KR20110134291A - 감소된 메모리 요건을 갖는 3ｄ 자기장 캘리브레이션을 위한 자동 데이터 수집 알고리즘 - Google Patents

감소된 메모리 요건을 갖는 3ｄ 자기장 캘리브레이션을 위한 자동 데이터 수집 알고리즘 Download PDF

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Abstract

자기장의 판독값을 취하는 자력계와 자기 나침반을 캘리브레이션하는 처리 유닛을 포함하는 자기 나침반이 제공된다. 처리 유닛은 미리 정해진 개수의 자기장 샘플을 승인하고, 승인된 자기장 샘플로부터 캘리브레이션 계수를 계산하도록 구성된다. 승인된 자기장 샘플의 각각은 승인된 다른 모든 자기장 샘플로부터 적어도 최소 분리각으로 떨어져 있다.

Description

감소된 메모리 요건을 갖는 3Ｄ 자기장 캘리브레이션을 위한 자동 데이터 수집 알고리즘{AUTOMATIC DATA COLLECTION ALGORITHM FOR 3D MAGNETIC FIELD CALIBRATION WITH REDUCED MEMORY REQUIREMENTS}
본 발명은 감소된 메모리 요건을 갖는 3Ｄ 자기장 캘리브레이션을 위한 자동 데이터 수집 알고리즘에 관한 것이다.
자기 나침반은 일반적으로 지구의 자기장을 왜곡하는 다른 성분과 융합되어, 나침반의 정확성을 떨어뜨린다. 이러한 방해(disturbance)는 보통 자기장 판독값을 바로잡기 위하여 보상 계수를 결정하는 장(field) 보상 메카니즘으로 교정된다. 보상 계수의 품질은 취해진 자기장 샘플의 데이터 세트에 의존하며, 이는 일반적으로 샘플의 배향(orientation)에서의 충분한 변동으로 3D 공간에 걸친다. 이 방법은 데이터가 수집되는 동안 사용자가 여러 배향으로 장치를 안정되게 유지하거나, 장치를 미리 정해진 방법으로 움직이거나, 또는 데이터를 수동으로 선택하는 것과 같은 지루하고 시간이 소모되는 작업을 수행하는 것을 요구한다. 수동으로 데이터를 입력하는 것은 일반적인 임베디드 애플리케이션이 사용자 입력을 위한 사용자 인터페이스 요소를 거의 가지지 않기 때문에 종종 번거롭다. 또한, 큰 메모리 용량이, 작은 크기가 프리미엄인 임베디드 애플리케이션에서 충분한 데이터 샘플을 저장하기 위하여 요구될 수 있다.
일 실시예는 자기장의 판독값을 취하는 자력계와 자기 나침반을 캘리브레이션하는 처리 유닛을 포함하는 자기 나침반에 관한 것이다. 처리 유닛은 미리 정해진 개수의 자기장 샘플을 승인하고, 승인된 자기장 샘플로부터 캘리브레이션 계수를 계산하도록 구성된다. 승인된 자기장 샘플의 각각은 승인된 다른 모든 자기장 샘플로부터 적어도 최소 분리각으로 떨어져 있다.
도 1은 장치에 통합된 자기 나침반의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 2a는 자기 나침반에서의 경질 철의 방해를 도시하는 그래프이다.
도 2b는 방해받은 자기장의 샘플 벡터의 예시적인 세트를 도시하는 그래프이다.
도 3은 자기장 샘플을 승인하는 방법에 대한 일 실시예의 플로우차트이다.
도 4는 자기 나침반을 캘리브레이션하는 방법에 대한 일 실시예의 플로우차트이다.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호 및 표시는 유사한 구성요소를 나타낸다.
여기에서 설명되는 실시예들은 자기 나침반과 통합된 장치 및 부품 때문에 지구 자기장에서의 경질 철(hard iron)의 방해를 보상하기 위하여 자기 나침반을 캘리브레이션한다. 일부 실시예에서, 다른 모든 샘플로부터 적어도 최소 분리각으로 떨어진 자기장 샘플이 보상 계수를 계산하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 최소 분리각과 샘플의 전체 개수는 자기장의 3차원 범위(span)을 보장하기 위하여 미리 정해진다.
