KR20140025319A - 근 자기장의 동적 추적 및 보상을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋(yaw offset)을 갖는 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장(dynamic near field)을 추적하기 위한 방법은, 측정된 자기장과 각위치에 근거하는 자기장과 이전의 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하는 단계, 현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 단계, 추정된 현재의 근 자기장을 사용하여 보정된 측정된 자기장과 고정 벡터 사이의 각도 차 및 크기 차를 계산하는 단계, 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 단계, 및 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하는 단계를 포함한다.

Description

근 자기장의 동적 추적 및 보상을 위한 장치 및 방법{APPARATUSES AND METHODS FOR DYNAMIC TRACKING AND COMPENSATION OF MAGNETIC NEAR FIELD}
본 출원은 "동적 근 자기장 추적 및 보상" 이라는 명칭으로 2010년 11월 17일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 61/414,582에 관련되어 있고 그로부터 우선권을 주장하며, 그 가특허 출원의 개시 내용은 본원에 참조로 관련되어 있다.
본 발명은 일반적으로 자기계 및 운동 센서를 포함하는 시스템에서 지구 고정 기준 좌표계에 대한 시간 변화 자기장(근 자기장)을 추적하고 그에 대해 보상하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
점점 인기가 높아지고 있고 널리 사용되고 있는 모바일 장치는 종종 소위 9-축 센서를 포함하는데, 이러한 센서는 3-축 자이로스코프, 3-D 가속도계 및 3-D 자기계(magnetometer)로 이루진다. 3-D 자이로스코프는 각속도를 측정한다. 3-D 가속도계는 선형 가속도를 측정한다. 자기계는 국소 자기장 벡터(또는 그의 편차)를 측정한다. 이들의 인기에도 불구하고, 한편으로 자기계 측정으로 생기는 바람직하지 않은 영향을 보정 및 제거하는 것이 어렵고 또한 자이로스코프와 가속도계만을 사용해서 요(yaw) 각도를 신뢰적으로 추정하는 것이 실제로 불가능하기 때문에 이들 9-축 센서의 예견가능한 능력은 충분히 이용되지 못하고 있다.
지구 고정 중력 직교 기준계에 대한 강성 몸체(rigid body)의 3-D 각위치(angular position)가 유일하게 규정된다(여기서, 강성 몸체는 자기계 및 운동 센서가 부착되는 장치를 말한다). 자기계와 가속도계가 사용될 때는, 중력을 따르는 양의 Z-축, 자기적 북쪽을 향하는 양의 X-축 및 동쪽을 향하는 양의 Y-축을 갖는 중력 기준계를 정의하는 것이 편리하다. 가속도계는 중력 및 다른 가속도를 감지하며, 자기계의 측정값으로부터, 북쪽으로 향하는 지구 자기장을 알 수 있다 (지구 자기장과 중력 사이의 각도는 90°가 아니다 라는 것이 알려져 있지만). 중력 기준계의 축을 정의하는 이러한 방식은 한정적인 것이 아니다. 알려져 있는 2개의 방향(중력 및 자기적 북쪽)에 근거한 직교 우향 기준계의 다른 정의도 가능하다.
3-D 몸체에 부착되어 있는 운동 센서는 그 3-D 몸체에 대해 정의되는 몸체 기준계에서 그 몸체의 위치(또는 위치 변화)를 측정한다. 예컨대, 항공기에 대해 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 일반성을 잃지 않으면서, 상기 몸체 기준계는 항공기의 길이 방향 축선을 따라 앞쪽으로 향하는 양의 X-축을 가지며, 양의 Y-축은 우측 날개를 따라 향하며 양의 Z-축은 우향 직교 기준계(오른손 규칙)을 고려하여 결정된다. 항공기가 수평으로 비행하고 있을 때, 양의 Z-축은 중력을 따라 중력계의 Z-축과 일치한다. 중력 기준계에서 (roll)과 피치(pitch)는 몸체에 부착되어 있는 3-D 가속도계 및 2-D 또는 3-D 회전 센서를 사용하여 그리고 알려져 있는 중력의 방향에 근거하여 결정될 수 있지만(예컨대, 리버티 특허 - 미국 특허 7,158,118, 7,262,760 및 7,414,611 참조요), 중력 기준계에서의 요 각도는 정확히 추정하기가 더욱 어려운데, 그래서, 자기계 측정값들로부터 얻어지는 지구 자기장(또는 보다 정확하게는 그의 방향)으로 그들 리딩을 확대하는 것이 바람직하다.
