KR20080053281A

KR20080053281A - 센서장치

Info

Publication number: KR20080053281A
Application number: KR1020087004968A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 다무라
Original assignee: 가부시키가이샤 씨앤드엔
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2008-06-12

Abstract

센서장치(10)는, 3축의 가속도 센서(20)와 온도 센서(22)를 갖는 검출부(12); 가속도 벡터 산출부(30)와, 가속도 벡터의 크기를 산출하는 전가속도 산출부(34)와, 가속도 벡터로부터 경사각을 산출하는 경사각 산출부(32)와, 온도 산출부(36)를 갖는 처리부(14);를 구비한다. 경사각 산출부(32)는, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에 경사각의 산출처리를 중단한다.

Description

센서장치{Sensor device}

본 발명은, 센서장치에 관한 것으로, 특히 가속도 센서를 구비한 센서장치에 관한 것이다.

최근, 자기(磁氣) 센서가 탑재된 휴대전화기 등의 휴대단말장치가 실용화되고 있다. 이러한 휴대단말장치는, 방위를 측정할 뿐만 아니라, GPS(Global Positioning System)로부터의 위치정보를 기초로, 측정한 방위에 따라 현재위치 등을 화면의 지도 상에 표시하는 기능을 갖는 것도 있다.

자기 센서로부터 얻을 수 있는 방위각은, 자기 센서의 센서면이 수평일 때는 올바른 방위각을 나타내지만, 센서면이 기울어져 있으면 오차를 일으킨다. 이 오차는, 가속도 센서로부터 얻어지는 경사각(피치각, 롤각)을 기초로 수평면으로 좌표 변환하고, 수평시의 지자기(地磁氣) 벡터를 구함으로써 보정 가능하다(예를 들어, 일본특허공개 2003-42766호 공보 참조).

3축의 가속도 센서는, 정지한 상태에서는 중력 가속도를 검출할 수 있지만, 가속도 센서가 가속도를 수반하여 움직이고 있는 상태에서는 중력 가속도 이외의 가속도 성분도 합하여 검출한다. 그 때문에, 가속도 센서가 움직이고 있는 상태에서 산출된 경사각에는 오차가 포함되어 있을 가능성이 있다. 경사각에 오차가 포함 되어 있는 경우, 경사각을 기초로 좌표 변환하여 보정을 한 방위각에도 오차가 생겨 버린다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 적합하게 경사각이나 방위각을 측정할 수 있는 센서장치를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양의 센서장치는, 3축의 가속도 센서와, 가속도 센서가 검출한 값으로부터 가속도 벡터를 산출하는 가속도 벡터 산출부와, 가속도 벡터의 크기를 산출하는 전가속도(全加速度) 산출부와, 가속도 벡터에 기초하여 가속도 센서의 경사각을 산출하는 경사각 산출부를 구비하고, 경사각 산출부는, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에 경사각의 산출처리를 중단한다.

이 태양에 의하면, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에는, 경사각의 산출처리를 중단한다. 이에 의해, 중력 가속도 이외의 가속도 성분을 포함한 가속도 센서의 검출값을 기초로 잘못된 경사각을 도출하는 사태를 회피할 수 있어, 적합하게 경사각을 측정할 수 있다.

상기 태양의 센서장치는, 온도 센서를 더 구비해도 되고, 가속도 벡터 산출부는, 온도 센서가 검출한 온도정보에 기초하여 가속도 벡터를 보정하여 산출해도 된다.

가속도 센서는, 온도변화에 의해 오프셋이나 감도가 변화하므로, 온도보정을 행함으로써 가속도 벡터의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 가속도 벡터의 정밀도가 향상됨으로써, 경사각의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

상기 태양의 센서장치는, 지자기 벡터를 검출하는 3축의 자기 센서와, 자기 센서에 의해 검출된 지자기 벡터를, 경사각 산출부에 의해 산출된 경사각을 이용하여 좌표 변환하고, 상기 센서장치의 방위각을 산출하는 방위각 산출부를 더 구비해도 되고, 방위각 산출부는, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에 방위각의 산출처리를 중단해도 된다.

이 경우, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에는, 방위각의 산출처리를 중단한다. 이에 의해, 중력 가속도 이외의 가속도 성분을 포함한 가속도 센서의 검출값을 기초로 잘못된 방위각을 도출하는 사태를 회피할 수 있어, 적합하게 방위각을 측정할 수 있다.

