KR20080105805A - 자기장을 이용한 위치 추적 시스템 - Google Patents

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KR20080105805A
KR20080105805A KR1020070053858A KR20070053858A KR20080105805A KR 20080105805 A KR20080105805 A KR 20080105805A KR 1020070053858 A KR1020070053858 A KR 1020070053858A KR 20070053858 A KR20070053858 A KR 20070053858A KR 20080105805 A KR20080105805 A KR 20080105805A
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magnetic
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이병구
이승민
홍문헌
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 관한 것으로, 별도의 방향성을 측정하는 장치를 구비하지 않고도 자기장을 이용하여 자기센서가 부착된 장치의 위치를 추적 가능한 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 위치 추적 시스템은 2축 코일을 구비한 자기장 발생부와 2축 자기센서를 구비한 자기장 센서부, 또는 3축 코일을 구비한 자기장 발생부와 3축 자기센서를 구비한 자기장 센서부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
자기장, 위치, 추적, 코일, 자기센서, 2축, 3축

Description

자기장을 이용한 위치 추적 시스템{POSITION TRACKING SYSTEM USING MAGNETIC FIELD}
도 1은 일반적으로 2차원에서 1축 코일을 이용하여 자기센서의 위치를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 2차원 평면상에서 동일한 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00001
)가 측정되는 지점들을 도시해 놓은 도면,
도 3은 3차원 공간상에서 3축 코일과 3축 자기센서가 상대적으로 위치하는 형태를 도시해 놓은 도면,
도 4는 본 발명에 따라 3개의 3축 코일을 공간상에 배치하여 자기센서의 위치를 추적하는 형태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 자기장 발생부 구성의 일 예를 도시한 도면, 및
도 6은 본 발명에 따른 자기장 센서부 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
500 : 정보 제공부? 502 : 코일 동작부
504 : 스위치부 506, 600 : X,Y,Z축 코일
602 : 신호 증폭부 604 : 정보 추출부
606 : 위치 계산부
본 발명은 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 관한 것으로, 별도의 방향성을 측정하는 장치를 구비하지 않고도 자기장을 이용하여 자기센서가 부착된 장치의 위치를 추적 가능한 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 인터넷 및 이동통신 기술, 그리고 인프라의 급속한 발전에 따라 이와 관련한 서비스들이 다양하게 확대되고 있다. 특히 휴대 전화기, PDA, 스마트폰 등 이동통신 단말기의 발전 및 관련된 새로운 서비스 시장 수요가 증가함에 따라 위치기반서비스(LBS : Location-Based Service)가 성장성이 높은 새로운 이동통신 서비스의 분야로 자리잡고 있다.
현재 위치기반서비스는 창고의 재고관리, 할인점 등 대형 마켓의 물품 관리 등에 이용되고 있으며, 이동통신이나 GPS(Global Positioning System) 등을 이용한 위치기반서비스의 경우 광범위한 지역 내에서 서비스가 가능하게 되고 있다.
하지만, 지하나 건물 내부 등에서는 이동통신이나 GPS 기술을 이용한 위치기반서비스에 장애가 발생되는 경우가 많아, 이러한 문제점을 보완하고자 하는 다양한 위치기반기술들이 연구되고 있는 실정이다.
최근 유비쿼터스(Ubiquitous) 기술의 발전에 따라 가정 내 로봇이나 많은 이 동 장치들이 네트워크로 서로 연결되게끔 각 장치들이 자신의 위치를 파악해야 할 필요가 있으며, 또한 공장 내의 로봇들과 장치들도 현재 위치를 파악할 필요가 나타나고 있다.
그에 따라, GPS나 이동통신 기술을 이용한 방법 이외에 다른 위치기반기술로, 최근에는 자기장을 이용한 위치기반기술이 연구되고 있다.
미국등록특허 US 6,686,881(발명의 명칭 : Wireless identification and tracking using magnetic fields)에는 자기장을 이용한 위치 추적 기술이 기재되어 있으며, 그 기재된 내용을 간단히 살펴보면, 우선, 자기장 발생부와 자기장 센서부로 구성된다.
자기장 발생부는 발생시키는 자기장의 세기를 서서히 증가시키고, 자기장 센서부는 자기장 발생부에서 발생시키는 자기장의 세기를 측정하면서 그 측정되는 자기장의 세기가 기 설정해 놓은 문턱값을 넘어서는 경우, 이를 알리는 무선신호를 RF(Radio Frequency) 통신을 통해 자기장 발생부로 전송한다.
