KR20170021663A

KR20170021663A - 직교성 보정된 3축 자력계

Info

Publication number: KR20170021663A
Application number: KR1020150116310A
Authority: KR
Inventors: 손대락
Original assignee: 손대락
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2017-02-28

Abstract

본 발명은 드론에 탑재 가능한 초속형 경량의 직교성 보정된 3축 자력계를 제공할 수 있어, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능하다.

Description

직교성 보정된 3축 자력계{Orthogonality corrected 3-axis magnetometer}

본 발명은 자기장 세기 측정 기술에 관련한 것으로, 특히 직교성 보정된 3축 자력계에 관한 것이다.

MAD(Magnetic Anomaly Detection) 기술은 군사적인 목적 뿐만 아니라 지질학적인 목적으로 사용되고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2012-0133709호(2012. 12. 11) 등에서 플럭스게이트(Fluxgate)를 이용한 자력계를 제안하고 있다.

항공기 분야에서는 정교한 직교성을 가지지 못할 경우 항공기가 흔들리게 되므로, 3축 플럭스게이트 자력계가 사용되지 못하고, 스칼라 자력계가 사용되어 왔다. 최근 작은 크기의 드론(Drone)이 군사용 항공기들을 대체하고 있는 추세이다.

따라서, 본 발명자는 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등에 이용되는 작은 크기의 드론에 탑재할 수 있는 직교성 보정된 3축 자력계에 대한 연구를 하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0133709호(2012. 12. 11)

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등에 사용되는 작은 크기의 드론에 탑재할 수 있는 직교성 보정된 3축 자력계를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 직교성 보정된 3축 자력계가 서로 직교하도록 설치되는 3개의 x, y, z축 자력계와; 상기 3개의 x, y, z축 자력계 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정하는 3개의 측정회로부와; 상기 3개의 측정회로부에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정하는 제어부를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제어부가 상기 3개의 측정회로부에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제어부가 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 직교성 보정을 위한 행렬은 상기 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성이 보장되는 3축의 자기장안에서 실험적으로 구해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 x, y, z축 자력계가 플럭스게이트인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 각 측정회로부가 특정 주파수 신호를 출력하는 오실레이터와; 상기 오실레이터에 의해 출력되는 특정 주파수 신호를 증폭하여 플럭스게이트의 제1권선에 인가하는 증폭기와; 플럭스게이트의 제2권선에 의해 유도되는 전류에 의해 보상 자기장을 발생시키는 보상권선과; 상기 오실레이터로부터 특정 주파수 신호를 전달받아 상기 보상권선에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력을 반송 주파수 신호로 변조하여 출력하는 복조기와; 상기 복조기에 의해 출력되는 반송 주파수 신호를 저역 필터링하여 출력하는 저역필터와; 상기 저역필터에 의해 저역 필터링된 신호와 기준신호를 비교하여 출력하는 피드백 증폭기와; 상기 피드백 증폭기에 의해 출력되는 아날로그 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD컨버터를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 드론에 탑재 가능한 초속형 경량의 직교성 보정된 3축 자력계를 제공할 수 있어, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능한 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 직교성 보정된 3축 자력계의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 직교성 보정된 3축 자력계의 측정회로부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 직교성 보정된 3축 자력계의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 직교성 보정된 3축 자력계(100)는 3개의 x, y, z축 자력계(110)와, 3개의 측정회로부(120)와, 제어부(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 3개의 x, y, z축 자력계(110)는 서로 직교하도록 설치된다. 예컨대, 3개의 x, y, z축 자력계(110)가 3개의 x, y, z축 플럭스게이트일 수 있다. 3개의 x, y, z축 플럭스게이트는 제1권선(111)과 제2권선(112)을 포함한다. 예컨대, 3개의 x, y, z축 플럭스게이트가 균일한 자기장을 발생시키는 헬름홀츠 코일(Helmhiltz coil)로 구현될 수 있다.

자기 소스(Magnetic source)에 의한 외부 자기장이 3개의 x, y, z축 플럭스게이트의 제1권선(111)과 제2권선(112)에 인가되면, 외부 자기장에 따른 전압신호가 각각 3개의 x, y, z축 플럭스게이트로부터 출력된다.

상기 3개의 측정회로부(120)는 상기 3개의 x, y, z축 자력계(110) 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정한다.

상기 제어부(130)는 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정한다.

예컨대, 3개의 x, y, z축 플럭스게이트가 솔레노이드로 구현된 경우, 솔레노이드 코일간의 직교성이 0.1도 이상일 경우 제어부(130)가 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정하도록 구현될 수 있다.

3개의 x, y, z축 자력계(110)에 의해 각각 센싱되어 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 자기장 세기가 B_mx, B_my, B_mz이라면, 3개의 x, y, z축 자력계(110)가 직교성이 있을 경우, 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 회전에 상관없이 자기장의 크기(Magnetitude) 값인 B_mt는 일정하다.

그러나, 3개의 x, y, z축 자력계(110)가 직교성이 없다면, 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 회전에 따라 자기장의 크기인 B_mt가 상이해진다.

상기 제어부(130)는 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 행렬 연산을 통해 보정한다.

먼저, 상기 제어부(130)는 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구한다.

위 식에서, B_cx, B_cy, B_cz는 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값이고, T₁₁ 내지 T₃₃은 직교성 보정을 위한 행렬의 인자들로, 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성이 보장되는 3축의 자기장안에서 실험적으로 구해질 수 있는 값들이다.

상기 제어부(130)는 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득한다.

