KR20060066239A - 방위각을 측정하는 지자기센서 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

2축 플럭스게이트를 이용하여 방위각을 측정하는 지자기센서가 개시된다. 본 지자기센서는, 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 지자기검출모듈, 소정의 기준면 상에서 기울어진 정도를 나타내는 틸트각을 검출하는 틸트검출모듈, 복각에 따른 지자기 영향을 반영하기 위한 상수값을 매(每) 방위각 별로 기 설정하여 기록한 데이터베이스를 저장하는 메모리, 및, 상수값의 초기값, 전기적신호값, 및 틸트각을 이용하여 방위각을 1차 연산한 후, 1차 연산된 방위각에 대응되는 상수값을 메모리로부터 검출하여 검출된 상수값을 이용하여 방위각을 재연산하는 중앙처리장치를 포함한다. 이에 따라, 복각에 의한 영향을 보상하여 정확한 방위각을 연산할 수 있게 된다.
지자기센서, 플럭스게이트, 복각, 데이터베이스, 방위각

Description

방위각을 측정하는 지자기센서 및 그 방법 { Geomagnetic sensor for detecting azimuth and method thereof }
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지자기센서의 구성을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 지자기센서의 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 피치각 및 롤각을 측정하기 위한 기준축을 나타내는 모식도,
도 4는 도 3의 지자기센서에서 사용된 틸트검출모듈 구성의 일예를 나타내는 블럭도,
도 5는 도 3의 메모리에 저장된 데이터베이스 구성의 일예를 나타내는 모식도, 그리고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방위각 측정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110, 210 : 지자기검출모듈 120, 220 : 틸트검출모듈
130, 230 : 중앙처리장치 140, 240 : 메모리
150, 250 : 디스플레이부 260 : 정규화부
본 발명은 방위각 측정을 위한 지자기센서 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복각을 연산하지 않은 상태에서 기울기에 의한 영향을 보상하여 정확한 방위각을 측정하기 위한 지자기센서 및 그 방법에 관한 것이다.
지자기 센서란, 인간이 느낄 수 없는 지구 자기의 세기 및 방향을 측정해 주는 장치이다. 그 중, 플럭스게이트(fluxgate)를 사용하는 지자기 센서를 플럭스게이트 센서라 한다.
플럭스게이트 센서는 퍼말로이(permalloy)와 같은 고투자율 재료로 이루어진 플럭스게이트 코어, 코어를 권선한 구동코일, 및, 검출코일로 구성된다. 이 경우, 플럭스게이트 코어의 개수는 2개 또는 3개가 될 수 있다. 각 플럭스게이트 코어는 상호 직교하는 형태로 제작된다. 즉, 2축 플럭스게이트 센서의 경우, X축 및 Y축 플럭스게이트로 구현되며, 3축 플럭스게이트 센서의 경우에는 X축, Y축, 및, Z축 플럭스게이트로 구현된다. 이에 따라, 각 플럭스게이트 코어를 권선한 각 구동코일에 구동신호를 인가한 후, 코어에 의해 자기가 유도되면 검출코일을 이용하여 외부자장에 비례하는 2차 고조파 성분을 검출함으로써, 외부 자장의 크기 및 방향을 측정하게 된다.
한편, 자기장은 방향성을 띄기 때문에 지자기센서의 이용자세에 따라 측정값이 달라지게 된다. 즉, 소정 각도로 기울어진 상태에서 지자기센서를 이용하여 방위각 등을 측정하게 되면, 실제 방위각과 다른 값이 측정될 수 있게 된다는 문제점 이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 최근에는 가속도센서 등을 이용하여 틸트각을 측정한 후, 이를 이용하여 기울기에 따른 영향을 보상하여 정확한 방위각을 연산하도록 하고 있다. 이 경우, 3축 플럭스게이트를 사용하는 지자기센서인 경우 복각(dip angle : λ)에 따른 영향을 고려할 필요가 없지만, 2축 플럭스게이트를 사용하는 지자기 센서의 경우에는 복각에 따른 영향을 고려해주어야 한다. 왜냐하면, 2축 플럭스게이트 센서의 경우 지표면 상에 놓여진 X축 및 Y축 플럭스게이트만을 구비하므로, 지표면에 투사되는 실제 지자기 벡터의 수평성분값만을 이용하여 방위각을 측정하기 때문이다. 즉, 복각이란 지자기가 지표면에 입사하는 각도를 의미하므로, 플럭스게이트에 의해 측정된 실제 지자기 벡터값에 cosλ를 승산하여 주어야 하기 때문에 2축 플럭스게이트 센서에서는 복각에 대한 정보를 필요로 한다.
