KR20140026149A - 관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법 - Google Patents

관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 관성 센서의 자동이득제어 장치는 각 축에 대한 구동매스의 진동과 코리올리력에 의해 해당 축의 가속도 및 각속도를 검출하는 관성 센서; 인가된 구동전압에 의해 상기 구동매스를 해당 축의 방향으로 진동시키는 구동 수단; 상기 구동 수단에 의해 진동하는 상기 구동매스의 구동변위를 검출하는 검출 수단; 및 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어하는 제어 수단을 포함함으로써, 시간과 환경(온도)의 변화에 상관없이 상기 구동매스를 일정하게 구동시킴으로써 정확도를 향상시키고, 초기 구동전압, 구동전압 범위, 및 타겟의 마진값 범위를 설정함으로써 상기 구동매스의 손상 및 AGC에 의한 구동 노이즈를 최소화할 수 있다.

Description

관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING GAIN AUTOMATICALLY IN INERTIA SENSOR}
본 발명은 관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
관성센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙 박스(Black box), 손떨림 방지 캠코더, 핸드폰, 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
관성센서는 선형운동을 측정할 수 있는 가속도 센서와 회전운동을 측정할 수 있는 각속도 센서로 나누어진다.
가속도는 뉴튼의 운동법칙 "F = ma" 식에 의해 구해질 수 있어서, 여기서 "m"은 이동체의 질량이고, "a"는 측정하고자하는 가속도이다. 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force)에 관한 "F = 2mΩ·v" 식에 의해 구해질 수 있으며, 여기서, "m"은 이동체의 질량이고, "Ω"은 측정하고자 하는 각속도이며, "v"는 질량의 운동속도이다. 또한, 코리올리힘의 방향은 속도(v)축 및 각속도(Ω)의 회전축에 의해 결정된다.
이러한 관성센서는 목표신호의 정확한 센싱을 위해 시간이나 주변 환경의 변화에 변함없이 일정한 성능을 유지하도록 자동이득제어를 수행하게 된다.
이러한 자동이득제어는 공개특허공보 제10-2004-274210호에서는 일반적인 출력레벨에 따라 자동이득 제어장치의 이득을 제어하는 방식을 기본으로 하고, 목적외신호의 변동이나, 목적외신호 레벨이 목적신호레벨보다 커지는 등, 장치출력에서의 자동 이득 제어용 신호레벨 검출에서는 입력신호 변동에 대응할 수 없을 때 전단에서의 신호레벨 검출을 행함으로써 문제를 해결한다.
그러나, 이러한 종래의 관성센서의 자동이득제어는 신호 레벨의 응답특성을 이용하여 제어하는 것으로, 상기 관성센서 자체의 열화나 손상에 의한 이득 손실을 검출하는 것이 불가능하거나 비효율적이다.
따라서, 관성센서의 물리적 손상 또는 시간이나 환경 변화에 따른 관성센서 자체의 결함에 의한 이득 손실을 보상할 수 있는 관성센서의 자동이득제어 장치 및 방법의 필요성이 대두된다.
공개특허공보 제10-2004-274210호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 관성 센서의 구동매스의 구동변위가 시간과 환경(온도)에 상관없이 일정하게 구동되도록 상기 구동매스의 구동변위를 자동으로 AGC하여 보상하는 관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 초기 구동전압, 타겟값에 대한 마진값, 구동전압 범위 등을 설정함으로써 초기 안정화 시간을 단축시키고, 상기 구동매스의 손상을 최소화하며 AGC에 의한 구동매스의 구동 노이즈를 최소화하는 관성 센서의 자동이득제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치는, 각 축에 대한 구동매스의 진동과 코리올리력에 의해 해당 축의 가속도 및 각속도를 검출하는 관성 센서; 인가된 구동전압에 의해 상기 구동매스를 해당 축의 방향으로 진동시키는 구동 수단; 상기 구동 수단에 의해 진동하는 상기 구동매스의 구동변위를 검출하는 검출 수단; 및 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어하는 제어 수단을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어 수단은, 상기 검출된 구동변위와 상기 타겟값의 차를 연산하여 상기 차가 마진값 범위 내에 있는 경우 상기 구동매스의 상태를 정상으로 판단하고, 상기 차가 마진값 범위를 벗어난 경우 상기 구동매스의 상태를 비정상으로 판단한다.
