KR20140052925A - 자이로 센서의 보정 디바이스 및 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예들은 공칭 제품 작동 동안 자기 세서 측정들 및 백그라운드 계산을 이용함으로써 자이로 센서들의 교정을 위해 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 일 실시예에서, 자기 센서 측정들이 자이로 적분으로부터 계산된 예상된 방위와 측정된 자기 벡터 방위를 비교함으로써 자이로 게인을 조정하기 위해 사용된다. 백그라운드 프로세스는 자이로 게인의 다양한 값들에 대한 이러한 불일치를 계속적으로 비교하며 평균 상의 이 같은 에러를 최소화하는 것을 선택한다. 일 실시예에서, 자이로 적분에 의해 얻어진 디바이스 방위가 자기 센서 측정들을 이용하여 개선된다.

Description

자이로 센서 보정 디바이스, 자이로 센서 보정 방법 및 기계-판독가능 매체{DEVICE AND METHOD OF GYRO SENSOR CALIBRATION}

본 출원은 2010년 11월 8일에 출원된, 미국 가 출원 제 61/456,467호의 우선권의 이익을 청구하며, 이 미국 가 출원의 내용은 인용에 의해 본 출원에서 전체적으로 참조된다.

본 발명은 자기 센서들을 통합하는 디바이스들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관성 자이로스코프 센서(inertial gyroscopic sensor)들을 포함하는 시스템들에 관한 것이다.

저 비용의 관성 및 다른 센서들은 스마트 폰, 게임 제어기들, 및 다수의 다른 디바이스들과 같은 다양한 소비 전자 디바이스들에서 매우 유행되었다. 이는 개발자들에게 매우 도전적인 요건을 부과한다. 제품들이 들 비쌀수록, 기술적으로 들 세련된다는 것을 이 제품의 고객은 예상할 수 있으며, 저 비용의 저 정밀 센서들을 이용하는 동안조차 이러한 제품은 튼튼하고 속편한(care-free) 작동 경험을 제공하여야 한다.

디바이스가 고객에게 수송하기 전에 디바이스 제조시 디바이스에 의해 적용된 센서들 모두를 보정하는 것이 디바이스 제조에서 통상적인 관습이다. 따라서 공장 보정(factory calibration)으로 지칭되는 이 같은 것은 특별한 장비, 제어된 환경, 및 숙달된 직원을 이용하여 매우 정밀하게 수행될 수 있다. 그러나 제품이 고객에 의해 사용될 때까지 센서 보정은 온도 변화, 상이한 배터리 전압, 및 설계 엔지니어들의 제어를 넘는 다른 영향에 의해 변화(off)된다.

적절한 보정의 이러한 사안은 특히 센서들에 대해 중요한데, 이 센서들은 내비게이션 또는 애티튜드 디터미네이션 솔루션(attitude determination solution)에서 이용되도록, 시간에 걸쳐 적분되는 것이 요구된다. 적분 보정 에러들은 시간에 따라 성장하여 결과적인 해답이 매우 빨리 수용할 수 없게 된다.

이는 적절한 디바이스 작동을 보장하도록, 디바이스 내에 사용된 모든 센서에 대해, 신호 드리프트(signal drift), 및 위에서 열거된 환경 영향들에 의해 정상 디바이스 작동 동안 일어나는 유효 게인(gain) 변화와 같은 영향들의 자율적인 실시간 보정을 허용하는 적절한 소프트웨어(sw) 및 알고리즘들이 있어야 한다는 것을 의미한다. 즉, 실용적인 설계는 실시간으로 센서 보정 파라미터를 자발적으로 모니터링하여 조정하는 내부 알고리즘들을 통합하여야 한다.

이는 또한 적분된 센서 에러의 영향을 감소하는 것을 허용하는 방법들이어야 한다는 것을 의미한다.

따라서, 본 공개물의 목적은 정상 디바이스 작동 동안 실시간으로 자이로 센서들의 보정 파라미터를 자동적으로 조정하는 방법을 제공함으로써 전술된 난점들 중 하나 또는 둘 이상을 해결하는 것이다.

또한, 이러한 공개물의 목적은 자이로 적분에서 에러의 감소를 허용하는 방법을 제공하는 것이다.

오늘날 전형적인 시스템은 3-축 가속도계, 3-축 자기 센서, 및 3-축 자이로 센서와 같은 센서들의 풀 세트를 가진다. 모든 이러한 센서들은 유효한 사용을 허용하도록 보정하는 것이 요구된다. 가속도계 보정의 가장 통상적인 방식은 시스템이 정지될 때 시간 모멘트(moment)들을 사용하고 가속도계 바이어스(bias) 및 게인(gain)을 결정하기 위해 자연적인 표준으로서 중력 벡터를 이용하는 것이다. 이러한 정지 상황들은 사용자 보정 동안 사용자에 의해 설정될 수 있거나 정지 위치에서 단지 중력 벡터가 가속도계 판독들에 영향을 미칠 수 있으므로 실시간 작동 동안, 예를 들면 미국 특허 제 5,991,692호에서와 같이 "제로 모션 검출기(zero motion detector)"에 의해 실시간 작동 동안 검출될 수 있다. 상이한 방위(orientation)에서 디바이스에 의한 다중 측정들을 이용하여, 충분한 가속도계 보정이 수행될 수 있다. 일 예로서 미국 특허 6,729,176호를 참조하자.