그리고 자기장 발생부는 RF 통신을 통해 자기장 센서부에서 측정된 자기장 세기가 문턱값을 넘어섬을 알리는 무선신호를 전송받은 그 시점에 발생시키고 있는 자기장 세기값과 자기장 센서부에서 기 설정되어 있는 문턱값을 이용하여 자기장 발생부 자신으로부터 자기장 센서부가 떨어져 있는 거리를 측정하는 기술이 개재되어 있다. 또한, 자기장 발생부를 다수 개 설치함으로써, 평면 또는 공간상에서의 자기장 센서부의 위치를 알아내는 기술이 개재되어 있다.
하지만, 위와 같은 기술을 통해 자기장 센서부의 위치를 알아내는 데에는, 문제가 존재한다. 그것은 코일이나 도선을 이용하는 자기장 발생부의 경우 발생시키는 자기장이 공간 내에 균일하지 않고 자기장 발생부를 중심으로 공간적으로 일정하게 방출되지 않는다는 것이다.
결국 자기장 발생부와 자기장 센서부 사이의 거리뿐만 아니라 방향에 따라서도 세기가 크게 변하게 되어, 자기장 발생부에서의 자기장과 자기장 센서부에서의 자기장 크기뿐만 아니라 자기장 발생부와 자기장 센서부의 상대적인 방향을 알 수 있게 하는 장치를 사용하여야 자기장 발생부로부터 자기장 센서부의 정확한 거리 측정이 가능하게 되어 자기장 센서부의 위치를 추적할 수가 있다.
본 발명의 목적은 자기장 발생부와 자기장 센서부의 상대적인 방향을 알기 위해 추가로 방향을 측정하는 장치를 구비하지 않고도 자기장 센서부가 위치하는 지점의 좌표값을 추적해 낼 수 있는 보다 간단한 자기장을 이용한 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 자기장을 이용한 위치 추적 시스템의 제1 실시 예는 서로 수직을 이루는 두 축의 코일을 구비하고, 상기 두 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 한 개 이상의 자기장 발생부; 및 서로 수직을 이루는 두 축의 자기센서를 구비하고, 상기 두 축의 자기센서를 통해 상기 한 개 이상의 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어 진다.
본 발명에 따른 자기장을 이용한 위치 추적 시스템의 제2 실시 예는 서로 수직을 이루는 세 축의 코일을 구비하고, 상기 세 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 한 개의 자기장 발생부; 및 서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서를 구비하고, 상기 세 축의 자기센서를 통해 상기 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 자기장을 이용한 위치 추적 시스템의 제3 실시 예는 서로 수직을 이루는 세 축의 코일을 구비하고, 상기 세 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 세 개 이상의 자기장 발생부; 및 서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서를 구비하고, 상기 세 축의 자기센서를 통해 상기 세 개 이상의 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 자기장 발생부는 서로 수직을 이루는 세 축의 코일; 자기장 발생부의 식별정보, 절대 좌표값, 및 상기 각 축 코일의 식별정보를 제공하되, 상기 각 축 코일의 식별정보는 서로 번갈아가며 제공하는 정보 제공부; 상기 정보 제공부에서 제공하는 정보들이 자기장 신호에 실려 전송되도록 상기 코일을 동작시키는 코일 동작부; 및 상기 정보 제공부에서 제공되는 코일의 식별정보에 따라 그에 해당하는 축의 코일을 상기 코일 동작부와 선택적으로 연결시키는 스위치부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 자기장 센서부는 서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서; 상기 자기센서를 통해 감지된 자기장 신호를 증폭하는 신호 증폭부; 상기 신호 증폭부를 통해 증폭된 자기장 신호의 신호 세기를 측정하고, 상기 자기장 신호 내에 포함된 자기장 발생부의 식별정보, 절대 좌표값, 및 상기 자기장 신호를 발생시킨 축 코일의 식별정보를 추출하여 상기 측정한 신호 세기값에 매칭시켜 상기 추출한 정보들을 제공하는 정보 추출부; 및 상기 정보 추출부에서 제공하는 정보들을 이용하여 상기 자기장 발생부별로 상기 자기장 센서부에 대한 축퇴된 절대 좌표값을 계산하고 서로 일치하는 절대 좌표값을 상기 자기장 센서부가 실제 위치하는 지점의 좌표값으로 추적하는 위치 추적부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래 2차원에서 1축 코일을 이용하여 자기센서의 거리를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 1축 코일이 도시된 바와 같이 2차원 좌표 평면상에 존재하고, 1축 코일에서 발생되는 자기장 세기는 1축 코일의 반경이 a, 자기센서가 1축 코일의 중심점으로부터 떨어진 거리가 r이며, r이 a보다 매우 큰 값일 경우(r ≫ a), 아래 [수학식 1]과 같은 형태로 표현된다.
Figure 112007040380613-PAT00002
여기서, μ0 는 전송매체의 투자율(permeability)이고,
Figure 112007040380613-PAT00003
은 1축 코일의 자기모멘트 벡터를 의미한다.