또한, 상기 제어 수단은, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우, 상기 검출된 구동변위와 상기 타겟값의 차에 상응하는 구동전압을 연산하고, 상기 연산된 구동전압으로 재설정된 구동전압을 상기 구동 수단에 인가하는 자동이득제어부(AGC)를 포함한다.
또한, 상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는, 상기 재설정된 구동전압이 상기 구동 수단의 구동전압 범위 내에 있는지를 판단하여 상기 재설정된 구동전압이 상기 구동전압 범위를 벗어난 경우, 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은지를 판단한다.
또한, 상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작은 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최소 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가하고,상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 큰지를 판단한다.
또한, 상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 큰 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최대 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가하고, 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 재연산하여 설정한다.
또한, 상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는, 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 초기 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가한다.
또한, 상기 검출 수단으로부터 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어 수단으로 전달하는 A/D 변환 수단; 및 상기 제어 수단으로부터 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 구동 수단에 전달하는 D/A 변환 수단을 더 포함한다.
또한, 상기 A/D 변환 수단으로부터 변환된 디지털 신호의 잡음을 제거하여 상기 제어 수단으로 전달하는 필터 수단을 더 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 방법은, (A) 구동 수단에 인가된 구동전압에 의해 관성 센서의 구동매스를 진동시키는 단계; (B) 상기 진동하는 구동매스의 구동변위를 검출하는 단계; 및 (C) 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 단계(A) 이전에, 상기 구동 수단의 초기 구동전압과 구동전압 범위, 상기 타겟값, 상기 타겟값의 마진값 범위를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 구동전압 범위는 최소 구동전압에서 최대 구동전압이다.
또한, 상기 단계(B)는, (B1) 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형과 기준 전압을 비교하는 단계; (B2) 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형이 기준 전압보다 작은 경우 상기 기준 전압보다 큰 값을 갖도록 반전시켜 전파 형태의 전압파형으로 정류하는 단계; 및 (B3) 상기 정류된 전파 형태의 전압파형을 적분하여 DC 형태의 전압으로 평활화하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(B)는, (B4) 일정 주기 동안 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형의 진폭의 피크 값을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(C)는, (C1) 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값의 차를 연산하는 단계; (C2) 상기 차가 기설정된 마진값 범위 내에 있는지를 판단하여, 상기 차가 기설정된 마진값 범위 내에 있는 경우 상기 구동매스의 상태를 정상으로 판단하고, 상기 차가 기설정된 마진값 범위를 벗어난 경우 상기 구동매스의 상태를 비정상으로 판단하는 단계; (C3) 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우, 상기 차에 상응하는 구동전압을 연산하여 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 상기 관성센서의 구동전압을 상기 연산된 구동전압으로 재설정하는 단계; 및 (C4) 상기 재설정된 구동전압을 상기 구동 수단에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(C3)과 상기 단계(C4) 사이에, (C5) 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 구동전압 범위 내에 있는지를 판단하는 단계; 및 (C6) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 구동전압 범위를 벗어난 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 최소 구동전압이나 최대 구동전압과 비교하여 해당 구동전압으로 재설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(C6)는, (C6-1) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 구동전압 범위를 