이에 따라, 2축 플럭스게이트를 이용하던 종래의 지자기센서에서는, 복각을 임의로 추정하여 사용하던지 아니면 GPS와 같은 외부장치로부터 복각 값을 입력받아 방위각을 연산하였다. 하지만 임의로 복각을 추정하여 사용하는 경우, 정확한 복각을 사용할 수 없으므로, 방위각 정보가 왜곡될 수 있다는 문제점이 있었다. 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. 한편, 복각을 자체 연산하여 사용하기 위한 시도도 있었으나, 정확한 복각 연산이 어려우며, 또한, 복각 연산으로 인한 지자기센서의 연산 부담이 가중된다는 문제점이 있었다. 한편, 복각을 필요로 하지 않는 3축 플럭스게이트 지자기센서의 경우, 지표면에 수직한 방향으로 설치되어야 하는 Z축 플럭스게 이트를 추가로 더 필요로 하므로, 그로 인한 사이즈 증가가 불가피하게 된다. 따라서, 소형 휴대형 전자기기에 사용하기에는 부적합하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 복각의 영향을 보상하기 위한 상수값을 변경하면서 방위각을 소정 회수 이상 반복연산하여, 복각을 이용하지 않으면서도 정확한 방위각을 측정할 수 있도록 하는 지자기센서 및 그 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 지자기센서는, 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 지자기검출모듈, 소정의 기준면 상에서 기울어진 정도를 나타내는 틸트각을 검출하는 틸트검출모듈, 복각에 따른 지자기 영향을 반영하기 위한 상수값을 매(每) 방위각 별로 기 설정하여 기록한 데이터베이스를 저장하는 메모리, 및, 상기 상수값의 초기값, 상기 전기적신호값, 및 상기 틸트각을 이용하여 방위각을 1차 연산한 후, 상기 1차 연산된 방위각에 대응되는 상수값을 상기 메모리로부터 검출하여 상기 검출된 상수값을 이용하여 상기 방위각을 재연산하는 중앙처리장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 중앙처리장치는, 상기 방위각 재연산 작업이 완료되면, 상기 상수값의 초기값을 상기 검출된 상수값으로 업데이트시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 중앙처리장치는, 상기 지자기검출모듈 및 상기 틸트검출모듈에서 상기 전기적신호값 및 상기 틸트각이 각각 검출될 때마다, 상기 업데이트된 상수값을 이용하여 상기 방위각 1차연산작업 및 재연산작업을 수행할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 중앙처리장치는, 상기 방위각 재연산작업을 기 설정된 소정 회수만큼 수행할 수도 있다.
한편, 상기 지자기검출모듈은, 상호 직교하는 형태로 제작되어, 소정의 구동신호에 의해 유도되는 자기에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 각각 출력하는 X축 및 Y축 플럭스게이트를 포함한다.
이 경우, 본 지자기센서는, 상기 X축 및 상기 Y축 플럭스게이트로부터 출력되는 상기 전기적 신호를 각각 소정 범위의 값으로 매핑시키는 정규화작업을 수행하는 정규화부, 및, 상기 재연산된 방위각을 표시하는 디스플레이부를 더 포함하며, 상기 중앙처리장치는, 상기 정규화부에서 정규화된 전기적신호값을 이용하여 상기 방위각 1차연산 및 재연산작업을 수행할 수 있다.
한편, 상기 틸트검출모듈은, 상호 직교하는 형태로 제작되며, 상기 기준면에 대하여 기울어진 정도에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 출력하는 X축 및 Y축 가속도 센서, 상기 X축 및 상기 Y축 가속도센서로부터 각각 출력되는 상기 전기적 신호를 소정 크기의 값으로 매핑하는 정규화작업을 수행하는 틸트정규화부, 및, 상기 틸트정규화부에서 정규화된 값을 이용하여 피치각 및 롤각을 연산한 후, 상기 피치각 및 상기 롤각을 상기 틸트각으로써 출력하는 틸트연산부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중앙처리장치는, 소정 수식을 이용하여 가상의 Z축 플럭스게이트의 출력값을 연산한 후, 연산된 결과값을 이용하여 상기 방위각을 1차연산 및 재연 산하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 복각에 따른 지자기 영향을 반영하기 위한 상수값을 매(每) 방위각 별로 기 설정하여 기록한 데이터베이스를 저장한 메모리를 포함하는 지자기센서에서의 방위각 측정 방법은, (a) 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 단계, (b) 상기 전기적신호값의 크기를 소정 범위로 매핑하여 정규화하는 단계, (c) 상기 지자기센서가 소정의 기준면에 대해 기울어진 정도를 나타내는 틸트각을 검출하는 단계, (d) 상기 상수값의 초기값, 상기 정규화된 전기적신호값, 및, 상기 틸트각을 이용하여 방위각을 1차연산하는 단계, (e) 상기 1차연산된 방위각에 대응되는 상수값을 상기 메모리로부터 검출하는 단계, 및, (f) 상기 검출된 상수값, 상기 정규화된 전기적신호값, 및, 상기 틸트각을 이용하여 상기 방위각을 재연산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방위각 재연산 작업이 완료되면, 상기 상수값의 초기값을 상기 검출된 상수값으로 업데이트시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 전기적신호값 및 상기 틸트각이 검출될 때마다, 상기 업데이트된 상수값을 이용하여 상기 방위각 1차연산작업 및 재연산작업을 수행하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
보다 바람직하게는, 상기 (e) 내지 (f)단계를 기 설정된 소정 회수만큼 반복할 수 있다.