이상의 구성요소의 임의의 조합, 본 발명의 표현을 방법, 시스템, 기록매체, 컴퓨터 프로그램 등의 사이에서 변환한 것도 본 발명의 태양으로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 적합하게 경사각이나 방위각을 측정할 수 있는 센서장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 센서장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 경사각 산출처리의 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 관한 센서장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는 방위각 산출처리의 흐름도이다.

<부호의 설명>

10 센서장치

12 검출부

13 A/D변환부

14 처리부

16 기억부

18 자기 센서

20 가속도 센서

22 온도 센서

24 기압 센서

26 지자기 벡터 산출부

28 방위각 산출부

30 가속도 벡터 산출부

32 경사각 산출부

34 전가속도 산출부

36 온도 산출부

38 기압 산출부

40 고도 산출부

100 센서장치

(제1 실시예)

도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 센서장치(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 센서장치(10)는 검출부(12)와, A/D변환부(13)와, 처리부(14)와, 기억부(16)를 구비한다. 검출부(12)는 가속도 센서(20)와 온도 센서(22)를 가진다. 센서장치(10)는, 가속도 센서(20)의 경사각(피치각(α), 롤각(β))을 측정하고 출력할 수 있다.

가속도 센서(20)는 3축의 가속도 센서로서, 서로 직교하는 X축, Y축, Z축 방향의 가속도 벡터를 검출하는 기능을 가진다. 가속도 센서(20)의 방식은 특히 한정되지 않고, 저항값 변화방식, 용량 변화방식, 압전 변화방식 등의 어느 것이어도 된다.

온도 센서(22)는, 센서장치(10) 내부의 온도를 검출한다. 검출한 온도는, 온도 드리프트에 의한 가속도 센서(20)의 출력의 어긋남을 보정하기 위해 사용된다. 가속도 센서(20), 온도 센서(22)에서 검출된 아날로그값은, 각각 A/D변환부(13)에 의해 디지털값으로 변환되어 처리부(14)에 출력된다.

기억부(16)는, 가속도 센서(20) 및 온도 센서(22)의 특성 데이터를 저장하고 있다. 기억부(16)는, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 등의 기억장치이어도 된다.

처리부(14)는 가속도 센서(20), 온도 센서(22)로부터 출력되어 A/D변환부(13)에 의해 디지털값으로 변환된 신호를 처리하여, 가속도 센서(20)의 경사각(피치각(α), 롤각(β))을 출력한다. 피치각(α)은 X축 방향의 경사각이고, 롤각(β)은 Y축 방향의 경사각이다. 처리부(14)는 가속도 벡터 산출부(30)와, 경사각 산출부(32)와, 전가속도 산출부(34)와, 온도 산출부(36)를 구비한다.

온도 산출부(36)는, 온도 센서(22)에서 검출되어 A/D변환된 디지털값(D_t)으로부터 센서장치(10) 내부의 온도(t)(단위:℃)를 산출한다. 온도(t)는, 기억부(16)에 저장되어 있는 온도 센서(22)의 특성 데이터(기준온도의 디지털값(D_t0), 1℃당의 변화량(ΔD_t))를 이용하여 (1)식으로 산출된다. (1)식에서, t₀는 기준온도(℃)이다.

t=t₀+(D_t-D_t0)/ΔD_t…(1)

가속도 벡터 산출부(30)는, 가속도 센서(20)에서 검출되어 A/D변환된 X축, Y축, Z축의 3축 성분의 디지털값(Dx_a, Dy_a, Dz_a)으로부터 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)(단위:G)를 산출한다. 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)는, 기억부(16)에 저장되어 있는 가속도 센서(20)의 특성 데이터(3축 성분의 오프셋의 디지털값(Dx_aoff, Dy_aoff, Dz_aoff) 및 중력 가속도(=1G) 당 감도(ΔDx_a, ΔDy_a, ΔDz_a))를 이용하여 (2)~(4)식으로 산출된다.

x_a=(Dx_a-Dx_aoff)/ΔDx_a…(2)

y_a=(Dy_a-Dy_aoff)/ΔDy_a…(3)

z_a=(Dy_a-Dz_aoff)/ΔDz_a…(4)

가속도 센서(20)는, 온도에 의해 오프셋이나 감도가 변화하므로, 온도 센서(22)가 검출한 온도정보에 기초하여 가속도 벡터를 보정하여 산출하는 것이 바람 직하다. 온도 보정을 행함으로써, 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

전가속도 산출부(34)는, 가속도 벡터 산출부(30)에 의해 산출된 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)의 크기를 산출한다. 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)의 크기를 전가속도(a)라고 부른다. 전가속도(a)는 (5)식을 이용하여 산출된다.