오일러의 정리에 근거하여, 몸체 기준계와 중력 기준계(2개의 직교 우향 좌표계)는 좌표축 둘레의 일련의 회전(3개 이하)으로 관련될 수 있으며, 연속된 회전은 상이한 축 둘레에 대한 것이다. 이러한 일련의 회전을 오일러 각도-축 시퀀스라고 한다. 이러한 기준 회전 시퀀스가 도 2 에 도시되어 있다. 이들 회전의 각도는 중력 기준계에서 장치의 각위치이다.
3-D 자기계는 지자기장(예컨대, 지구 자기장)과 경철(hard-iron) 및 연철(soft-iron) 효과를 포함하는 3-D 정적 자기장과 외부의 시간 변화 전자기장으로 인한 3-D 동적 근 자기장의 겹침을 나타내는 3-D 자기장을 측정한다. 측정되는 자기장은 자기계의 실제 방향에 달려 있다. 경철 효과, 연철 효과 및 동적 근 자기장이 제로이면, 측정되는 자기장의 궤적은 지구 자기장의 크기와 같은 반경을 갖는 구체로 될 것이다(자기계가 상이한 방향으로 배향될 때). 경철 및 연철 효과가 영이 아니면, 측정되는 자기장의 궤적은 원점에서 벗어난 타원형으로 된다.
경철 효과는 자기계의 몸체 좌표계에서 일정한 자기장을 나타내는 재료에 의해 생기며, 그래서 측정되는 자기장의 성분들의 일정한 오프셋을 발생시킨다. 경철 효과로 인한 자기장 발생원의 자기계에 대한 방향과 위치가 일정하면, 대응하는 오프셋도 일정하게 된다.
지구 자기장과 겹치는 자기장을 발생시키는 경철 효과와는 달리, 연철 효과는 자기장에 영향을 주거나 그 자기장을 왜곡하는 재료(예컨대, 철 및 니켈)의 결과이지만, 반드시 자기장 자체를 발생시키지는 않는다. 그러므로, 연철 효과는 자기계 및 지구 자기장에 대해 영향을 주는 재료의 위치와 특성에 의존하는 측정되는 장(field)의 왜곡이다. 따라서, 연철 효과는 단순한 오프셋으로 보상될 수 없으며, 그래서 더욱 복잡한 절차가 요구된다. 경철 효과 및 연철 효과를 보상하기 위한 파라미터는 시간 변화 근 자기장이 없는 상태에서 상이한 방향의 자기계에서 얻어지는 측정값을 샘플링하여 보정될 수 있다.
근 자기장은 시간 변화 자기장으로 인한 측정되는 자기장의 동적 왜곡이다. 지구 고정 좌표계에서의 시간 변화 자기장은 자기계의 측정값에 큰 영향을 줄 수 있다. 이러한 근 자기장은 이어폰, 스피커, 휴대폰, 진공 청소기 등에 의해 발생될 수 있다. 3-축 가속도계 및 3-축 회전 센서로부터 얻어지는 요에 대한 신뢰할 만한 추정치가 없으면(예컨대, 절대 요 각도 측정시 관측이 없어 생기는 요 각도 드리프트(drift) 문제), 근 자기장이 보상된 자기계의 측정값은 요 각도 드리프트를 보정할 수 있게 해주는 중요한 기준을 제공할 수 있다.
그러므로, 전술한 문제와 단점들을 피하면서 장치의 방향(즉, 요 각도를 포함한 각위치)을 결정하기 위해 장치에 부착되어 있는 다른 운동 세서와 함께 자기계를 실시간으로 신뢰적으로 사용할 수 있게 해주는 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
자기계를 포함하는 센서들의 조합으로부터의 동시적인 측정값들을 사용하는 장치, 시스템 및 방법에 의해, 국소 3-D 자기장 값 및 3-D 몸체의 요 각도의 보정된 값이 얻어진다.
일 예시적인 실시 형태에 따르면, 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋(yaw offset)을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장(dynamic near field)을 추적하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 단계를 더 포함한다. 마지막으로 상기 방법은, 비교 결과 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하는 단계(S450)를 포함한다.
다른 예시적인 실시 형태에 따르면, 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장을 추적하기 위한 방법을 실시하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 장치에 부착된 자기계(magnetometer) 및 운동 센서로 측정되는 자기장과 각위치를 받는 인터페이스를 포함한다. 상기 장치는 데이타 처리 유닛을 더 포함하고, 이 데이타 처리 유닛은, (A) (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하고, (B) 현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하며, (C) 추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하고, (D) 상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하며, 또한 (E) 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하도록 되어 있다.