한편, 상기 (a)단계는, 상호 직교하는 형태로 제작된 X축 및 Y축 플럭스게이트에 소정의 구동신호를 인가하는 단계, 및, 상기 구동신호에 의해 상기 X축 및 Y 축 플럭스게이트에 유도되는 자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 각각 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 (c)단계는, 상호 직교하는 형태로 제작된 X축 및 Y축 가속도 센서로부터, 상기 기준면에 대하여 기울어진 정도에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 검출하는 단계, 상기 X축 및 상기 Y축 가속도센서로부터 각각 검출된 상기 전기적 신호의 크기를 소정 범위로 매핑하여 정규화하는 단계, 상기 정규화된 값을 소정 수식에 대입하여 상기 피치각 및 상기 롤각을 연산하는 단계, 및, 상기 피치각 및 상기 롤각을 상기 틸트각으로써 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 (d)단계 및 상기 (f)단계는, 소정 수식을 이용하여 가상의 Z축 플럭스게이트의 출력값을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 (d)단계 및 상기 (f)단계는, 상기 Z축 플럭스게이트의 출력값을 소정 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지자기센서의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 따르면, 본 지자기센서(100)는 지자기검출모듈(110), 틸트검출모듈(120), 중앙처리장치(130), 메모리(140), 및, 디스플레이부(150)를 포함한다.
지자기검출모듈(110)은 외부지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 역할을 수행한다.
틸트검출모듈(120)은 지자기센서(100)의 기울어진 정도를 나타내는 틸트각 (tilt angle)을 검출하는 역할을 수행한다. 이 경우, 틸트각은, 피치각 및 롤각이 될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
메모리(140)에는 매 방위각 별로 설정된 소정 상수값이 기록된 데이터베이스가 저장된다. 이러한 데이터베이스는 지자기센서(100)의 제조자, 또는, 사용자가 기 작성하여 저장하여 둘 수 있다. 바람직하게는, 수평상태를 정확하게 맞출 수 있는 지그(jig), 주변 자기장의 영향을 차단하기 위한 실드(shield) 등의 장비를 갖춘 지자기센서(100)의 제조자가 제품 개발 과정에서 지자기센서(100)를 회전시키면서, 매 방위각 별로 최적 상수값을 연산하여 데이터베이스를 작성하여, 메모리(140)에 저장하여 둘 수 있다.
중앙처리장치(130)는 지자기검출모듈(110) 및 틸트검출모듈(120)에서 각각 검출한 전기적신호값, 및, 틸트각을 이용하여 방위각을 연산한다. 이 경우, 방위각을 최초 연산하는 경우라면, 데이터베이스에 기록된 상수값의 초기값을 방위각 연산 과정에 이용하게 된다. 이에 따라, 방위각을 1차 연산한 후, 메모리(140)에 저장된 데이터베이스로부터 연산된 결과값에 대응되는 상수값을 독출한다. 이에 따라, 중앙처리장치(130)는 독출된 상수값, 1차 연산과정에서 사용한 전기적신호값 및 틸트각을 이용하여 방위각을 2차 연산한다. 즉, 방위각 1차 연산 과정에서 사용된 여타 변수값은 고정시키고, 상수값만 변경하여 2차 연산을 수행하게 된다. 이에 따라, 중앙처리장치(130)는 2차 연산된 방위각을 표시하도록 디스플레이부(150)를 제어하게 된다.
이러한 상태에서, 지자기검출모듈(110) 및 틸트검출모듈(120)에서 다시 소정 크기의 전기적신호값 및 틸트각을 출력하면 중앙처리장치(130)는 상수값의 초기값을 방위각 재연산 과정에서 사용된 상수값으로 업데이트하여 사용한다. 즉, 방위각 재연산 과정에서 사용된 상수값, 새로이 검출된 전기적신호값 및 틸트각을 이용하여 방위각을 1차 연산한 후, 다시 1차 연산된 방위각에 대응되는 상수값을 데이터베이스로부터 독출하여 2차 방위각 연산을 수행하게 된다.
한편, 중앙처리장치(130)는 전기적신호값 및 틸트각을 매 검출할 때마다 이루어지는 방위각 재연산작업은 지자기센서(100)의 제조자 또는 사용자가 설정한 회수만큼 반복적으로 수행할 수 있다. 즉, 3차 연산, 또는, 4차 연산까지 수행하여 보다 정확한 방위각을 표시하도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 지자기센서의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2에 따르면, 본 지자기센서(200)는 지자기검출모듈(210), 틸트검출모듈(220), 중앙처리장치(230), 메모리(240), 디스플레이부(250), 및, 정규화부(260)를 포함한다.