벗어난 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은지를 판단하는 단계; (C6-2) 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최소 구동전압으로 설정하고, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 큰지를 판단하는 단계; 및 (C6-3) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 큰 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최대 구동전압으로 설정하고, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 재연산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계(C6-3)는, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 초기 구동전압으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 관성 센서의 구동매스의 구동변위를 보상하여 AGC함으로써 시간과 환경(온도)의 변화에 상관없이 상기 구동매스를 일정하게 구동시켜 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 구동매스를 구동하기 위한 초기 구동전압을 설정함으로써 초기 안정화 시간을 단축시키고, 상기 구동매스를 구동하기 위한 구동전압 범위를 설정함으로써 상기 관성 센서의 손상을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 구동매스의 AGC 시 타겟값의 마진값 범위를 설정함으로써 상기 AGC에 의한 구동매스의 구동 노이즈를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치의 블록도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 도 1에 도시된 검출 수단으로부터 구동매스의 변위를 검출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 검출 수단으로부터 구동매스의 변위를 검출하는 방법의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 구동 수단에 인가된 구동전압에 따른 구동매스의 구동변위의 초기 안정화 시간을 설명하기 위한 비교 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 구동변위의 타겟값의 마진값 범위 설정 여부에 따른 구동매스의 구동 노이즈를 설명하기 위한 비교 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어(Auto Gain Control; AGC) 장치는 관성 센서(10), 검출 수단(20), 구동 수단(60) 및 AGC(75)를 포함하는 제어 수단(70)을 포함하여 구성된다.
상기 관성 센서(10)는 구동매스를 포함하여 공간상에 위치한 다수의(예컨대, 3개의) 축 방향의 가속도를 검출할 수 있는 가속도 센서, 또는 상기 다수의 축 방향의 각속도를 검출할 수 있는 각속도 센서를 포함할 수 있다. 이러한 관성 센서(10)는 이동 및 회전과 같은 움직임에 대응되는 신호를 생성하고, 생성된 신호는 검출 수단(20)을 거쳐 제어 수단(70)으로 전달된다.
상기 구동 수단(60)은 인가된 구동전압에 의해 상기 구동매스를 해당 축의 방향으로 진동시킨다. 이때, 상기 구동 수단(60)은 제어 수단(70)의 제어에 따라 소정의 구동전압이 인가된다.
상기 검출 수단(20)은 상기 구동 수단(60)에 의해 상기 관성 센서(10)에서 공진하여 진동하는 상기 구동매스의 움직임의 변화량인 구동변위를 검출한다.
이러한 상기 검출 수단(20)을 통해 상기 구동매스의 구동변위를 검출하는 두 가지 방법이 도 2의 (a) 내지 (c) 및 도 3을 참조하여 하기에 제시된다.
구체적으로, 도 2의 (a) 내지 (c)는 도 1에 도시된 검출 수단으로부터 구동매스의 변위를 검출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 검출 수단으로부터 구동매스의 변위를 검출하는 방법의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 검출 수단(20)은 상기 구동전압에 의해 공진하여 진동하는 구동매스의 움직임을 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 소정의 기준전압(예컨대, 공통모드(common mode) 전압)(Vcm)을 기준으로 하는 사인파 형태의 전압파형(Vs)으로 나타난다.
도 2의 (a)에서는 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭이 일정한 것으로 도시되었으나, 이는 시간 및 환경(예컨대, 온도)의 변화에 따라 그 진폭이 달라질 수 있다.
그러면, 상기 검출 수단(20)은 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)을 상기 기준전압(Vcm)과 비교한다.
이때, 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)은 상기 기준전압(Vcm)보다 작은 경우 상기 기준전압(Vcm)에 대해 (-) 신호로 나타낼 수 있고, 상기 기준전압(Vcm)보다 큰 경우 상기 기준 전압(Vcm)에 대해 (+) 신호로 나타낼 수 있다.
이와 같이 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)이 상기 기준전압(Vcm)보다 작은 경우(즉, (-) 신호인 경우) 상기 기준 전압보다 큰 값(즉, (+) 신호)을 갖도록 반전시켜 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 전파 형태의 전압파형(Vs')으로 정류한다.
