KR20210134597A - Method and apparatus for measuring position with multiple imu sensors - Google Patents

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KR20210134597A
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이승훈
전현욱
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김상호
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주식회사 로버
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Abstract

In the present invention, disclosed is a position measuring device that comprises a PCB substrate containing a primary MEMS-based IMU sensor, a plurality of secondary MEMS-based IMU sensors, and a temperature sensor; and a cooling means disposed under the PCB substrate. An object of the present invention is to realize a high-precision position measuring sensor while lowering the manufacturing cost.

Description

다중 IMU 센서를 이용한 위치 측정 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING POSITION WITH MULTIPLE IMU SENSORS}Position measurement method and device using multiple IMU sensors {METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING POSITION WITH MULTIPLE IMU SENSORS}

본 발명은 물체의 위치 및 자세 측정 센서에 관한 것으로서, 구체적으로는 다수의 IMU 센서를 이용한 위치 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor for measuring the position and posture of an object, and more particularly, to a method and apparatus for measuring a position using a plurality of IMU sensors.

4차 산업혁명 시대가 도래함에 따라 건설기계와 농기계에 텔레매틱스(telematics) 기술을 확대적용하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 이러한 텔레매틱스 기술의 적용이 시도됨에 따라 토목 공사 현장등에서는 건설 장비의 자동화/무인화에 따른 고정밀 위치/자세 측정센서에 대한 수요가 증대되고 있는 실정이다. 농업 기계 분야에서도 4차 산업 혁명에 따라 첨단 농업 기계의 개발이 이루어지고 있어서 역시 위치 측정 센서의 필요성이 어느때보다도 증대되고 있는 상황이다.With the advent of the 4th industrial revolution, various attempts are being made to expand and apply telematics technology to construction and agricultural machinery. As the application of such telematics technology is attempted, the demand for high-precision position/position measurement sensors according to the automation/unmanned construction of construction equipment is increasing at civil construction sites. In the agricultural machinery field, the need for a position measuring sensor is also increasing more than ever since the development of advanced agricultural machinery is being carried out according to the 4th industrial revolution.

건설 장비 및 농업 기계에 텔레매틱스 기술을 적용하기 위해서는 고정밀도의 위치 측정 장치가 필요하다.In order to apply telematics technology to construction equipment and agricultural machinery, high-precision positioning devices are required.

한편, 시장에는 이러한 요구에 부합하는 고정밀도의 위치 측정 장치가 많이 개발되어 있다. 그러나 이러한 고정밀도 위치 측정 센서는 그 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.On the other hand, many high-precision position measuring devices have been developed in the market to meet these needs. However, such a high-precision position measuring sensor has a disadvantage that its price is very high.

비용을 절감하기 위해서 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기반의 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서를 사용하고자 하는 경우에는 IMU 센서 내에 내장된 가속도계 및 자이로스코프의 오차로 인해 측정 정밀도가 크게 떨어진다는 단점을 갖는다.In the case of using an IMU (Inertial Measurement Unit) sensor based on MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) to reduce cost, there is a disadvantage in that the measurement accuracy is greatly reduced due to the errors of the accelerometer and gyroscope built into the IMU sensor. .

구체적으로 살펴보면, 자이로스코프(Gyroscope)는 가속도를 측정하는 가속도 센서와 달리 각속도를 측정한다. 각속도는 시간당 회전하는 각도를 의미한다. 자이로 센서의 측정원리는 다음과 같다.Specifically, a gyroscope measures angular velocity, unlike an acceleration sensor that measures acceleration. Angular velocity refers to the angle of rotation per hour. The measurement principle of the gyro sensor is as follows.

