KR20160072055A

KR20160072055A - 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160072055A
Application number: KR1020150176495A
Authority: KR
Inventors: 라이너 도르쉬; 크리스티안 하우벨트; 토마스 클라우스; 루돌프 비흘러; 라스 미덴도르프
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-06-22
Also published as: US20160170502A1; CN105699696A; DE102015203968A1

Abstract

본 발명은, 카메라(100), 처리 유닛(200), 및 하나 이상의 관성 센서(300)를 구비한 장치(10)에 관한 것으로, 상기 처리 유닛(200)은, 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)로부터 상기 장치(10)의 제1 운동 프로파일(320)을 검출하도록 구성된다. 본 발명의 핵심은, 처리 유닛(200)이, 카메라(100)에 의해 관찰된 객체(400)의 이미지 데이터(40)로부터 상기 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하도록 구성되는 데 있다. 또한, 본 발명은 관성 센서들의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법, 그리고 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Description

관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CALIBRATION AND SELF-TEST OF INERTIAL SENSORS}

본 발명은 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 카메라, 처리 유닛, 및 하나 이상의 관성 센서를 구비한 장치에 기반하며, 상기 처리 유닛은 하나 이상의 관성 센서의 운동 데이터로부터 상기 장치의 제1 운동 프로파일을 검출하도록 구성된다. 이러한 유형의 장치들은 예컨대 스마트폰이나 디지털 카메라로서 공지되어 있다. 스마트폰의 관성 센서들은 생산 시 최종 테스트 단계에서 교정된다. 비용 절감을 위해 주로 최소의 교정만 수행되는데, 이는 정확도를 제한한다. 스마트폰 내에 센서들을 조립(납땜)하면 정확도는 더욱 감소한다. 이러한 정확도 감소는 스마트폰 최종 테스트에서 재교정(recalibration)을 통해 제거될 수는 있지만, 이 경우 비용이 너무 증가하고 생산 요건을 더욱 까다롭게 만든다. 특히 관성 센서들이 실내용 내비게이션과 같은 애플리케이션에 적용되어야 하는 경우, 달성 가능한 정확도는 제한적이다. 복수개의 관성 센서와, 예컨대 카메라와 같은 추가 입력 장치가 결합될 경우, 시스템 내에서의 상이한 신호 전송 시간(대기 시간, latency)도 마찬가지로 오차를 야기할 수 있으며, 이러한 오차는 분석 시 고려되어야 한다. 따라서, 특히 증강 현실(augmented reality) 분야의 애플리케이션의 경우에는 카메라 및 관성 센서들의 시간별 교정도 요구된다. 또한, 예를 들어 현장에서 관성 센서들을 이용한 진단의 목적으로 자체 테스트를 수행해야 할 필요성도 있다.

본 발명의 과제는, 카메라를 이용하여 관성 센서들의 교정 및 자체 테스트를 개선하는 것이다.

본 발명은 카메라, 처리 유닛, 및 하나 이상의 관성 센서를 구비한 장치에 기반하며, 상기 처리 유닛은 하나 이상의 관성 센서의 운동 데이터로부터 상기 장치의 제1 운동 프로파일을 검출하도록 구성된다. 본 발명의 핵심은, 처리 유닛이 카메라에 의해 관찰된, 규칙적이며 수회 반복되는 이미지 패턴을 갖는 2차원 객체의 이미지 데이터로부터 상기 장치의 제2 운동 프로파일을 검출하는 데 있다.

바람직하게는 이러한 경우, 추가의 테스트 장비 없이 카메라를 이용하여 하나 이상의 관성 센서의 자체 테스트 혹은 교정도 가능하다. 바람직하게는 정상 작동 시, 즉 제조 동안 추가의 테스트 비용을 들이지 않고, 자체 테스트 및 교정이 가능하다. 바람직하게는, 불리한 환경 조건 및 노후화를 보상하기 위한 반복 테스트가 가능하다.