다른 예시적인 실시 형태에 따르면, 프로세서에 의해 실행되면, 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장을 추적하기 위한 방법을 상기 프로세서가 실행하게 해주는 실행가능한 코드를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체가 제공된다. 상기 방법은 (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 단계를 더 포함한다. 마지막으로 상기 방법은, 비교 결과 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하는 단계(S450)를 포함한다.
본 명세서에 포함되고 그의 일 부분을 구성하는 첨부 도면은 하나 이상의 실시 형태를 도시하고, 또한 설명과 함께 이들 실시 형태를 설명한다.
도 1 은 3-D 몸체 기준계를 도시한다.
도 2 는 중력 기준계에서 몸체 기준계로의 변환을 도시한다.
도 3 은 일 예시적인 실시 형태에 따른 감지 유닛의 블럭도이다.
도 4 는 일 예시적인 실시 형태에 따른, 근 자기장을 추적하고 보상하기 위한 방법의 블럭도이다.
도 5 는 일 예시적인 실시 형태에 따른, 근 자기장을 추적하고 그에 대해 보상하기 위한 방법의 블럭도이다.
도 6 은 일 예시적인 실시 형태에 따른, 장치에 부착된 운동 센서 및 자기계의 동시적인 측정값들을 사용하여 자기계를 보정하기 위한 방법의 블럭도이다.
예시적인 실시 형태에 대한 이하의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위로 규정된다. 이하의 실시 형태는 단순성을 위해 3-D 강성 몸체("장치")에 부착되는 운동 센서 및 자기계를 포함하는 감지 유닛의 구조 및 용어에 관해 논의된다. 그러나, 다음에 논의될 실시 형태는 이들 시스템에 한정되지 않고, 유사한 특성을 갖는 자기계 또는 다른 센서를 포함하는 다른 시스템에도 사용될 수 있다.
명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시 형태" 또는 "일 실시 형태"는, 일 실시 형태와 관련하여 설명하는 특별한 요소, 구조 또는 특징은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 여러 곳에서 나오는 "하나의 실시 형태에서" 또는 "일 실시 형태에서" 라는 말은 모두 반드시 동일한 실시 형태를 언급하고 있는 것은 아니다. 또한, 특별한 요소, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시 형태에서 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
도 3 에 나타나 있는 일 예시적인 실시 형태에 따르면, 어떤 장치의 방향을 모니터링하기 위해 그 장치에 부착될 수 있는 감지 유닛(100)은 상기 장치의 강성 몸체(101)에 부착되는 운동 센서(110) 및 자기계(120)를 포함한다. 운동 센서(110)와 자기계(120)로 동시에 수행되는 측정에 의해, 인터페이스(140)를 통해 데이타 처리 유닛(130)에 보내지는 신호가 발생된다. 도 3 에서, 데이타 처리 유닛(130)은 강성 몸체(101)에 위치된다. 그러나, 대안적인 실시 형태에서, 상기 데이타 처리 유닛은 멀리 떨어져 있을 수 있고, 자기계 및 운동 센서에서 나오는 신호는 상기 장치에 위치되어 있는 전송기에 의해 데이타 처리 유닛에 전송된다. 데이타 처리 유닛(130)은 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 보정 파라미터를 사용해서 계산을 수행하여, 받은 신호를 자기장을 포함하는 측정량으로 변환시킨다.
몸체 좌표계가 상기 장치의 몸체(101)에 대해 정의될 수 있다(예컨대, 도 1 참조). 운동 센서(110) 및 자기계(120)는 강성 몸체(101)에 고정 부착되므로, 이들은 몸체 기준계에서 관측가능한 것(예컨대, 자기장, 각속도 또는 선형 가속도)과 관련된 신호를 발생시킨다.