도 1은 장치(100) 내에 통합된 자기 나침반(120)의 일 실시예에 대한 블록도이다. 자기 나침반(120)은 노출된 자기장의 측정값을 취하고 장치(100)의 방위 정보를 제공하는 적어도 하나의 자력계(122)를 포함한다. 자기 나침반(120)은 처리 유닛(102)과 메모리(104)를 더 포함한다. 또한, 도 1에 도시된 실시예에서, 자기 나침반(120)은 적어도 하나의 가속도계(124)를 포함한다. 장치(100)는 기능 회로(142)와 디스플레이 장치(110)를 포함한다. 장치(100)는, 네비게이션 장치, 자동차, 또는 다른 임의의 다른 장치와 같이, 방위 정보를 사용하는 임의의 시스템 또는 장치이다. 기능 회로(142)는, 예를 들어, 네비게이션 또는 관측을 위하여 방위 정보를 이용하는 임의의 회로이다. 장치(100)의 구성들은 적합한 인터페이스 및 상호연결을 이용하여 필요한 바에 따라 서로 통하여 결합된다.
디스플레이 장치(110)는, 예를 들어, 자기 나침반 판독값을 디스플레이하거나, 사용자 입력을 요청한다. 디스플레이 장치(110)의 실시예는 디지털 디스플레이, LCD 모니터, LED 디스플레이 등을 포함한다. 사용자 인터페이스(140)는 디스플레이 장치(110)와 통합되고, 사용자 입력을 위한 물리적 또는 논리적 버튼을 포함한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 캘리브레이션 루틴(134)과 계산 루틴(133)은 처리 유닛(102)에 의해 실행되는 소프트웨어(132)로 구현된다. 소프트웨어(132)는 적합한 저장 장치 또는 매체(130)에 저장되는 프로그램 명령어를 포함한다. 적합한 저장 장치 또는 매체(130)는, 예로서 반도체 메모리 장치(EPRPOM(Erasable Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 및 플래시 메모리 장치와 같은), 자기 디스크(로컬 하드 디스크 및 착탈식 디스크와 같은) 및 광 디스크(such as CD-ROM(Compact Disk - Read Only Memory) 디스크와 같은)를 포함하는, 예를 들어 비휘발성 메모리 형태를 포함한다. 더하여, 저장 장치 또는 매체(130)는 장치(100)에 대하여 로컬일 필요는 없다. 일 실시예에서, 저장 장치 또는 매체(130)는 자기 나침반(120)과 통합된다. 일반적으로, 처리 유닛(102)에 의해 실행되는 소프트웨어(132)의 일부와, 실행하는 동안 소프트웨어(132)에 의해 사용되는 하나 이상의 구조는 메모리(104)에 저장된다. 메모리(104)는, 이러한 실시예의 일 구현예에서, DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 같은, 적합한 형태의 이미 알려져 있거나 추후에 개발될 RAM(Random Access Memory)을 포함한다. 다른 실시예에서, 다른 종류의 메모리가 사용된다.
계산 루틴(133)은 자기 나침반 판독값으로부터 방위를 계산한다. 다른 실시예에서, 계산 루틴(133)도 장치(100)의 롤(roll)과 피치(pitch)를 계산한다. 정확한 나침반 판독값은 통합된 자기 나침반(120)의 동작 환경의 변하는 자기장을 보상하는 것을 수반한다. 예를 들어, 자기 나침반(120)이 최대의 정확성을 위하여 공장에서 캘리브레이션될 수 있어도, 다른 부품과 통합되면, 주변 환경에 의해 유입된 방해가 자기 나침반(120)에 영향을 미친다. 캘리브레이션 루틴(134)은 자기 나침반(120)의 동작 환경에 대한 자기 방해를 보상한다.