그런 다음, 상기 검출 수단(20)은 상기 전파 형태의 전압파형(Vs')을 적분하여 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 DC 형태의 전압(Vs'')으로 평활화한다.
이와 같은 방식으로, 상기 검출 수단(20)은 평활화된 DC 형태의 전압(Vs'')을 상기 구동매스의 구동변위로 취하여 검출하게 된다.
다음, 도 3을 참조하면, 상기 검출 수단(20)은 도 2의 (a)와 마찬가지로 상기 구동전압에 의해 공진하여 진동하는 구동매스의 움직임을 소정의 기준전압을 기준으로 하는 사인파 형태의 전압파형(Vs)으로 나타낸 것은 동일하나, 이를 일정주기(T)별로 변화하는 사인파 형태의 전압파형(Vs)을 도시하였다.
이때, 상기 검출 수단(20)은 상기 구동매스의 구동변위를 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭의 피크값을 따르도록한 것으로, 일정주기(T) 동안 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭의 피크값이 상기 구동매스의 구동변위(t1), 구동변위(t2) 구동변위 (t3)가 된다.
이는 도 3에 도시된 두 번째 주기에서 보이는 바와 같이 일정주기(T) 동안 상기 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭의 피크값은 서서히 즐어드는 경우에도, 상기 구동매스의 구동변위(t2)는 해당 주기의 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭의 피크값을 해당 주기 동안의 구동변위(t2)로 취하여 검출하게 된다.
본 발명에서는 상기 검출 수단(20)이 상기 구동매스의 구동변위를 검출하기 위해 상술한 두 가지 방법을 제시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법으로 측정하는 것이 가능하다.
상기 제어 수단(70)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치를 전반적으로 제어한다.
특히, 상기 제어 수단(70)은 시간 및 환경(특히, 온도) 변화에 따라 상기 구동매스의 상태가 변화할 수 있으므로, 즉, 구동매스의 구동변위가 변화할 수 있으므로, 상기 구동매스의 구동변위가 변함없도록 상기 구동변위의 자동이득제어(AGC)를 수행한다.
이를 위해, 상기 제어 수단(70)은 상기 검출 수단(20)을 통해 검출된 구동변위와 기설정된 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어는 자동이득제어부(AGC)(75)를 포함한다.
이러한 상기 제어 수단(70)의 자동이득제어부(AGC)는 이후에 도 6을 참조하여 보다 상세히 기술하기로 한다.
한편, 상기 검출 수단(20)을 통해 검출된 상기 구동매스의 구동변위는 상기 구동 수단(60)에 소정의 구동전압이 인가되면 소정의 안정화 시간을 거쳐 소정의 값으로 안정화된다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 구동 수단에 인가된 구동전압에 따른 구동매스의 구동변위의 초기 안정화 시간을 설명하기 위한 비교 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 상기 구동 수단(60)에 임의의 구동전압(Vdrv(t)=Vrandom)이 인가되면 시간이 지남에 따라 소정의 구동변위(P1)로 안정화된다. 이때, 상기 구동변위(P1)로 안정되는 시간(이하, '안정화 시간'이라 칭함)은 t1이다.
여기서, 상기 임의의 구동전압(Vrandom)에서의 구동변위(P1)는 타겟값보다 크거나 작을 수 있으므로, 상기 제어 수단(70)(구체적으로, AGC(75))은 상기 임의의 구동전압(Vrandom)과 타겟값을 비교하여 그 차를 연산하고 연산된 차만큼 구동변위를 보상하도록 재설정된 구동전압을 반영하여 다시 상기 구동 수단(60)에 인가한다.
이러한 방식으로, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 구동매스의 구동변위가 타겟값이 될 때까지 상기 구동 수단(60)에 인가될 구동전압(Vdrv)을 소정의 증가분으로 변화시키면서 상기 구동매스의 구동변위가 상기 타겟값에 상응할 때까지 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 과정을 반복해야 한다.