상기 인터페이스(140)와 데이타 처리 유닛(130)은 정적 자기장 추출 유닛(150)을 구성한다. 도 3 에서, 이 정적 자기장 추출 유닛(150)은 강성 몸체(101)에 위치된다. 그러나, 예컨대 상기 장치와는 독립적인 기준계에서 상기 몸체의 방향을 결정하기 위해서는, 이들 측정량을 관찰자 기준계에 관련시킬 수 있어야 한다. 관찰자 기준계는 관성 기준 프레임이라 생각할 수 있고 또한 몸체 기준계는 비관성 기준계라고 생각할 수 있다. 지구에 위치하는 관찰자를 위해, 중력이 한 기준 방향을 제공하고 자기적 북쪽은 다른 기준 방향을 제공한다. 관찰자 기준계는 이들 방향에 대해 정의될 수 있다. 예컨대, 중력 기준계는 중력을 따르는 z-축, 중력과 자기적 북쪽 방향을 포함하는 평면내에 있는 y-축 및 오른손 규칙을 사용하면 동쪽으로 향하게 되는 x-축을 갖도록 정의될 수 있다. 그러나, 이 특별한 정의는 한정적인 것이 아니다. 다음 설명에서는, 중력과 자기적 북쪽을 사용해 정의되는 기준계를 설명하기 위해 "중력 기준계" 라는 용어를 사용한다.
상기 신호는 몸체 기준계에서 측정되는 양들을 나타낸다. 몸체 기준계에서의 이들 측정값들은 데이타 처리 유닛(130)에서 더 처리되어, 중력 기준계에 대응하는 양으로 변환된다. 예컨대, 회전 센서 및 3-D 가속도계를 사용하여, 중력 직교 기준계에 대한 몸체 기준계의 롤과 피치를 구할 수 있다. 중력 직교 기준계에서 장치의 요 각도를 정확히 추정하기 위해서는, 몸체 기준계에서 측정되는 자기장으로부터 지구 자기장의 방향을 결정하는 것이 필요하다.
몸체 기준계에서 측정되는 자기장으로부터 지구 자기장의 방향을 결정하기 위해, 상기 데이타 처리 유닛(130)은 미리 결정된 작업 순서로 다양한 파라미터를 사용하여 상기 경철 효과, 연철 효과, 정렬 불량 및 근 자기장에 대해, 측정된 3-D 자기장(이상적으로는 보정 파라미터를 사용하여 자기계의 신호로부터 계산된 것임)을 보정한다. 일단 데이타 처리 유닛(130)이 이들 모든 보정을 완료하면, 결과적인 자기장은 지구 자기장에 대응하는 국소 정적 자기장이라고 가정해도 합당할 수 있다. 물론 지구 자기장은 "딥 각도(dip angle)"라고 하는 알려져 있는 각도 만큼 중력에 수직인 평면의 약간 위쪽 또는 아래쪽에서 북쪽으로 향한다.
이제, 상기 시스템(100)에서 수행될 수 있는 방법의 툴키트(toolkit)를 설명하도록 한다. 데이타 처리 유닛(130)은 실행가능한 코드를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체(135)에 연결될 수 있으며, 상기 코드가 실행되면 상기 시스템(100)은 국소 자기장의 추출과 관련된 방법들 중의 하나 이상을 수행하게 된다.
지구에 고정된 중력 기준계에 대한 자기계의 3-D 각위치 추정치를 사용하여, 자기계 측정에 영향을 주는 동적 근 자기장을 동적으로 추적하고 그를 보상하기 위한 방법들이 제공된다. 3-D 각위치는 완벽하게 정확한 것은 아니고 롤, 피치 각도의 에러 및 적어도 요 각도 드리프트 및/또는 미지의 오프셋을 포함할 수 있다. 동적 근 자기장에 대해 보상되는 자기장 측정은 나침반 또는 더 양호한 요 추정을 위한 3-D 각위치 결정에 유용하다. 유사한 결과를 얻을 수 있는 종래의 방법은 발견되지 않았다.
예시적인 실시 형태들에 따르면, 도 4 는 일 예시적인 실시 형태에 따라 동적 근 자기장을 추적하고 보상하기 위한 방법(200)의 블럭도이다. 자기계를 완전히 보정한 후에 계산되는 측정된 자기장 값(210) 및 몸체 센서들의 동시적인 측정값들로부터 구해지는 기준 각위치(220)는 동적 근 자기장을 추적하고 보상하기 위한 알고리즘(230)에 입력된다. 이 알고리즘(230)을 사용한 결과, 장치 몸체 좌표계에서 나타나는 국소 3-D 자기장 값(240)(즉, 보정되었고 근 자기장에 대해 보상된 자기계 측정값) 및 정적 국소 3-D 자기장 값(240)과 관련된 에러 추정치(250)가 얻어진다.