캘리브레이션 루틴(134)은 선택 루틴(136)과 보상 루틴(138)을 포함한다. 선택 루틴(136)은 서로에 대하여 적어도 최소 분리각으로 떨어져 있는 다수의 자기장 샘플을 승인한다. 자기장 샘플을 승인하는 것은, 자기 나침반을 캘리브레이션하는데 사용하기 위하여 샘플을 선택하고, 샘플은 메모리(104)에 저장된다; 반면, 승인되지 않은 자기장 샘플은 폐기된다. 최소 분리각은 자기장 샘플과 승인된 자기장 샘플의 각각 사이의 각도의 승인을 위하여 요구되는 최소 각도 값이다. 보상 루틴(138)은 경질 철의 방해를 보상하기 위하여 승인된 자기장 샘플로부터 보상 계수를 계산한다. 보상 루틴(130)은, 예를 들어 수치적 탐색(numerical search) 또는 최소 제곱법을 포함하는 임의의 공지되거나 추후에 개발될 방법으로 계산된다.
경질 철의 방해는 나침반 플랫폼에서의 영구 자석과 자화된 재료로부터 발생한다. 이러한 방해는 일정하게 유지되고, 주어진 설치에 대하여 모든 방위 배향에 대하여 자기 나침반(120)에 상대적으로 고정된다. 방해받지 않은 자기장에서, 지구의 장은 일정한 크기이다. 3D로 표시될 때, 방해받지 않은 장은 원점에 중심을 둔 구이다. 경질 철의 방해의 존재는 구의 중심을 이동시키는 일정한 자기장 성분을 추가시킨다. 연질 철(soft iron)의 방해는 나침반 근처의 자기적으로 연질인 재료와의 지구 자기장의 상호작용으로부터 발생한다. 연질 철의 방해는 구를 타원체로 변형시키고, 나침반(120)의 배향에 의존한다. 연질 철과 경질 철의 방해의 조합은 중심이 원점으로부터 이동된 타원체를 가져다 줄 것이다. 또한, 타원체는 방해의 성질에 따라 회전될 수 있다. 캘리브레이션 루틴(134)은 타원체로 방해받은 자기장을 원점에 위치하는 구로 변환한다.
도 2a는 자기장에 대한 경질 철의 방해를 도시하는 그래프(200)이다. 그래프(200)는 간략함을 위하여 3차원(3D) 자기장의 2차원(2D) 투영으로서 도시되고, 여기에서 논의되는 원리는 3D로 스케일링될 수 있다. 방해받지 않은 자기장(210)은 반지름(Hm)을 가지면서 원점에 중심이 있다. 일 실시예에서, 방해받지 않은 장(210)은 지구 자기장이다. 본 예에서, 경질 철의 방해는 방해받지 않은 자기장(210)을 양의 x 방향으로 Hx만큼, 양의 y 방향으로 Hy만큼 이동시킨다. 방해받지 않은 자기장(210)이 경질 철의 방해에 의해 방해받으면, 구의 중심은 이동되지만, 방해받은 자기장(220)의 형상은 반지름(Hm)을 갖는 구를 유지한다. 경질 철 방해와 융합된 자기 나침반(120)은 중심이 (Hx, Hy)인 방해받은 자기장(220)을 측정한다.
x축으로부터 측정된, 원점과 방해받은 자기장(220)의 y축 상의 가장 높은 점 및 가장 낮은 점 사이의 각도는 각각 θmzx(222) 및 θmin(224)이다. 이 각도는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure pat00001

[수학식 2]
Figure pat00002

N개의 샘플을 취하면, 최소 분리각 Δθ는 다음의 최대값에 있을 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003

일 실시예에서, 샘플은 0, 2Δθ, 3Δθ, ... (N-1)Δθ에 있으며, 다른 실시예에서, 샘플은 적어도 Δθ 떨어져 있다. 수학식 3에서 나타내는 바와 같이, N 및 Δθ의 값은 캘리브레이션 루틴(136)을 만족하도록 선택된다. N과 Δθ를 선택하기 위한 기준은 이용할 수 있는 메모리, 계산력, 및 3D 공간의 데이터 범위에 기초한 고려사항을 포함한다.