예를 들어, 물체가 수평한 상태(정지 상태)에서 각속도도 0도/sec이었고, 물체가 10초 동안 움직이면서 50도만큼 기울어졌다면, 10초 동안의 평균 각속도는 5도/sec가 된다. 각속도에서 각도를 구하려면 전체 시간에 대해 적분을 해야 한다. 자이로스코프는 이와 같이 각속도를 측정하여 전체 시간동안 이 각속도를 적분함으로써 기울어진 각도를 계산할 수 있다. 그런데 자이로스코프는 온도의 영향으로 오차가 발생하게 되는데, 이러한 오차는 적분 과정에서 누적되어 최종 값이 드리프트(drift)되는 현상이 생긴다. 따라서 자이로스코프는 온도센서도 함께 사용해서 오차를 보상해야 한다.For example, if the angular velocity is 0 degrees/sec in a horizontal state (stationary state), and the object is tilted by 50 degrees while moving for 10 seconds, the average angular velocity for 10 seconds is 5 degrees/sec. To find the angle from the angular velocity, you need to integrate it over the whole time. The gyroscope can calculate the tilt angle by measuring the angular velocity in this way and integrating the angular velocity over the entire time. However, an error occurs in the gyroscope due to the influence of temperature, and this error is accumulated during the integration process and the final value drifts. Therefore, the gyroscope must also use a temperature sensor to compensate for the error.

또한, 정지상태의 긴 시간의 관점에서 보면 가속도 센서에 의해 계산된 기울어진 각도는 올바른 값을 보여주지만 자이로스코프에서는 시간이 지날수록 틀린 값을 보인다. 반대로, 움직이는 짧은 시간의 관점에서 자이로스코프는 올바른 값을 보여주지만 가속도 센서는 기울어진 각도와는 다른 계산 값이 나올 수 있다. 따라서 가속도센서와 자이로스크프를 모두 사용해서 각각의 단점을 보상할 수 있는 알고리즘을 적용해서 롤 또는 피치 값을 계산한다. 많이 적용하는 보상 방법 및 필터링으로는 칼만 필터 또는 상보 필터가 있다.Also, from the point of view of a long time in the stationary state, the tilt angle calculated by the accelerometer shows a correct value, but the gyroscope shows an incorrect value as time goes by. Conversely, in terms of short moving time, the gyroscope shows the correct value, but the accelerometer may give a different calculated value than the tilted angle. Therefore, using both the accelerometer and the gyroscope, an algorithm that can compensate for each disadvantage is applied to calculate the roll or pitch value. A widely applied compensation method and filtering is a Kalman filter or a complementary filter.

더욱이 자이로스코프 및 가속도 센서는 온도변화에 의해서 출력이 변동하는 온도 드리프트를 갖고 있다. 이러한 온도 변화에 따른 가속도 센서와 자이로스코프의 바이어스는 칼만 필터(Kalman filter)로 두 센서의 출력을 융합하여 오일러(Euler) 각도를 계산하는데 에러를 발생시킨다.Furthermore, gyroscopes and accelerometers have temperature drift in which the output fluctuates with temperature changes. The bias of the accelerometer and the gyroscope according to the temperature change causes an error in calculating the Euler angle by fusing the outputs of the two sensors with a Kalman filter.

온도 드리프트는 바로 센서의 오차를 의미하기 때문에 온도 드리프트를 제거하기 위한 온도보상방법이 제안되어 왔다. 가장 기본적인 온도보상방법은 센서내부의 온도와 센서출력을 온도별로 측정하고 측정된 온도와 출력 데이터를 커브 피팅(curve fitting) 방법을 이용해서 온도에 대한 다항식으로 표현되는 보상모델을 구한다. 보상모델이 구해지면 센서내부의 온도를 보상모델에 입력하여 보상치를 계산하고, 센서출력에서 보상치를 빼줌으로써 보상된 출력을 얻게 된다. 이러한 보상모델은 온도의 함수지만 센서의 특성상 온도만의 함수로 표현된 보상모델로는 보상이 잘 되지 않는 경우가 많기 때문에 여러 가지 변수를 고려해서 보상모델을 구해야 한다. Since the temperature drift means the error of the sensor, a temperature compensation method to eliminate the temperature drift has been proposed. The most basic temperature compensation method is to measure the internal temperature of the sensor and the sensor output for each temperature, and obtain a compensation model expressed as a polynomial for temperature using a curve fitting method for the measured temperature and output data. When the compensation model is obtained, the compensation value is calculated by inputting the temperature inside the sensor into the compensation model, and the compensated output is obtained by subtracting the compensation value from the sensor output. Although such a compensation model is a function of temperature, compensation models that are expressed as a function of only temperature are often not well compensated due to the characteristics of the sensor.