본 발명의 한 바람직한 구성에서는, 처리 유닛이, 카메라에 의해 관찰된, 규칙적이며 수회 반복되는 이미지 패턴을 갖는 2차원 객체의 이미지 데이터로부터 상기 장치의 제2 운동 프로파일을 검출하도록 구성된다. 그럼으로써 바람직하게는, 완전한 이미지 패턴(410)이 많지 않은, 2차원 객체(400)의 일부 섹션만 촬영 가능할 정도로 카메라(100)의 구경각(aperture angle)이 너무 작은 경우에도, 제2 운동 프로파일을 신뢰성 있게 생성할 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 구성에서는, 처리 유닛이, 제2 운동 프로파일을 제1 운동 프로파일과 비교하도록 구성된다. 본 발명의 한 바람직한 구성에서는, 처리 유닛이, 제1 운동 프로파일과 제2 운동 프로파일의 비교를 토대로 관성 센서의 교정을 위한 교정 정보를 제공하도록 구성된다. 본 발명의 한 바람직한 구성에서는, 관성 센서가 요 레이트(yaw rate) 센서이고, 처리 유닛은 제1 운동 프로파일과 제2 운동 프로파일의 비교를 토대로 요 레이트 센서의 오프셋 교정을 위한 교정 정보를 제공하도록 구성된다. 본 발명의 한 바람직한 구성에서는, 처리 유닛이 하나 이상의 관성 센서의 감도를 검출하도록 구성된다. 본 발명의 특히 바람직한 한 구성에서는, 본원 장치가 스마트폰이며, 처리 유닛은 상응하는 소프트웨어(앱)를 포함하는 스마트폰의 프로세서 유닛이다. 본 발명의 특히 바람직한 한 구성에서는, 상기 상응하는 소프트웨어(앱)가 상관(correlation)을 통해 카메라 및 관성 센서들의 대기 시간을 결정하여 조정할 수 있다.

본 발명은 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법과도 관련되며, 컴퓨터 프로그램 제품과도 관련된다.

본 발명을 통해, 특히 스마트폰에서 스마트폰의 카메라에 의해, 관성 센서들의 정확한 교정 및 자체 테스트가 지원된다. 특히 요 레이트 센서에서는, 오프셋 교정 및 감도 검출이 개선될 수 있다. 관성 센서들의 자체 테스트도 상당히 개선될 수 있다. 상기 과제를 위해 스마트폰의 기본 템플릿 및 메인 카메라를 이용하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명은 카메라와 하나 이상의 관성 센서 사이의 대기 시간 조정을 위한 방법과도 관련된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 2차원 객체, 즉 이미지 패턴을 갖는 이미지를 도시한 도이다.
도 3은 관성 센서들의 교정 및 자체 테스트를 위한 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 요 레이트 센서의 제1 프로파일과 카메라의 제2 운동 프로파일을 비교한 그래프이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도이다. 본 도면에는 카메라(100), 처리 유닛(200), 및 예컨대 제1 관성 센서(300) 및 제2 관성 센서(300)를 구비한 장치(10)가 도시되어 있다. 처리 유닛(200)은, 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)를 토대로 장치(10)의 제1 운동 프로파일(320)을 결정하도록 구성된다. 처리 유닛은 예컨대 제어 장치이거나, 상응하는 소프트웨어가 설치된 마이크로컨트롤러일 수도 있다. 처리 유닛은 특히 적합한 소프트웨어(앱)를 구비한 스마트폰의 프로세서 유닛일 수 있다. 관성 센서(300)는 예컨대 가속도 센서, 자기 센서, 또는 요 레이트 센서일 수도 있다. 상기 센서들 혹은 또 다른 센서들 여러 개로 구성된 센서 융합 시스템도 가능하다. 본 예시에서 제1 관성 센서(300)는 x,y-가속도 센서이고, 제2 관성 센서(300)는 ωz-요 레이트 센서이다. 상기 장치 내에 센서들이 그 위치 및 배향과 관련하여 제한된 정확도로 설치됨에 따라, 센서들의 각각의 좌표계 (x',y',z'),(x",y",z"), ...는 상기 장치 자체의 좌표계 (x,y,z)와 약간 상이하다. 따라서, 본 예시에서 제1 관성 센서는 사실상 가속도 감지 방향(x',y')을 갖는다. 제2 관성 센서는 감지 방향(z")을 가지므로, 축(ωz")을 중심으로 하는 요 레이트를 검출한다. 본 발명에 따라 처리 유닛(200)은, 카메라에 의해 관찰된, 규칙적이며 수회 반복되는 이미지 패턴(410)을 갖는 2차원 객체(400)의 이미지 데이터(40)로부터 상기 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하도록 구성된다. 또한, 처리 유닛(200)은, 제2 운동 프로파일(420)을 제1 운동 프로파일(320)과 비교하도록 구성된다. 이로써 관성 센서들의 배향 에러가 인지되어 상응하게 보상될 수 있다. 그 밖에도 관성 센서들의 감도가 검출될 수 있다. 나아가, 카메라와 관성 센서들 사이의 대기 시간이 검출되어, 상기 두 연속 측정 중 하나의 변위를 통해 조정될 수 있다.