이 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 구동변위의 AGC를 위해 매 증가분의 구동전압(Vdrv)마다 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 일정 시간의 안정화 시간이 필요하고, 안정화된 후에는 해당 안정화된 값과 타겟값을 비교하여 해당 구동전압의 안정화된 값이 타겟값에 도달했는지 여부를 판단해야 하므로 오랜 시간이 소요된다.
그러므로, 본 발명에서는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 타겟값에 상응하는 구동전압(Vdrv)을 소정 알고리즘을 통해 연산하여 해당 구동전압(Vdrv)을 초기 구동전압(Vint)로 설정할 수 있다.
그러면, 상기 구동매스의 구동변위가 타겟값에 도달할 때까지 반복해야 했던 상술한 과정을 최소화하고 그에 따른 매 안정화 시간이 필요 없으므로 AGC 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 만약 도 4의 (b)에 도시된 초기 구동전압(Vint)이 도 4의 (a)에 도시된 임의의 구동전압(Vrandom)이 보다 큰 경우, 비록 오버슈트(overshoot)는 다소 클지라도 안정화 시간(t2<t1)은 도 4의 (b)의 경우가 훨씬 짧은 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 초기 구동전압(Vint)은 오버슈트의 임계치를 초과하지 않는 범위 내에 있으며 상기 구동 수단(60)이 제공할 수 있는 구동전압 범위, 즉 최소 구동전압(Vmin)에서 최대 구동전압(Vmax) 사이인 것이 바람직하다.
한편, 상기 구동매스의 구동변위의 타겟값은 소정의 마진값 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 마진은 상기 구동매스의 구동변위의 AGC 시 오히려 역효과인 구동 노이즈를 최소화할 수 있게 하는 것으로, 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5의 (a) 및 (b)는 구동변위의 타겟값의 마진값 범위 설정 여부에 따른 구동매스의 구동 노이즈를 설명하기 위한 비교 도면이다.
도 5의 (a)는 도 4의 (b)에 도시된 A 부분을 확대한 것으로, 상기 구동매스의 구동변위가 타겟값을 중심으로 계속 발진하고 있는 것을 알 수 있다.
이 경우, 상기 타겟값에 마진을 두지 않으면 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 구동매스의 구동변위 AGC시 상기 검출된 구동변위와 타겟값의 차를 연산시 발진하는 구동변위로 인해 과도한 구동 노이즈가 발생하게 되며, 이는 전체 AGC 시스템에 과도한 부담을 초래할 수 있다.
따라서, 상기 구동변위의 AGC 시 이러한 발진하는 구동변위로 인한 구동 노이즈를 최소화하기 위해, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 타겟값을 중심으로 마진값을 두게 된다. 이러한 마진값은 상기 타겟값의 약 5~10 % 사이일 수 있다.
예를 들어, 상기 타겟값이 10이고, 마진값이 10%일 경우, 상기 타겟값의 범위는 9 내지 11이 될 수 있다. 즉, 상기 검출 수단(20)을 통해 검출된 구동변위가 상기 9 내지 11 사이인 것은 모두 타겟값인 10으로 간주하여 AGC시 적용한다.
또는, 상기 마진값은 상기 검출 수단(20)을 통해 검출된 구동변위와 타겟값의 차의 절대값에 대해 마진값을 설정하여 AGC 시 적용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치는 아날로그단과 디지털단을 조합하여 상기 구동매스의 구동변위 AGC를 더욱 정밀하게 제어할 수도 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 장치는 상기 검출 수단(20)으로부터 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어 수단(70)으로 전달하는 A/D 변환 수단(30), 상기 제어 수단(70)으로부터 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 구동 수단(60)에 전달하는 D/A 변환 수단(50), 및 상기 A/D 변환 수단(30)으로부터 변환된 디지털 신호의 잡음을 제거하여 상기 제어 수단(70)으로 전달하는 필터 수단(40)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 필터 수단(40)은 저대역통과필터(Low Pass Fliter; LPF)가 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관성 센서의 자동이득제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제어 수단(70)(구체적으로, 자동이득제어부(AGC; 75))은 상기 구동매스의 구동변위의 AGC 시 필요한 설정값들을 소정의 입력 장치(미도시)를 사용하여 입력함으로써 설정할 수 있다(S610).