도 5 는 다른 예시적인 실시 형태에 따라 근 자기장을 추적하고 보상하기 위한 방법(300)의 블럭도이다. 도 5 의 블럭도는 데이타 흐름을 강조한 것이다. 3-D 자기계를 포함하는 센서 블럭(310)은 감지 신호를 센서 해석 블럭(320)에 제공한다. 센서 해석 블럭(320)은 사전에 계산된 파라미터를 사용하여, 왜곡된 센서 신호를 개선하여 그 센서 신호를 표준화된 단위로 변환시키고 스케일, 스큐(skew), 오프셋 및 정렬 불량을 제거한다. 장치 몸체 기준계에 나타나는 자기장 값들은 동적 근 자기장 추적 및 보상 알고리즘(330)에 출력된다. 지구 고정 중력 기준계에 대한 장치의 각위치(340)가 또한 알고리즘(330)에 입력된다. 상기 각위치는 무작위 롤과 피치 각도 에러를 갖고 있는데, 특히 무작위 요 각도 드리프트 및/또는 미지의 오프셋을 갖고 있다. 상기 알고리즘(330)은 동적 근 자기장으로 인한 변화를 추적하고 장치 몸체 기준계에서의 입력된 자기장 값을 보상하여, 동적 근 자기장이 보상된 상기 장치 몸체 기준계에서의 정적 자기장의 추정치를 출력한다. 상기 알고리즘(330)은 또한 보상된 자기장 측정값을 사용하여, 입력된 각위치의 에러, 특히 요 각도 에러를 보정한다.
아래의 표 1 은 근 자기장을 추적하고 보상하기 위한 방법과 관련된 알고리즘을 설명하는데 사용되는 표시의 리스트이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
지구 고정 중력 기준계에서의 자기장이 일정하면, 장치 몸체 기준계에서 자기계로 측정되는 자기장은 지구 고정 중력 기준계에 대한 장치 몸체 기준계의 3-D 방향(각위치)을 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 지구 고정 중력 기준계에서의 자기장이 시간에 따라 변하면, 자기계의 측정값은 상당히 변하여, 국소 지자기장과 같은 정적 부분 뿐만 아니라 동적 부분을 포함하는 최근의 총 국소 자기장과 장치의 진(true) 3-D 방향의 조합(순(net)변화)을 나타낸다. 이러한 시간 의존성 변화는 이어폰, 스피커, 휴대폰, 진공 청소기 등과 같은 근 자기장 교란으로 인한 것일 수 있다.
자기계가 방향 추정 또는 나침반에 사용될 때 근 자기장 교란의 존재가 알려져 있지 않으면, 추정된 방향 또는 북쪽 방향이 부정확하게 된다. 그러므로, 3-D방향 결정과 나침반을 위해 자기계 측정값들을 실제로 사용하기 위해서는, 근 자기장 추적과 보상이 요망된다. 더욱이, 지구 고정 중력 기준계에 대한 장치 몸체 기준계의 절대 요 각도의 직접적인 관측이 없기 때문에, 3-D 가속도계와 3-D 회전 센서를 포함하는 조합으로 얻어지는 각위치는 요 각도 드리프트 및/또는 미지의 오프셋의 영향을 받게 된다. 근 자기장에 대해 보상되는 자기장 값은 이 결함을 보정하여, 요 각도 드리프트 문제를 해결한다.
보정된 자기계(연철 및 경철 효과 보정을 포함함)는 다음을 측정한다:
Figure pct00005
(식 1)
여기서
Figure pct00006
(식 2)
그리고
Figure pct00007
(식 3)
본 방법은
Figure pct00008
을 동적으로 추적하고 이를 사용하여
Figure pct00009
를 추정하고, 이를
Figure pct00010
로부터 보상하여
Figure pct00011
를 얻고, 추정된
Figure pct00012
는 3-D 방향 측정 및 나침반을 위해 사용될 준비가 된다. 상기 방법은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.
단계 1: 두개의 3×1 벡터를 사용하여
Figure pct00013
의 추정치 및 정상(steady)
Figure pct00014
의 최근 추정치를 각각 저장한다.
단계 2: 지구 고정 중력 기준계에서 일정한 3×1 벡터를 구성한다
Figure pct00015
(식 4)
단계 3: 지구 고정 중력 기준계에서 관측 벡터를 구성한다
Figure pct00016
(식 5)
각각의 시간 스텝에 대해 다음과 같은 단계들이 실행된다.
단계 4: 각위치를 사용하여 장치 몸체 기준계에서
Figure pct00017
의 표시를 계산한다.
Figure pct00018
(식 6)
식 4 에 나타나 있는 방식으로
Figure pct00019
를 구성하면,
Figure pct00020
는
Figure pct00021
에서의 요 각도 에러의 영향을 받지 않는다.
