정된 각 축 플럭스게이트 출력값을 수학식 7에 대입한 후 복각을 연산하게 된다.
이 경우, 제어부(140)는 사용자에 의해 주어진 피치각 이나 롤각의 값이 소정 임계각 이하이면, 측정된 복각의 값에 오차가 포함될 수 있음을 알리는 소정의 경고메시지를 표시하도록 디스플레이부(170)를 제어할 수 있다. 사용자는 이에 따라 적당한 크기의 틸트를 가지도록 다시 지자기 센서(100)를 기울인 후 복각을 연산할 수 있다. 임계각이란 각 지역에 따라 실험적으로 측정하여 가장 오차가 적게 발생하는 범위의 각도로 결정할 수 있다.
한편, 도 3은, 본 지자기 센서(100)에 포함되는 지자기 검출모듈(120)의 출력파형 그래프를 나타낸다. 도 3에 따르면, X축 플럭스게이트의 출력값은 방위각에 대한 cos 함수그래프(201)로 표현되고, Y축 플럭스게이트의 출력값은 방위각에 대한 sin 함수그래프(202)로 표현된다. 따라서, 기울기 보상 알고리즘이 적용되지 않는 경우라면, 제어부(140)는 ψ = tan-1(Y축 출력값 / X축 출력값) 의 수식을 이용하여 방위각을 연산할 수 있다. 한편, 도 3에 따르면 각 출력값이 1 내지 -1의 범위로 정규화되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 지자기 센서(100)상에서 피치각 및 롤각이 변화하는 과정을 나타내는 모식도이다. 도 4의 (a)는 지자기 센서(100)상에서 상호 직교하는 X축 및 Y축을 나타낸다. X축을 기준으로 회전하는 경우, X-Y 평면과의 사이각이 롤각이 되고, Y축을 기준으로 회전하는 경우 X-Y 평면과의 사이각이 피치각이 된다.
도 4의 (b)에서는 사용자가 임의의 피치각을 설정하기 위하여 Y축을 기준으로 회전시킨 상태의 지자기 센서(100)를 도시하고 있다. 제어부(140)는 설정된 피치각이 소정 임계각 이하이면 상술한 바와 같이 경고메시지를 표시하도록 제어할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 지자기 센서(100)에서의 방위각 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 5에 따르면, 먼저, 지자기 센서(100)를 수평상태에서 1회전시키면서 플럭스게이트 출력값을 측정한 후, 최대값 및 최소값을 산출하여 수학식 1을 통해 정규화 인자를 연산하게 된다(S510).
다음으로, 기울기(틸트) 보상 알고리즘을 사용할 것인지를 확인하는 단계를 수행할 수 있다(S520). 사용자는 소정의 입력수단을 이용하여 기울기 보상 알고리즘에 따라 방위각을 연산하는 모드 및 기울기의 영향을 무시하고 단순한 방법으로 방위각을 연산하는 모드 중 하나를 선택할 수 있다.
틸트보상알고리즘을 사용하지 않는 모드를 선택한 경우라면, 제어부(140)는 지자기 검출모듈(120)로부터 검출된 출력값을 ψ = tan-1(Y축 출력값 / X축 출력값)의 수식에 대입하여 방위각(ψ)을 연산하게 된다(S560).
반면에, 틸트보상알고리즘을 사용하는 모드를 선택하게 되면, 가속도 센서모듈(160)이 피치각 및 롤각을 검출하게 된다(S530). 이 경우, 피치각 및 롤각은 상술한 수학식 3 및 4로부터 연산할 수 있다.
다음으로, 수평상태에서 연산된 방위각과 피치각 및 롤각을 이용하여 현재 위치에서의 복각을 검출하게 된다(S540).
도 6은, 본 발명에 따른 지자기센서(100)의 제어부(140)에서 복각을 연산하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6에 따르면, 제어부(140)는 수평상태에서 측정된 방위각을 메모리(150)에 기록한 후(S641), 임의의 틸트각이 주어진 상황에서(S643), 수학식 7을 이용하여 복각을 연산하게 된다(S645).
제어부(140)는 복각이 연산되면, 수학식 5 및 6을 이용하여 틸트에 따른 영향이 보상된 방위각을 연산할 수 있게 된다(S550).