그래서 결과적으로, 자기센서가 1축 코일의 중심점으로부터 떨어진 거리 r은 [수학식 1]을 통해 아래 [수학식 2]와 같이 나타난다.
Figure 112007040380613-PAT00004
하지만, 1축 자기센서에서 측정되는 자기장 세기값은 자기센서가 측정할 수 있는 방향을
Figure 112007040380613-PAT00005
라 할 경우,
Figure 112007040380613-PAT00006
의 값이 측정된다. 즉, 1축 자기센서에는 1축 코일과 배치되는 방향에 따라 동일한 거리(r)에 위치하고 있을지라도 서로 다른 자기장 세기값이 측정된다.
그에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 자기센서가 1축 코일과 동일한 2차원 평면(X-Z평면)상에 존재할 경우에는 동일한 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00007
)가 측정되는 지점들이 2차원 평면상에 동심원을 만들기 때문에 자기센서에서 측정된 자기장 세기를 이용하여 r값을 계산할 수가 있다. 그러나, 자기센서가 1축 코일과 동일한 2차원 평면이 아닌 X-Y평면 또는 Y-Z평면에 위치하는 경우를 살펴보게 되면, 동일한 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00008
)가 측정되는 지점들이 자기센서가 위치하는 평면상에 타원 형의 형태로 나타나기 때문에 자기장 세기값만으로 r값을 정확하게 계산해 낼 수 없는 문제가 발생한다.
아래 [수학식 3]은 자기센서가 1축 코일과 동일한 평면이 아닌 X-Y평면 또는 Y-Z평면에 위치하는 경우, 1축 코일을 기준으로 자기센서가 위치하는 방향(θ)과 자기센서에서 측정되는 자기장 세기간의 상관관계를 도시한 것이다.
Figure 112007040380613-PAT00009
결국, r 값을 계산하기 위해서는 자기센서에서 측정되는 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00010
) 외에도 1축 코일을 기준으로 자기센서가 위치하는 방향(θ)을 알아야 한다. 일반적으로, 1축 코일을 기준으로 자기센서가 위치하는 방향(θ)을 추정하기 위해서는 자기센서를 2축 자기센서로 구성하여 평면상의 두 방향인 X,Y 방향 또는 Y,Z 방향으로 자기장 세기를 측정하는 한편, 자기센서의 각 축이 향하는 절대 방향을 방향 센서를 부착하여 측정해야 한다.
여기서는 일 예로, 만약 X-Y 평면상에서 자기 모멘트가 m의 크기를 가지고, 자기센서 2 축 중 한 축이 놓여진 방향(
Figure 112007040380613-PAT00011
)은 X 축, 다른 한 축이 놓여진 방향(
Figure 112007040380613-PAT00012
)은 Y 축 방향인 경우를 간단하게 살펴볼 경우, 아래 [수학식 4]와 같은 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00013
)가 자기센서에서 측정된다.
Figure 112007040380613-PAT00014
Figure 112007040380613-PAT00015
이때, rx는 1축 코일의 중심점으로부터 자기센서가 위치한 지점까지의 X 방향 거리 성분, ry는 1축 코일의 중심점으로부터 자기센서가 위치한 지점까지의 Y 방향 거리 성분을 나타낸 것으로, rx 제곱 값과 ry 제곱 값의 합에 제곱근한 값(
Figure 112007040380613-PAT00016
)은 최종 1축 코일의 중심점으로부터 자기센서가 위치한 지점까지 거리 r 값을 의미한다.
자기센서는 a 방향과 b 방향으로 2축에서 측정되는 자기장 세기값
Figure 112007040380613-PAT00017
과
Figure 112007040380613-PAT00018
을 상기 [수학식 4]에 적용하여 최종 rx와 ry 값을 계산한다. 그에 따라, 거리 r 값을 계산할 뿐만 아니라 자기센서가 X-Y 평면상에 위치하는 좌표값도 산출해 낸다.
여기서, 1차 코일에 교류 전원을 인가한 경우
Figure 112007040380613-PAT00019
과
Figure 112007040380613-PAT00020
은 180도 회전에 대해 대칭임에 따라 rx와 -rx, 그리고 ry와 -ry 각각에 대해서도 동일한 자기장 세기를 나타내기 때문에, [수학식 4]를 통해 산출되는 자기센서가 X-Y 평면상에 위치하는 좌표값은 (rx,ry), (-rx,ry), (rx,-ry), (-rx,-ry)으로 4중 축퇴(Degeneracy)를 가진 좌 표값이 도출된다.