지자기검출모듈(210)은 상술한 바와 같이 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 역할을 수행한다. 도 2에 따르면, 본 지자기검출모듈(210)은 구동신호생성부(210a), 2축플럭스게이트(213), 및, 신호처리부(210b)를 포함한다. 구동신호생성부(210a)는 X축 및 Y축 플럭스게이트(213) 각각을 권선한 구동코일에 각각 구동신호를 공급하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 구동신호생성부(210a)는 펄스신호를 생성하는 펄스생성부(211) 및 생성된 펄스신호를 증폭 및 반전증폭하여 펄스파 및 반전펄스파를 출력하는 펄스증폭부(212)를 구비한다.
한편, 2축플럭스게이트(213)는 상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스게이트로 제작되며, 각 플럭스게이트는 구동신호에 의해 발생된 자기로부터 유도되는 소정 크기의 기전력을 출력한다.
한편, 신호 처리부(210b)는 2축플럭스게이트(213)에서 출력된 유도기전력에 대하여 일련의 처리를 하여 각각 소정 크기의 디지털 값으로 변환하여 출력한다. 이를 위해, 신호처리부(210b)는 수개의 스위치를 이용하여 유도기전력을 쵸핑하는 쵸핑회로부(214), 쵸핑된 전기적신호를 차동증폭하는 제1증폭부(215), 증폭된 전기적신호를 일정범위로 필터링하는 필터(216), 필터링된 신호를 2차증폭하는 제2증폭부(217), 및, 2차 증폭된 신호를 디지털 값으로 변환하는 A/D 컨버터(218)를 구비할 수 있다.
한편, 신호처리부(210b)에 의해 소정 크기값으로 변환출력된 전기적신호값의 크기는 지자기의 강도에 따라 중앙처리장치(230)가 처리할 수 있는 범위를 넘을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 지자기검출모듈(210)에서 출력되는 전기적신호값의 크기를 소정 범위로 매핑하는 정규화(normalizing) 작업을 수행하게 된다.
정규화부(260)는 이러한 정규화 작업을 수행하는 역할을 한다. 바람직하게는, 아래의 수식을 이용하여 정규화작업을 수행할 수 있다.
Figure 112004058552980-PAT00001
Figure 112004058552980-PAT00002
Figure 112004058552980-PAT00003
Figure 112004058552980-PAT00004
수학식 1에서, Xf 및 Yf는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfmax 및 Xfmin 은 각각 Xf의 최대값 및 최소값, Yfmax 및 Yfmin은 각각 Yf의 최대값 및 최소값, 그리고, α는 고정상수를 의미한다. 이 경우, α는 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값이 수평상태에서 ±1의 범위 내의 값으로 매핑될 수 있도록 1보다 작은 값을 사용한다. 바람직하게는, 지자기센서(200)가 사용되는 지역의 대표적인 복각값을 이용하여 α를 설정할 수 있다. 우리나라의 복각은 대략 53°정도이므로, cos 53°≒ 0.6 을 α로 둘 수 있다. 한편, Xfmax, Xfmin, Yfmax, Yfmin은 사전에 지자기센서(200)를 소정 회수 이상 회전시키면서 그 출력값을 측정한 후, 그 중 최대값 및 최소값을 선택하여 저장하여 둠으로써 얻을 수 있다.
틸트검출모듈(220)은 지자기 센서(200)의 중력 가속도를 측정하여 피치각(pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 연산한 후, 틸트각으로써 출력하는 역할을 한다. 이를 위해, 2축 플럭스게이트 센서(213)와 동일 축 방향으로 형성되는 2축 가속도 센서로 구현된다.
도 3은 피치각(pitch angle) 및 롤각(roll angle)을 측정하는 기준이 되는 X축 및 Y축을 나타내는 모식도이다. 도 3에 따르면, 지자기센서(200) 상에서 X축 플 러스게이트 및 X축 가속도센서는 X축 방향으로 설치되고, Y축 플럭스게이트 및 Y축 가속도센서는 Y축 방향으로 설치된다. 이러한 상태에서, Y축 플럭스게이트 및 Y축 가속도센서의 방향축인 Y축을 기준으로 지자기센서(200)를 회전시킨 경우, 기준면과의 사이각이 피치각이 된다. 그리고, X축 플럭스게이트 및 X축 가속도센서의 방향축인 X축을 기준으로 지자기센서(200)를 회전시킨 경우, 기준면과의 사이각이 롤각이 된다. 기준면이란, X축 및 Y축이 이루는 평면으로 지표면과 평행한 면을 의미한다.
한편, 피치각 및 롤각을 측정하기 위한 틸트검출모듈 구성의 일예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 따르면, 틸트검출모듈은 2축가속도센서(221), 틸트정규화부(222), 및, 틸트연산부(223)를 포함한다.