도 2b는 방해받은 자기장(250)을 도시하는 그래프(240)이다. 예시적인 세트의 샘플 벡터(252-1 내지 252-8)이 방해받은 자기장(250)에 대하여 승인되었다. 본 예에서, 선택 루틴은 샘플을 취하고, Δθ = 20도의 최소 분리각을 갖는 N = 8개의 샘플을 필요로 한다. 일 실시예에서, Δθ와 N은 자기장 샘플이 단일 평면 외부에서 취해져서 이에 따라 3D로 확장하는 것을 보장하도록 선택된다.
도 3은 자기장 샘플을 승인하는 방법(300)의 일 실시예에 대한 플로우차트이다. 선택 루틴이 초기화된다(블록 302). 초기화되면, 시험 벡터(Vt)라 하는 제1 자기장 샘플이 취해진다. 이것이 취해진 제1 시험 벡터이기 때문에, 이것은 자동으로 승인되어 v(0)로서 저장되고, 샘플 카운트(n)는 1로 설정된다(블록 304). 본 실시예에서, 최소 분리각 Δθ를 갖는 N개의 자기장 샘플 전체가 승인되어, 캘리브레이션 계수를 계산하기 위하여 저장된다. 일 실시예에서, 취해진 제1 샘플(v(0))은, n = 1일 때, 항상 합격된다.
방법(300)은 전체 개수 N의 샘플이 취해졌는지, 다른 말로 하면, n = N인지 여부를 질의한다(블록 310). 전체 N개의 샘플이 승인되었다면, 캘리브레이션 계수를 계산하는 보상 루틴이 시작된다(블록 312). n ≠ N이라면, 다른 자기 나침판 판독값(Vt)이 취해진다(블록 320).
시험 벡터의 승인은 모든 자기 벡터의 최소 분리각에 기초한다. 따라서, 시험 벡터(Vt)는 Vt와 승인된 샘플(v(i)) 사이의 각도(φ(i)라 한다)가 Δθ 이상인 것을 보장하도록 이전에 승인된 모든 자기장 샘플(예를 들어, v(0), v(1) 등)과 비교될 것이다. 시험 벡터(Vt)가 모든 다른 샘플(v(i))에 대하여 합격된 것을 보장하기 위하여, 이전에 합격된 샘플을 카운트하는데 사용되는 인덱스(i)는 승인 과정을 시작하기 위하여 0으로 설정된다(블록 322).
방법(300)은 i<N인지 판단한다(블록 324), i가 N보다 작다면, 시험 벡터(Vt)와 승인된 샘플(v(i)) 사이의 각도 φ(i)가 Δθ 이상인지 판단된다(블록 330). v(i)에 대하여 φ(i)<Δθ이면, 샘플은 불합격되고 다른 샘플이 취해진다(블록 320). 시험 벡터가 불합격될 때, 캘리브레이션 계수를 계산하는데 사용하기 위하여는 메모리에 저장되지 않는다. v(i)에 대하여 φ(i)≥Δθ이면, 샘플은 v(i)에 대하여 합격되지만, 저장된 다른 모든 자기장 샘플 v(i)에 대하여 여전히 합격되어야만 한다. 따라서, i는 다음 승인된 샘플과의 Vt의 비교를 위하여 1만큼 증분되고(블록 332), 시험 벡터와 v(i) 사이의 비교를 위한 루프가 다시 시작한다(블록 324).
일 실시예에서, 각도 분리 φ(i)는 자기장 샘플들(Vt와 v(i))과 동일한 방향을 향하는 단위 벡터들(V와 U(i)) 사이의 내적을 이용하여 계산된다. 각각의 이전에 승인된 자기 벡터 샘플(v(i))(예를 들어, v(0), v(1), 등)에 대하여, 대응하는 세트의 단위 벡터는 U(i)(i = 1, ... , k)로서 저정된다. 시험 벡터는, 아래의 수학식 4를 만족하는 때에만 승인되고 저장될 것이다.
