KR20140136119A - 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치 - Google Patents

자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자세방위장치의 작동환경이 상온의 조건이외에 극히 낮은 온도 또는 높은 온도에서도 각 센서의 성능을 유지할 수 있도록 각 센서에 별도의 보정방법을 사용하여 자세방위장치의 작동의 정확성을 높이고, 내환경성을 높일 수 있도록 한 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 의하면 영하 10도 이상 에서 영상 70도 이하의 넓은 영역에서 사용이 가능하여 내환경성이 뛰어나 장치가 제공되고, 온도의 변화에 대하여 각각의 센서별로 별도의 보정을 수행하여 오차의 범위를 줄일 수 있어서 정확성이 높으며, 각 센서에 대한 보정이 별도로 이루어 지기 때문에 장치 전체의 정확성이 증가하는 등의 효과가 발생한다.

Description

자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치{TEMPERATURE CORRECTION METHOD FOR ATTITUDE AND HEADING REFERENCE SYSTEM}
본 발명은 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자세방위장치의 작동환경이 상온의 조건이외에 극히 낮은 온도 또는 높은 온도에서도 각 센서의 성능을 유지할 수 있도록 각 센서에 별도의 보정방법을 사용하여 자세방위장치의 작동의 정확성을 높이고, 내환경성을 높일 수 있도록 한 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
자세방위장치(Attitde and Heading Reference System, AHRS)는 가속도센서, 지자기센서 및 자이로스코프를 이용하여 적용물체의 자세와 방위를 측정하여 교정하거나, 원하는 방향으로 자세를 교정할 수 있도록 하는 장치이다.
상기 자세방위센서는 자이로선세, 가속도센서, 지자기센서가 각각 탑제되는데, 자이로센서는 광학식 자이로센서 또는 멤스(MEMS)센서가 채용된다.
상기 멤스자이로센서는 어떤 물체가 병진운동할 때 각 회전속도에 의해서 발생하는 가상의 힘인 코리올리의 힘을 측정하여 전기신호로 변환하여 각속도를 산출하는 센서이다.
상기 가속도센서는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서로 관성형 가속도센서, 정전용량형가속도센서, 멤스 가속도센서, 압전형가속도센서, 스테레인게이지형 가속도센서 등이 있다.
상기 지자기센서는 인간이 느낄 수 없는 지구 자기의 세기 및 방향을 측정해 주는 장치로 플럭스게이트(flux-gate)를 사용한 지자기센서를 플록스게이트형 지자기센서라 한다.
상기 플록스게이트형 지자기센서란 퍼말로이(permalloy)와 같은 고투자율 재료를 자심으로 사용하여 구동권선에 의해 여기자장을 가하고 그 자심의 자기포화 및 비선형 자기특성을 이용하여 외부자장에 비례하는 2차고조파 성분을 측정하여 외부자장의 크기 및 방향을 측정한다.
상기 자세방위장치는 각각의 센서가 작동하여 자세 및 방향 등을 측정하는 장치로 항공, 선박, 자동차 등의 자세제어, 지진 등의 진동측정 및 로봇의 자세제어 등에 많이 사용되고 있다.
상기 자세방위장치에 대한 성능은 각 센서들의 정확성에 의해서 좌우되고, 각 센서들은 주변환경에 매우 민감하게 작동하게 된다.
종래의 자세방위장치(AHRS)는 다음과 같은 문제점이 있었다.
(1) 신뢰도 있는 응답성능을 나타 낼 수 있는 사용환경조건이 제한적이어서 내환경성이 떨어진다.
(2) 환경의 변화에 따른 각각의 센서의 특성이 다르기 때문에 자세방위장치 전체에 일정한 보상값을 주는 방식으로는 대응하기 어렵다.