자기 센서들은 보통 천연 지구 자기장(natural Earth magnetic field)을 이용하여 보정된다. 보정은 수 개의 미리 결정된 디바이스 방위들에서 측정들을 기록함으로써 또는 작동 또는 사용자 보정 디바이스 3D 모션을 이용하는 백그라운드 프로세스, 예를 들면 미국 특허 출원 공보 제 20090070056호의 백그라운드 프로세스로서 수행될 수 있다. 이 같은 절차는 측정이 수행되는 때마다 새로운 보정 파라미터를 생성한다.

GPS 센서가 널리 사용되고 자석 센서들이 적용되는 내비게이션 시스템들에서 매우 통상적이기 때문에, 이는 GPS 속도 벡터 방향과 자기 센서로부터 얻어진 방향을 비교함으로써 자기 센서들의 보정을 위해 종종 사용된다. 칼만 필터(Kalman Filter) 방법(procedure)의 직접적인 계산은 자기 센서들에 대해 요구된 보정 매개 변수를 유도하기 위해 사용된다.

당업자(a person who is of ordinary skills in the art)가 널리 알려지고 지구상의 어떠한 위치에서도 높은 정밀도를 가진 표를 만들거나 지구 중력 및 자기 자기장의 자연적이고 항상 존재하는 힘들을 이용함으로써 그리고 GPS 및 온도로서 이 같은 부가 센서들을 이용함으로써 디바이스에서 사용된 자기 및 가속도계 센서들을 정밀하게 보정하기 위해 적절한 방법을 유도하는 것을 허용하는 중요한 작업 부분(body of work)이 있다.

당업자는 디바이스 방위가 잘 보정된 자기 및 중력 센서들의 측정으로부터 유도될 때를 알기 때문에, 각각의 애티튜드 결정은 독립적이다. 따라서, 자기 및 중력 벡터 방향들의 결정에서의 불가피한 에러들이 시간에 따라 축적되지 않는다. 정반대로, 결과적인 궤도를 매끄럽게 함으로써 각각의 궤도 지점에서 방위 에러가 감소될 수 있다.

그러나, 디바이스가 미지(unknown)의 가속도를 경험할 때의 상황에서, 내부 가속도계는 지구 중력 벡터에 관련된 디바이스 방위를 결정하기 위해 사용될 수 없다. 자기 벡터 홀로 디바이스 방위를 복구하기에 충분하지 않거나 단일 안테나 GPS가 바디 방위를 복구하기 위해 사용될 수 없다. 이 같은 경우 디바이스 3D 방위를 결정하도록 단지 자이로 센서들을 적용하는 대안을 갖지 않는다.

자이로 센서들은 자이로 센서의 국부적 좌표 축 둘레의 회전 속도를 측정한다. 적절히 적분되면, 이는 이의 초기 방위로부터 총 3D 바디 회전을 제공한다. 그러나, 자이로 신호는 자이로 바이어스에서 임의의 방위 에러를 얻도록 적분되어야 하거나 게인이 시간에 맞춰 신속하게 성장한다.

자이로 바이어스는 회전이 존재하지 않을 때의 모멘트에 자이로 신호들을 관측함으로써 결정될 수 있으며, 이 같은 모멘트들이 검출될 수 있다는 것을 가정하자. 그러나, 자이로 게인을 보정하기 위해 매우 정밀하고 각각의 축 둘레로 널리 알려진 회전을 수행하는 것이 요구되는데, 이러한 회전은 공장 세팅에서조차 수행하기가 어려우며 거의 현장에서 실시간 보정이 불가능하다.

테크어웨이(Tekawy), 등의 US 7,667,645호, US 7,393,422호는 자이로 드리프트를 보정하기 위해 다수의 GPS 안테나들에서 상이한 GPS 위성들로부터의 파워 차이를 이용한다.

드래그(Drag), 등의 US 7,657,183호는 방위의 제 1 방법으로서 광학 센서들을 이용한다. 이러한 특허는 자이로가 이러한 광학 신호들을 이용하여 보정될 수 있음이 언급되지만 이를 수행하는 방법이 설명되어 있지 않다.

액카(Achkar), 등의 US 5,562,266호는 또한 칼만 필터를 이용하여 자이로 드리프트(바이어스)를 추정하기 위해 태양 및 북극 검출기를 이용하는데, 이는 또한 바수타쿠르(Basuthakur) 등의 US 5,452,869호에 의해 사용된 방법과 유사하다.

따라서, 현재, 게인 보정 방법들은 디바이스 궤도 방위, 보통 차량용 GPS, 위성용 별 탐색기, 또는 수중 디바이스용 음파 탐지기(sonar)의 외부 결정에 의존할 것이 요구된다. 그러나, 디바이스가 회전을 경험할 때 이 같은 방법들은 작동하지 않는데, 이 회전은 보통의 경우 휴대용 디바이스들에 대한 궤도에 무관하다.

본 공개물의 목적은 정상 디바이스 작동 동안 실시간으로 자이로 센서들의 보정 파라미터를 자동적으로 조정하는 실제적이고 유효한 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 공개물의 목적은 디바이스 방위 결정의 정밀도를 개선하는 실제적이고 유효한 방법을 제공하는 것이다.