Figure pct00022
에 대한 벡터
Figure pct00023
의 상대 가중치를 나타내기 위해
Figure pct00024
의 z 축 값은
Figure pct00025
의 함수로 설정될 수 있다.
단계 5:
Figure pct00026
와
Figure pct00027
사이의 각도
Figure pct00028
를 계산한다.
단계 6: 지구 고정 중력 기준계에서의 총 자기장(근 자기장을 포함함)을 예측한다.
Figure pct00029
(식 7)
단계 7: 현재의 총 자기장 추정치
Figure pct00030
와 이전 시간 스텝에서 얻은 총 자기장의 최선의 추정치 사이의 차를 계산한다.
Figure pct00031
(식 8)
단계 8: 예컨대 단일 지수 평탄 필터(single exponential smooth filter)를 사용하여 현재의 근 자기장 추정치를 업데이트한다.
Figure pct00032
(식 9)
단계 9:
Figure pct00033
의 총 크기를 계산하고, 이 총 크기와
Figure pct00034
의 크기 사이의 차를 구한다. 다시 말해, 총 자기장의 추정치와 측정된 자기장 사이의 차를 계산한다.
Figure pct00035
(식 10)
단계 10:
Figure pct00036
와
Figure pct00037
사이의 각도
Figure pct00038
를 계산한다.
단계 11:
Figure pct00039
와
Figure pct00040
사이의 각도 차를 계산한다.
Figure pct00041
(식 11)
단계 12: 예컨대 다음과 같은 예시적인 실시 형태를 사용하여 근 자기장이 정상적인(steady) 지의 여부를 평가한다.
Figure pct00042
코드 1
여기서, 변수 sampleCount _는 근 자기장이 얼마나 오래 변하지 않는가를 기록하는데 사용된다. 예컨대, k 1 은 3으로 설정될 수 있고, k 2 은 4로 설정될 수 있다. σ는 아래와 같이 주어진다.
Figure pct00043
(식 12)
여기서, σx, σy, 및 σz 는 x-축, y-축 및 z-축을 각각 따르는 3-축 자기계의 샘플 노이즈의 표준 편차이다. 이들 값은 일정한 자기장의 제어된 환경에서 자기계 제조업체의 명세 시트 또는 정적 측정값으로부터 미리 결정될 수 있다(예컨대, 제조 보정 셋업).
단계 13: sampleCount _가 미리 정해진 문턱값 보다 크면(예컨대, 문턱값은 1 초와 동등하게 설정될 수 있음)
Figure pct00044
를
Figure pct00045
로 업데이트하며 그리고 sampleCount _를 0 으로 리세팅한다. 단계 13 의 예시적인 실시 형태는 다음과 같은 코드이다.
Figure pct00046
코드 2
단계 14: 예컨대 다음과 같은 하위 단계를 수행하여 현재의 샘플이 최근의 추정된 정상 자기장과 일치하는 지의 여부를 평가한다.
하위 단계 14.1:
Figure pct00047
와
Figure pct00048
사이의 각도 차를 계산한다.
Figure pct00049
(식 13)
하위 단계 14.2:
Figure pct00050
의 총 크기를 계산하고, 이 총 크기와
Figure pct00051
의 크기 사이의 차를 구한다.
Figure pct00052
(식 14)
하위 단계 14.3: 예컨대 다음과 같은 코드를 사용하여, 14.1 과 14.2 에서 계산된 차를 미리 정해진 문턱값과 비교한다.
Figure pct00053
이면,
예, 현재의 샘플은 추정된 정상 근 자기장에 있으며,
단계 15 및 16 으로 간다.
그렇지 않으면,
아니오. 단계 15 및 16 을 건너 띠고, 현재의 샘플은 근 자기장에 대해 보상 되지 않으며, 방향 추정치 또는 나침반에 대해 주의가 필요하다.
다음 샘플이 오기를 기다린다.
종료
코드 3
여기서, k 1 및 k 2 는 더 많은 샘플들이 포함될 수 있도록 적절히 크게 설정될 수 있다. 코드 3 에서 "그렇지 않으면"의 단계에 대한 한 옵션은 현재의 모델이 현재의 자기장을 더 잘 나타내도록 그 모델을 업데이트하는 것이다.
단계 15: 단계 14 의 결과로, 현재의 샘플이 최근의 추정된 정상 자기장과 일치하면, 다음과 같은 하위 단계들을 수행한다.
하위 단계 15.1:
Figure pct00054
를 사용하여 지구 고정 중력 기준계에서 벡터 관측을 구성한다.
