KR20170094851A - 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3축 방향에 대한 가속도를 감지하여 안테나와 같은 장치의 자세 제어를 수행하는 자이로센서의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 기울기센서와 연동하여 자이로센서의 캘리브레이션을 수행하며, 특히 센서가 구비된 센서보드를 세워 Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 자이로센서도 기울기센서와 연동하여 캘리브레이션이 가능해지는 자이로센서의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

Description

기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법{Calibration method for gyro sensor using tilt sensor}
본 발명은 3축 방향에 대한 가속도를 감지하여 안테나와 같은 장치의 자세 제어를 수행하는 자이로센서의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자이로센서의 캘리브레이션 시 중력에 대한 기울기를 측정하는 기울기센서와 연동함으로써 캘리브레이션 정확도를 매우 향상시킨 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
차량 또는 선박 등에 장착되는 이동형 위성 추적 안테나 시스템은 안테나의 높은 이득으로 인하여 센서를 이용한 자세 제어를 통해 안테나부가 항상 위성 방향을 향하도록 제어된다.
구체적으로, 이동형 위성 추적 안테나 시스템에 탑재되는 센서는 복수개의 자이로센서(gyro sensor)와 기울기센서(tilt sensor)로, 안테나부가 3축 방향에 대해 각각 얼마나 기울어졌는지 각 방향에 대한 움직임을 감지하여 구동부로 하여금 안테나부의 자세 제어를 할 수 있도록 한다. 이때, 추가적으로 지자기 센서나 고도 센서를 추가하여 부가적인 정보를 얻기도 한다.
이와 관련된 기술이 국내공개특허 제 2010-0005346호가 개시된 바 있다. 상기 종래 기술은 기울기를 감지하는 기울기센서(틸트센서)와 풍압 자세 제어를 수행하는 자이로센서를 이용함으로써, 안테나가 위성에 대한 지향을 유지하고 위성을 정확하게 추적할 수 있도록 하는 안테나 안정화 장치에 관한 것이다.
그러나, 상기 종래 기술에는 센서의 영점조정(Calibration)에 대한 내용은 개시되어 있지 않다. 기울기센서의 경우 따로 캘리브레이션을 하지 않아도 오차율이 거의 없어 문제가 없지만, 자이로센서의 경우 주변의 온도, 습도 등 외부 환경에 따라 출력되는 값이 미세하게 달라지는 특성이 있어, 사용 전에 캘리브레이션 작업이 필요로 된다.
자이로센서를 캘리브레이션 하기 위해서는 외부 움직임이 없는 상태여야만 한다. 따라서, 종래의 이동형 위성 추적 안테나의 경우 캘리브레이션 시 움직임이 발생하면 메모리에서 초기 디폴트(default)값을 불러오는 방법을 적용하고 있다. 이러한 방법은 외부 환경 변화가 반영되지 못하기 때문에 자이로센서의 출력값에 오차가 발생될 수밖에 없는 문제가 있다.
이와 같이, 캘리브레이션이 잘 되지 않았을 경우 이와 연동되어 작동하는 이동형 위성 추적 안테나 시스템의 추적 정확도가 급격히 저하되는 문제점이 있다.
국내공개특허 제 2010-0005346호("안테나 안정화 장치", 공개일 : 2010.01.15.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기울기센서와 연동하여 자이로센서의 캘리브레이션을 수행함으로써 캘리브레이션 중 미세한 움직임이 발생하는 경우에도 오차가 거의 없이 자이로센서의 캘리브레이션을 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 대상물체에 부착 설치되는 센서보드 상에 구비되어 중력에 대해 기울어짐을 감지하는 기울기센서를 이용하여, 상기 센서보드 상에 구비되어 상기 센서보드를 기준으로 X축, Y축, Z축 방향에 대한 각속도를 각각 감지하는 3개의 자이로센서를 캘리브레이션 하는 방법은 상기 대상물체를 구동하는 구동부에 전원이 인가되는 a)단계(S100); 상기 기울기센서에 의해 상기 센서보드가 지면에 대해 수평인 상태로 유지되는 b)단계(S200); 상기 대상물체의 움직임 여부가 판단되는 단계(S300); 및 d) 움직임이 있는 경우(S300-Y), 상기 기울기센서의 출력값을 반영하여 상기 자이로센서가 캘리브레이션 되는 c)단계(S410);를 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 대상물체에 움직임이 있는 경우(S300-Y), 상기 d)단계는 상기 기울기센서로부터 수신된 기울기 데이터를 이용하여 X축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 1자이로센서와 Y축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 2자이로센서의 영점이 설정되는 d-1)단계(S411); 수평 상태의 상기 센서보드를 세워 수직 상태로 변경하는 d-2)단계(S412); 및 상기 기울기센서로부터 수신된 기울기 데이터를 이용하여 Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 3자이로센서의 영점이 설정되는 d-3)단계(S413);를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 c)단계에서 일정 시간 동안 상기 자이로센서 출력값에 변동이 있는 경우 움직임이 있다고 판단되며, 출력값이 일정한 경우 움직임이 없다고 판단될 수 있다.