본 공개물은 당업자에게 알려진 임의의 방법들에 의해 보정되기 전에, 그리고 자이로 센서들의 게인에 대한 정정을 결정하기 위한 자이로 센서들의 적분 전에 당업자에게 자기 센서들의 측정을 적용하는 적절한 실시간 계산들을 수행하는 방법을 알려준다.

본 공개물은 자이로 센서들이 적절히 보정된 경우, 이때 자이로 신호들의 적절한 적분에 의해 계산된 디바이스 회전이 자이로 적분이 종료될 때의 모멘트에 이들의 관측된 방위에 대한 적분을 시작할 때의 모멘트에 이들의 방위로부터 자기 벡터 구성 성분들을 회전시켜야 한다. 이어서, 관측된 자기 벡터와 회전된 자기 벡터 사이의 미스매치(mismatch)의 임의의 측정이 자이로 센서들의 보정을 개선하기 위해 사용될 수 있다.

이 같이 설정된 근사 측정을 이용하여, 이러한 공개물은 자이로 보정 에러가 클수록, 이러한 측정의 미스매치가 더 커지게 되고 그리고 이러한 측정의 최소가 자이로 센서들의 최상의 보정에 대응한다는 것을 알려준다. 따라서, 자기 벡터의 측정된 방위와 추정된 방위 사이의 에러와 적용된 자이로 파라미터들 사이의 종속이 형성되는 경우, 자이로 보정 파라미터의 정정 값이 이러한 표면에 대한 최소치를 산출할 것이다.

이러한 공개물은 또한 자이로 적분에 의해 계산된 디바이스 방위가 계산된 회전이 자기 벡터의 관측된 방위와 일치하는 것을 보장함으로써 개선될 수 있는 것을 당업자게게 알려준다.

본 공개물의 일 실시예는 연상 메모리; 디바이스 3D 방위 및/또는 하나 이상의 센서 세트가 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는 3D 모션을 감지할 수 있는 디바이스 내의 독립 센서들의 두 개 이상의 세트들, 및 마이크로프로세서에서 가동되는 마이크로프로세서 프로그램을 가지는 마이크로프로세서를 포함하는 디바이스이다. 이러한 프로그램은 a) 시간 모멘트들 t=0,1,...,k의 시컨스(sequence)에서 센서들로부터 센서 데이터를 판독, 저장, 및 프로세싱하는 단계; b) t= 0,1, ...,k에서 센서 데이터를 이용하여 시간 t=k에서 디바이스 3D 방위를 추정하는 단계; c) 이전의 시간 모멘트들: t=m,...,k 0<=m<=k에 대한 센서 측정들을 이용함으로써 위에서 언급된 센서들의 하나의 세트의 다음 시간 모멘트 t=(k+1) 값을 예측하는 단계; d) 예측된 센서 값과 관측된 센서 값 사이의 차이를 구성하는 단계; 및 e) 위의 평가된 디바이스 3D 방위 및/또는 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않았던 센서들의 세트의 보정의 결정을 연속적으로 개선하도록 상기 차이를 이용하는 단계를 수행한다.

디바이스의 일 실시예에서, 센서 세트들은 자기 세트 및 자이로 세트이다. 일 실시예에서, 자이로 센서 세트는 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는다.

일 실시예에서, 자이로 센서 세트의 보정 방법은: 미리결정된 기간(time period)에 걸쳐 자이로 센서 신호들을 관측하는 단계; 미지의 자이로 보정 파라미터의 제 1 게스(guess) 또는 이들의 공칭값들 중 하나를 적용함으로써 자이로 신호들을 정정하는 단계; 관측되고 이 같이 정정된 자이로 신호들을 기초로 하여 이러한 기간 동안 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계; 디바이스 방위의 유도된 변화에 의해 적절히 정정된, 적분 기간의 초기 및 마지막에서 자기 센서 값들을 비교하는 단계, 및 관측 및 공칭 회전 정정 자기 신호들 사이의 차이의 측정으로부터 유도된 정정을 적용함으로써 자이로 측정 파라미터 초기 값들을 정정하는 단계를 포함한다.

디바이스의 하나의 예시적인 실시예에서, 단지 하나의 보정 파라미터는 모든 자이로 채널들에 대해 결정된다. 보정 파라미터는 공칭값들에 대한 미지의 자이로 이득 정정(unknown gyro gain correction)일 수 있다. 일 실시예에서 보정 파라미터는 공칭값들에 대한 미지의 자이로 편이 정정(unknown gyro bias correction)일 수 있다.

다른 실시예에서, 다중 보정 파라미터가 결정될 수 있다. 이 같은 일 실시예에서 보정 파라미터는 자이로 센서들 각각에 대해 미지의 이득 정정들일 수 있다. 대안적으로 정정 파라미터는 자이로 센서들 각각의 미지의 편이 정정들일 수 있다. 다른 실시예에서, 보정 파라미터는 모든 자이로 센서들에 대한 미지의 편이 정정들 및 미지의 이득 정정들의 조합이다.