그래서 위와 같이, 2차원 상에서 자기장 발생부가 1축 코일인 경우, 1축 코일로부터 자기센서까지의 거리, 뿐만 아니라 1축 코일을 기준으로 한 자기센서의 평면 좌표값을 알아내기 위해서는 자기센서가 2축으로 구성된 센서이고 자기센서 2축의 절대 방향을 각각 측정하는 방향센서가 자기센서에 구비되어 있어야 한다.
본 발명은 자기장 발생부와 자기장 센서부의 상대적인 방향을 알기 위해 추가로 방향을 측정하는 장치를 구비하지 않고도 하나의 자기장 발생부와 하나의 자기장 센서부를 구비함으로써 자기장 센서부의 거리 및 위치를 계산해 낼 수 있는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템을 제시한다.
[제1 실시 예]
본 발명에서 제시하는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 대한 제1 실시 예는 2차원 상에서 자기장을 이용하여 자기센서의 위치를 추적하는 것으로, 서로 수직을 이루는 2 축의 코일을 구비한 자기장 발생부와 서로 수직을 이루는 2 축의 자기센서를 구비한 자기장 센서부로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 자기장 발생부와 자기장 센서부를 통한 위치 추적은 다음과 같다.
자기장 발생부의 2축 코일이 X 축, Y 축 방향으로 놓여 있는 경우, 각 축 코일에서 발생되는 자기 모멘트 방향은 X축 방향이거나 또는 Y축 방향으로만 발생된 다. 따라서, 2축 코일에서 발생되는 자기장 세기(
Figure 112007040380613-PAT00021
)가 각각
Figure 112007040380613-PAT00022
과
Figure 112007040380613-PAT00023
이면,
Figure 112007040380613-PAT00024
은 Y축 방향 성분은 없고 X축 방향 성분(
Figure 112007040380613-PAT00025
)만을,
Figure 112007040380613-PAT00026
는 X축 방향 성분은 없고 Y축 방향 성분(
Figure 112007040380613-PAT00027
)만을 가진다. 그리고 2축 자기센서에서 측정되는 2축 코일에서 발생된 자기장 세기는, 2축 자기센서의 각 축이 놓여있는 방향을
Figure 112007040380613-PAT00028
라고 할 경우,
Figure 112007040380613-PAT00029
으로 표현될 수 있다.
그리고, 2축 자기센서에서 측정되는 자기장 세기에 대한 공식, 그리고 2축 자기센서의 각 축이 서로 수직으로 놓여있는 특성을 통해 아래 [수학식 5]와 같은 공식이 성립된다.
Figure 112007040380613-PAT00030
Figure 112007040380613-PAT00031
Figure 112007040380613-PAT00032
Figure 112007040380613-PAT00033
Figure 112007040380613-PAT00034
Figure 112007040380613-PAT00035
Figure 112007040380613-PAT00036
앞서 언급한 바와 같이
Figure 112007040380613-PAT00037
은 Y축 방향 성분이 없으므로
Figure 112007040380613-PAT00038
는 0의 값을,
Figure 112007040380613-PAT00039
는 X축 방향 성분이 없으므로
Figure 112007040380613-PAT00040
는 0의 값을 가진다. 그리고
Figure 112007040380613-PAT00041
의 자기장 세기는 2축 자기센서에서 측정되는 값임에 따라, [수학시 5]에는
Figure 112007040380613-PAT00042
의 총 6개 미지수가 존재하고 미지수의 개수보다 많은 7 개의 식이 존재함에 따라, 각각에 대한 미지수의 값들을 상기 7개의 식을 풀어서 연산해 낸다.
그에 따라, 그 상기 [수학식 4]에 상기 미지수 값들을 적용시킴으로써 2축 자기센서의 위치 좌표값 (rx,ry), (-rx,ry), (rx,-ry), (-rx,-ry)을 도출해 낼 수가 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시 예는, 서로 수직을 이루는 2 축의 코일을 구비한 자기장 발생부와 서로 수직을 이루는 2 축의 자기센서를 구비한 자기장 센서부로 구성되어, 2축 코일에서 발생되는 자기장을 2축 자기센서의 각 축에서 측정하고 그 측정되는 자기장 세기에 따라 2축 자기센서가 2축 코일로부터 떨어진 거리뿐만 아니라 2축 자기센서가 위치하는 지점의 좌표값까지 도출해 낼 수 있는 구성이다.
즉, 본 발명의 제1 실시 예는 자기장 발생부의 2축 코일 각 축을 기준으로 한 자기장 센서부의 2축 자기센서 각 축의 방향(
Figure 112007040380613-PAT00043
)이 도출 가능한 구성으로, 별도로 방향을 측정하는 방향 측정장치 없이도 2축 자기센서가 2축 코일로부터 떨어진 거리뿐만 아니라 2축 자기센서가 위치하는 지점의 좌표값을 계산해 낼 수 있는 것이다.