한편, 바람직하게는, 사용자가 임의로 부여한 틸트각의 크기가 소정의 임계각보다 작다고 판단되면, 디스플레이부(170)를 통해 소정의 경고메시지를 표시하도록 할 수 있다. 임계각이란, 그 지자기 센서(100)가 사용되는 지역에서 실험적으로 복각을 측정하였을 경우 가장 오차가 적게 나는 범위의 틸트각을 의미한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 현재 위치에서의 복각을 연산할 수 있게 되므로, 지자기 센서(100)는 외부로부터 복각이 입력되기를 기다리거나, 임의로 추정하여 사용할 필요가 없게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 틸트각을 임의로 부여한 후에 수평상태에서 측정된 방위각과 함께 이용하여 현재 위치에서의 복각을 연산할 수 있게 된다. 이에 따라, 사용자는 간단한 조작만으로 방위각 연산에 필요한 복각을 산출할 수 있으므로, 편리하게 방위각을 얻을 수 있게 된다.
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 일반적인 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지자기 센서의 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 도 2의 지자기 센서에 포함된 지자기검출모듈에서의 출력값 그래프,
도 4는 도 2의 지자기 센서 상에서의 피치각 및 롤각의 변화를 나타내는 모식도,
도 5는 본 발명에 따른 지자기 센서에서의 방위각 측정방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고,
도 6은 본 발명에 따른 지자기 센서에서의 복각 측정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 구동신호 생성부 120 : 지자기 검출모듈
130 : 신호처리부 140 : 제어부
150 : 메모리 160 : 가속도센서모듈
170 : 디스플레이부 200 : 지자기센서

Claims (12)

  1. 지자기에 대응되는 크기의 전기적 신호를 출력하는 지자기 검출모듈;
    수평상태에서 연산된 방위각이 저장된 메모리;
    현 상태의 기울기를 측정하여 틸트각을 산출하는 가속도 센서모듈; 및
    상기 수평상태에서의 방위각, 상기 틸트각, 및 상기 지자기 검출모듈로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 복각을 연산하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 센서모듈은,
    상호 직교하는 X축 및 Y축 지자기 센서를 구비하여, 소정의 피치각 및 롤각으로 표현되는 상기 틸트각을 검출하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가속도 센서모듈로부터 검출된 상기 틸트각이 소정 임계각 이하이면, 연산된 상기 복각이 부정확하다는 소정의 경고메시지를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지자기 검출모듈을 구동하는 구동신호를 공급하는 구동신호생성부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지자기 검출모듈은,
    상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스 게이트를 구비하여, 상기 구동신호가 인가되면 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각으로부터 상기 지자기에 대응되는 전기적인 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 아래의 수식을 이용하여 상기 복각을 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서:
    상기 식에서, λ는 복각, Xf, Xfmax, Xfmin은 각각 상기 X축 플럭스게이트의 출력값, 최대출력값, 최소출력값, Yf, Yfmax, Yfmin은 각각 상기 Y축 플럭스게이트의 출력값, 최대출력값, 최소출력값, θ는 피치각, φ는 롤각, 그리고, ψ는 수평상태에서 측정된 방위각.
  7. (a) 외부 지자기에 대응되는 크기의 전기적 신호를 출력하는 단계;
    (b) 수평상태에서의 방위각을 검출하여 저장하는 단계;
    (c) 현 상태의 기울기를 측정하여 틸트각을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 전기적 신호 및 상기 틸트각과, 상기 수평상태에서의 방위각을 이용하여 복각을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 복각 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상호 직교하는 X축 및 Y축 가속도 센서를 이용하여 소정의 피치각 및 롤각으로 표현되는 상기 틸트각을 검출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 복각 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스게이트 각각으로부터 상기 지자기에 대응되는 출력값을 검출하는 단계;및
    상기 출력값을 소정 범위의 값으로 정규화(normalizing)하여 상기 전기적 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 복각 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 피치각 및 상기 롤각이 각각 0이 되는 경우의 방위각을 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 복각 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 피치각 및 상기 롤각 중 적어도 하나가 기 설정된 소정 임계값을 초과하도록 상기 지자기 센서를 기울이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 복각 검출 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    아래의 수식을 이용하여 상기 복각을 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서:
    상기 식에서, λ는 복각, Xf, Xfmax, Xfmin은 각각 상기 X축 플럭스게이트의 출력값, 최대출력값, 최소출력값, Yf, Yfmax, Yfmin은 각각 상기 Y축 플럭스게이트의 출력값, 최대출력값, 최소출력값, θ는 피치각, φ는 롤각, 그리고, ψ는 수평상태에서 측정된 방위각.
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