마지막으로, 상기 대상물체에 움직임이 없는 경우(S30-N) 상기 d)단계는, 상기 c)단계에서 수신된 각각의 자이로센서 출력값이 영점으로 설정되는 단계(S420);를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 기울기센서와 연동하여 자이로센서의 캘리브레이션을 수행하며, 특히 센서가 구비된 센서보드를 세워 Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 자이로센서도 기울기센서와 연동하여 캘리브레이션을 수행할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 외무 움직임이 있는 경우에도 정확하게 자이로센서의 캘리브레이션이 가능함에 따라 외부 환경 변화에 따른 오차가 거의 없어, 위성 추적 안테나 시스템에 적용할 경우 추적 정확도가 매우 우수해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 캘리브레이션을 수행하기 위한 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 캘리브레이션 방법의 순서도.
도 3 및 4는 본 발명의 일실시예에 따른 센서보드의 회전 및 방향을 도시한 일예.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서(110)의 캘리브레이션을 수행하기 위한 장치(100)의 개략 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서(110)의 캘리브레이션 방법의 순서도이고, 도 3 및 4는 본 발명의 일실시예에 따른 센서보드(10)의 회전 및 방향을 도시한 예이다.
먼저 도 1을 참조하여 캘리브레이션을 위한 장치(100)의 구성을 간단히 설명한 이후, 본 발명의 자이로센서 캘리브레이션 방법을 단계적으로 설명한다.
먼저, 대상물체의 자세를 제어하기 위해서는 여러 센서들을 포함하여 구성되는 센서보드(10)가 대상물체에 부착 설치되어, 대상물체의 움직임을 감지함과 동시에 감지된 움직임에 대응되는 신호를 대상물체 구동부로 전달하여 대상물체의 자세를 제어한다.
구체적인 예로, 상기 대상물체는 항상 위성 방향을 향하도록 제어되는 이동형 위성 추적 안테나 시스템의 안테나부일 수 있다. 안테나의 이득을 최대로 하기 위해서는 외부의 움직임이 있더라도 항상 안테나부가 위성을 향하도록 제어되어야만 하므로, 각종 센서들이 포함된 센서보드가 안테나부의 일정 위치에 구비되어 안테나부의 자세를 제어하는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이 센서보드(10) 상에는 센서보드(10)를 기준으로 X축, Y축, Z축 방향을 설정하였을 때, 각 방향에 대한 각속도(회전)를 각각 감지하는 제 1자이로센서(111), 제 2자이로센서(112), 제 3자이로센서(113)가 구비된다. 이때, 본 명세서 상에서 X축, Y축, Z축 방향은 센서보드(10)를 기준으로 설정한 3축을 의미하며, 또한 센서보드(10)가 배치된 평면을 기준면으로 설정한다.
구체적으로, 제 1자이로센서(111)는 센서보드(10)의 Y축 방향과 평행하고 상기 기준면에 대해 수직하게 배치되며, X축 방향을 기준으로 각속도(회전)를 감지한다. 또한, 제 2자이로센서(112)는 센서보드(10)의 X축 방향과 평행하고 상기 기준면에 대해 수직하게 배치되며, Y축 방향을 기준으로 각속도를 감지한다. 마지막으로, 제 3자이로센서(113)는 기준면 상에 수평하게 배치된다. 또한, 상기 3개의 자이로센서(110)와 더불어 센서보드(10) 상에는 중력에 대한 기울어짐을 감지하는 기울기센서(120)가 포함된다.