[제2 실시 예]
본 발명에서 제시하는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템에 대한 제2 실시 예는 3차원 상에서 자기장을 이용하여 자기센서의 위치를 추적하는 것으로, 서로 수직을 이루는 3 축의 코일을 구비한 자기장 발생부와 서로 수직을 이루는 3 축의 자기센서를 구비한 자기장 센서부로 구성된 것을 특징으로 한다.
실제, 자기장을 이용하여 자기센서의 위치를 추적하는 것은 2차원 평면 상보다 3차원 공간상에서 적용되어질 가능성이 높다. 그에 따라, 본 발명에서 제시하는 제2 실시 예에서는 3축 코일을 구비한 자기장 발생부와 3축 자기센서를 구비한 자기장 센서부로 구성되어, 3축 자기센서가 3축 코일의 각 축에서 발생되는 자기장 신호를 감지하며 위치를 추적하는 시스템을 제시한다.
이하, 상기와 같은 자기장 발생부와 자기장 센서부를 통한 위치 추적은 다음과 같다.
우선, 도 3은 3차원 공간상에서 자기장 발생부의 3축 코일과 자기장 센서부의 3축 자기센서가 상대적으로 위치하는 형태를 도시하고 있다.
이러한 3차원 공간상에서 자기장 신호의 세기는 near field 범위 내에서 아래 [수학식 6]과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112007040380613-PAT00044
여기서, μ0 는 전송매체의 투과율,
Figure 112007040380613-PAT00045
은 3축 코일의 자기모멘트 벡터,
Figure 112007040380613-PAT00046
은 3축 코일을 기준으로 3축 자기센서가 위치하는 방향, i는 복소수, k는 파수(wave number)이고,
Figure 112007040380613-PAT00047
은 3축 코일의 각 축 방향을,
Figure 112007040380613-PAT00048
은 3축 자기센서의 각 축 방향을 의미하며,
Figure 112007040380613-PAT00049
,
Figure 112007040380613-PAT00050
이다. 또한, 3축 코일의 자기모멘트 벡터는
Figure 112007040380613-PAT00051
, 3축 자기센서의 면 벡터는
Figure 112007040380613-PAT00052
로 표현된다.
그에 따라, 3축 자기센서 각 축에서의 시간에 따른 자속(magnetic flux)의 변화량(Smn)을 살펴보면, 아래 [수학식 7]과 같다.
Figure 112007040380613-PAT00053
Figure 112007040380613-PAT00054
여기서,
Figure 112007040380613-PAT00055
이고, m, n은 각각
Figure 112007040380613-PAT00056
을 지칭하는 것이다.
상기 Smn과, Cmn을 이용하여 본 발명에서 r 값을 구하는 방식은, 우선, [수학식 7]에 나타난 Cmn을 통해 아래 [수학식 8]과 [수학식 9]를 도출한다. 그리고 [수학식 9]에서 도출된 값을 [수학식 10]에 적용시킴으로써, [수학식 10]을 통해 [수학식 11]에 도시된 바와 같은 형태로 r 값을 구해낸다.
Figure 112007040380613-PAT00057
Figure 112007040380613-PAT00058
Figure 112007040380613-PAT00059
Figure 112007040380613-PAT00060
Figure 112007040380613-PAT00061
Figure 112007040380613-PAT00062
그리고, 상기 [수학식 8]에 도시된 식을 풀어서 [수학식 12]와 같이
Figure 112007040380613-PAT00063
을 구해낸다.
Figure 112007040380613-PAT00064
그에 따라, 자기장 발생부의 3축 코일을 중심으로 하는 3축 자기센서의 좌표값(rx,ry,rz)은 X,Y,Z 축당 2개씩의 축퇴가 있는 아래 [수학식 13]과 같은 총 8개의 좌표값으로 도출되어 진다.
Figure 112007040380613-PAT00065
한편, 본 발명에 따르면, 3축 자기센서의 각 축이 위치하는 방향을 아래 [수학식 14]와 같은 방식을 이용하여 도출해 낼 수도 있다.
Figure 112007040380613-PAT00066
Figure 112007040380613-PAT00067
m×p 행렬에서
Figure 112007040380613-PAT00068
Figure 112007040380613-PAT00069
여기서, 변수 P는 임의의 변수로, 서로 수직인 세 방향(
Figure 112007040380613-PAT00070
)을 지칭한다.
[제3 실시 예]
본 발명에서 제시하는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템의 제3 실시 예는 3차원 상에서 자기장을 이용하여 자기센서의 위치를 추적하는 시스템으로, 제2 실시 예와 같이 하나의 자기장 발생부를 구비한 것이 아닌 세 개 이상의 자기장 발생부 를 구비한 것을 특징으로 한다.