상기 설정값들에는 구동변위의 타겟값(S611), 구동변위의 마진값(S613), 초기 구동전압(Vint)(S615) 및 상기 구동 수단(60)의 구동전압 범위(즉, 최소 구동전압(Vmin) 및 최대 구동전압(Vmax))(S617)이 있으며, 이들을 차례로 설정할 수 있다.
이때, 상기 설정값은 장치 설계시 소정의 저장장치에 미리 설정되어 저장되어 있을 수도 있다.
이러한 설정값 입력 단계가 완료되면, 소정의 구동전압이 구동 수단(60)에 인가되어 관성 센서(10)의 구동매스가 진동함으로써 상기 관성 센서(10)가 구동된다(S620).
그러면, 상기 구동 수단(60)에 의해 인가된 구동전압에 의해 공진하여 진동하는 상기 구동매스의 구동변위가 검출 수단(20)을 통해 검출된다(S630).
구체적으로, 상기 검출 수단(20)은 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형(Vs)과 기준 전압(Vcm)을 비교하여, 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형(Vs)이 기준 전압(Vcm)보다 작은 경우 상기 기준 전압(Vcm)보다 큰 값을 갖도록 반전시켜 전파 형태의 전압 파형(Vs')으로 정류한다. 그 후, 상기 검출 수단(20)은 이와 같이 정류된 전파 형태의 전압파형(Vs')을 적분하여 DC 형태의 전압(Vs'')으로 평활화함으로써 해당 구동전압에 상응하는 구동변위를 검출할 수 있다.
또한, 상기 검출 수단(20)은 일정 주기(T) 동안 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형(Vs)의 진폭의 피크 값을 측정함으로써 해당 구동전압에 상응하는 구동변위를 검출할 수 있다.
그런 다음, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75))는 상기 검출 수단(20)으로부터 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단한다(S650).
구체적으로, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 검출된 구동변위(t)와 기설정된 타겟값(Target)의 차(이하, Err(t)로 나타냄)를 연산하여(S640), 상기 차(Err(t))가 기설정된 마진값 범위 내에 있는지를 판단한다(S650).
상기 단계(S650)에서, 상기 차(Err(t))가 상기 마진값 범위 내에 있는 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 구동매스의 상태를 정상으로 판단하고, 상기 차(Err(t))가 상기 마진값 범위를 벗어난 경우 상기 구동매스의 상태를 비정상으로 판단한다.
이에 따라, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우, 상기 차(Err(t))에 상응하는 구동전압을 연산한 후, 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 상기 구동전압(V(t))을 상기 연산된 구동전압(V(t+1))으로 재설정(이를 테면 V(t)를 V(t+1)로 재설정)한다(S660).
이때, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 구동매스의 손상을 최소화하기 위해 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 구동 수단(60)이 제공할 수 있는 기설정된 구동전압 범위(즉, 최소 구동전압(Vmin)에서 최대 구동전압(Vmax)까지) 내에 있는지를 더 판단할 수 있다(S670).
상기 단계(S670)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 구동전압 범위 내에 있는 경우, 재설정된 해당 구동전압(V(t+1))을 상기 구동 수단(60)에 인가하여 상기 관성 센서(10)를 구동하도록 한다.
그러나, 상기 단계(S670)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 구동전압 범위를 벗어나는 경우에는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))을 상기 기설정된 최소 구동전압(Vmin)이나 최대 구동전압(Vmax)과 비교하여 해당 구동전압으로 재설정하는 단계들을 더 포함할 수 있다(S680, S690).