2축가속도센서(221)는 상술한 바와 같이 상호 직교하는 방향으로 설치된 X축 및 Y축 가속도센서로 구성된다. X축 및 Y축 가속도센서는 지자기센서(200)의 기울어진 정도에 따라 소정 크기의 전기적신호를 출력하게 된다.
틸트정규화부(222)는 2축가속도센서(221)로부터 각각 출력되는 전기적신호를 소정 크기의 값으로 매핑시키는 정규화작업을 수행한다. 정규화작업은 아래의 수식에 따라 이루어질 수 있다.
Figure 112004058552980-PAT00005
Figure 112004058552980-PAT00006
Figure 112004058552980-PAT00007
Figure 112004058552980-PAT00008
수학식 2에서 Xt 및 Yt는 각각 X축 및 Y축 가속도센서의 출력값, Xtnorm 및 Ytnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 가속도센서 출력값, Xtmax 및 Xtmin 은 각각 Xt의 최대값 및 최소값, Ytmax 및 Ytmin은 각각 Yt의 최대값 및 최소값을 의미한다. Xt max, Xtmin, Ytmax, Ytmin는 지자기검출모듈(210)과 마찬가지로 사전에 측정하여 저장하여 둔 값을 이용할 수 있다.
틸트연산부(223)는 틸트정규화부(222)에서 정규화시킨 2축 가속도센서(221)의 출력값을 이용하여 피치각 및 롤각을 연산하는 역할을 수행한다. 이 경우, 아래의 수식을 이용하여 연산할 수 있다.
Figure 112004058552980-PAT00009
Figure 112004058552980-PAT00010
수학식 3에서, θ는 피치각, φ는 롤각을 의미하고, 상술한 바와 같이, Xtnorm 및 Ytnorm은 정규화된 X축 및 Y축 가속도센서 출력값을 의미한다.
다시 도 2에 대한 설명으로 돌아가서, 중앙처리장치(230)는 지자기검출모듈(210) 및 틸트검출모듈(220)에서 각각 소정 크기의 출력값이 검출되면, 방위각을 1 차연산한다. 이 경우, 지자기검출모듈(210)의 출력값은 정규화부(260)를 이용하여 정규화시켜 사용한다.
한편, 방위각은 세 개의 축으로 표현되는 3차원 공간값이므로 X축 및 Y축이 이루는 평면에 수직하는 Z축의 출력값도 방위각 연산과정에 필요하게 된다. 따라서, 중앙처리장치(230)는 방위각 1차 연산에 앞서 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값을 먼저 연산하여야 한다. 이는 아래의 수식을 이용하여 연산될 수 있다.
Figure 112004058552980-PAT00011
Figure 112004058552980-PAT00012
Figure 112004058552980-PAT00013
수학식 4 내지 6에서, Zfnorm은 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값(이하, Z축 출력값이라 함), β는 상수값, θ는 피치각, φ는 롤각, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값을 의미한다. 수학식 4 내지 5는 롤각을 0°로 두어, 간략화하였다. 즉, 지자기센서(200)가 휴대폰, PDA와 같은 휴대단말기에 적용된 경우, 사용자는 휴대단말기의 디스플레이 화면이 지표면에 수평하게 놓고 이용하는 것이 일반적인데, 이러한 자세에서는 롤각값이 거의 0°라고 보아도 무방하다. 한편, 수학식 4 내지 6은 모두 Z축 출력값을 연산하기 위한 수학 식이므로, 중앙처리장치(230)는 실시예에 따라 이 중 하나의 수학식을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 연산 부담을 최소화할 수 있는 수학식 6을 이용하여 Z축 출력값을 연산할 수 있다.
수학식 4 내지 5에서 사용된 β는 복각의 영향을 보상하기 위해 도입한 상수값을 의미한다. 즉, 복각의 영향을 고려하기 위해서 종래에는 sinλ를 연산하여 Z축 출력값 연산식에 반영하였으나, 상술한 바와 같이 복각을 정확하게 측정하기에는 어려움이 있었다. 하지만, 수평상태에서 복각에 의한 영향은 일정한 상수값으로 나타나며, 기울어지더라도 일정하게 변화하므로 실험에 의해 적절한 상수값을 추정할 수 있게 된다. 이에 따라, 지자기센서(200)의 제조자는 기울기를 일정하게 변화시키면서 방위각 및, 그 상태에서의 β값을 측정하여 소정 형태의 데이터베이스를 작성할 수 있다. 작성된 데이터베이스는 메모리(240)에 저장된다.
도 5는 메모리(240)에 저장된 데이터베이스 구성의 일예를 나타내는 모식도이다. 도 5에 따르면, 0° 내지 360°의 방위각 각각에 대해서 β가 설정되어 기록되어 있다. 이 경우, 메모리(240) 용량을 효율적으로 사용하기 위해서, 5°씩, 또는, 10°씩 방위각을 구분하여 기록할 수도 있다.