앞서, 제2 실시 예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 하나의 자기장 발생부를 이용하게 되는 경우 자기센서가 위치하는 지점에 대해 8개의 축퇴된 좌표값을 얻게 된다. 그래서 자기센서가 실질적으로 위치하고 있는 지점의 좌표값을 결정할 수 있는 방법이 필요하다.
그에 따라, 상기와 같은 일환으로 공간상 한구석에 자기장 발생부를 고정시켜 놓는 방법을 통해 자기센서가 실질적으로 위치하고 있는 지점의 좌표값을 결정할 수도 있다. 즉, 자기장 발생부를 공간상 한구석에 위치시킴으로써 상기 3축 코일에서 발생되는 자기장이 공간 내에서 감지되는 범위가 일정 공간 영역으로 결정됨에 따라 8개의 축퇴된 좌표값들 중 자기센서가 실질적으로 위치하고 있는 지점의 좌표값이 결정될 수 있는 것이다.
하지만, 이러한 방법은 3축 코일이 위치하는 지점을 기준으로 소정 범위 내에 존재하는 자기센서들만을 대상으로 그 자기센서가 위치하는 지점의 좌표값을 추적할 수 있는 방법으로 자기센서의 위치 추적에 있어서 공간상 제약이 따른다.
따라서, 공간상의 제약 없이, 상기 8개 축퇴된 좌표값들 중 자기센서가 실질적으로 위치하고 있는 지점의 좌표값을 추적 가능하게 하는 본 발명에 따른 제3 실시 예에서는 자기장 발생부를 세 개 이상 구비한다.
이하, 본 발명에 따른 제3 실시 예를 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명에 따라 3축 코일로 구성되는 자기장 발생부를 공간상에 배치하여 자기센서의 위치를 추적하는 형태를 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 자기 장 발생부인 3축 코일 세 개를 공간의 대각선상으로 배치시킨다.
그리고 3축 자기센서는 각각 배치된 3축 코일들의 절대 좌표값을 제공받는다.
3축 자기센서에서 3축 코일들이 위치한 지점의 절대 좌표값 없이, 각각의 3축 코일들로부터 획득하게 되는 위치 좌표값들은 각각의 3축 코일들을 중심으로 한 상대적인 좌표값들이다. 때문에 같은 지점이지만 서로 다른 좌표값들로 도출된다. 그러므로, 3축 자기센서가 실제 위치하고 있는 지점의 좌표값을 추적하기 위해서는 각각 배치된 3축 코일들의 절대 좌표값을 제공받아 각 3축 코일들로부터 8개씩 축퇴된 자신의 절대 좌표값들을 도출함으로써, 서로 일치하는 절대 좌표값을 실제 3축 자기센서 자신이 위치하고 있는 지점의 절대 좌표값으로 결정이 가능해 진다.
그에 따라, 각각 배치된 3축 코일들의 절대 좌표값들이 3축 자기센서로제공되어야 하며 이를 수행하는 방식으로는 상기 배치된 각각의 3축 코일들이 자신의 고유 식별정보와 함께 자신의 절대 좌표값 정보를 자기장을 통해 3축 자기센서 측으로 송신해 주는 방식을 대표적인 예로 들 수 있다.
그래서, 공간상에 배치된 각각의 3축 코일들이 자신의 고유 식별정보(Source ID)와 더불어 자신이 위치하고 지점의 절대 좌표값을 기 설정해 놓은 주기마다 자기장을 통해 송신하도록 구성되고, 3축 자기센서는 자기장 세기를 측정하며 주변에 위치하고 있는 3축 코일들의 절대 좌표값을 수신하여 그 수신한 3축 코일들의 절대 좌표값을 통해 자신이 위치한 지점의 절대 좌표값을 계산하도록 구성될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 제3 실시 예에서는 세 개의 각 3축 코일들로부 터 8개씩 축퇴된 자신의 절대 좌표값들을 도출해 내어, 서로 일치하는 절대 좌표값을 실제 3축 자기센서 자신이 위치하고 있는 지점의 절대 좌표값으로 추적할 수가 있게 된다.
그리고 업급하지는 않았지만, 이와 같은 일환으로, 2차원 평면 상에서 자기장을 이용하여 자기센서의 위치를 추적하고자 할 경우에는, 제1 실시 예에서 사용된 서로 수직을 이루는 2 축의 코일을 구비한 자기장 발생부를 두 개 이상 구비함으로써, 자기센서의 위치를 추적이 가능할 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 자기장 발생부 구성의 일 예를 도시한 도면이다. 본 발명에 따르면, 자기장 발생부는 2축 코일 또는 3축 코일을 구비한 구성을 가지는데, 여기, 도 5는 3축 코일의 경우를 예를 들어 도시하고 있다.
살펴보면, 자기장 발생부는 정보 제공부(500)와, 코일 동작부(502)와, 스위치부(504)와, 서로 수직을 이루는 X,Y,Z축 코일들(506)로 구성된다.