[수학식 4]
모든 i = 1, ... , k에 대하여, acos(<V, U(i)>) ≥ Δθ
i = n이면, 시험 벡터와 이전에 승인된 모든 샘플 사이의 각도 φ(i)가 비교된다. 다른 말로 하면, 수학식 4가 만족되면, U(k+1) = V이고, 자기장 샘플 시험 벡터 Vt는 유효한 데이터 포인터로서 저장된다. 환언하면, i가 n보다 작지 않을 때(블록 342), Vt는 v(n)으로서 저장된다(블록 340). 그 다음, n은 1만큼 증분되고(블록 342), 최대 개수 N의 샘플이 n = N인지 비교함으로써 저장된다(블록 310). 승인된 샘플의 개수가 원하는 샘플의 개수 N과 같으면, 데이터 수집은 완료되고, 계산 루틴은 캘리브레이션 계수를 계산하기 시작한다(블록 312).
도 4는 자기 나침반(120)을 캘리브레이션하는 방법(400)의 일 실시예에 대한 플로우차트이다. 캘리브레이션 루틴(134)은, 예를 들어 사용자 명령에 따라 또는 자기 나침반을 시동함에 따라 초기화된다(블록 410). 일 실시예에서, 선택 루틴(136)이 실행되고 있다고 표시된다. 다른 실시예에서, 통합된 자기 나침반(120)에 대한 표시가 사용자에게 주어진다. 또 다른 실시예에서, 사용자는 얼마나 많은 전체 샘플 N이 그리고 어떤 최소 분리각 Δθ가 취해졌는지를 선택한다. 일부 예시적인 실시예에서, N은 6 내지 24이지만, 임의의 적합한 개수일 수 있다.
캘리브레이션 루틴이 시작되면, 선택 루틴(412)이 시작된다. 선택 루틴은, 자기장 샘플을 취하는 동안 자기 나침반(120)을 회전시키는 것을 포함한다(블록 420). 선택 루틴은 다른 모든 샘플로부터 최소 분리각 Δθ로 떨어져 취해진 각각의 자기장 샘플을 승인하는 것을 포함한다(블록 430). 일 실시예에서, 제1 자기장 샘플은 자동으로 승인된다. 자기장 샘플이 이전에 승인된 모든 자기장 샘플로부터 적어도 최소 분리각으로 떨어져 있다는 것을 보장하도록, 자기장 샘플은 자기장 샘플과 이전에 승인된 모든 자기장 샘플 사이의 각도를 회귀적으로 비교함으로써 승인된다.
자기장 샘플은 승인되는 경우에 메모리 내에 저장된다(블록 440). 다른 실시예에서, 제1 샘플이 승인되고 저장된 것을 나타내는 메시지가 디스플레이 장치(110)에 표시된다. 자기장 샘플은 전체 N개의 샘플에 도달될 때까지 승인되고 저장된다. 일 실시예에서, N개의 샘플이 수집되었다는 표시가 디스플레이 장치(110)에 표시된다. 다른 실시예에서, 장치(100)가 미리 정해진 시간 내에서 N개의 샘플이 승인되도록 회전되지 않으면, 중단 메시지가 디스플레이 장치(110)에 표시되고 선택 루틴(136)은 종료한다.
모든 N개의 샘플이 승인되고 저장되면, 선택 루틴(412)은 완료된다. 보상 루틴(138)은 캘리브레이션 계수를 계산하기 시작한다(블록 450). 보상 루틴(138)은 방해받은 자기장(220)을 원점에 중심을 둔 구로 매핑하는 변환 매트릭스를 만든다. 자기 나침반(120)이 캘리브레이션 계수로 캘리브레이션된다(블록 460). 즉, 캘리브레이션 계수는 자기장 방해를 보상하기 위하여 장래의 자기장 샘플에 적용된다. 다른 실시예에서, 자기 나침반 방위가 결과에 따른 캘리브레이션 계수로 계산된다.
일 실시예에서, 디스플레이 장치(110)는 캘리브레이션 계수가 결정된다는 것을 나타내는 메시지를 표시하고, 사용자에게 캘리브레이션 계수가 사용되어야만 하는지 질의한다. 사용자가 캘리브레이션 계수가 사용되어야 한다고 입력하면, 장치(110)는 캘리브레이션 계수를 메모리(104)와 같은 메모리에 기입한다.