구체적으로, 상기 단계(S670)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 구동전압 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최소 구동전압(Vmin)보다 작은지를 판단한다(S680).
상기 단계(S680)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최소 구동전압(Vmin)보다 작은 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))을 상기 기설정된 최소 구동전압(Vmin)으로 설정하고(S685), 이를 상기 구동 수단(60)에 인가하여 상기 관성 센서(10)를 구동하도록 한다.
한편, 상기 단계(S680)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최소 구동전압(Vmin)보다 작지 않은 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최대 구동전압(Vmax)보다 큰지를 판단한다(S690).
상기 단계(S690)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최대 구동전압(Vmax)보다 큰 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))을 상기 기설정된 최대 구동전압(Vmax)으로 설정하고(S695), 이를 상기 구동 수단(60)에 인가하여 상기 관성 센서(10)를 구동하도록 한다.
한편, 상기 단계(S690)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최대 구동전압(Vmax)보다 크지 않은 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 단계(S660)로 돌아가 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))을 재연산하여 이후의 과정을 반복한다.
또는, 도시하지 않았으나, 상기 단계(S690)에서, 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))이 상기 기설정된 최대 구동전압(Vmax)보다 크지 않은 경우, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 상기 재설정된 구동전압(V(t+1))을 기설정된 초기 구동전압(Vint)으로 재설정하고, 이를 상기 구동 수단(60)에 인가하여 상기 관성 센서(10)를 구동하도록 할 수도 있다.
한편, 상기 단계(S650)에서, 상기 차(Err(t))가 마진값 범위 내에 있는 경우 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 종료신호가 입력되는지를 더 판단할 수 있다(S700).
상기 단계(S700)에서, 종료 신호가 입력되면, 상기 제어 수단(70)의 AGC(75)는 본 발명의 관성 센서(10)의 자동이득제어(AGC)를 종료하고, 종료 신호가 입력되지 않으면 단계(S630)으로 돌아가 이후의 과정을 반복한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 관성 센서 20 : 검출 수단
30 : A/D 변환 수단 40 : 필터 수단
50 : D/A 변환 수단 60 : 구동 수단
70: 제어 수단 75 : AGC

Claims (18)

  1. 각 축에 대한 구동매스의 진동과 코리올리력에 의해 해당 축의 가속도 및 각속도를 검출하는 관성 센서;
    인가된 구동전압에 의해 상기 구동매스를 해당 축의 방향으로 진동시키는 구동 수단;
    상기 구동 수단에 의해 진동하는 상기 구동매스의 구동변위를 검출하는 검출 수단; 및
    상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어하는 제어 수단을 포함하는 관성 센서의 자동이득제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 검출된 구동변위와 상기 타겟값의 차를 연산하여 상기 차가 마진값 범위 내에 있는 경우 상기 구동매스의 상태를 정상으로 판단하고, 상기 차가 마진값 범위를 벗어난 경우 상기 구동매스의 상태를 비정상으로 판단하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우, 상기 검출된 구동변위와 상기 타겟값의 차에 상응하는 구동전압을 연산하고, 상기 연산된 구동전압으로 재설정된 구동전압을 상기 구동 수단에 인가하는 자동이득제어부(AGC)를 포함하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는,
    상기 재설정된 구동전압이 상기 구동 수단의 구동전압 범위 내에 있는지를 판단하여 상기 재설정된 구동전압이 상기 구동전압 범위를 벗어난 경우, 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은지를 판단하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는,
    상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작은 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최소 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가하고,상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 큰지를 판단하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는,
    상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 큰 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최대 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가하고, 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 재연산하여 설정하는 관성 센서의 자동이득제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 수단의 자동이득제어부(AGC)는,
    상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 초기 구동전압으로 설정하여 상기 구동 수단에 인가하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 수단으로부터 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어 수단으로 전달하는 A/D 변환 수단; 및
    상기 제어 수단으로부터 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 구동 수단에 전달하는 D/A 변환 수단을 더 포함하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 A/D 변환 수단으로부터 변환된 디지털 신호의 잡음을 제거하여 상기 제어 수단으로 전달하는 필터 수단을 더 포함하는 관성센서의 자동이득제어 장치.