본 발명에서는 센서들로부터 출력되는 신호를 제어부(130)가 수신하며, 제어부(130)는 대상물체의 자세를 제어하기 위해 상기 수신된 신호를 바탕으로 대상물체 구동부로 신호를 인가하게 된다. 또한, 제어부(130)는 센서보드(10)의 자세를 제어하는 모터(140)와도 연결되며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
본 발명은 대상 물체의 자세 제어를 위한 센서, 특히 자이로센서(110)의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 자이로센서 캘리브레이션 시 기울기센서(120)를 이용함으로써 캘리브레이션 도중 외부의 움직임이 발생하여도 오차가 거의 없는 캘리브레이션 방법에 대한 것이다.
캘리브레이션이란 센서의 영점을 보정하는 것을 의미하는 것으로, 일반적으로 자이로센서는 회전 정도에 따라 0 ~ 5V 범위의 전압이 출력되는 센서이다. 출력 전압은 A-D 변환을 통해 제어부(130)에서는 0 ~ 1024의 숫자로 인식하게 된다. 자이로센서의 출력값이 중간값인 512일 때 움직임이 없다고 판단하며, 512값을 영점으로 설정한다.
이상적으로는 센서(110)에 전원이 인가되었을 때 움직임이 없다면 512값이 수신되어야 하나, 주변 환경(온도, 습도 등)의 영향에 따라 움직임이 없더라도, 512값이 출력되지 않고 예를 들어 505 값이 출력되어 영점으로 설정될 수도 있는 것이다.
이와 같이, 외부 환경에 의한 오차를 보상하기 위해 자이로센서(110)는 초기 캘리브레이션되는 것이 바람직하며, 이하 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 캘리브레이션 방법을 단계적으로 설명한다.
도 2에 도시된 것처럼, 대상물체를 구동하는 구동부에 전원이 인가되면(S100), 센서들은 측정값을 출력하게 된다. 이때, 기울기센서(120)에 의해 센서보드(10)가 지면에 대해 수평인 상태로 유지된다(S200). 기울기센서(120)는 상술한 것처럼 캘리브레이션 없이도 거의 정확한 값을 출력하므로, 제어부(130)가 기울기센서(120)로부터 수신된 값을 이용하여 지면에 대해 기울어진 정도를 파악하여 센서보드(10)를 수평 상태로 유지시키는 것이다.
이후, 제어부(130)는 대상물체의 움직임 여부를 판단한다(S300). 이때, 대상물체의 움직임 여부는 각 자이로센서(110) 출력값에 의해 결정되는 것으로, 일정 시간 동안 적어도 하나의 자이로센서(110) 출력값에 변동이 있는 경우 움직임이 있다고 판단하며, 출력값이 일정한 경우 움직임이 없다고 판단하게 된다.
만약, 대상물체에 움직임이 없는 경우(S300-N), 기수신된 자이로센서(110)의 출력값이 일정한 것이므로 수신된 각각의 출력값을 영점으로 설정한다(S420).
그러나, 대상물체에 움직임이 있는 경우에는(S300-Y), 기울기센서(120)의 출력값을 반영하여 자이로센서(110)의 캘리브레이션을 수행한다(S410). 이 과정은 도시된 바와 같이 3단계로 이루어질 수 있다.
먼저 기울기센서(120)로부터 수신된 출력값(중력 방향에 대한 기울기 정도)을 이용하여 X축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 1자이로센서(111)와 Y축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 2자이로센서(112)의 영점이 설정될 수 있다(S411).
즉, 도 3과 같이 센서보드(10)가 위치하는 경우, 기울기센서(120)는 X축 방향 및 Y축 방향에 대한 기울기 측정이 가능하므로, 각각 측정값에 대응되는 제 1자이로센서(111)와 제 2자이로센서(112)의 영점 설정이 가능하다.
한편, 센서보드(10)는 수평 상태로 유지되고 있는 것이므로, 제 1자이로센서(111) 및 제 2자이로센서(112)의 캘리브레이션(S411)은 움직임 여부 판단 이전 단계에서 자동 수행될 수도 있음은 물론이다.
그러나, Z축 방향에 대한 기울기는 기울기센서(120)의 감지 영역 밖으로, 제 3자이로센서(113)는 이 단계에서 캘리브레이션이 불가능하다.
본 발명에서는 상기한 문제를 해결하기 위하여, 제 1자이로센서(111)와 제 2자이로센서(112) 캘리브레이션을 수행한 이후, 제어부(130)가 모터(140)에 신호를 인가하여 센서보드(10)를 세워 수평 상태에서 수직 상태로 변경하는 단계(S412)가 수행된다. 즉, 센서보드(10)가 도 3에 도시된 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이 90도 회전되는 것이다.