(3) 어느 하나의 센서의 정확성이 떨어지면 전체적인 장치의 응답값의 변화가 심하기 때문에 센서에 따른 보정이 필요하다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서를 채용한 일반적인 자세방위장치의 내부에 온도센서를 설치하되,
상기 온도센서의 측정값에 따라서 가속도센서 및 자이로센서의 제1보정식과 지자기센서의 제2보정식은 서로 다르게 적용하고, 상기 제2보정식은 온도영역별로 서로 다른 두개의 보정식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1보정식은 각각의 상수가 곱해진 초기값에 온도변수의 3승까지의 값을 뺀 식으로 나타나고,
상기 제2보정식은 각각의 상수가 곱해진 초기값에 온도변수의 3승 혹은 5승까지의 값을 뺀 식으로 각각 나타난다.
본 발명의 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 의하면 다음과 같은 효과가 발생한다.
(1) 영하 10도 이상 에서 영상 70도 이하의 넓은 영역에서 사용이 가능하여 내환경성이 뛰어나 장치가 제공된다.
(2) 온도의 변화에 대하여 각각의 센서별로 별도의 보정을 수행하여 오차의 범위를 줄일 수 있어서 정확성이 높다.
(3) 각 센서에 대한 보정이 별도로 이루어 지기 때문에 장치 전체의 정확성이 증가한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예로 형성된 자세방위장치의 온도보정방법을 적용한 장치의 사시사진.
본 발명은 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서를 채용한 일반적인 자세방위장치의 내부에 온도센서를 설치하되,
상기 온도센서의 측정값에 따라 가속도센서 및 자이로센서의 제1보정식과 지자기센서의 제2보정식은 서로 다르게 적용하고, 상기 제2보정식은 온도영역별로 서로 다른 두 개의 보정식으로 형성된다.
상기 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서는 모두 일반적인 멤스센서(MEMS Sensor)가 채용된다.
상기 온도센서는 칩으로 형성된 온도세서로 장치의 표면의 온도를 측정할 수 있도록 설치된다.
상기 제1보정식은 섭씨 영하10도 에서 영상 70도까지의 온도변화의 영역에서 각 온도에 따른 보정값을 산출하여 가속도센서 및 자이로센서에 적용하는 식으로,
Figure pat00001
으로 표현된다.
여기서, Tb는 작동시 시편의 초기온도를 나타내는 것으로, 장치의 초기조건의 온도를 나타낸다.
상기 보정값 A는 온도에 대한 보정값이고, 상기 제1보정식의 a1, a2 및 a3는 상수로 가속도센서와 자이로센서의 값을 달리하여 적용한다.
가속도센서 일 때, 제1보정식의 상수 a1 는 -2.45E-03 ~ -4.12E-03 이고, a2 는 2.84E-05 ~ 4.62E-05 이며, a3 는 - 3.19E-07 ~ -4.04E-07 의 상수가 적용되는 것이 적당하다.
자이로센서 일 때, 제1보정식의 상수 a1 은 4.17E-02 ~ 8.17E-02 이고, a2 는 4.10E-04 ~ 6.72E-04 이며, a3 는 9.85E-07 ~ 8.92E-06 의 상수가 적용되는 것이 적당하다.
상기 상수의 결정은 실험에 의해서 결정된 것으로, 이 범위 이외의 상수를 사용할 경우 결과가 좋지 못하다.
상기 제2보정식은 10℃ 이하의 온도영역과 10℃ 초과의 온도영역에 각각 다른 보정식 즉, 제2보정식A와 제2보정식B로 나누어서 적용된다.
제2보정식A는
Figure pat00002
Figure pat00003
로 표시할 수 있다.
또한, 제2보정식B는
Figure pat00004
로 표시할 수 있다.
여기서, Tb 는 작동시 시편의 초기온도를 나타내는 것으로, 장치의 초기조건의 온도를 나타낸다.
상기 제2보정식A와 제2보정식B에 사용되는 상수는 각각 x축,y축,z축에 따라 각각 다르게 적용되는데, 표1과 표2와 같이 적용된다. 이 또한 실험에 의해서 얻어진 값으로 이값의 범위를 벗어나면 정확한 보정이 이루어지지 않는다.