다른 실시예에서, 기간(time period)의 마지막에서 자기 신호와 기간의 초기에서 자기 벡터의 회전 정정 값 사이의 차이의 측정은 이러한 두 개의 벡터들의 벡터 차이의 벡터 표준이다. 일 실시예에서, 동시에 간격(interval) 다수 대안 회전들은 보정 하에서 자이로 파라미터가 상이하게 가정된 값들로 결정될 수 있다. 대안적으로, 상이한 시간 간격들에서 자이로 보정 파라미터의 상이한 값들은 회전 결정을 위해 사용될 수 있다. 이 같은 경우, 정정 파라미터 값들은 광학 실험 설계의 방법에 의해 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 보정 파라미터는 관측 및 회전 정정 자기 신호들 사이의 차이의 계산된 측정에 대한 최소치를 산출하는 이 같은 파라미터 조합을 검색함으로써 결정될 수 있다. 대안적으로 모든 계산들은 보정 파라미터의 일 세트에 대해 기록되었고 이어서 보정 파라미터에서의 인위적인 변화로 재계산된 데이터를 가지고 오프 라인으로 수행될 수 있다.

일 실시예에서, 본 공개물에 따른 디바이스 회전의 결정 방법은 미리결정된 기간에 대한 자이로 센서 신호들을 관측하는 단계; 자이로 계산 파라미터를 적용함으로써 자이로 신호들을 정정하는 단계; 관측된 및 이 같은 정정된 자이로 신호들을 기초로 하여 이러한 기간 동안 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 이러한 기간의 초기 및 마지막에 자기 센서 신호들을 관측하는 단계; 자기 보정 파라미터를 적용함으로써 자기 센서 신호를 정정하는 단계; 보정 정정된 자기 센서 신호들에서의 관측된 변화와 일치하고 자이로 신호들로부터 결정된 회전에 가장 근접한 이러한 시간 동안 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계; 및 자기 센서 관측들과 일치하는 회전 및 자이로 센서들로부터 유도된 회전의 조합으로서 이러한 시간 간격 동안 디바이스 회전을 결정하는 단계를 더 포함한다.

이 같은 실시예들에서, 회전 근사 측정은 자이로 신호 적분으로부터 계산된 4원수(quaternion)와 자기 센서 관측들과 일치하는 디바이스 회전을 제공하는 4원수 사이의 4원수 차이의 표준이다. 계산은 실제 모션 동안 센서 값들의 기록을 이용하여 오프 라인으로 수행될 수 있다.

도 1은 프로세서(101), 메모리 버스(102), 메모리(103), (104), (105), 및 I/O 인터페이스(106)를 포함하는 마이크로프로세서(100)로 구성되는 디바이스를 도기간다. 마이크로컴퓨터는 디스플레이(111) 및 입력 디바이스(112)를 가진다. I/O 인터페이스는 A/D 컨버터(121)들, 3축 자이로 센서(122)들, 3축 자기 센서(123)들 및 3축 가속도계(124)를 구비한 센더들의 뱅크(bank)에 연결된다. CPU는 I/O(106)를 경유하여 센서들 모두를 샘플링하고 메인 메모리(103)에 또는 저장 디바이스(105)에 대응하는 값들을 저장한다. 이 같은 얻어진 감각 데이터를 프로세스하는 적절한 컴퓨터 프로그램은 ROM(104) 내에 저장되고 CPU(101)에 의해 실행된다.
도 2는 제조자에 의해 제공된 공칭 자이로 게인이 사용되었을 때 자이로 적분을 경유하여 궤도 복원을 보여준다. 점선은 실제 궤도를 보여준다.
도 3은 제시된 방법의 일 실시예에 의해 찾은 최적 게인이 적용되었을 때 동이한 궤도 복원을 제공한다.
도 4는 자기 벡터 복원에서의 에러가 이의 제조자 공칭값으로부터 자이로 게인 변화에 종속하는 방법에 대한 실험 데이터의 그래프를 도기간다.
도 5는 자기 벡터 복원의 에러가 실시간으로 계산되는 방법에 대한 알고리즘 흐름도를 제공한다.
도 6은 자이로 게인의 최적 값이 자이로 게인의 상이한 값들에 대해 얻어진 다수의 에러 값들로부터 계산되는 방법을 설명한다.
도 7은 다수의 에러값들이 CPU 성능들에 따라 동시에(in parallel) 또는 차례로(in sequence) 계산될 수 있는 것을 보여준다. 실제 궤도 계산은 먼저 공칭 제조자 게인 값(GO)을 이용하여 수행되고 이어서 이용가능하게 되자마자 최적 게인(Gopt)로 스위칭된다.
도 8은 자이로 적분으로부터 얻은 회전-4원수(Le)가 자기 벡터(M)의 관측된 결과적인 방위와 일치하고 자이로 회전(Le)에 가장 근접한 컴퓨팅 회전(Lf)에 의해 개선될 수 있다. 4원수(Lm)는 관측된 위치[M(k)]로부터 t=k+1 에서 위치의 관측된 방위인 도시된 방위 [M(k+1)]까지 자기 벡터(M)를 회전하는 회전을 제공한다. 4원수(Lf)는 이어서 두 개의 회전-Lm 및 M 둘레의 부가 회전으로 구성된다.

이하 상세한 설명에서, 다양하고 특정된 상세들이 더 철저한 공개를 제공하도록 제시된다. 그러나, 공개된 기술이 이러한 특정 상세들 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 소정의 경우들에서, 공개된 기술을 불명확하게 하지 않도록 널리-알려진 특징들은 상세하게 설명되지 않을 수 있다.

바람직한 실시예에서, 우리는 회전 결정을 위해 4원수 연산을 이용한다. 그러나, 이러한 선택는 공개 내용을 제한하지 않으며 단지 예시 목적을 위해 사용된다. 회전 매트릭스(Rotational Matrix), 오일러의 각들(Euler angles), 또는 다른 방법들과 같은 다른 회전 표현들이 있다는 것이 당업자에게 알려져 있다.