도 2에는 2차원 객체, 즉 이미지 패턴을 갖는 이미지를 보여준다. 여기에는 규칙적이며 수회 반복되는 이미지 패턴(410)을 갖는 2차원 객체(400)가 도시되어 있다. 이미지 패턴(410)은 2차원 객체(400)의 양측 연장 방향으로 수회 반복된다. 그럼으로써, 완전한 이미지 패턴(410)이 많지 않은, 2차원 객체(400)의 일부 섹션만 촬영 가능할 정도로 카메라(100)의 구경각이 너무 작은 경우에도, 제2 운동 프로파일을 신뢰성 있게 생성할 수 있다.

도 3은 관성 센서들의 교정 및 자체 테스트를 위한 본 발명에 따른 방법을 보여준다.

상기 방법은 본 발명에 따라 하기의 단계, 즉,

A - 카메라(100), 처리 유닛(200) 및 하나 이상의 관성 센서(300)를 구비한 장치(10)를 제공하는 단계와,

B - 객체(400)를 제공하는 단계와,

C - 객체(400)에 대해 상대적으로 장치를 움직이는 단계와(이때, 카메라(100)는 2차원 객체(400)를 항상 적어도 일시적으로, 그리고/또는 적어도 부분적으로 관찰하며, 이 경우),

D - 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)를 기록하고, 카메라(100)의 이미지 데이터(40)를 기록하는 단계와,

E - 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)를 토대로 장치(10)의 제1 운동 프로파일(320)을 검출하는 단계와,

F - 카메라(100)의 이미지 데이터(40)를 토대로 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하는 단계를 포함한다.

상기 절차가 진행되는 동안 계속해서, 혹은 상기 절차에 후속하여, 선택적으로 단계 G에서 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420) 상호간의 비교가 실시된다. 상기 비교 결과에 따라, 하나 이상의 관성 센서(300)의 감도가 검출될 수 있다. 상기 관성 센서(300)는 신호의 크기 및 감지 방향과 관련하여 교정되거나 조정될 수 있다. 한 실시예에서는 단계 B에서, 특히 규칙적이며 수회 반복되는 이미지 패턴(410)을 갖는 객체(400)가 제공된다.

도 4는 요 레이트 센서의 제1 프로파일과 카메라의 제2 운동 프로파일을 비교해서 보여준다. 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420)의 비교를 통해 요 레이트 센서의 교정 매개변수, 예컨대 오프셋 및 감도, 그리고 카메라와 관성 센서들 사이의 대기 시간도 검출될 수 있다.