정보 제공부(500)는 자기장 발생부 자신을 식별하게 하는 식별정보(Source ID)와, 자기장 발생부가 배치된 지점의 절대 좌표값(Sx,Sy,Sz), 그리고 X,Y,Z 축 각 축 코일들(506)의 신호를 식별하게 하는 식별정보(Axis ID)를 코일 동작부로 제공하는 기능을 수행한다.
정보 제공부(500)는 자신의 식별정보(Source ID) 및 절대 좌표값(Sx,Sy,Sz)을 제공할 시 미리 설정해 놓은 주기마다 제공하는 것을 특징으로 하고, 또한 정보 제 공부(500)는 X,Y,Z축 각 축 코일들(506)의 신호를 식별하게 하는 식별정보(Axis ID)를 제공할 시 각 축 코일들(506)에 대한 식별정보를 서로 번갈아가면서 제공하는 것을 특징으로 한다.
코일 동작부(502)는 정보 제공부(500)에서 제공하는 상기 정보들(Source ID,(Sx,Sy,Sz),Axis ID)이 자기장 신호에 실려 전송되도록 코일을 동작시키는 기능을 수행한다.
스위치부(504)는 코일 동작부(502)와 X,Y,Z축 코일(506) 사이에 존재하며, 코일 동작부(502)를 X,Y,Z축 코일들(506) 중 어느 한 축 코일과 선택적으로 연결시켜 주는 역할을 수행하는데, 스위치부(504)는 코일 동작부(502)를 통해 전송되는 코일의 식별정보(Axis ID)에 따라 해당 축의 코일과 코일 동작부(502)를 선택적으로 연결시켜 준다. 그래서 앞서 언급한 바와 같이 정보 제공부(500)는 X,Y,Z 축 각 축 코일들(506)에 대한 식별정보를 서로 번갈아가면서 제공함에 따라 상기와 같은 스위치부(504)의 동작은 X,Y,Z 축 코일들(506)에서 서로 번갈아가면서 자기장 신호를 발생되도록 한다. 그리고 그 발생시킨 자기장 신호에 정보 제공부(500)에서 제공된 자기장 발생부의 식별정보(Source ID)와 절대 좌표값(Sx,Sy,Sz), 그리고 각 축 코일들을 식별하게 하는 식별정보(Axis ID)가 실려 외부로 전송된다.
본 발명에서는 이와 같이 자기장 발생부가 자기장 발생부 자신의 식별정보(Source ID), 자기장 발생부가 위치하고 있는 지점의 절대 좌표값(Sx,Sy,Sz), 및 자기장 발생부에 구비된 각 축 코일들의 식별정보(Axis ID)를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일반적으로 자기장이 주된 영향을 미치는 Near Field 영역은 교류 자기장을 2MHz 이내에서 사용한다고 할 경우 약 24m 정도의 범위가 된다. 하지만, 2축 코일 또는 3축 코일과 같은 다축 코일을 통해 자기장을 형성시키고자 하는 경우에는 각 축의 코일에서 동시에 발생되는 자기장으로 인해 자기이중극자 성분보다 자기사중극자 성분이 크게 나타나면서 자기장은 1/거리(r)4에 비례해서 감쇄된다. 그래서, 자기장을 측위할 수 있는 거리가 급속히 감소하게 됨에 따라, 본 발명 따른 자기장 발생부는 2축 코일 또는 3축 코일로 구성되되, 각 축의 코일이 시간 차이를 두고 번갈아가면서 구동되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 자기장 센서부 구성의 일 예를 도시한 도면으로, 도 5와 같은 구성을 가지는 자기장 발생부와 함께 본 발명에 따른 위치 추적 시스템에서 이용되는 자기장 센서부의 구성이다.
도 6에 도시된 자기장 센서부는 3축 자기센서를 구비한 구성으로, 3축 자기세서로 3축 코일이 사용된 경우의 구성을 도시하고 있다.
그에 따라, 자기장 센서부는 X,Y,Z축 코일들(600)과, 신호 증폭부(602)와, 정보 추출부(604)와, 위치 추적부(606)로 구성된다.
자기장 센서부의 X,Y,Z 축 코일들(600) 각각은 자기장 발생부의 X,Y,Z 축 코 일 각각에서 번갈아가며 발생되는 자기장 신호들을 감지한다.