4원수는 소정의 특별한 수학적 특성들을 가지는 4개의 실수들 q = (a,b,c,d)의 순서 세트(ordered set)이다. 4원수의 상세한 설명은 이 주제 상의 다양한 교과서들에서 찾을 수 있다. 우리의 목적을 위해 우리는 단위(unit) 4원수를 이용한다.

norm(q) = sqrt(a*a+b*b+c*c+d*d) = 1 (1)

조합(union) 4원수는 각도(α) 만큼 유닛 벡터 e=(e1, e2 ,e3) 둘레의 회전을 나타낸다.

q = [cos(α/2), sin(α/2)*e] (2)

따라서 좌표계(x,y,z)에 나타나는 벡터 m = [mx,my,mz]가 각도(α) 만큼 벡터(e) 둘레로 회전되는 경우, 이 때 벡터(m)의 새로운 좌표들은

m' = q*m*q' (3)

4원수 표시에서 강체 회전은 아래의 미분 방정식에 의해 나타날 수 있다

dq(t)/dt = 0.5*ω(t)*q(t) (4)

여기서 ω = [ωx, ωy, ωz]는 강체 좌표계에서 회전의 각속도의 벡터이며, 강체 좌표계는 적절하게 보정된 자이로 센서들에 의해 측정되는 것이다.

이러한 미분 방정식의 해답은 런지-커타(Runge-Kutta) 또는 본 기술분야의 전문가에게 알려진 임의의 다른 방법과 같은 방법들을 계수적으로 이용하여 얻을 수 있다. 동시에 강체가 먼저 4원수(q1)에 의해 그리고 이어서 4원수(q2)에 의해 회전될 때 이때 총 회전은 이들의 순서 곱에 의해 나타난다는 것을 고려할 것이 요구한다

q12 = q2*q1 (5)

시간 모멘트 T=t0에서 유닛 좌표 프레임에서 자기 벡터 측정이

mO = [mxO, my0, mz0] (6)

이 됨을 추정하고, 시간 T=tk에서 측정된 자기 벡터가 아래의 내부 구성요소들

mk = [mxk, myk, mzk] (7)

을 가진다.

T=t0로부터 T=tk까지의 회전은 제한 (5)하에서 방정식 (4)를 적분함으로써 계산될 수 있다. 이러한 적분은 4원수(qk)를 생성하는 것을 추정하자. 이 때 방정식 (3)을 이용하여 회전된 좌표계에서 자기 벡터의 예상된 구성이

mk_est = qk*m0*qk' (8)

이어야 한다.

이때 자기 벡터의 관측된 값 및 평가된 값을 비교할 수 있고 근사 측정을 생성한다. 예시의 방법으로서, 우리는 이러한 두 개의 벡터들의 차이의 벡터 표준(norm)을 이용할 것이다

em(k) = norm(mk - mk_est) (9)

이러한 작동은 다음 시간 간격[t(k) - t(k+1), 등]에서 수행될 수 있다. 결과적으로 축적된 에러 측정을 계산할 수 있다

Em = em(k) + em(k+1),... ,em(k+n) (10)

새로운 자이로 센서 측정들은 센서에 의해 발생된 전압 또는 전류의 디지털 값들이다. 이러한 값들이 g = [gx, gy, gz]로서 표시하자. 이러한 값들은 방정식 (4)에서 사용되는 각회전 속도(ω)에 관련된다. 벡터(ω 및 g)들이 아래와 같이 이들의 성분들 각각에 대한 선형 관계에 의해 관련된다

gk = αk*ωk + bk; k = x, y, z (11)

따라서, 방정식 (4)에서 사용되는 각속도(ω)는 자이로의 새로운 신호(gyro raw signal)들로부터 유도될 수 있다

ωk = ck*gk - bk; k = x, y, z (12)

방정식 (12)에서 ck는 자이로 게인(gyro gain)을 나타내며 bk는 자이로 바이어스이다. ck 및 bk의 값들은 디바이스 방위의 정확한 결정을 허용하도록 디바이스 작동 시를 정확히 알아야 한다. 이러한 파라미터가 종종 공장 보정 동안 결정되지만 파라미터의 실제 값들은 작동 동안 약간 상이하다. ω의 실제 값이 미지의 작은 이득 정정(μ)에 의해 방정식 (12)으로서 계산된 값과 상이하다.

ω' = (1 +μ)*ω (13)

미지의 파라미터(μ)를 결정하도록, μ의 수 개의 상이한 값들을 이용하여, 우리는 동시에 또는 차례로 수 개의 자이로 적분(4)들을 설정하도록 제안된다. 바람직한 실시예에서, 예시로서 그러나 제한적이 아닌, μ0=0, μ1=+d, μ2=-d로 동시에 3개의 적분들을 실행하는데, 여기서 d는 작은 양수(0<d<<1)이다. μ=0을 이용한 적분의 결과들은 디바이스 작동을 위해 이용되며 반면 백그라운드 상에서 다른 적분들을 수행하게 되며 이들 결과들은 아래에서 설명되는 바와 같이 μ의 참값의 결정을 위해 사용된다.