...(5)

가속도 센서(20)가 정지되어 있는 상태에서, 전가속도(a)는 1G와 같아지지만, 진동 등 가속도 센서(20)가 가속도를 수반하여 움직이고 있는 경우에는 1G와는 다른 값이 된다.

경사각 산출부(32)는, 가속도 벡터 산출부(30)에 의해 산출된 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)에 기초하여 가속도 센서(20)의 경사각(피치각(α), 롤각(β))을 산출한다. 피치각(α), 롤각(β)의 산출식을 (6), (7)식에 나타낸다.

α=arcsin(x_a)…(6)

β=arcsin(y_a/cosα)…(7)

경사각 산출부(32)는, 전가속도 산출부(34)에서 산출된 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부를 판단하여, 전가속도(a)가 1G와 같은 경우에만 경사각을 산출한다. 경사각 산출부(32)는, 중력 가속도(1G)의 값을 미리 보유하고, 전가속도(a)와 1G를 비교한다. 전가속도(a)가 1G와 다른 경우에는, 경사각의 산출처리를 중단한다. 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부는, 여유를 갖게 하여 판정을 한다. 예를 들어 전가속도(a)가 0.9G≤a≤1.1G의 범위 내에 있는 경우에는, 전가속도(a)는 1G와 같다고 판정한다.

도 2는, 경사각 산출처리의 흐름도이다. 우선, 가속도 센서(20)에 의해 가속도를 계측하고, 가속도 벡터의 디지털값(Dx_a, Dy_a, Dz_a)을 얻는다(S10). 다음에, 가속도 벡터 산출부(30)에서 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)를 산출한다(S12). 다음에, 전가속도 산출부(34)에서 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)로부터 전가속도(a)를 산출한다(S14).

다음에, 경사각 산출부(32)에서 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부를 판단한다(S16). 가속도 센서(20)에 의해 계측된 가속도 벡터에 중력 가속도 이외의 가속도 성분이 포함되어 있는 경우, 전가속도(a)는 1G와는 다른 값이 된다. 따라서, 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부를 판단함으로써, 중력 가속도 이외의 가속도 성분이 포함되어 있는지 어떤지 판단할 수 있다.

전가속도(a)가 1G와 같은 경우(S16의 Y), 경사각 산출부(32)는 경사각의 산출처리를 한다(S18). 전가속도(a)가 1G와 다른 경우(S16의 N), 경사각 산출부(32)는 경사각의 산출처리를 하지 않고 경사각의 산출처리를 중단한다.

전가속도(a)와 중력 가속도의 비교를 하지 않고 경사각의 산출처리를 행한 경우, 산출된 경사각에는 오차가 포함되어 있을 가능성이 있다. 제1 실시예에 관한 센서장치(10)에 의하면, 중력 가속도 이외의 가속도 성분을 포함한 가속도 센 서(20)의 검출값을 기초로 잘못된 경사각을 도출하는 사태를 회피할 수 있다.

(제2 실시예)

도 3은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 센서장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 센서장치(100)는 방위각(θ), 고도(h)를 출력할 수 있다. 제2 실시예에서, 검출부(12)는 자기 센서(18)와 기압 센서(24)를 더 가진다. 또한, 처리부(14)는 지자기 벡터 산출부(26)와, 방위각 산출부(28)와, 기압 산출부(38)와, 고도 산출부(40)를 더 가진다. 또, 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 같은 부호를 이용하여 설명한다.