중앙처리장치(230)는 Z축 출력값을 최초 연산하는 경우, 기 설정된 β의 초기값을 사용한다. β의 초기값은 sinλ를 이용하여 설정할 수 있다. 즉, 우리나라의 경우, sin53°≒ 0.8을 이용하여 Z축 출력값을 최초 연산할 수 있다.
이에 따라, Z축 출력값이 연산되면, 중앙처리장치(230)는 연산된 Z축 출력값, 정규화된 X축 및 Y축 출력값, 피치각, 롤각을 아래의 수식에 대입하여 방위각 (azimuth)을 1차 연산할 수 있다.
Figure 112004058552980-PAT00014
수학식 7에서, ψ는 방위각을 의미한다. 중앙처리장치(230)는 1차 연산된 결과값을 도 5와 같은 데이터베이스에 대입하여 대응되는 β값을 읽어온다.
중앙처리장치(230)는 상술한 수학식 4 내지 6 중 하나에 새로운 β값을 대입하여 Z축 출력값을 재연산한다. 이 경우, β값 이외의 다른 변수값은 1차 연산과정과 동일한 값으로 고정시킨다. 이에 따라, 중앙처리장치(230)는 재연산된 Z축 출력값을 수학식 7에 대입하여 방위각을 재연산한다. 마찬가지로, Z축 출력값 이외의 다른 변수값은 1차 연산과정과 동일한 값으로 고정시킨다.
중앙처리장치(230)는 Z축 출력값 및 방위각을 연산하는 작업을 기 설정된 소정 회수 만큼 반복수행한다. 즉, 2회로 설정되어 있다면, 2차 연산된 방위각을 표시하며, 3회로 설정되어 있다면, 2차연산된 방위각에 대응되는 β값을 데이터베이스로부터 다시 독출한 후, 이를 이용하여 Z축 출력값을 3차 연산하고, 다시 방위각을 3차 연산하여, 그 결과값을 표시하게 된다.
중앙처리장치(230)는 최종 연산된 결과값을 디스플레이 화면 상에 표시하도록 디스플레이부(250)를 제어한다. 디스플레이부(250)는 LCD 패널, 또는 LED 등을 이용하여 방위각을 표시한다.
한편, 중앙처리장치(230)는 지자기검출모듈(210) 및 틸트검출모듈(220)에서 다음 출력값이 검출되면, β 초기값을 이전에 사용한 β값으로 업데이트한다. 즉, Z축 출력값을 1차연산하는 과정에서, 이전 방위각 검출과정에서 사용한 β값을 대입하여 연산한다. 이에 따라, 방위각 연산이 진행될 수록 점점 더 최적의 β값을 이용할 수 있게 되므로, 더 정확한 방위각을 측정할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방위각 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6에 따르면, 먼저, 지자기검출모듈(210)에서 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 검출한다(S610).
이에 따라, 정규화부(260)에서 소정 범위의 값으로 매핑하는 정규화작업을 수행한다(S615). 정규화 작업은, 상술한 수학식 1을 이용하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 틸트검출모듈(220)에서 피치각 및 롤각을 검출한다(S620). 피치각 및 롤각을 검출하기 위해서, 틸트검출모듈(220)은 X축 및 Y축 가속도센서의 출력값을 수학식 2를 이용하여 정규화한 후, 수학식 3을 이용하여 피치각 및 롤각을 연산할 수 있다.
다음으로, 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, 피치각, 및, 롤각을 이용하여 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값을 1차적으로 연산한다(S625). 이 경우, 상술한 수학식 4 내지 6 중 하나를 이용하여 연산할 수 있으나, 연산부담을 경감시키기 위해서 가장 간단한 수식인 수학식 6을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, Z축 출력값 연산 과정에서 사용되는 β값은 기 설정된 초기값을 이용한다. 이 경우, 초기값은 우리나라의 복각값에 sin함수를 취한 값으로 설정할 수 있다. 대략, 0.8을 사용할 수 있다.
다음으로, 연산된 Z축 출력값을 이용하여 방위각을 1차적으로 연산하게 된다(S630). 방위각 연산을 위해 상술한 수학식 7을 이용할 수 있다.
중앙처리장치(230)는 1차 연산된 방위각을 메모리(240)에 저장된 데이터베이스에 대입시켜 대응되는 β값을 독출한다(S635). 이를 위해, 지자기센서(200)의 제조자는 방위각 별로 측정한 최적 β값을 기록한 데이터베이스를 작성하여 메모리(240)에 기 저장하여 두어야 한다.
중앙처리장치(230)는 독출된 β값을 이용하여 Z축 출력값을 재연산한다(S640). 이 경우, β값 이외의 변수값은 그대로 고정시킨다.
다음으로, 재연산된 Z축 출력값을 이용하여 방위각을 재연산한다(S645). 마찬가지로, Z축 출력값 이외의 변수값은 그대로 고정시킨다.