방법(400)의 일 구현예에서, 샘플은 임의의 사용자의 간섭 없이 자체적으로 취해진다. 다른 실시예에서, 사용자는 캘리브레이션 루틴(134)을 어느 때라도 중지할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 장치(100)는 캘리브레이션 루틴(134)의 진척에 관한 어떠한 메시지도 표시하지 않는다. 일 실시예에서, 방법(400)은 자기 나침반(120)이 다른 장치(100)에 장착될 때마다 또는 자기 방해의 소스가 장치(100)로부터 추가 또는 제거될 때마다 완료된다.
여기에서 설명된 실시예는 네비게이션, 지시(pointing) 애플리케이션, 및 총기(gun) 장착 애플리케이션을 포함하지만 이에 한정되지 않는 자기 나침반 데이터를 이용하는 임의의 애플리케이션에 적용된다. 여기에서 제공된 실시예는 필요한 사용자 입력의 개수를 감소시키고 더 적은 데이터 포인트가 저장되기 때문에 데이터 저장을 위해 필요한 메모리를 감소시킨다. 자기 나침반 캘리브레이션의 일 실시예는 메모리가 프리미엄이고 사용자 입력이 성가시고 복잡할 수 있는 휴대용 애플리케이션과 같은 임베디드 애플리케이션에 사용된다. 넓은 범위의 3D 자기장을 보장하는 자동 데이터 수집을 위하여 알고리즘이 개발된다.
다음의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 많은 실시예가 설명되었다. 그럼에도, 설명된 실시예에 대한 다양한 변형이 청구된 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들도 다음의 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (3)

  1. 프로그램 명령어가 임베디드된 프로세서 판독가능한 매체(130)를 포함하는, 자기 나침반(120)을 캘리브레이션을 하는 프로그램 제품에 있어서,
    상기 프로그램 명령어는, 상기 자기 나침반에 결합된 적어도 하나의 프로그래머블 프로세서(102)에 실행될 때, 상기 자기 나침반이,
    복수의 자기장 샘플(252-1 내지 252-8)을 취하는 단계;
    상기 복수의 자기장 샘플을 승인하는 단계(430); 및
    캘리브레이션 계수로 상기 자기 나침반을 캘리브레이션하는 단계
    를 수행하게 하고,
    상기 승인하는 단계는,
    상기 자기장 샘플이 이전에 승인된 모든 자기장 샘플과 적어도 최소 분리각으로 떨어진 것을 보장하도록, 상기 자기장 샘플과 이전에 승인된 모든 자기장 샘플 사이의 각도를 회귀적으로 비교함으로써 자기장 샘플을 승인하는 단계; 및
    승인된 상기 자기장 샘플로부터 상기 캘리브레이션 계수를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    자기 나침반을 캘리브레이션하는 프로그램 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 명령어는, 상기 자기 나침반이,
    제1 자기장 샘플을 승인하는 단계; 및
    다음 자기장 샘플과 상기 제1 자기장 샘플 사이의 각도와, 상기 다음 자기장 샘플과 제2 자기장 샘플 사이의 각도가 모두 상기 최소 분리각 이상일 때, 상기 다음 자기장 샘플을 승인하는 단계
    를 수행하게 하는,
    자기 나침반을 캘리브레이션하는 프로그램 제품.
  3. 자기 나침반(120)에 있어서,
    자기장에 대한 판독값을 취하는 자력계(122); 및
    상기 자기 나침반을 캘리브레이션하는 처리 유닛(102)
    을 포함하고,
    상기 처리 유닛은,
    복수의 자기장 샘플(252-1 내지 252-8)을 승인하고(430) - 승인된 자기장 샘플의 각각은 승인된 다른 모든 자기장 샘플로부터 최소 분리각으로 떨어짐 -;
    승인된 상기 자기장 샘플로부터 캘리브레이션 계수를 계산하도록(450) 구성된,
    자기 나침반.
KR1020110053968A 2010-06-08 2011-06-03 감소된 메모리 요건을 갖는 3ｄ 자기장 캘리브레이션을 위한 자동 데이터 수집 알고리즘 KR20110134291A (ko)

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