KR20090012724A - 3축 박막 플럭스게이트 센서와 3축 가속도 센서를 사용하여절대 방위를 판별하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 자계 성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate) 센서와 3차원 가속도성분을 검출하는 3축 가속도센서가 하나의 모듈 형태로 제작된 6축 센서에서 출력되는 신호들의 값을 사용하여 6축 센서 또는 6축 센서가 탑재된 기기의 기준선과 자북(magnetic north pole)이 이루고 있는 각도, 즉 방위각을 결정하는 알고리즘에 관한 것으로서, 본 발명에서 사용하는 알고리즘은 크게 2가지로 분류할 수 있는데, 그 첫 번째는 방위각 결정에 필요한 data를 3축의 플럭스게이트 센서에서 각각 출력되는 voltage peak 간의 거리 (실제적으로는 μsec 단위의 시간)를 특별한 보정 없이 그대로 사용하여 상대적인 방위각도를 측정한 뒤, 연이어서 3축 가속도 센서에서 얻을 수 있는 기울기 값을 1차로 얻어낸 상대적인 방위각도에 회전 변환시켜 6축 센서 또는 6축 센서가 탑재된 전자 기기의 기준선이 자북의 방향과 이루는 각도를 알아내는 방법이며, 두 번째 알고리즘은 6축 센서가 탑재되는 전자기기 내에서 장착된 스피커 등의 자석에서 발생하는 자기장을 보정시키는 방법으로 구성된다.

3축 박막 플럭스게이트 전자나침반, 3축 가속도 센서, 6축 센서, 방위각

Description

3축 박막 플럭스게이트 센서와 3축 가속도 센서를 사용하여 절대 방위를 판별하는 방법{The method of the absolute direction angle measurement by using 3-axis thin film fluxgate sensor and the 3-axis accelerometer sensor}

본 발명은 항법 장치(네비게이터) 및 게임기의 정확한 사용을 위해서 필수적인 절대 방위각도를 측정 및 결정하는 방위 측정 알고리즘에 관한 것으로서, 3축의 박막 플럭스게이트를 지구 자기장 감지 센서로 이용하여 지구 자기장을 3차원으로 측정하고, 이어서 3축 가속도 센서의 기울기 값을 보정함으로써 6축 센서 및 6축 센서가 탑재된 전자기기의 절대 방위를 측정할 수 있다.

본 발명은 6축 센서를 이용하여 자기장 인가방향 또는 지구자기장의 방향을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방위 판별은 3축의 플럭스게이트 센서를 사용하여 상대적인 방위각도를 측정한 후, 6축 센서가 탑재된 전자기기가 지표면과 이루는 각도를 보정 하여 절대 방위를 측정하는 기술에 관한 것이다.

종래의 자기장 감지 센서는 본 발명에 따른 플럭스게이트 센서를 이용한 방식이 아닌, 자기장 인가에 따라 자기 저항이 변화하는 크기를 측정하는 MR(magneto-resistance) 방식의 센서, 자기장 인가에 따른 전자들의 charging 에 따른 전압의 변화를 측정하는 Hall 센서, 고주파를 이용하여 임피던스 변화를 측정하는 MI(magneto-impedance) 센서들이 주로 사용되어 왔다.

그러나, 이와 같은 센서들을 이용하여 지구자기장과 같은 작은 자기장을 측정할 경우에는 센서 자체의 보정이 항상 필요하다는 문제점이 있었다. 플럭스게이트를 제외한 자기 센서(magnetic sensor)들은 센서 내부의 전자의 이동도 또는 변화량에 따라 변화하는 전압, 저항을 측정하는 센서로서, 온도 전자파 등의 외부 환경 요인이 이들 센서에 인가될 때, 전자의 이동도가 그에 따라 상대적으로 변화하는 단점이 있어서 지구 자기장과 같은 0.3~0.5가우스(gauss) 정도의 미세한 자기장의 크기가 변화하거나 방향이 변화할 경우, 남과 북을 뒤바꾸어 판단할 정도의 오차를 발생시켰으므로 센서 구동 자체 만으로는 절대 방위를 감지하지 못한다는 문제점이 있었다.