미국 등록특허 제5,416,585호에서는 광섬유 자이로스코프의 온도 드리프트를 제거하기 위해서 스풀과 하우징의 온도차이 또는 스풀의 온도 미분을 이용한 보상모델을 사용하였고, 미국 등록특허 제7,120,548호에서는 진동형 자이로스코프의 온도보상을 위해서 온도센서를 사용하지 않고 감지구조물의 공진주파수, 구동전압 그리고 쿼드러쳐 제어전압을 이용한 보상모델을 사용하였다.In US Patent No. 5,416,585, a compensation model using the temperature difference between the spool and the housing or the temperature differential of the spool was used to eliminate the temperature drift of the optical fiber gyroscope. For this purpose, a compensation model using the resonance frequency, driving voltage, and quadrature control voltage of the sensing structure was used without using a temperature sensor.

그러나 이러한 보상모델의 경우에는 특정한 센서의 경우에만 적용할 수 있는 방법이기 때문에 일반적인 경우의 온도보상에는 적용하기 힘든 문제점이 있었다.However, since this compensation model is a method that can be applied only to a specific sensor, it is difficult to apply temperature compensation in a general case.

본 발명에서는 제조 비용을 낮추면서도 고정밀도의 위치 측정 센서를 구현하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to realize a high-precision position measuring sensor while lowering manufacturing cost.

특히 본 발명에서는 MEMS 기반의 IMU 센서를 사용하면서도 고정밀도의 위치 측정을 가능하게 하는 위치 측정 장치를 구현하고자 한다.In particular, the present invention intends to implement a position measuring device that enables high-precision position measurement while using a MEMS-based IMU sensor.

나아가 본 발명에서는 IMU 센서의 온도를 일정하게 유지시켜 측정되는 센서값의 온도에 따른 오차를 최소한도로 줄일 수 있는 위치 측정 장치를 구현하고자 한다.Further, in the present invention, it is intended to implement a position measuring device capable of reducing the error according to the temperature of the measured sensor value to a minimum by maintaining a constant temperature of the IMU sensor.

또한, 본 발명에서는 다수의 IMU 센서의 측정값을 이용하여 MEMS 기반 IMU 센서에서의 오차를 보상할 수 있는 위치 측정 방법을 제공하고자 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a position measurement method capable of compensating for an error in a MEMS-based IMU sensor using measurement values of a plurality of IMU sensors.

본 발명의 일 실시예에서는, 위치 측정 방법으로서 주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서를 포함하는 PCB 기판을 준비하는 단계, 상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값의 평균을 구하는 단계, 상기 평균값에 기초하여 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값을 수정하는 단계;를 포함하는 위치 측정 방법을 제공한다.In an embodiment of the present invention, preparing a PCB board including a main MEMS-based IMU sensor and a plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors as a position measurement method, the average of the values measured by the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors Obtaining, based on the average value, correcting the value measured by the main MEMS-based IMU sensor; provides a position measurement method comprising a.

본 발명의 다른 실시예에서는, 위치 측정 방법으로서 주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서를 포함하는 PCB 기판을 준비하는 단계, 상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값의 표준 편차를 구하는 단계, 상기 표준 편차에 기초하여 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값을 수정하는 단계를 포함하는 위치 측정 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, as a position measurement method, preparing a PCB board including a main MEMS-based IMU sensor and a plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors, the standard deviation of values measured by the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors It provides a position measurement method comprising the step of obtaining , and correcting a value measured by the main MEMS-based IMU sensor based on the standard deviation.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서가 배치된 기판의 온도를 측정하는 단계, 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 기판의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 위치 측정 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, measuring the temperature of the substrate on which the main MEMS-based IMU sensor and the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors are disposed, adjusting the temperature of the substrate based on the measured temperature It provides a position measurement method further comprising.