a0

a1
a2
a3

x축
996.9387
8.47E+00
3.79E-02
-6.32E-04

y축
7079
-2.81E-01
1.10E-01
-1.05E-03

z축
2200.7
7.89E-01
8.17E-02
-8.73E-04



b0
b1
b2
b3
b4
b5

x축
951.9475
1.67E+01
-5.84E-01
4.00E-02
-4.12E-03
2.27E-04

y축
2043
6.66E+00
-3.62E-01
1.77E-02
-3.00E-03
2.17E-04

z축
2174.4
6.25E+00
-2.97E-01
1.59E-02
-2.67E-03
1.85E-04
즉, 10℃를 기준으로 자이로센서에는 제2보정식A 및 제2보정식B의 보정식을 적용하고, 계산된 각 보정값을 사용하여 센서를 자동으로 보정한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예로 형성된 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치의 작동 및 보정결과를 나타내면 다음과 같다.
자세방위장치(AHRS)를 두 종류를 선정하고, 하나는 보정방법을 사용하지 않은 상태(대조장치)의 작동을 측정하고, 다른 하나는 본 발명의 보정방법을 사용한 상태(실험장치)의 작동을 측정하여 대조하였다.
실험 상태는 초기온도 Tb 를 40℃로 하고, 전원을 인가한 후 온도 보정조건을 -10℃ ~ 60℃로 변화시키면서 측정하였다.
먼저 실험장치에는 보정식을 자기장센서 및 자이로센서에는 제1보정식을 적용하고, 지자기센서에는 제2보정식의 제2보정식A를 사용하여 보정한 결과를 각각의 축에 따른 출력값을 나타내었다.
Figure pat00005
상기 표 3은 대조장치와 실험장치의 가속도센서의 x축, y축 및 z축 방향의 측정값의 변화를 나타낸 것으로, 실험장치의 가속도센서는 각 축방향의 모든 센서가 온도의 변화에 변화가 없이 안정적인 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00006
상기 표 4는 대조장치와 실험장치의 자이로센서의 x축, y축 및 z축 방향의 측정값의 변화를 나타낸 것으로, 실험장치의 자이로센서는 각 축방향의 모든 센서가 온도의 변화에 변화가 없이 안정적인 것을 확인할 수 있다.
특히, 실험장치의 자이로센서 측정값의 레인지가 0 ~ ±2 의 범위에 있으므로 안정적인 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00007
상기 표 5는 대조장치와 실험장치의 지자기센서의 x축, y축 및 z축 방향의 측정값의 변화를 나타낸 것으로, 실험장치의 지자기센서가 안정적인 값으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 표 5의 실험장치의 지자기센서는 10℃이하에서는 불안정한 값을 보이다가 10℃초과하여서는 안정적인 값을 보이고 있는 것을 확인할 수 있다.
이는 표 5의 실험장치의 지자기센서에는 제2보정식A만을 적용한 것으로, 10℃이하에서는 오차가 많이 발생하므로, 본 발명의 보정방법과 같이 10℃를 기준으로 실험장치의 지자기센서에는 제2보정식A와 제2보정식B를 적용한다.
Figure pat00008
상기 표6은 실험장치의 지자기센서에 본 발명의 보정방법으로 시행한 결과를 나타낸 것으로, 10℃ 이하도 안정적인 상태인 것을 확인할 수 있다.
상기한 것과 같이, 본 발명의 자세방위장치의 온도보정방법에 의하면, 보정식을 온도에 따라 나누어서 적용하여 보다 정확한 보정값을 각 센서마다 적용할 수 있는 등 오차범위를 최소화하는 등의 효과가 발생하고, 이러한 온도보정방법에 따라서 내환경성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 자세방위장치의 온도보정방법 및 이를 적용한 장치에 의하면 영하 10도 이상 에서 영상 70도 이하의 넓은 영역에서 사용이 가능하여 내환경성이 뛰어나 장치가 제공되고, 온도의 변화에 대하여 각각의 센서별로 별도의 보정을 수행하여 오차의 범위를 줄일 수 있어서 정확성이 높으며, 각 센서에 대한 보정이 별도로 이루어 지기 때문에 장치 전체의 정확성이 증가하는 등의 효과가 발생한다.

Claims (5)

  1. 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서를 채용한 일반적인 자세방위장치의 내부에 온도센서를 설치하되,
    상기 온도센서의 측정값에 따라 가속도센서 및 자이로센서의 제1보정식과 지자기센서의 제2보정식은 서로 다르게 적용하고, 상기 제2보정식은 온도영역별로 서로 다른 두 개의 보정식이 적용되는 것을 특징으로 하는 자세방위장치의 온도보정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2보정식의 온도영역을 나누는 온도는 10℃인 것을 특징으로 하는 자세방위장치의 온도보정방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1보정식은
    Figure pat00009

    이고, A는 보정값, Tb는 초기온도, T는 온도변수이고, 나머지는 상수인 것을 특징으로 하는 자세방위장치의 온도보정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2보정식은 10℃ 이하에는
    Figure pat00010

    Figure pat00011

    10℃ 초과에는
    Figure pat00012

    로 형성되고, MA와 MB는 보정값, Tb는 초기온도, T는 온도변수이고, 나머지는 상수인 것을 특징으로 하는 자세방위장치의 온도보정방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항으로 형성되는 자세방위장치의 온도보정방법을 적용한 자세방위장치.
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