Figure pct00055
(식 15)
하위 단계 15.2: 장치 몸체 기준계에서 벡터 관측을 구성한다.
Figure pct00056
(식 16)
하위 단계 15.3: 장치 몸체 기준계 및 지구 고정 중력 기준계 모두에서 벡터 관측을 갖는 3×3 행렬을 형성한다:
Figure pct00057
(식 17)
하위 단계 15.4: 보정된
Figure pct00058
을 푼다. 이 하위 단계는 다양한 상이한 알고리즘을 사용하여 수행될 수 있다. 특이값 분해(SVD)법을 사용하는 일 예시적인 실시 형태를 아래에서 설명한다.
(1) SVD 를 사용하여 G 를 분해한다.
Figure pct00059
(식 18)
(2) 기호를 계산하고 w 를 구성한다
Figure pct00060
(식 19)
(3)
Figure pct00061
를 계산한다
Figure pct00062
(식 20)
단계 16: 근 자기장이 보상되는
Figure pct00063
를 계산한다
Figure pct00064
(식 21)
단계 17:
Figure pct00065
를 사용하여 요 각도 결정과 관련된 에러를 추정한다
Figure pct00066
(식 22)
파라미터 k 1 및 k 2 는 자기계 보정의 정확도의 동적 함수가 되도록 설정될 수 있다.
다른 실시 형태에 따라 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장을 추적하기 위한 방법(400)의 흐름도가 도 6 에 도시되어 있다. 이 방법(400)은, (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 단계 S410에서 계산하는 것을 포함한다.
또한, 상기 방법(400)은, 단계 S420에서, 현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 것을 포함한다. 그리고, 상기 방법(400)은, 단계 S430에서, 추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 차를 계산하고 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하는 것을 포함한다.
상기 방법(400)은, 단계 S440에서, 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 것을 포함한다.
비교 결과, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하면(즉, "예" 분기), 단계 S450에서, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정한다.
개시된 예시적인 실시 형태들은 자기계가 장치의 방향을 결정하는 다른 센서와 함께 사용될 때 사용가능한 툴키트의 일 부분일 수 있는 방법 및 이러한 툴키트를 사용할 수 있는 시스템을 제공한다. 본 방법은 컴퓨터 프로그램 제품에서 실시될 수 있다. 본 설명은 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 반대로, 예시적인 실시 형태들은 대안예, 수정예 및 균등물을 포괄하는 것이며, 이들도 첨부된 청구 범위로 규정되는 본 발명의 범위와 요지에 포함되는 것이다. 또한, 예시적이 실시 형태들의 상세한 설명에서, 청구된 본 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다양한 특정의 상세점들이 제시되어 있다. 그러나, 당업자라면 다양한 실시 형태들은 그러한 특정의 상세점 없이 실행될 수 있음을 이해할 것이다.
예시적인 실시 형태는 완전히 하드웨어적인 실시 형태 또는 하드웨어적인 양태와 소프트웨어적인 양태를 결합한 실시 형태를 취할 수 있다. 또한, 예시적인 실시 형태들은 컴퓨터 판독가능한 저장 매체(이 매체에서는 컴퓨터 판독가능한 지령들이 구현됨)에 저장되는 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수도 있다. 하드 디스크, CD-ROM, 디지털 다용도 디스크(DVD), 광학적 저장 장치 또는 플로피 디스크 또는 자기 테이프와 같은 자기적 저장 장치를 포함한 어떤 적절한 컴퓨터 판독가능한 매체라도 이용될 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체의 다른 비한정적인 예는 플래시형 메모리 또는 알려져 있는 다른 메모리를 포함한다.
본 예시적인 실시 형태의 특징과 요소들을 특별한 조합으로 실시 형태에서 설명했지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시 형태의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로 또는 여기에 개시된 다른 특징 및 요소와의 다양한 조합으로 또는 그 다른 특징 및 요소 없이 사용될 수 있다. 본 출원에서 제공되는 방법 또는 흐름도는, 특별히 프로그램된 컴퓨터 또는 프로세서에 의한 실행을 위해 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에서 현실적으로 구현되는 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어 또는 펌웨어에서 실행될 수 있다.

