KR20160143002A - 지자기 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지자기 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이 장치는 적어도 하나의 기울기 센서, 지자기 센서, 지자기 센서의 수평을 유지하는 수평 유지부, 지자기 센서를 미리 정해진 각도만큼씩 회전시키는 회전부, 그리고 지자기 센서가 수평을 유지하도록 수평 유지부를 제어하고 지자기 센서의 수평을 유지한 채 회전부를 제어하여 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면 적은 양의 데이터를 이용하여 지자기 센서의 캘리브레이션을 수행할 수 있으며 이로 인하여 자북 계산을 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

지자기 측정 장치 및 방법 {Apparatus and method for measuring geomagnetism}
본 발명은 지자기 센서를 캘리브레이션 하고 지자기를 측정하는 지자기 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
지자기계(magnetometer)는 일정한 위치에서 지구의 자기장을 측정하는 센서이다. 센서는 X, Y, Z축의 3차원 모든 방위에서 지자기를 측정하며, 같은 지점에서 여러 방향으로 센서를 회전하여 측정된 지자기 값은 3차원 타원형태를 띈다. 정확한 자북(Magnetic North)을 측정하기 위해서는 지자기계에서 측정된 데이터를 hard-iron과 soft-iron이라는 계산을 거쳐 반지름이 1인 완전한 구체로 변환하여야 한다.
2차원 평면에서는 이러한 작업은 단순한 타원의 X, Y축에 각각 계산된 상수를 곱하여 원으로 만들고(soft-iron) 원의 중심을 원점 (0, 0)으로 평행이동하여(hard-iron) 손쉽게 구할 수 있다. 하지만 3차원의 타원체를 변환하기 위해서는 매우 많은 양의 계산을 필요로 한다.
보통 hard-iron 및 soft-iron 작업을 위해서는 한 위치에서 지자기 센서를 수 차례 360도 회전시켜 타원을 이루는 데이터를 얻는다. 일반적으로 1도의 해상도로 데이터를 측정하나 요구사항에 따라 0.1도나 그 미만의 해상도로 데이터를 측정하는 경우도 있다.
그런데 평면에서 1도의 해상도로 측정된 (X, Y) 데이터는 360개이지만 0.1도인 경우는 3,600개로 급격히 늘어난다. 더구나 3차원 타원을 만들기 위해서는 1도의 해상도에서 129,600개, 0.1도는 12,960,000개의 (X, Y, Z) 데이터가 측정되어야 한다.
임베디드 시스템(embedded system)에서 데이터 저장을 위해 수 백 메가바이트의 메모리를 구비하는 것도 비용적으로 문제가 있고 이 데이터를 기준으로 3차원 공간에서 hard-iron 및 soft-iron 계산을 하는 것도 어려운 일이다.
공개특허공보 10-2014-0093111
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적은 양의 데이터를 사용하여 hard-iron 및 soft-iron 캘리브레이션을 수행할 수 있으며 이로 인하여 자북 계산을 효율적으로 수행할 수 있는 지자기 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지자기 측정 장치는, 중력에 대한 기울기를 측정하는 적어도 하나의 기울기 센서, 지자기를 측정하는 지자기 센서, 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 수평 유지부, 상기 지자기 센서의 캘리브레이션을 위하여 상기 지자기 센서를 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 360도 회전시키는 회전부, 그리고 상기 기울기 센서의 기울기 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서가 수평을 유지하도록 상기 수평 유지부를 제어하고, 상기 지자기 센서의 수평을 유지한 채 상기 회전부를 제어하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 제어부를 포함한다.
상기 수평 유지부는 상기 기울기 센서가 수평면에 대하여 기울어진 롤 및 피치 각도를 보상하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지할 수 있다.
상기 수평 유지부는 베이스 위에 장착되는 제1 프레임, 상기 제1 프레임의 모터의 회전에 따라 롤 방향으로 회전하는 제1 회전체, 상기 제1 회전체에 부착되는 제2 프레임, 그리고 상기 제2 프레임의 모터의 회전에 따라 피치 방향으로 회전하는 제2 회전체를 포함하고, 상기 회전부는 상기 제2 회전체에 부착되는 제3 프레임 및 상기 제3 프레임의 모터의 회전에 따라 요 방향으로 회전하는 턴테이블을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 회전부를 상기 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 상기 지자기 센서의 측정값을 추출하되 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 획득한 2차원 타원 형태의 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지자기 센서를 포함하는 지자기 측정 장치의 지자기 측정 방법은, 중력에 대한 기울기를 측정하는 단계, 상기 기울기 측정 단계에서 측정된 기울기 값을 이용하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 단계, 그리고 상기 지자기 센서의 수평을 유지한 채 상기 지자기 센서를 미리 정해진 각도만큼씩 회전시키면서 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 단계를 포함한다.