근사 측정 Em - eq (10)는 이러한 적분 각각에 대해 계산된다. 결과적으로, 세트 {Em(k), m(k)}는 도 4에 도시된 바와 같이 의존 곡선 Em 대 μ를 구성한다. 이어서 이러한 기능에 대한 최소치를 산출하는 μ의 최적 값이 2차 함수 또는 당업자에게 알려진 임의의 다른 기능 최소 결정 방법을 이용하여 발견될 수 있다. 도 4는 소정의 실제 디바이스의 작동 동안 수집된 데이터 상에 발견된 바와 같은 2차 함수 및 이의 최소치를 보여준다.

μ = μ*의 최적 값이 발견된 후, 이는 명목 상의 적분 : μ0 = μ*, μ1 = μ* + d, μ2= μ* - d를 위해 사용되며, 전체 프로세스는 바로 검출되어 얻은 자이로 게인 내에서의 임의의 가능한 실시간 변화를 계속한다.

제공된 설명은 단일 변수 기능의 min으로서 단지 하나의 파라미터를 결정한다. 그러나, 더 많은 파라미터들이 평가될 것이 요구되는 경우 유사한 절차가 수행될 수 있다. 실제로, 3개의 자이로 축의 각각 개별적으로 μχ, μy, μz에 대해 정정 파라미터를 찾는 것을 원하는 것으로 가정하자. 이때, 정정들 [0,0,0], [d,d,d], 및 [-d,-d,-d]를 갖는 3개의 병렬 적분들의 동일한 특허를 반복하는 대신, 각각의 실행(run)에 대해 하나의 파라미터 예를 들면 제 1 실행에 대해 [0,0,0], [d,d,d], [-d,-d,-d]를 변화할 수 있으며 그 후 최적 커먼 팩터(μ*)는 위에서 설명된 바와 같이 결정되고, 다음 실행은 파라미터들[0,0,0], [d,0,0], [-d,0,0]로 수행될 수 있으며 따라서 부가 정정(μx*)가 결정되고 이어서 μy* 등이 결정된다.

대안적으로, 모든 3개의 파라미터들이 특별한 병렬 적분들을 적용함으로써 각각의 실행에서 결정되는 실험을 설계할 수 있다. 방정식 (4)를 풀기 위한 계산 부하가 중요하지 않기 때문에, 다수의 스레드(thread)들의 병렬 계산이 동시에 이 같은 시스템들에서 통상적으로 오늘날의 마이크로프로세스들에 의해 매우 달성가능하다.

다른 실시예에서, μ의 하나의 값에 대한 단지 하나의 적분 스레드는 언제나 수행되며 이어서 수 개의 적분들의 결과가 이러한 적분이 상이한 시간에 수행된 경우조차 비교된다.

모든 측정 파라미터가 최적화될 때조차 자이로 신호들은 불가피하게 노이즈를 가지며 이는 시간의 적분의 제곱근에 비례하여 시간에 따라 성장하는 방위 에러들에 대한 적분을 초래한다. 이러한 에러들은 감소될 수 있지만 데드 존 기술(Dead Zone technique)을 이용함으로써 제거되지 않으며, 여기서 소정의 미리 결정된 한계치보다 작은 임의의 자이로 신호가 0으로 강제된다. 데드 존 기술은 전제 SNR(신호 대 노이즈 율)을 개선하지만 노이즈 적분의 전체 영향을 제거하지 않는다.

따라서, 상기 언급된 난점들을 완화하도록, 이러한 공개물은 자이로 적분에 부가하여 자기 벡터를 이용하여 방위 결정을 개선하는 방법을 알려 준다.

자기 센서들이 적절히 보정되는 경우, 이때 방정식 (4) -(5)에 따른 자이로 적분으로부터 계산된 회전은 벡터 m(t0)를 m(t)내로 이동시키는 회전과 일치하여야 한다. Lg는 방정식 (4)-(5)로부터 계산된 4원수이다.

m0로부터 m1으로 벡터(m)을 회전하는 회전은 4원수(Lm)로 수행될 수 있다:

mOe = m0/norm(m0); ml e = m1/norm(m1);

e = mOe × m1e;

α=acos(m0e dot m1e) (14)

Lm = [cos(α/2), sin(α/2)*e]

새로운 벡터(m1) 둘레의 부가 회전은 벡터(m1)를 변화시키지 않고 가능하다. 이러한 부가 회전은 4원수(Lr)에 의해 나타날 수 있다.

Lr = [cos(β/2), sin(β/2)*m1e] (15)

여기서 β는 부가 회전의 각도이고, 이 모멘트에 한정되지 않는다. 이러한 공개는 각도(β)가 4원수(Lm 및 Lr)(이를 Le(β)로서 표시)가 회전 Lg에 가장 근사되도록 선택되어야 한다

Le(β) = Lr(β)*Lm (16)

4원수 근사의 측정에 대한 이러한 공개의 바람직한 실시예에서, 4원수 차이의 표준이 선택된다. 따라서, 부가 회전(β)이 표준(Lg - Le(β))의 최소로부터 결정된다

β-> min(norm(Lg - Le(β)) (17)

방정식 17은 당업자에게 친숙한 다수의 방법들에 의해 풀릴 수 있다. (17)의 최소 값이 β = β*에서 달성된다.