이에 따라, 위에 열거한 지금까지의 센서들은 센서에 전원을 넣는 작업 이후에 반드시 해당 제품이 놓여진 공간의 지구 자기장의 크기 및 방향을 측정하는 보정 작업을 수행하여야 하였다. 보정 작업이란 공간에 자기장 감지 센서가 탑재된 전자기기를 손으로 휘저어 주는 작업을 의미하며, 상기 열거한 센서들은 같은 자기장 하에 있음에도 측정되는 자기장의 방향 또는 절대 방위 각도가 상이하게 나타나는 문제점이 있었다. 보정 작업의 경우, 간단한 action으로 보정하는 것도 있고, 복잡한 action으로 보정하는 경우도 있으며, 사용중에 보정을 해야하는 경우까지 발생하게 되어 절대 방위를 알고자 하는 제품 사용자에게 제약 조건을 항시 부가시킨다는 문제점이 있었다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 절대 자기장을 측정할 수 있는 3축 박막 플럭스게이트 센서를 사용하여 각 축에 인가되는 자기장 크기의 절대값을 측정하여 종래의 제품에서의 문제였던 제품 사용전 사용자의 액션이 포함된 보정 작업을 수행하지 않고, 1차적으로 상대적 방위를 용이하게 측정하고, 이 데이터만으로 얻어지는 상대적 방위각도 데이터에 3축 가속도 센서를 이용하여 획득한 6축 센서 또는 6축 센서가 탑재된 전자기기의 기울기 값을 보정 하여 정확한 절대 방위각을 구현하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 전자의 흐름을 감지하여 자기장의 인가 방향 또는 자기장의 크기를 결정하는 MR 센서, Hall 센서, MI 센서와는 달리 전자의 흐름과 관련이 없고, 단지 출력되는 독립 볼트 피크의 거리가 인가 자기장의 방향 및 크기에 따라 결정되는 3축 플럭스게이트를 사용하여 6축 센서의 상대적인 방위각을 측정한 뒤, 액션이 추가된 보정 작업 없이, 곧 바로 가속도 센서의 기울기 데이터만을 보정하여 절대 방위각을 판별하는 알고리즘에 관한 것이다.

본 발명에 따른 3축 박막 플럭스게이트 센서와 3축 가속도 센서를 사용하여 절대 방위를 판별하는 방법에 의하면, 절대 자기장을 측정할 수 있는 3축 박막 플럭스게이트 센서를 사용하여 각 축에 인가되는 자기장 크기의 절대값을 측정함으로 써 제품 사용 전 사용자에 의한 보정 작업을 수행하지 않고, 1차적으로 상대적 방위를 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 이 데이터만으로 얻어지는 상대적 방위각도 데이터에 3축 가속도 센서를 이용하여 획득한 6축 센서 또는 6축 센서가 탑재된 전자기기의 기울기 값을 보정함으로써 정확한 절대 방위각을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 박막 플럭스게이트 센서의 개략도를 나타낸 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 박막 플럭스게이트 센서는 실리콘 기판 위에 형성되며, 센서의 구성은 절연 박막에 둘러싸인 강자성체 박막을 두 종류의 코일로 감아준 구조를 가진다. 감겨진 코일 중 하나는 드라이브 코일이며, 다른 하나는 픽업 코일이다. 드라이브 코일을 따라서는 삼각파가 입력되며, 픽업 코일을 따라서는 강자성체의 자화 반전에 따른 독립된 볼트 피크 파형이 출력된다.