기압 센서(24)는, 외기의 압력을 검출한다. 기압 산출부(38)는, 기압 센서(24)에서 검출되어 A/D변환된 디지털값(D_p)으로부터 기압(p)(단위:hPa)을 산출한다. 기압(p)은, 기억부(16)에 저장되어 있는 기압 센서(24)의 특성 데이터(오프셋의 디지털값(D_poff), 1hPa당의 감도(ΔD_p))를 이용하여 (8)식으로 산출된다.

p=(D_p-D_poff)/ΔD_p+1013.25…(8)

기압 센서(24)는, 온도에 의해 오프셋이나 감도가 변화하므로, 온도 센서(22)가 검출한 온도정보에 기초하여 기압(p)을 보정하는 것이 바람직하다. 온도 보정을 행함으로써, 기압(p)의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

고도 산출부(40)는, 기압 산출부(38)에서 산출된 기압(p)과 기준기압(p₀)의 차이로부터 상대고도(h)(단위:m)를 산출한다. 상대고도는, 기준기압을 0m으로 했을 때의 고도이다. 기압은 고도가 100m 높아질 때마다 12hPa 내려가는 것으로부터, (9)식을 이용하여 산출할 수 있다.

h=(p₀-p)×100/12…(9)

자기 센서(18)는 3축의 자기 센서로서, 서로 직교하는 X축, Y축, Z축 방향의 지자기 벡터성분을 검출하는 기능을 가진다. 자기 센서(18)는 플럭스 게이트형 자기 센서, 홀 소자, 자기저항소자 등을 조합함으로써 구성할 수 있다.

지자기 벡터 산출부(26)는, 자기 센서(18)에서 검출되어 A/D변환된 디지털값(Dx, Dy, Dz)으로부터 지자기 벡터(x, y, z)(단위:T)를 산출한다. 지자기 벡터(x, y, z)는, 기억부(16)에 저장되어 있는 자기 센서(18)의 특성 데이터(3축 성분의 오프셋의 디지털값(Dx_off, Dy_off, Dz_off), 1μT당의 감도(ΔDx, ΔDy, ΔDz))를 이용하여 (10)~(12)식에 의해 산출된다.

x=(Dx-Dx_off)/ΔDx…(10)

y=(Dy-Dy_off)/ΔDy…(11)

z=(Dy-Dz_off)/ΔDz…(12)

방위각 산출부(28)는, 지자기 벡터 산출부(26)에서 산출된 지자기 벡터(x, y, z)를 경사각 산출부(32)에 의해 산출된 경사각(피치각(α), 롤각(β))을 이용하여 좌표 변환하고, 자기 센서(18)의 방위각(θ)을 산출한다.

방위각(θ)은, 지자기 벡터(x, y, z)의 X축 성분(x) 및 Y축 성분(y)으로부터 산출되는데, 자기 센서(18)가 경사지어 있는 경우는 오차가 생긴다. 그 때문에, 수 평면으로 좌표 변환하여 수평시의 지자기 벡터를 구한다. 피치각을 α, 롤각을 β, 변환 전의 지자기 벡터를 (x, y, z), 좌표변환 후의 지자기 벡터를 (hx, hy, hz)으로 했을 때, 좌표 변환식은 (13)식과 같이 나타낼 수 있다.

...(13)

좌표변환 후의 지자기 벡터의 X축 성분(hx) 및 Y축 성분(hy)을 이용하여, 방위각(θ)은 (12)식에 의해 산출된다.

θ=arctan(hx/hy)…(14)

가속도 벡터 산출부(30)는, 가속도 센서(20)의 검출값으로부터 가속도 벡터를 산출한다. 전가속도 산출부(34)는, 전가속도(a)를 산출한다. 경사각 산출부(32)는, 전가속도 산출부(34)에서 산출된 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부를 판단하여, 전가속도(a)가 1G와 같은 경우에만 경사각을 산출한다. 전가속도(a)가 1G와 다른 경우에는, 경사각의 산출처리를 중단한다. 경사각의 산출을 행한 경우는, 방위각 산출부(28)에 경사각의 값을 부여한다. 경사각의 산출처리를 중단한 경우는, 방위각 산출부(28)에 방위각의 산출처리를 중단하는 지시를 부여한다.

도 4는, 방위각 산출처리의 흐름도이다. 우선, 자기 센서(18)에 의해 지자기의 계측을 행하여, 지자기 벡터의 디지털값(Dx, Dy, Dz)을 얻는다(S30). 다음에, 지자기 벡터 산출부(26)에서 지자기 벡터(x, y, z)를 산출한다(S32).

가속도 센서(20)는, 가속도의 계측을 행하여 가속도 벡터의 디지털값(Dx_a, Dy_a, Dz_a)을 얻는다(S34). 다음에, 가속도 벡터 산출부(30)에서 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)를 산출한다(S36). 다음에, 전가속도 산출부(34)에서 가속도 벡터(x_a, y_a, z_a)로부터 전가속도(a)를 산출한다(S38).