이에 따라, 방위각 재연산 작업이 제조자 또는 사용자가 기 설정한 소정 회수만큼 진행되었는지 확인하여(S650), 진행되었다면 최종 연산된 결과값을 디스플레이 화면 상에 표시하도록 한다(S655). 3회 이상으로 설정한 경우라면, 2차 연산된 방위각에 대응되는 β값을 메모리(240)로부터 다시 독출하여(S635), Z축 출력값 및 방위각을 3차 연산하게 된다(S640, S645).
한편, 방위각 측정이 계속된다면(S660), 중앙처리장치(230)는 β의 초기값을 최종 사용한 β값으로 업데이트시키게 된다(S665). 이에 따라, 지자기검출모듈(210) 및 틸트검출모듈(220)에서 출력되는 다음 출력값을 이용하여 Z축 출력값을 1차 연산함에 있어, 업데이트된 β 초기값을 이용하게 된다. 이에 따라, 방위각 측정이 지속될 수록 점점 더 정확한 β값을 사용하여 방위각을 연산할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복각을 별도로 측정하거나, 수신받지 않더라도 복각에 의한 영향을 고려한 정확한 방위각을 연산할 수 있게 된다. 이에 따라, 3축 플럭스게이트를 사용한 경우와 유사한 효과를 2축 플럭스게이트 센서에서 얻을 수 있게 되므로, 초소형 고성능 지자기센서를 제공할 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.

Claims (20)

  1. 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 지자기검출모듈;
    소정의 기준면 상에서 기울어진 정도를 나타내는 틸트각을 검출하는 틸트검출모듈;
    복각에 따른 지자기 영향을 반영하기 위한 상수값을 매(每) 방위각 별로 기 설정하여 기록한 데이터베이스를 저장하는 메모리; 및,
    상기 상수값의 초기값, 상기 전기적신호값, 및 상기 틸트각을 이용하여 방위각을 1차 연산한 후, 상기 1차 연산된 방위각에 대응되는 상수값을 상기 메모리로부터 검출하여 상기 검출된 상수값을 이용하여 상기 방위각을 재연산하는 중앙처리 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는,
    상기 방위각 재연산 작업이 완료되면, 상기 상수값의 초기값을 상기 검출된 상수값으로 업데이트시키는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는,
    상기 지자기검출모듈 및 상기 틸트검출모듈에서 상기 전기적신호값 및 상기 틸트각이 각각 검출될 때마다, 상기 업데이트된 상수값을 이용하여 상기 방위각 1차연산작업 및 재연산작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는,
    상기 방위각 재연산작업을 기 설정된 소정 회수만큼 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지자기검출모듈은,
    상호 직교하는 형태로 제작되어, 소정의 구동신호에 의해 유도되는 자기에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 각각 출력하는 X축 및 Y축 플럭스게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 X축 및 상기 Y축 플럭스게이트로부터 출력되는 상기 전기적 신호를 각각 소정 범위의 값으로 매핑시키는 정규화작업을 수행하는 정규화부; 및,
    상기 재연산된 방위각을 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하며,
    상기 중앙처리장치는, 상기 정규화부에서 정규화된 전기적신호값을 이용하여 상기 방위각 1차연산 및 재연산작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정규화부는, 아래의 수식을 이용하여 상기 정규화작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기센서:
    Figure 112004058552980-PAT00015
    Figure 112004058552980-PAT00016
    Figure 112004058552980-PAT00017
    Figure 112004058552980-PAT00018
    상기 수식에서, Xf 및 Yf는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfmax 및 Xfmin 은 각각 Xf의 최대값 및 최소값, Yfmax 및 Yfmin은 각각 Yf의 최대값 및 최소값, 그리고, α는 고정상수.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 틸트검출모듈은,
    상호 직교하는 형태로 제작되며, 상기 기준면에 대하여 기울어진 정도에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 출력하는 X축 및 Y축 가속도 센서;
    상기 X축 및 상기 Y축 가속도센서로부터 각각 출력되는 상기 전기적 신호를 소정 크기의 값으로 매핑하는 정규화작업을 수행하는 틸트정규화부; 및,
    상기 틸트정규화부에서 정규화된 값을 이용하여 피치각 및 롤각을 연산한 후, 상기 피치각 및 상기 롤각을 상기 틸트각으로써 출력하는 틸트연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 틸트연산부는 아래의 수식을 이용하여 상기 피치각 및 상기 롤각을 연산하는 것을 특징으로 하는 지자기센서:
    Figure 112004058552980-PAT00019
    Figure 112004058552980-PAT00020
    상기 수식에서, θ는 피치각, φ는 롤각, Xtnorm은 정규화된 X축 가속도센서 출력값, 그리고, Ytnorm은 정규화된 Y축 가속도센서 출력값.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는,
    아래 수식 중 하나를 이용하여 가상의 Z축 플럭스게이트의 출력값을 연산한 후, 연산된 결과값을 이용하여 상기 방위각을 1차연산 및 재연산하는 것을 특징으로 하는 지자기센서:
    Figure 112004058552980-PAT00021
    Figure 112004058552980-PAT00022
    Figure 112004058552980-PAT00023
    상기 수식에서, Zfnorm은 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값, β는 상수값, θ는 피치각, φ는 롤각, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 상기 Z축 플럭스게이트의 출력값을 아래의 수식에 대입 하여 상기 방위각을 1차연산 및 재연산하는 것을 특징으로 하는 지자기센서:
    Figure 112004058552980-PAT00024
    상기 수식에서, ψ는 방위각, Xfnorm 및 Yfnorm 은 각각 정규화된 X축 및, Y축 플럭스게이트 출력값, Zfnorm은 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각.