도 2는 본 발명에 사용된 박막 플럭스게이트의 픽업 코일을 따라서 독립된 볼트 피크가 나오는 과정을 나타낸 도면이다. 도 2는 박막 플럭스게이트에서 출력 신호의 형태가 전압의 고립 또는 독립된 피크 형태로 발생되는 원리를 나타낸 도면이다. 출력 신호를 감지하는 픽업 코일을 통하여 독립된 피크가 나타나는 것은 플럭스게이트를 구성하고 있는 자성박막의 자기적 특성과 밀접한 관계를 가진다. 플럭스게이트 용도로 제작된 자성 박막의 자기적 거동이 도 2 (c)와 같은 형태의 각형비 우수한 자기이력곡선을 가지는 경우, 플럭스게이트의 드라이브 코일에 입력되는 삼각파 또는 싸인파는 드라이브 코일이 감싸고 있는 자성체에 대하여 주기적으 로 자기장을 인가하게 된다. 입력되는 교류는 도 2 (c)에 표기된 ① 내지 ⑦까지의 자기적 거동을 하게 한다. 도 2 (c)의 점선은 지구자계 등의 외부 인가 자기장이 전혀 없는 상황 하에서 박막 플럭스게이트에 교류 신호가 인가될 때의 자기적 거동을 나타내며, 이와 같은 자기적 거동을 가질 때 출력 피크는 도 2 (d)의 점선의 형태로 나타난다. 이때, 독립 피크가 나타나는 위치는 도면에 표시된 A 연장선과 일치된다. 아울러 (-) 부호의 출력 피크가 나오는 위치는 도면에 표시된 B (B') 연장선 위치에 나타난다. 도 2의 (f)의 점선 역시 외부 인가 자기장이 없을 경우의 전압 피크가 나타나는 위치를 도시한 그림이다. 자화 반전이 일어나는 부분에서 독립 피크가 나타나는 이유는 출력 볼트가 시간당 변화하는 자화값, 즉 (d(M)/dt)와 직접적으로 비례하기 때문이다. 도 2의 (c)의 실선은 도 2의 (a)와 같이 막대형 플럭스게이트가 수평으로 놓여져 있는 상태에서 우측으로부터 자기장이 인가될 때의 자기적 거동의 변화를 도시한 그림이다. 우측에서 지구자계와 같은 DC 성분의 자기장이 인가되면, 자기이력곡선은 좌측으로 편이(shift)한다. 이 같이 외부 자기장이 인가된 상황 하에서 드라이브 코일을 통하여 교류 입력 전류를 흘려주면, 드라이브 코일의 전류 흐름에 따라 드라이브 코일 내부로 솔레노이드 자기장이 좌우로 번갈아 가면서 형성되게 된다. 이 경우, 자기이력곡선이 왼쪽으로 편이되어 있는 상태이므로 동일한 시간 기준 하에 자화 반전을 일으키면 볼트 피크의 발생은 인가 자기장이 없을 때와는 다른 거동을 갖게 된다. (-)자화 상태에서 (+)자화 상태로 이동됨에 따른 (+) 출력 볼트의 피크의 발생은 인가 자기장이 없을 때에 비하여 더 짧은 시간에 발생하며 (+) 자화 상태에서 (-)자화상태로 이동함에 따라 발생하는 (-) 출력 볼트는 더 늦은 시간에 발생 된다.이에 따라 출력 피크 간의 거리는 외부 인가 자기장이 없는 경우에 비하여 넓은 피크 간 거리를 갖게 된다.

도 2의 (e), (f)는 도 2의 (b)와 같이 수평으로 놓인 플럭스게이트의 왼쪽으로부터 외부 자기장이 인가되는 경우의 출력 피크가 나타나는 형상을 표현한 그림이다. 앞의 경우와는 반대로 출력 피크 간의 간격이 줄어들게 된다.

박막 플럭스게이트의 작동은 위에서 설명한 바와 같이 종래의 센서에서 주로 사용되는 센서 내부의 전자 흐름을 사용하는 방식이 아니므로, 온도, 전자파 등의 외부 환경 변화에 대해 둔감하여 다른 센서들처럼 제품 구동 또는 사용에 앞서서 액션을 사용한 자기장 보정 작업이 필요하지 않게 된다.

도 3은 3축 박막 플럭스게이트와 전용회로가 장착된 3축 전자나침반 형상을 나타내는 도면이다. 3축 박막 플럭스게이트가 자기장이 존재하는 공간에 놓이게 되면 3축을 90도 각도로 구성하고 있는 각각의 센서에는 각각의 축을 따라 벡터 성분의 자기장이 인가된다.

본 박막 플럭스게이트 센서가 자기장의 크기를 10bit data로 디지털 출력을 한다고 하면, 외부 인가 자기장이 0이면 512라는 출력값을 출력하고, 자기장의 크기와 방향에 따라 512에서 1023까지 증가하고, 512에서 0까지 감소하는 것이 가능하다. 예를 들어 0.5가우스를 인가할 경우 512에서 582로 70만큼 증가하도록 플럭스게이트 센서를 제작하였다고 할 경우, 인가 자기장의 부호를 바꾸어 -0.5가우스가 인가되면 512에서 70만큼 감소한 432가 측정된다. 이 증가량은 자기장의 세기에 따라 직선적으로 변하는 값으로서, 외부에서 0.25가우스가 인가되었다면 35의 변위가 측정된다. 3축 플럭스게이트의 구성은 자기장을 측정하는 플럭스게이트 센서가 x, y, z방향으로 각각 하나씩 있고, 이 3축 플럭스게이트 센서에 3축 가속도를 측정할 수 있는 센서가 추가되면, 이것을 사용하여 6축 센서 및 6축 센서가 탑재된 전자기기의 기울기 값을 알 수 있다. 3축의 플럭스게이트 센서에서 측정된 3개의 자기장 data와 3축의 가속도센서에서 측정된 3개의 data를 가지고 공간상에서 지구자기장의 방향을 계산하게 된다.