직교성 보정된 자기장 세기 B_ct는 3개의 x, y, z축 자력계(110)의 직교성 오차에 상관없이 일정한 값이 된다. 직교성 보정된 자기장 크기 B_ct는 RS232C 등의 통신 인터페이스를 통해 드론의 주제어부(도면 도시 생략)로 전달될 수 있다.

이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 드론에 탑재 가능한 초속형 경량의 직교성 보정된 3축 자력계를 제공할 수 있어, 지하매설물이나 수중물체, 지질 구조 파악이나 지질 탐사 등이 가능해진다.

도 2 는 본 발명에 따른 직교성 보정된 3축 자력계의 측정회로부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도로, x,y,z 축 자력계로 플럭스게이트를 사용한 실시예이다. 도 2 에 도시한 바와 같이, 측정회로부(120)는 오실레이터(121)와, 증폭기(122)와, 보상권선(123)과, 복조기(124)와, 저역필터(125)와, 피드백 증폭기(126)와, AD컨버터(127)를 포함하여 이루어진다.

상기 오실레이터(121)는 특정 주파수 신호를 출력한다.

상기 증폭기(122)는 상기 오실레이터(121)에 의해 출력되는 특정 주파수 신호를 증폭하여 플럭스게이트의 제1권선(111)에 인가한다.

자기 소스(Magnetic source)에 의한 외부 자기장이 3개의 x, y, z축 플럭스게이트의 제1권선(111)과 제2권선(112)에 인가되면, 상기 보상권선(123)은 플럭스게이트의 제2권선(112)에 의해 유도되는 전류에 의해 보상 자기장을 발생시켜 외부 자기장에 따른 전압신호가 출력된다.

이 때, 보상권선(123)은 제2권선(112)에 의해 전류가 유도되어 흐르게 되고 이로 인해 보상권선(123)은 보상 자계를 발생시켜 플럭스 게이트에 인가되도록 함으로써 보상 자계가 외부자계를 상쇄하는 방향으로 인가한다. 따라서, 3축 플럭스 게이트 자력계의 특성이 파괴되는 것을 방지하여 센서의 동작 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.

상기 복조기(124)는 상기 오실레이터(121)로부터 특정 주파수 신호를 전달받아 상기 보상권선(123)에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력을 반송 주파수 신호로 변조하여 출력한다.

상기 저역필터(125)는 상기 복조기(124)에 의해 출력되는 반송 주파수 신호를 저역 필터링하여 출력한다.

상기 피드백 증폭기(126)는 상기 저역필터(125)에 의해 저역 필터링된 신호와 기준신호를 비교하여 출력한다.

상기 AD컨버터(127)는 상기 피드백 증폭기(126)에 의해 출력되는 아날로그 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

상기 AD컨버터(127)에 의해 출력되는 디지털 신호가 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기이며, 제어부(130)는 상기 3개의 측정회로부(120)에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기를 이용해 위에 설명한 방법으로 x, y, z축 플럭스게이트의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정한다.

이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 드론에 탑재 가능한 초속형 경량의 직교성 보정된 3축 자력계를 제공할 수 있어, 정밀한 지질 구조 파악, 지질 탐사 등이 가능해진다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 자기장 크기 측정 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하며, 이 보정이론을 자기저항효과, 자기임피던스효과 등을 원리를 사용하고 있는 3축의 자력계에도 적용이 가능하다.

100 : 게이트 자력계
110 : 플럭스게이트
111 : 제1권선
112 : 제2권선
120 : 측정회로부
121 : 오실레이터
122 : 증폭기
123 : 보상권선
124 : 복조기
125 : 저역필터
126 : 피드백 증폭기
127 : AD컨버터
130 : 제어부

Claims

서로 직교하도록 설치되는 3개의 x, y, z축 자력계와;
상기 3개의 x, y, z축 자력계 각각에 의해 출력되는 외부 자기장에 따른 전압신호로부터 각각 자기장 세기를 측정하는 3개의 측정회로부와;
상기 3개의 측정회로부에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기에 대해 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성 오차에 의한 자기장 세기 오차를 보정하는 제어부를;
포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부가:
상기 3개의 측정회로부에 의해 각각 측정된 3개의 자기장 세기값을 직교성 보정을 위한 행렬과 행렬 연산하여 직교성 보정된 3개의 자기장 세기값을 구하는 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부가:
직교성 보정된 3개의 자기장 세기값 각각을 제곱하여 합산한 값을 루트 연산하여 직교성 보정된 자기장 크기를 획득하는 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.
제 2 항에 있어서,
상기 직교성 보정을 위한 행렬은:
상기 3개의 x, y, z축 자력계의 직교성이 보장되는 3축의 자기장안에서 실험적으로 구해지는 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 x, y, z축 자력계가:
플럭스게이트인 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.
제 5 항에 있어서,
상기 각 측정회로부가:
특정 주파수 신호를 출력하는 오실레이터와;
상기 오실레이터에 의해 출력되는 특정 주파수 신호를 증폭하여 플럭스게이트의 제1권선에 인가하는 증폭기와;
플럭스게이트의 제2권선에 의해 유도되는 전류에 의해 보상 자기장을 발생시키는 보상권선과;
상기 오실레이터로부터 특정 주파수 신호를 전달받아 상기 보상권선에 의해 발생된 보상 자기장에 의한 기전력을 반송 주파수 신호로 변조하여 출력하는 복조기와;
상기 복조기에 의해 출력되는 반송 주파수 신호를 저역 필터링하여 출력하는 저역필터와;
상기 저역필터에 의해 저역 필터링된 신호와 기준신호를 비교하여 출력하는 피드백 증폭기와;
상기 피드백 증폭기에 의해 출력되는 아날로그 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD컨버터를;
포함하는 것을 특징으로 하는 직교성 보정된 3축 자력계.