  12. 복각에 따른 지자기 영향을 반영하기 위한 상수값을 매(每) 방위각 별로 기 설정하여 기록한 데이터베이스를 저장한 메모리를 포함하는 지자기센서의 방위각 측정 방법에 있어서,
    (a) 지자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 출력하는 단계;
    (b) 상기 전기적신호값의 크기를 소정 범위로 매핑하여 정규화하는 단계;
    (c) 상기 지자기센서가 소정의 기준면에 대해 기울어진 정도를 나타내는 틸트각을 검출하는 단계;
    (d) 상기 상수값의 초기값, 상기 정규화된 전기적신호값, 및, 상기 틸트각을 이용하여 방위각을 1차연산하는 단계;
    (e) 상기 1차연산된 방위각에 대응되는 상수값을 상기 메모리로부터 검출하는 단계; 및,
    (f) 상기 검출된 상수값, 상기 정규화된 전기적신호값, 및, 상기 틸트각을 이용하여 상기 방위각을 재연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 센서의 방위각측정방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방위각 재연산 작업이 완료되면, 상기 상수값의 초기값을 상기 검출된 상수값으로 업데이트시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기적신호값 및 상기 틸트각이 검출될 때마다, 상기 업데이트된 상수값을 이용하여 상기 방위각 1차연산작업 및 재연산작업을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (e) 내지 (f)단계를 기 설정된 소정 회수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상호 직교하는 형태로 제작된 X축 및 Y축 플럭스게이트에 소정의 구동신호를 인가하는 단계; 및,
    상기 구동신호에 의해 상기 X축 및 Y축 플럭스게이트에 유도되는 자기에 대응되는 소정 크기의 전기적신호값을 각각 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    아래의 수식을 이용하여 상기 정규화작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법:
    Figure 112004058552980-PAT00025
    Figure 112004058552980-PAT00026
    Figure 112004058552980-PAT00027
    Figure 112004058552980-PAT00028
    상기 수식에서, Xf 및 Yf는 각각 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값, Xfmax 및 Xfmin 은 각각 Xf의 최대값 및 최소값, Yfmax 및 Yfmin은 각각 Yf의 최대값 및 최소값, 그리고, α는 상수.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상호 직교하는 형태로 제작된 X축 및 Y축 가속도 센서로부터, 상기 기준면에 대하여 기울어진 정도에 대응되는 소정 크기의 전기적 신호를 검출하는 단계;
    상기 X축 및 상기 Y축 가속도센서로부터 각각 검출된 상기 전기적 신호의 크기를 소정 범위로 매핑하여 정규화하는 단계;
    상기 정규화된 값을 아래의 수식에 대입하여 상기 피치각 및 상기 롤각을 연산하는 단계; 및,
    상기 피치각 및 상기 롤각을 상기 틸트각으로써 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각 측정 방법:
    Figure 112004058552980-PAT00029
    Figure 112004058552980-PAT00030
    상기 수식에서, θ는 피치각, φ는 롤각, Xtnorm은 정규화된 X축 가속도센서 출력값, 그리고, Ytnorm은 정규화된 Y축 가속도센서 출력값.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 (d)단계 및 상기 (f)단계는,
    아래 수식 중 하나를 이용하여 가상의 Z축 플럭스게이트의 출력값을 연산하 는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서의 방위각측정방법:
    Figure 112004058552980-PAT00031
    Figure 112004058552980-PAT00032
    Figure 112004058552980-PAT00033
    상기 수식에서, Zfnorm은 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값, β는 상수값, θ는 피치각, φ는 롤각, Xfnorm 및 Yfnorm은 각각 정규화된 X축 및 Y축 플럭스게이트 출력값.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 (d)단계 및 상기 (f)단계는,
    상기 Z축 플럭스게이트의 출력값을 아래의 수식에 대입하여 상기 방위각을 연산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기센서:
    Figure 112004058552980-PAT00034
    상기 수식에서, ψ는 방위각, Xfnorm 및 Yfnorm 은 각각 정규화된 X축 및, Y축 플럭스게이트 출력값, Zfnorm은 가상의 Z축 플럭스게이트의 정규화된 출력값, θ는 피치각, 그리고, φ는 롤각.
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