본 발명에 따른 플럭스게이트 센서를 사용한 절대 방위 측정 알고리즘의 특징은 종전의 제품과는 달리 매회 제품 사용시마다 자기장 보정 작업을 수행하는 것과는 달리, 전자기기 및 제품 내에 6축 센서를 장착하고, 단 1회의 전자기기내의 내부 자기장 보정만을 수행하면, 제품 사용자는 매회 자기장 보정 없이 가 장착된 전자기기에서의 한 차례 자기장 보정 작업만을 수행한다는 것이다.

기기 자체에서 발생하는 자기장의 보정을 위해서는 도 4에서와 같은 순서로 보정 작업을 수행해야 한다. 전자 기기 내부의 보정은 공간상에서 2회의 회전을 필요로 한다. 첫 번째 보정 과정은 센서가 장착된 기기를 xy평면에 평행하게 놓은 후 센서에서 출력되는 data를 기록하기 시작하고, 이와 동시에 기기를 시계 방향이나 반시계 방향으로 한 바퀴 이상 돌려준다. 이 과정에서 기기와 플럭스게이트 센서는 물리적으로 고정되어 있으므로 기기에서 발생하는 자기장은 센서에 동일한 방향으로 일정한 크기의 자기장을 인가하게 된다. 그러나, 전자제품 전체는 고정되어있는 지구 자기장에 대하여 회전을 수행한 것이 되므로 플럭스게이트 센서는 지 구 자기장에 의한 모든 변화의 크기를 감지하게 된다. 즉 기기 내부에서 발생하는 자기장이 +0.25가우스라고 가정을 하고, 지구 자기장이 0.5가우스라고 가정을 하면, 한바퀴 도는 동안에 센서는 기기내부에서 발생하는 자기장인 +0.25가우스는 계속 일정하게 감지하면서, 동시에 지자장을 -0.5가우스에서 +0.5가우스 까지 감지하게 된다. 따라서 센서가 측정하는 자기장은 세기는 -0.25에서 0.75가우스를 측정하게 된다. 측정된 이 값을 가지고 기기에서 발생되는 자기장을 알 수 있게 된다.

계산은 방법은 이 일련의 과정에서 측정된 자기장 값의 최소값과 최대값을 더한 값의 반이 기기 내부에서 발생되는 자기장의 세기가 된다. 위의 설명으로 예를 들면 최대값인 0.75와 최소값인 -0.25의 합산한 값의 절반이면 0.25가우스가 되고, 이 값이 결국 기기 내부의 자기장 크기가 되는 것이다. 이 방법으로 x, y 센서의 기기 보상은 완료된다. 이와 같은 방법으로 정북을 향하게 한 뒤에 yz평면으로 한 바퀴 이상 회전을 시켜 동일한 계산을 해주면 z축의 기기 보상값을 구하게 된다. 이 두 과정을 통하여 기기 자체에서 발생하는 자기장 값을 x, y, z방향으로 정확히 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 방식으로 구한 x,y,z 센서의 보정값을 기억해두면 기기 내에 장착되어 있는 플럭스게이트는 항상 지구자기장 값만을 측정하게 된다.

위에서 측정된 상대적인 방위각으로부터 절대적인 방위각을 측정하기 위해서는 도 5에 도시된 방법을 따른다. 절대 방위 측정을 위해서는 전자기기 내에서의 1회 보정이 종료된 이후, 신규로 측정되는 3축 방향의 지구 자기장 값과 기기의 기울기 값이 필요하다. 즉 x축 센서가 기울어진 각도(alpha)와 y축 센서가 기울어진 각도(beta)를 정확히 알고, 공간상에서 3축에 걸리는 각각의 축 성분의 자기장 크기를 알아야 정확한 방위각이 계산된다. 여기서 alpha와 beta값 계산은 가속도 센서의 값을 사용하여 계산한다.