본 발명의 구체적인 적용 사례 중 하나는 카메라 및 관성 센서들이 장착된 스마트폰이다. 스마트폰 상에서 "관성 센서의 교정" 및 "관성 센서의 자체 테스트"라는 메뉴 항목을 이용하여 애플리케이션 소프트웨어가 시작된다. 그러면 스마트폰의 메인 카메라가 도 2에 도시된 것과 같은 특수한 이미지 패턴 위에서 피벗된다. 이때, 관성 센서들의 측정 데이터들이 기록되어 제1 운동 프로파일이 생성된다. 이와 병행하여, 카메라 및 이미지 처리 장치를 이용하여 스마트폰의 운동이 검출되어, 관성 센서들의 좌표계로 환산된다. 이때, 제2 운동 프로파일이 생성된다. 제1 운동 프로파일과 제2 운동 프로파일의 비교를 통해, 즉, 관성 센서들의 측정값들의 운동 곡선과, 카메라 이미지들에 의해 계산된 운동과, 센서들을 위한 모델 접근법(model approach)의 상관을 통해, 예컨대 관성 센서들의 오프셋 및 감도뿐만 아니라, 카메라와 관성 센서들, 특히 요 레이트 센서들 사이의 대기 시간과 같은 교정 매개변수가 검출될 수 있다. 이 접근법은 자체 테스트 기능에도 매우 유사하게 적용된다. 가능한 소프트웨어 인터페이스의 일례가 도 4에 도시되어 있다. 필요한 이미지 패턴은 사용자에게 간단히 장치들과 프로그램들에 전자적으로, 그리고 인쇄물로서 첨부될 수 있다.

Claims

카메라(100), 처리 유닛(200), 및 하나 이상의 관성 센서(300)를 구비한 장치(10)로서, 상기 처리 유닛(200)은, 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)로부터 상기 장치(10)의 제1 운동 프로파일(320)을 검출하도록 구성되는, 장치에 있어서,
처리 유닛(200)은, 카메라(100)에 의해 관찰된 객체(400)의 이미지 데이터(40)로부터 상기 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(10).
제1항에 있어서, 처리 유닛(200)은, 카메라(100)에 의해 관찰된 2차원 객체(400)의 이미지 데이터(40)로부터 상기 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 처리 유닛(200)은, 제2 운동 프로파일(420)을 제1 운동 프로파일(320)과 비교하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제3항에 있어서, 처리 유닛(200)은, 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420)의 비교를 토대로 관성 센서(300)의 교정을 위한 교정 정보를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제3항에 있어서, 관성 센서(300)는 요 레이트 센서이고, 처리 유닛(200)은 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420)의 비교를 토대로 요 레이트 센서의 오프셋 교정을 위한 교정 정보를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제2항에 있어서, 처리 유닛(200)은 하나 이상의 관성 센서(300)의 감도를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법에 있어서,
(A) 카메라(100), 처리 유닛(200) 및 하나 이상의 관성 센서(300)를 구비한 장치(10)를 제공하는 단계와,
(B) 객체(400)를 제공하는 단계와,
(C) 객체(400)에 대해 상대적으로 장치(10)를 움직이는 단계와, (이때, 카메라(100)는 객체(400)를 항상 적어도 일시적으로, 그리고/또는 적어도 부분적으로 관찰하며, 이 경우,)
(D) 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)를 기록하고, 카메라(100)의 이미지 데이터(40)를 기록하는 단계와,
(E) 하나 이상의 관성 센서(300)의 운동 데이터(30)를 토대로 장치(10)의 제1 운동 프로파일(320)을 검출하는 단계와,
(F) 카메라(100)의 이미지 데이터(40)를 토대로 장치(10)의 제2 운동 프로파일(420)을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제7항에 따른 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법에 있어서, 단계 (B)에서 2차원 객체(400)의 제공이 실시되는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제7항 또는 제8항에 따른 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법에 있어서, 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420) 상호 간의 비교를 수행하는 단계(G)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 하나 이상의 관성 센서(300)의 교정 및/또는 자체 테스트가 수행되는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 제1 운동 프로파일(320)과 제2 운동 프로파일(420)의 상관을 통해, 카메라(100)와 하나 이상의 관성 센서(300) 사이의 대기 시간이 검출되는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제11항에 있어서, 카메라(100)와 하나 이상의 관성 센서(300) 사이의 대기 시간이 조정되는 것을 특징으로 하는, 관성 센서의 교정 및 자체 테스트를 위한 방법.
제7항 또는 제8항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 저장되어 있는 기계 판독 가능 매체.