상기 수평 유지 단계는 상기 지자기 측정 장치의 베이스가 수평면에 대하여 기울어진 롤 및 피치 각도를 보상하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 캘리브레이션 단계는 상기 지자기 센서를 상기 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 상기 지자기 센서의 측정값을 추출하되 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 획득한 2차원 타원 형태의 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 지자기 측정 장치 및 방법에 의하면, 자동으로 지자기 센서의 수평을 유지하게 함으로써 지자기 센서의 캘리브레이션 측정 데이터로 3차원 타원체 형태에서 구체로 변환하는 캘리브레이션을 수행하지 않고 2차원 타원 형태에서 원으로 변환하는 캘리브레이션을 수행할 수 있으므로 지자기 센서의 측정 데이터를 기억하는 메모리 용량을 적게 할 수 있고, 또한 적은 양의 데이터를 사용하여 hard-iron 및 soft-iron 연산을 수행할 수 있으며 이로 인하여 자북 계산을 효율적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치를 기구적으로 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치의 캘리브레이션 방법을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치의 캘리브레이션 방법을 도시한 개략도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치를 기구적으로 도시한 개략도이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치(100)는 수평 유지부(110), 회전부(120), 적어도 하나의 기울기 센서(130), 지자기 센서(140), 제어부(150)를 포함한다.
지자기 센서(140)는 지자기를 측정하며 MEMS로 이루어질 수 있다.
기울기 센서(130)는 중력에 대한 기울기를 측정하며 가속도 센서 또는 자이로 센서일 수 있으며, MEMS로 이루어질 수 있다. 지자기 측정 장치(100)는 필요에 따라 2개 이상의 기울기 센서(130)를 구비할 수 있다.
수평 유지부(110)는 제1 구동부(112) 및 제2 구동부(126)를 포함하며, 기울기 센서(130)의 기울기를 이용하여 지자기 센서(140)가 자동으로 수평을 유지하도록 한다. 제1 구동부(112) 및 제2 구동부(116)는 모터를 포함하며 수평면에 대하여 기울어진 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도를 각각 보상하여 수평을 유지하도록 구동한다.
회전부(120)는 제3 구동부(122)를 포함하며, 지자기 센서(140)가 수평을 유지하면서 360도 회전할 수 있도록 한다. 제3 구동부(122)는 모터를 포함하며 1도, 0.1도 또는 미리 정해진 각도만큼씩 회전할 수 있도록 구동한다.
제어부(150)는 기울기 센서(130)로부터 기울기 측정값을 받아 수평 유지부(110)가 지자기 센서(140)의 수평을 유지할 수 있도록 제어하며, 이러한 상태에서 지자기 센서(140)가 미리 정해져 있는 각도만큼씩 회전하도록 회전부(120)를 제어하면서 지자기 센서(140)의 출력값을 측정하되 지자기 센서(140)를 360도 회전시켜 획득한 2차원 타원 형태의 측정값을 이용하여 지자기 센서(140)를 캘리브레이션 한다. 또한 제어부(150)는 캘리브레이션이 완료된 후 지자기 센서(140)의 수평을 유지하면서 지자기 센서(140)의 측정값을 이용하여 지자기 값을 산출한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 지자기 측정 장치(100)는 기구적으로 수평 유지부(110), 회전부(120), 지자기 센서(140), 베이스(160)를 포함한다. 수평 유지부(110)는 제1 프레임(113), 제1 회전체(114), 제2 프레임(117) 및 제2 회전체(118)를 포함하며, 회전부(120)는 제3 프레임(123) 및 턴테이블(125)을 포함한다. 물론 도 2에 도시한 지자기 측정 장치(100)는 예시적인 것으로서 이와 다른 구조 및 형태를 가질 수도 있다.
베이스(160)는 선박, 차량, 항공기, 로봇 등 움직이는 물체에 견고하게 부착되어 고정된다.
제1 프레임(113)은 베이스(160) 위에 장착되며, 그 내부에 제1 구동부(112)가 배치된다. 제1 구동부(112)의 모터는 제1 회전체(114)에 연결되며 제1 구동부(112)의 모터가 회전하면 제1 프레임(113)은 움직이지 않으나 제1 회전체(114)가 수평면에 대하여 롤 방향으로 회전한다. 제1 회전체(114) 위에 제2 프레임(117)이 견고하게 부착되며, 제1 회전체(114)가 회전함에 따라 제2 프레임(117)도 동일한 방향으로 함께 회전한다.