이때, 본 발명에서 X축, Y축, Z축은 센서보드(10)를 기준으로 설정한 것이므로, 도 4와 같이 배치된다.
한편, 기울기센서(120)는 중력 방향에 대한 기울어짐을 감지하는 센서이므로, 도 4와 같이 센서보드(10)가 수직상태가 되면 기울기센서(120)는 Z축에 대한 기울기를 측정할 수 있게 된다.
따라서, 마지막으로 제어부(130)는 기울기센서(120)로부터 수신된 측정값을 이용하여, Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 3자이로센서(113)의 영점을 설정할 수 있게 된다.
즉, 센서보드(10)가 지면에 대해 수평인 상태에서는 기울기센서(120)와 연동하지 못하여 정확한 캘리브레이션이 불가능하였지만, 센서보드(10)를 수직으로 세운 후 기울기센서(120)와 연동함으로써, 제 1 자이로센서(111) 및 제 2자이로센서(112)와 더불어 제 3자이로센서(113)도 캘리브레이션이 가능해진다.
이때, 제어부(130)는 제 3자이로센서(113)의 캘리브레이션을 위해 센서보드(10)를 수직 상태로 변경하는 과정에서도 대상물체의 자세를 제어하여 외부 움직임에 대응하여 대상물체가 움직이도록 제어한다. 따라서, 외부 움직임이 있더라도 효과적으로 제 3자이로센서(113)의 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다.
종래에는 외부 움직임이 있는 경우 자이로센서의 캘리브레이션을 수행하지 못하여, 기저장된 default값을 영점으로 설정함에 따라 대상물체의 정확한 자세 제어가 불가능하였다.
본 발명은 상술한 바와 같은 일련의 단계들을 통해 기울기센서(120)와 연동하여 자이로센서(110)의 캘리브레이션을 수행하며, 특히 센서가 구비된 센서보드(10)를 세워 Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 자이로센서(113)도 기울기센서(120)와 연동하여 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다.
따라서, 외무 움직임이 있는 경우에도 정확하게 자이로센서의 캘리브레이션이 가능함에 따라 외부 환경 변화에 따른 오차가 거의 없어, 위성 추적 안테나 시스템에 적용할 경우 추적 정확도가 매우 우수해지는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 센서보드
100 : 캘리브레이션 장치
110 : 자이로센서
120 : 기울기센서
130 : 제어부
140 : 모터

Claims (4)

  1. 대상물체에 부착 설치되는 센서보드 상에 구비되어 중력에 대해 기울어짐을 감지하는 기울기센서를 이용하여, 상기 센서보드 상에 구비되어 상기 센서보드를 기준으로 X축, Y축, Z축 방향에 대한 각속도를 각각 감지하는 3개의 자이로센서를 캘리브레이션 하는 방법에 있어서,
    a) 상기 대상물체를 구동하는 구동부에 전원이 인가되는 단계(S100);
    b) 상기 기울기센서에 의해 상기 센서보드가 지면에 대해 수평인 상태로 유지되는 단계(S200);
    c) 상기 대상물체의 움직임 여부가 판단되는 단계(S300); 및
    d) 움직임이 있는 경우(S300-Y), 상기 기울기센서의 출력값을 반영하여 상기 자이로센서가 캘리브레이션 되는 단계(S410);
    를 포함하여 이루어지는 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 대상물체에 움직임이 있는 경우(S300-Y), 상기 d)단계는,
    d-1) 상기 기울기센서로부터 수신된 기울기 데이터를 이용하여, X축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 1자이로센서와 Y축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 2자이로센서의 영점이 설정되는 단계(S411);
    d-2) 수평 상태의 상기 센서보드를 세워 수직 상태로 변경하는 단계(S412); 및
    d-3) 상기 기울기센서로부터 수신된 기울기 데이터를 이용하여, Z축 방향에 대한 회전을 감지하는 제 3자이로센서의 영점이 설정되는 단계(S413);
    를 포함하여 이루어지는 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 c)단계는,
    일정 시간 동안 상기 자이로센서 출력값에 변동이 있는 경우 움직임이 있다고 판단되며, 출력값이 일정한 경우 움직임이 없다고 판단되는 것을 특징으로 하는 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 대상물체에 움직임이 없는 경우(S30-N) 상기 d)단계는,
    상기 c)단계에서 수신된 각각의 자이로센서 출력값이 영점으로 설정되는 단계(S420);
    를 포함하여 이루어지는 기울기센서를 이용한 자이로센서의 캘리브레이션 방법.
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