다음에, 경사각 산출부(32)에서 전가속도(a)가 1G와 같은지의 여부를 판단한다(S40). 전가속도(a)가 1G와 같은 경우(S40의 Y), 경사각 산출부(32)는 경사각의 산출처리를 하고, 경사각의 값을 방위각 산출부(28)에 부여한다(S42). 전가속도(a)가 1G와 다른 경우(S40의 N), 경사각 산출부(32)는 경사각의 산출을 하지 않고 경사각의 산출처리를 중단한다. 경사각 산출부(32)는, 경사각 산출처리를 중단한 경우에 방위각의 산출처리를 중단하는 지시를 방위각 산출부(28)에 부여한다. 또, 지자기 벡터의 산출처리(S30~S32)와 경사각의 산출처리(S34~S42)의 순서는 반대이어도 되고, 동시이어도 된다.

방위각 산출부(28)는, 경사각 산출부(32)로부터 방위각 산출처리의 중단지시가 없는 경우(S44의 N), 지자기 벡터(x, y, z)를 좌표 변환하고, 좌표변환 후의 지자기 벡터(hx, hy, hz)를 산출한다(S46). 그 후, 좌표변환 후의 지자기 벡터의 X축 성분(hx) 및 Y축 성분(hy)을 이용하여 방위각(θ)을 산출한다(S48). 한편, 방위각 산출부(28)는, 경사각 산출부(32)로부터 방위각 산출처리의 중단지시가 있는 경우, 방위각 산출처리를 중단한다(S44의 Y).

상술한 바와 같이, 가속도 센서(20)가 가속도를 수반하여 움직이고 있는 상 태에서는, 가속도 센서(20)의 검출값은 중력 가속도 이외의 가속도 성분을 포함하므로, 산출되는 경사각에는 오차가 포함된다. 이 오차를 포함한 경사각을 이용하여 좌표 변환하여 버리면, 방위각(θ)도 오차를 갖게 된다. 제2 실시예에 관한 센서장치(100)에서는, 전가속도(a)가 1G와 다른 경우에는 방위각(θ)의 산출처리를 중단하므로, 중력 가속도 이외의 가속도 성분을 포함한 가속도 센서(20)의 검출값을 기초로 잘못된 방위각(θ)을 도출하는 사태를 회피할 수 있다.

이상, 본 발명을 실시예를 기초로 설명하였다. 실시예는 예시이고, 그들의 각 구성요소나 각 처리 프로세스의 조합으로 여러가지의 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.

예를 들어, 제2 실시예에서는, 경사각 산출부(32)에서 전가속도(a)와 1G의 비교를 행하였는데, 전가속도 산출부(34)에서 방위각 산출부(28)로 전가속도(a)의 값을 부여하고, 방위각 산출부(28)에서 전가속도(a)와 1G의 비교를 행하여 방위각 산출처리의 중단의 판단을 행하여도 된다.

본 발명은, 가속도 센서를 구비한 센서장치에 관한 분야에 적용할 수 있다.

Claims

3축의 가속도 센서와,

상기 가속도 센서가 검출한 값으로부터 가속도 벡터를 산출하는 가속도 벡터 산출부와,

가속도 벡터의 크기를 산출하는 전가속도(全加速度) 산출부와,

가속도 벡터에 기초하여 상기 가속도 센서의 경사각을 산출하는 경사각 산출부를 구비하고,

상기 경사각 산출부는, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에 경사각의 산출처리를 중단하는 것을 특징으로 하는 센서장치.
제1항에 있어서,

온도 센서를 더 구비하고,

상기 가속도 벡터 산출부는, 온도 센서가 검출한 온도정보에 기초하여 가속도 벡터를 보정하여 산출하는 것을 특징으로 하는 센서장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

지자기 벡터를 검출하는 3축의 자기 센서;

상기 자기 센서에 의해 검출된 지자기 벡터를 상기 경사각 산출부에 의해 산출된 경사각을 이용하여 좌표 변환하고, 상기 센서장치의 방위각을 산출하는 방위 각 산출부;를 더 구비하고,

방위각 산출부는, 가속도 벡터의 크기가 중력 가속도와 다른 경우에 방위각의 산출처리를 중단하는 것을 특징으로 하는 센서장치.