Claims (18)

  1. 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장(dynamic near field)을 추적하기 위한 방법으로서, 상기 각위치는 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋(yaw offset)을 가지며, 상기 방법은,
    (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하는 단계(S410);
    현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 단계(S420);
    추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하는 단계(S430);
    상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 단계(S440); 및
    비교 결과, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하는 단계(S450)를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비교 결과, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하지 않는 것으로 판단되면, 상기 각위치는 업데이트되지 않고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장이 보정되지 않는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체의 각위치는 특이값 분해(singular value decomposition; SVD) 기반 알고리즘을 사용하여 업데이트되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 요 각도의 업데이트와 관련된 에러를 추정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비교는 노이즈 크기에 곱해지는 동적 인수에 근거하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 비교는 미리 정해진 수의 측정값들 또는 미리 정해진 시간 간격에 걸쳐 얻어진 측정값들에 대해 수행되는 방법.
  7. 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장을 추적하기 위한 방법을 실시하기 위한 장치(150)로서, 이 장치는,
    장치에 부착된 자기계(magnetometer) 및 운동 센서로 측정되는 자기장과 각위치를 받는 인터페이스(140); 및
    데이타 처리 유닛(130)을 포함하고,
    상기 데이타 처리 유닛은,
    (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하고,
    현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하며,
    추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하고,
    상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하며, 또한
    현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하도록 되어 있는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하지 않는 것으로 판단되면, 상기 데이타 처리 유닛은 각위치를 업데이트하지 않고 또한 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하지 않는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 데이타 처리 유닛은 특이값 분해(SVD) 기반 알고리즘을 사용하여 몸체의 각위치를 업데이트하는 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 데이타 처리 유닛은 또한 요 각도의 업데이트와 관련된 에러를 더 추정하는 장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 데이타 처리 유닛은 또한 노이즈 크기에 곱해지는 동적 인수에 근거하여 상기 크기 차와 각도 차를 노이즈와 비교하는 장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 데이타 처리 유닛은 미리 정해진 수의 측정값들 또는 미리 정해진 시간 간격에 걸쳐 얻어진 측정값들에 대해 상기 크기 차와 각도 차를 비교하는 장치.
  13. 프로세서에 의해 실행되면, 중력 기준계에 대한 미지의 요 오프셋을 갖는 몸체 기준계에서의 각위치와 함께 측정된 자기장을 보정하고 동적 근 자기장을 추적하기 위한 방법(400)을 상기 프로세서가 실행하게 해주는 실행가능한 코드를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체(135)로서, 상기 방법은,
    (1) 중력 기준계에서의 자기장(측정된 자기장에 근거하여 평가되고 각위치는 정확한 것으로 가정함) 및 (2) 중력 기준계에서 이전의 추적된 근 자기장을 포함하는 이전의 추정된 총 자기장 사이의 자기장 차를 계산하는 단계(S410);
    현재의 근 자기장을 이전의 근 자기장과 계산된 자기장 차의 일 부분의 합인 것으로 추정하는 단계(S420);
    추정된 현재의 근 자기장을 포함하는 현재의 추정된 총 자기장의 크기와 측정된 자기장의 크기 사이의 크기 차를 계산하고, 또한 (1) 중력 기준계에서 현재의 추정된 총 자기장과 고정 벡터 사이의 제 1 각도와 (2) 몸체 기준계에서 표시되는 고정 벡터와 측정된 자기장 사이의 제 2 각도 사이의 각도 차를 계산하는 단계(S430);
    상기 크기 차 및 각도 차를 노이즈와 비교하여, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는지를 판단하는 단계(S440); 및
    비교 결과, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하는 것으로 판단되면, 현재의 추정된 총 자기장을 사용하여 각위치를 업데이트하고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장을 보정하는 단계(S450)를 포함하는 컴퓨터 판독가능한 매체.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 비교 결과, 현재의 측정된 자기장이 이전에 추적된 근 자기장과 일치하지 않는 것으로 판단되면, 각위치는 업데이트되지 않고 또한 업데이트된 각위치를 사용하여 현재의 근 자기장의 영향에 대해 상기 측정된 자기장이 보정되지 않는 컴퓨터 판독가능한 매체.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 몸체의 각위치는 특이값 분해(SVD) 기반 알고리즘을 사용하여 업데이트되는 컴퓨터 판독가능한 매체.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 방법은 요 각도의 업데이트와 관련된 에러를 추정하는 단계를 더 포함하는 컴퓨터 판독가능한 매체.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 비교는 노이즈 크기에 곱해지는 동적 인수에 근거하는 컴퓨터 판독가능한 매체.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 비교는 미리 정해진 수의 측정값들 또는 미리 정해진 시간 간격에 걸쳐 얻어진 측정값들에 대해 수행되는 컴퓨터 판독가능한 매체.
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