신호 증폭부(602)는 X,Y,Z 축 코일들(600)에서 감지된 자기장 신호들을 신호 처리에 적당한 레벨로 증폭시키고, 정보 추출부(604)는 신호 증폭부(602)에서 증폭되어 출력되는 자기장 신호들에서 신호 내에 포함된 자기장 발생부의 식별정보(Source ID), 자기장 발생부가 위치하고 있는 지점의 절대 좌표값(Sx,Sy,Sz), 그리고 상기 자기장 신호가 발생된 축 코일의 식별정보(Axis ID)를 추출한다. 또한 정보 추출부(604)는 상기 자기장 신호의 세기를 측정하여 그 측정한 신호 세기값을 상기 추출한 정보들과 매칭시켜 위치 추적부(606)로 제공한다.
위치 추적부(606)는 정보 추출부(604)로부터 제공되는 정보들을 통해 각 자기장 발생부별 그들의 X,Y,Z 축 코일(506)에서 발생된 자기장 신호들이 3축 자기센서에서 측정되는 신호 세기값을 확인하고, 그에 따른 자기장 센서부가 위치한 지점의 좌표값(rx,ry,rz)을 계산한다. 여기서, 위치 추적부(606)가 자기장 센서부의 좌표값을 계산하는 방식은 앞서 본 발명에 따른 제2 실시 예를 통해 살펴본 바와 같은 방식이다.
특히, 위치 추적부(606)는 각 자기장 발생부의 절대 좌표값을 이용하여 자기장 센서부의 축퇴된 절대 좌표값을 계산해 내는데, 만약 세 개 이상의 자기장 발생부로부터 자기장 센서부의 축퇴된 절대 좌표값들이 계산된 경우에는, 각 자기장 발생부별로 계산된 자기장 센서부의 축퇴된 절대 좌표값들 중 서로 일치하는 좌표값을 실제 자기장 센서부가 위치하고 있는 지점의 절대 좌표값으로 추적한다.
여기서, 자기장 센서부의 2축 자기센서 또는 3축 자기센서는 search 코일, MR 센서, 홀(Hall) 센서, SQUID 센서, 또는 MI 센서일 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따르면, 별도의 방향성을 측정하는 장치를 구비하지 않고도 자기장을 이용하여 자기센서가 부착된 장치의 위치 추적이 가능하다. 특히, 한 개의 자기장 발생부만을 구비하여도 자기센서가 부착된 장치의 위치 추적이 가능하게 해 준다.

Claims (5)

  1. 서로 수직을 이루는 두 축의 코일을 구비하고, 상기 두 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 한 개 이상의 자기장 발생부; 및
    서로 수직을 이루는 두 축의 자기센서를 구비하고, 상기 두 축의 자기센서를 통해 상기 한 개 이상의 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어지는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템.
  2. 서로 수직을 이루는 세 축의 코일을 구비하고, 상기 세 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 한 개의 자기장 발생부; 및
    서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서를 구비하고, 상기 세 축의 자기센서를 통해 상기 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어지는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템.
  3. 서로 수직을 이루는 세 축의 코일을 구비하고, 상기 세 축의 코일을 번갈아가며 자기장 신호를 발생시키는 세 개 이상의 자기장 발생부; 및
    서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서를 구비하고, 상기 세 축의 자기센서를 통해 상기 세 개 이상의 자기장 발생부에서 발생되는 자기장 신호 세기를 측정하여 자신이 위치한 지점의 좌표값을 추적하는 자기장 센서부;를 포함하여 이루어지는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는
    서로 수직을 이루는 세 축의 코일;
    자기장 발생부의 식별정보, 절대 좌표값, 및 상기 각 축 코일의 식별정보를 제공하되, 상기 각 축 코일의 식별정보는 서로 번갈아가며 제공하는 정보 제공부;
    상기 정보 제공부에서 제공하는 정보들이 자기장 신호에 실려 전송되도록 상기 코일을 동작시키는 코일 동작부; 및
    상기 정보 제공부에서 제공되는 코일의 식별정보에 따라 그에 해당하는 축의 코일을 상기 코일 동작부와 선택적으로 연결시키는 스위치부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 자기장 센서부는
    서로 수직을 이루는 세 축의 자기센서;
    상기 자기센서를 통해 감지된 자기장 신호를 증폭하는 신호 증폭부;
    상기 신호 증폭부를 통해 증폭된 자기장 신호의 신호 세기를 측정하고, 상기 자기장 신호 내에 포함된 자기장 발생부의 식별정보, 절대 좌표값, 및 상기 자기장 신호를 발생시킨 축 코일의 식별정보를 추출하여 상기 측정한 신호 세기값과 상기 추출한 정보들을 제공하는 정보 추출부; 및
    상기 정보 추출부에서 제공하는 정보들을 이용하여 상기 자기장 발생부별로 상기 자기장 센서부에 대한 축퇴된 절대 좌표값을 계산하고 서로 일치하는 절대 좌표값을 상기 자기장 센서부가 실제 위치하는 지점의 좌표값으로 추적하는 위치 추적부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 위치 추적 시스템.
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