제2 프레임(117) 내부에 제2 구동부(116)가 배치되며, 제2 구동부(116)의 모터는 제2 회전체(118)에 연결된다. 제2 구동부(116)의 모터가 회전하면 이에 의하여 제2 프레임(117)은 움직이지 않으나 제2 회전체(118)가 수평면에 대하여 피치 방향으로 회전한다.
제1 구동부(112) 및 제2 구동부(116)의 모터축이 서로 직교하거나 제1 회전체(114) 및 제2 회전체(118)의 회전축이 서로 직교하도록 배치된다.
제2 회전체(118) 위에 제3 프레임(123)이 견고하게 부착되며, 제2 회전체가(118)가 회전함에 따라 제3 프레임(123)도 동일한 방향으로 함께 회전한다.
제1 회전체(114) 및 제2 회전체(118)가 수평면에 대하여 기울어진 롤 및 피치 각도를 보상하도록 제어되므로 결국 제2 회전체(118)의 상단 및 제3 프레임(123)은 수평을 유지한다.
제3 프레임(123) 내부에 제3 구동부(122)가 배치되며, 제3 구동부(122)의 모터는 턴테이블(125)에 연결된다. 제3 구동부(122)의 모터축은 수평면에 대하여 수직 방향으로 배치되며, 따라서 제3 구동부(122)의 모터가 회전함에 따라 턴테이블(125)이 요(yaw) 방향으로 회전한다.
지자기 센서(140)는 턴테이블(125) 위에 장착되어 턴테이블(125)이 회전함에 따라 동일한 방향으로 함께 회전한다.
베이스(160)가 부착된 선박, 차량, 항공기, 로봇 등이 움직임에 따라 베이스(160)의 수평면에 대한 기울기도 수시로 바뀌지만, 수평 유지부(110)에 의하여 자동으로 제2 회전체(118)의 상단, 회전부(120) 및 지자기 센서(140)가 수평을 유지할 수 있다.
기울기 센서(130)는 제1 내지 제3 프레임(113, 117, 123) 중 어느 하나의 내부에 위치하거나 외부에 부착될 수 있으며, 복수의 기울기 센서(130)가 채용되는 경우 각 프레임에 나뉘어 위치할 수 있다. 제어부(150)는 도 2에 도시한 지자기 측정 장치(100)의 임의의 부분에 위치하거나 외부에 위치할 수 있다.
그러면 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 지자기 측정 장치(100)의 지자기 측정 방법에 대하여 설명한다.
먼저 지자기 측정 장치(100)는 기울기 센서(130)로부터 중력에 대한 기울기를 측정한다. 그리고 측정된 기울기를 이용하여 자동으로 지자기 센서(140)의 수평을 유지한다(S310). 수평 유지부(110)의 제1 및 제2 구동부(112, 116)는 각각 제어부(150)의 제어에 따라 베이스(160)가 수평면에 대하여 기울어진 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도를 각각 보상하여 수평을 유지하도록 구동한다.
다음으로 지자기 센서(140)를 수평으로 유지하면서 지자기 센서(140)를 캘리브레이션 한다(S320). 회전부(120)는 제어부(150)의 제어에 따라 1도, 0.1도 또는 미리 정해진 각도만큼씩 회전하며 지자기 센서(140)로부터 지자기를 측정하되 지자기 센서(140)를 360도 회전시켜 획득한 측정값을 이용하여 지자기 센서(140)를 캘리브레이션 한다.
이렇게 측정된 지자기 센서(140)의 측정값은 XY-평면에서 타원 형태가 된다. 그런 후, 도 4에 도시한 것처럼 지자기 센서(140)로부터 측정된 타원에 대하여 X, Y축에 각각 계산된 상수를 곱하여 반지름이 1인 원으로 만들고(soft-iron), 도 5에 도시한 것처럼 원의 중심을 원점 (0, 0)으로 평행이동하여(hard-iron) 지자기 센서(140)를 캘리브레이션 한다.
캘리브레이션이 완료되면 수평이 유지된 지자기 센서(140)의 측정값을 이용하여 지자기 값을 산출한다(S330).