  10. (A) 구동 수단에 인가된 구동전압에 의해 관성 센서의 구동매스를 진동시키는 단계;
    (B) 상기 진동하는 구동매스의 구동변위를 검출하는 단계; 및
    (C) 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값을 비교하여 상기 구동매스의 상태를 판단하고, 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 제어하는 단계를 포함하는 관성 센서의 자동이득제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 단계(A) 이전에,
    상기 구동 수단의 초기 구동전압과 구동전압 범위, 상기 타겟값, 상기 타겟값의 마진값 범위를 설정하는 단계를 더 포함하는 관성센서의 자동이득제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 구동전압 범위는 최소 구동전압에서 최대 구동전압인 관성센서의 자동이득제어 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 단계(B)는,
    (B1) 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형과 기준 전압을 비교하는 단계;
    (B2) 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형이 기준 전압보다 작은 경우 상기 기준 전압보다 큰 값을 갖도록 반전시켜 전파 형태의 전압파형으로 정류하는 단계; 및
    (B3) 상기 정류된 전파 형태의 전압파형을 적분하여 DC 형태의 전압으로 평활화하는 단계를 포함하는 관성 센서의 자동이득제어 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 단계(B)는,
    (B4) 일정 주기 동안 상기 구동매스의 사인파 형태의 전압파형의 진폭의 피크 값을 측정하는 단계를 포함하는 관성 센서의 자동이득제어 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 단계(C)는,
    (C1) 상기 검출된 구동변위와 기설정된 타겟값의 차를 연산하는 단계;
    (C2) 상기 차가 기설정된 마진값 범위 내에 있는지를 판단하여, 상기 차가 기설정된 마진값 범위 내에 있는 경우 상기 구동매스의 상태를 정상으로 판단하고, 상기 차가 기설정된 마진값 범위를 벗어난 경우 상기 구동매스의 상태를 비정상으로 판단하는 단계;
    (C3) 상기 구동매스의 상태가 비정상일 경우, 상기 차에 상응하는 구동전압을 연산하여 상기 구동매스의 구동변위를 보상하도록 상기 관성센서의 구동전압을 상기 연산된 구동전압으로 재설정하는 단계; 및
    (C4) 상기 재설정된 구동전압을 상기 구동 수단에 인가하는 단계를 포함하는 관성 센서의 자동이득제어 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 단계(C3)과 상기 단계(C4) 사이에,
    (C5) 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 구동전압 범위 내에 있는지를 판단하는 단계; 및
    (C6) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 구동전압 범위를 벗어난 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 최소 구동전압이나 최대 구동전압과 비교하여 해당 구동전압으로 재설정하는 단계를 더 포함하는 관성센서의 자동이득제어 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 단계(C6)는,
    (C6-1) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 구동전압 범위를 벗어난 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은지를 판단하는 단계;
    (C6-2) 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최소 구동전압보다 작은 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최소 구동전압으로 설정하고, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최소 구동전압보다 작지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압이 기설정된 최대 구동전압보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    (C6-3) 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 큰 경우 상기 재설정된 구동전압을 상기 기설정된 최대 구동전압으로 설정하고, 상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 재연산하는 단계를 포함하는 관성센서의 자동이득제어 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 단계(C6-3)는,
    상기 재설정된 구동전압이 상기 기설정된 최대 구동전압보다 크지 않은 경우 상기 재설정된 구동전압을 기설정된 초기 구동전압으로 설정하는 단계를 포함하는 관성센서의 자동이득제어 방법.
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