따라서, 각각의 자이로 적분 단계의 마지막에 잠재적으로 회전을 설명하는 두 개의 4원수 : Lg 및 Le(β*)가 있다. 이러한 두 개의 4원수가 사용될 수 있는 다수의 방식이 있다-예를 들면 가중합으로서 중량들은 각각의 4원수의 추정된 정밀도에 반비례한다. 바람직한 실시예는 두 개의 4원수의 평균을 이용할 것이다. 도 8은 이러한 공개의 바람직한 실시예가 제어된 조건들에서 테스트 케이스 회전에 대해 달성된 개선을 보여준다.

공개된 실시예들이 위에서 제시된 하나 또는 둘 이상의 장점들을 충족하는 것을 당업자가 용이하게 이해할 것이다. 전술된 설명을 읽고난 후, 당업자는 본 명세서에서 넓게 공개된 바와 같은 다양한 변화들, 균등물의 치환들 및 다양한 다른 실시예들에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 여기서 승인된 보호는 단지 첨부된 청구범위 및 이의 균등물들에 포함된 정의에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

1. 연상 메모리(associated memory)를 가지는 디바이스 내의 마이크로프로세서;
   디바이스 3D 방위, 및/또는 3D 모션을 감지할 수 있고, 하나 이상의 센서 세트가 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는, 상기 디바이스 내의 독립 센서들의 2 이상의 세트;
   상기 마이크로프로세서 내에서 작동가능한 마이크로프로세서 프로그램;을 포함하되,
   상기 마이크로프로세서 프로그램은,
   a) 시간 모멘트 t= 0,1,...,k의 시컨스에서 상기 센서로부터 센서 데이터를 판독, 저장, 및 프로세싱하는 단계;
   b) t=0,1,...,k에서 센서 데이터를 이용하여 시간 t=k에서 디바이스 3D 방위를 추정하는 단계;
   c) 이전의 시간 모멘트 t=m,...,k(0≤m≤k)에 대해 센서 측정을 이용함으로써, 센서들 중 하나의 세트의 다음의 시간 모멘트 t=(k+1) 값을 예측하는 단계;
   d) 예측된 센서 값과 관측된 센서 값 사이의 차이를 구성하는 단계;
   e) 상기 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않았던 센서의 세트의 보정 및/또는 위에서 추정된 상기 디바이스 3D 방위의 결정을 연속적으로 개선하도록 상기 차이를 이용하는 단계;를 수행하는 자이로 센서 보정 디바이스.
   
2. 제 1항에 있어서,
   센서 세트는 자기 세트 및 자이로 세트를 포함하는 자이로 센서 보정 디바이스.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 자이로 센서 세트는 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않은 자이로 센서 보정 디바이스.
   
4. 제 3항에 있어서,
   자이로 센서 세트의 보정 방법은, 미리 결정된 기간에 걸쳐 자이로 센서 신호를 관측하는 단계;
   알려지지 않은 자이로 보정 파라미터 또는 공칭값의 제 1 게스(guess) 중 하나를 적용함으로써 자이로 신호를 정정하는 단계;
   관측되고 정정된 자이로 신호를 기초로 하여 금번 기간 중에 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계;
   디바이스 방위의 유도 변화에 의해 적절히 정정된, 적분 기간(integration period)의 초기 및 말기에서 자기 센서 값들을 비교하는 단계; 및
   관측되고, 공칭의 회전 정정 자기 신호들 사이의 차이 측정으로부터 유도된 정정을 적용함으로써 자이로 보정 파라미터의 초기값을 정정하는 단계;를 포함하는 자이로 센서 보정 디바이스.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   단 하나의 보정 파라미터는 모든 자이로 채널에 대하여 결정하는 디바이스.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 보정 파라미터는 공칭값에 대한 알려지지 않은 자이로 이득 정정인 자이로 센서 보정 디바이스.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 보정 파라미터는 공칭값에 대한 알려지지 않은 자이로 편이 정정인 자이로 센서 보정 디바이스.
   
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 기간의 초기에서 자기 벡터의 회전 정정 값과 기간의 말기에서 자기 신호 사이의 차이의 측정은 2 개의 벡터의 벡터 차이의 벡터 표준인 자이로 센서 보정 디바이스.
   
9. 제 4 항에 있어서,
   동일한 시간 간격에서 다수의 얼터너티브 회전은 보정 하에서 자이로 파라미터의 다른 추측 값으로 결정되는 자이로 센서 보정 디바이스.
   
10. 제 4 항에 있어서,
    다른 시간 간격들에서 자이로 측정 파라미터의 다른 값은 회전 결정을 위해 사용되는 자이로 센서 보정 디바이스.
    
11. 제 4 항에 있어서,
    측정 파라미터는 관측되고 회전 정정된 자기 신호들 사이의 차이의 계산된 측정에 대한 최소치를 산출하는 파라미터 조합을 검색함으로써 결정되는 자이로 센서 보정 디바이스.
    