본 발명에 따른 지자기 측정 방법에 의하면, 자동으로 지자기 센서(140)의 수평을 유지하게 함으로써 지자기 센서(140)의 캘리브레이션 측정 데이터로 3차원 타원체에서 구체로 변환하는 캘리브레이션을 수행하지 않고 2차원 평면의 타원에서 원으로 변환하는 캘리브레이션만 수행하면 되므로 지자기 센서(140)의 측정 데이터를 기억하는 메모리 용량이 적어지고, 또한 캘리브레이션을 위한 계산량도 적어지게 된다.
예를 들어 1도 단위로 캘리브레이션을 수행하는 경우 3차원 타원체에 대한 캘리브레이션 측정 데이터는 129,600개이나, 2차원 타원에 대한 캘리브레이션 측정 데이터는 360개에 불과하며, 0.1도 단위로 캘리브레이션을 수행하는 경우 3차원 타원체에 대한 캘리브레이션 측정 데이터는 12,960,000개이나, 2차원 타원에 대한 캘리브레이션 측정 데이터는 3,600개에 불과하게 된다.
본 발명에 따른 지자기 측정 장치 또는 지자기 측정 방법은 자동으로 수평을 유지해 주는 원리를 이용하여 지자기 센서의 캘리브레이션을 효율적으로 할 수 있게 하며 지자기 및 자북 측정을 할 수 있도록 하는 것으로서, 전자 나침반이나 게임기구, 선박, 자동차, 항공기, 로봇 등 지자기 또는 자북 측정을 요구하는 장치에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 지자기 측정 장치, 110: 수평 유지부,
112: 제1 구동부, 113: 제1 프레임,
114: 제1 회전체, 116: 제2 구동부,
117: 제2 프레임, 118: 제2 회전체,
120: 회전부, 122: 제3 구동부,
123: 제3 프레임, 125: 턴테이블,
130: 기울기 센서, 140: 지자기 센서,
150: 제어부, 160: 베이스

Claims (7)

  1. 중력에 대한 기울기를 측정하는 적어도 하나의 기울기 센서,
    지자기를 측정하는 지자기 센서,
    상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 수평 유지부,
    상기 지자기 센서의 캘리브레이션을 위하여 상기 지자기 센서를 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 360도 회전시키는 회전부, 그리고
    상기 기울기 센서의 기울기 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서가 수평을 유지하도록 상기 수평 유지부를 제어하고, 상기 지자기 센서의 수평을 유지한 채 상기 회전부를 제어하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 제어부
    를 포함하는 지자기 측정 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 수평 유지부는 상기 기울기 센서가 수평면에 대하여 기울어진 롤 및 피치 각도를 보상하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 지자기 측정 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 수평 유지부는 베이스 위에 장착되는 제1 프레임, 상기 제1 프레임의 모터의 회전에 따라 롤 방향으로 회전하는 제1 회전체, 상기 제1 회전체에 부착되는 제2 프레임, 그리고 상기 제2 프레임의 모터의 회전에 따라 피치 방향으로 회전하는 제2 회전체를 포함하고,
    상기 회전부는 상기 제2 회전체에 부착되는 제3 프레임 및 상기 제3 프레임의 모터의 회전에 따라 요 방향으로 회전하는 턴테이블을 포함하는
    지자기 측정 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 제어부는 상기 회전부를 상기 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 상기 지자기 센서의 측정값을 추출하되 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 획득한 2차원 타원 형태의 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 지자기 측정 장치.
  5. 지자기 센서를 포함하는 지자기 측정 장치의 지자기 측정 방법으로서,
    중력에 대한 기울기를 측정하는 단계,
    상기 기울기 측정 단계에서 측정된 기울기 값을 이용하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 단계, 그리고
    상기 지자기 센서의 수평을 유지한 채 상기 지자기 센서를 미리 정해진 각도만큼씩 회전시키면서 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 단계
    를 포함하는 지자기 측정 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 수평 유지 단계는 상기 지자기 측정 장치의 베이스가 수평면에 대하여 기울어진 롤 및 피치 각도를 보상하여 상기 지자기 센서의 수평을 유지하는 단계를 포함하는 지자기 측정 방법.
  7. 제5항에서,
    상기 캘리브레이션 단계는 상기 지자기 센서를 상기 미리 정해진 각도만큼씩 회전시켜 상기 지자기 센서의 측정값을 추출하되 상기 지자기 센서를 360도 회전시켜 획득한 2차원 타원 형태의 측정값을 이용하여 상기 지자기 센서를 캘리브레이션 하는 단계를 포함하는 지자기 측정 방법.
KR1020150078972A 2015-06-04 2015-06-04 지자기 측정 장치 및 방법 KR101721924B1 (ko)

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