측정된 가속도의 x, y, z 값을 a, b, c라고 하자. 두 값 중 우선 구해야 하는 값은 alpha 값이다. 측정된 a, b, c값을 회전변환행렬을 이용하여 y축을 기준으로 하여 -90도에서 90도까지 1도씩 회전을 시켜 (a1, b1, c1),..., (am, bm, cm),...., (a181, b181, c181)의 총 181개의 data point를 계산한다. 이 값 중에 am 값이 0이 되는 각도를 알아낼 수 있고, 이 각도가 alpha값이 된다. am이 0이 되는 때의 bm과 cm값을 사용하여 beta값을 구할 수 있다. 결국 beta= a×sin(bm)이 된다.

플럭스게이트 센서에서 측정한 x, y, z 값과 가속도 센서를 사용하여 구한 alpha와 beta값을 가지고 방위각을 계산하면 되는데, 이 과정은 결국 3축 플럭스게이트 센서에서 측정된 방위를 상부에서 내려다보면서, 지표면에 프로젝션시키는 방법과 동일한 과정이 된다. 지자계 3축 data를 회전변환행렬을 이용해서 y축으로 alpha만큼 회전시키고, 그 다음 회전변환행렬을 이용해서 x축으로 beta만큼 회전시켜 계산된 값을 x1, y1, z1 이라 하면, 절대 방위각 theta = atan (y2/x2) 이다. 도면 5는 이러한 일련의 과정을 나타내는 블록 다이어그램이다.

도 1a 및 1b는 박막 플럭스게이트의 기본 구조를 도시한 도면.

도 2a, 2b, 2c, 2d, 2e 및 2f는 박막 플럭스게이트의 픽업 코일에서 검출되는 독립된 전압 파형이 발생하는 메커니즘과 지구자기장에 반응하여 독립 볼트 파형의 거리 변화가 발생하는 원리를 도시한 도면.

도 3은 3축 플럭스게이트 전자나침반의 구성을 나타낸 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 6축 센서가 전자기기 내에 탑재되었을 때, 전자기기내부의 자기장을 보정하는 알고리즘을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 6축 센서의 절대 방위각 측정 알고리즘을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실리콘 웨이퍼

2 : 강자성체 박막

3 : 절연 박막

4 : 드라이브 코일

5 : 픽업 코일

6 : 드라이브용 교류 신호

7 : 픽업용 전압계

8 : 박막 플럭스게이트 센서

9. 패키징용 PCB 기판

10 : X축 박막 플럭스게이트 센서

11: Y축 박막 플럭스게이트 센서

12 : Z축 박막 플럭스게이트 센서

13 : ASIC (전용 구동 회로)

Claims (4)

1. 전자기기에 탑재된 6축 센서를 사용한 절대 방위 측정방법에 있어서,

   3축의 플럭스게이트 센서에서 측정된 3개의 자기장 데이터와 3축 가속도 센서에서 측정된 기울기 값을 사용하여 전자기기 내부의 자기장 보정 및 공간상에서의 지구 자기장의 절대 방위를 측정하는 방법 및 알고리즘.
2. 제1항에 있어서,

   전자기기 내부 및 외부자기장 인가량의 절대값을 측정하는 수단으로서 플럭스게이트 박막 센서를 사용하는 방법 및 알고리즘.
3. 제1항에 있어서,

   장비 내부의 자기장 보정을 위하여 3축 플럭스게이트 각각의 자기장 인가 크기를 측정함과 동시에 각기 다른 축을 중심으로 2회의 회전을 실시하여 전체에 걸리는 자기장 크기에서 내부 자기장의 크기를 알아내어 그것을 보정하는 데이터를 저장함으로써 추가적인 전자나침반의 보정 없이 사용하게 하는 방법 및 알고리즘.
4. 제1항에 있어서,

   외부자기장을 측정함에 있어서 전자기기 내의 자기장 보정이 완료된 3축 플럭스게이트 센서를 사용하여 얻어진 공간상의 방위 정보에 가속도 센서를 사용한 전자기기의 기울기 값을 보정하여 절대 방위각을 측정하는 방법 및 알고리즘.

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