12. 제 2 항에 있어서,
    미리 결정된 기간에 걸쳐 자이로 센서 신호를 관측하는 단계;
    자이로 보정 파라미터를 적용함으로써 자이로 신호를 정정하는 단계;
    관측되고 정정된 자이로 신호를 기초로 한 기간 중에 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계;
    기간의 초기 및 말기에서 자기 센서 신호를 관측하는 단계;
    자기 보정 파라미터를 적용함으로써 자기 센서 신호를 정정하는 단계;
    보정 정정된 자기 센서 신호에서 관측된 변화와 일치하고, 자이로 신호로부터 결정된 회전에 가장 근사한 시간 중에 상기 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계; 및
    자이로 센서로부터 얻어진 회전과, 자기 센서 관측과 일치하는 회전의 조합으로서 시간 간격 중에 상기 디바이스 회전을 결정하는 단계;에 의하여 상기 디바이스 회전의 결정을 포함하는 자이로 센서 보정 디바이스.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    회전 근사 측정은 자이로 신호 적분으로부터 계산된 4원수와 자기 센서 관측과 일치하는 디바이스 회전을 제공하는 4원수 사이의 4원수 차이의 표준인 자이로 센서 보정 디바이스.
    
14. 연상 메모리(associated memory) 및 디바이스 3D 방위, 및/또는 3D 모션을 감지할 수 있고, 하나 이상의 센서 세트가 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는, 독립 센서들의 2 이상의 세트를 갖는 마이크로프로세서를 포함하는 디바이스에서,
    상기 마이크로프로세서 내에서 작동되는 마이크로프로세서 프로그램은,
    a) 시간 모멘트 t= 0,1,...,k의 시컨스에서 상기 센서로부터 센서 데이터를 판독, 저장, 및 프로세싱하는 단계;
    b) t=0,1,...,k에서 센서 데이터를 이용하여 시간 t=k에서 디바이스 3D 방위를 추정하는 단계;
    c) 이전의 시간 모멘트 t=m,...,k(0≤m≤k)에 대해 센서 측정을 이용함으로써, 센서들 중 하나의 세트의 다음의 시간 모멘트 t=(k+1) 값을 예측하는 단계;
    d) 예측된 센서 값과 관측된 센서 값 사이의 차이를 구성하는 단계;
    e) 상기 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않았던 센서의 세트의 보정 및/또는 위에서 추정된 상기 디바이스 3D 방위의 결정을 연속적으로 개선하도록 상기 차이를 이용하는 단계;를 수행하는 자이로 센서의 보정 방법.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 세트는 자기 세트 및 자이로 세트를 포함하는 자이로 센서의 보정 방법.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 자이로 센서 세트는 상기 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는 자이로 센서의 보정 방법.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    미리 결정된 기간에 걸쳐 자이로 센서 신호를 관측하는 단계;
    알려지지 않은 자이로 보정 파라미터 또는 공칭값의 제 1 게스(guess) 중 하나를 적용함으로써 자이로 신호들을 정정하는 단계;
    관측되고 정정된 자이로 신호를 기초로 한 기간 중에 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계;
    디바이스 방위의 유도 변화에 의해 적절히 정정된, 적분 기간(integration period)의 초기 및 말기에서 자기 센서 값들을 비교하는 단계; 및
    관측되고, 공칭의 회전 정정 자기 신호들 사이의 차이 측정으로부터 유도된 정정을 적용함으로써 자이로 보정 파라미터의 초기값을 정정하는 단계;를 포함하는 자이로 센서의 보정 방법.
    
18. 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행될 때 상기 컴퓨팅 디바이스가 방법을 수행시키는 저장된 일련의 명령을 갖는 기계-판독가능 매체로서,
    상기 방법은,
    a) 시간 모멘트 t= 0,1,...,k의 시컨스에서 디바이스 3D 방위, 및/또는 3D 모션을 감지할 수 있고,하나 이상의 센서 세트가 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않는 독립 센서들의 2 이상의 세트로부터 센서 데이터를 판독, 저장 및 프로세싱하는 단계;
    b) t=0,1,...,k에서 센서 데이터를 이용하여 시간 t=k에서 디바이스 3D 방위를 추정하는 단계;
    c) 이전의 시간 모멘트 t=m,...,k(0≤m≤k)에 대해 센서 측정을 이용함으로써, 센서들 중 하나의 세트의 다음의 시간 모멘트 t=(k+1) 값을 예측하는 단계;
    d) 예측된 센서 값과 관측된 센서 값 사이의 차이를 구성하는 단계;
    e) 상기 디바이스 모션의 초기에 잘 보정되지 않았던 센서의 세트의 보정 및/또는 추정된 상기 디바이스 3D 방위의 결정을 연속적으로 개선하도록 상기 차이를 이용하는 단계;인 기계-판독가능 매체.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 센서 세트는 자기 세트 및 자이로 세트를 포함하는 기계-판독가능 매체.
    
20. 제 19 항에 있서서,
    상기 방법은, 미리 결정된 기간에 걸쳐 자이로 센서 신호를 관측하는 단계;
    알려지지 않은 자이로 보정 파라미터 또는 공칭값의 제 1 게스(guess) 중 하나를 적용함으로써 자이로 신호들을 정정하는 단계;
    관측되고 정정된 자이로 신호를 기초로 한 기간 중에 디바이스 방위의 인지된 변화를 결정하는 단계;
    디바이스 방위의 유도 변화에 의해 적절히 정정된, 적분 기간(integration period)의 초기 및 말기에서 자기 센서 값들을 비교하는 단계; 및
    관측되고, 공칭의 회전 정정 자기 신호들 사이의 차이 측정으로부터 유도된 정정을 적용함으로써 자이로 보정 파라미터의 초기값을 정정하는 단계;를 포함하는 단계들에 의해 세팅된 자이로 센서의 보정을 더 포함하는 기계-판독가능 매체.

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