본 발명의 일 실시예에서는, 위치 측정 장치로서 주 MEMS 기반 IMU 센서, 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서 및 온도 센서를 포함하는 PCB 기판, 상기 PCB 기판의 하부에 배치되는 냉각 수단을 포함하는 위치 측정 장치를 제공한다.In an embodiment of the present invention, a position measuring device including a main MEMS-based IMU sensor, a PCB substrate including a plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors and a temperature sensor as a position measuring device, and a cooling means disposed under the PCB substrate provides

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서가 8개인 위치 측정 장치를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors provide a position measuring device having eight.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 복수의 MEMS 기반 IMU 센서가 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서 주위에 배치되는 위치 측정 장치를 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a position measuring device in which the plurality of MEMS-based IMU sensors are disposed around the main MEMS-based IMU sensor.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 냉각 수단이, 상기 PCB 기판의 하부에 배치되는 팰티어 모듈 및 상기 팰티어 모듈 하부에 배치되는 팬 구동 냉각기를 포함하는 위치 측정 장치를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the cooling means provides a position measuring device including a Peltier module disposed under the PCB substrate and a fan driven cooler disposed under the Peltier module.

본 발명에서 제시한 위치 측정 장치 및 방법에 의해서 낮은 제조 비용으로도 고 정밀도의 위치 측정이 가능하게 된다.By the position measuring apparatus and method proposed in the present invention, high-precision position measurement is possible even at low manufacturing cost.

도 1은 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 일 실시예에 따른 구성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 장치(100)의 하드웨어 구성도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 위치 측정 장치(100)의 전체 동작 알고리즘(200)을 도시한다.
도 4는 캘리브레이션부(211)의 동작 알고리즘(300)을 도시한다.
도 5는 캘리브레이션부(221)의 동작 알고리즘(400)을 도시한다.
도 6은 도 3에서 상보 필터(230) 이전 단계에 있어서의 데이터 처리 순서도이다.
도 7은 자이로 센서에 대한 동적 드리프트 감소 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 8a 내지 8c는 상보 필터(230) 관련 내용을 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다.
1 shows a configuration of a position measuring device according to an embodiment according to the present invention.
2 shows a hardware configuration diagram of the position measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
3 shows the overall operation algorithm 200 of the position measuring device 100 according to the present invention.
4 illustrates an operation algorithm 300 of the calibration unit 211 .
5 shows an operation algorithm 400 of the calibration unit 221 .
FIG. 6 is a flowchart of data processing in a stage before the complementary filter 230 in FIG. 3 .
7 shows a dynamic drift reduction algorithm for a gyro sensor.
8A to 8C are block diagrams showing the contents related to the complementary filter 230 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 이미지 생성 장치 및 방법에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, an image generating apparatus and method according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님을 밝혀둔다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.The following examples are detailed descriptions for helping understanding of the present invention, and not limiting the scope of the present invention. Accordingly, equivalent inventions performing the same functions as the present invention will also fall within the scope of the present invention.

또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.In addition, in describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the essence, order, or order of the components are not limited by the terms. When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that no other element is present in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In addition, the terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not

도 1은 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 일 실시예에 따른 구성을 도시한다. 본 발명에 따른 위치 측정 장치(100)는 PCB 기판(10) 및 상기 기판의 하부에 부착되는 냉각 수단을 포함한다. 냉각 수단은 PCB 기판(10)에서 발생하는 열을 지속적으로 낮추거나 높이기 위한 수단이 아니라, PCB 기판(10)의 온도를 일정한 온도(예를 들어, 상온 25℃)로 단계적으로 온도를 제어하거나 유지하기 위한 수단이다. 바람직하게 냉각 수단은 팰티어 모듈(peltier module)(20) 및 팬 구동 냉각기(fan drive cooler)(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 팬 구동 냉각기(30) 대신에 패드가 사용될 수도 있다.1 shows a configuration of a position measuring device according to an embodiment according to the present invention. The position measuring apparatus 100 according to the present invention includes a PCB substrate 10 and a cooling means attached to a lower portion of the substrate. The cooling means is not a means for continuously lowering or increasing the heat generated in the PCB substrate 10, but controlling or maintaining the temperature of the PCB substrate 10 in stages to a constant temperature (eg, room temperature 25° C.) is a means to Preferably, the cooling means may comprise a peltier module 20 and a fan drive cooler 30 . A pad may be used instead of the fan driven cooler 30 .

한편, PCB 기판(10) 상에는 주 IMU 센서(12)와 복수개의 보조 IMU 센서(14)가 배치된다. 이러한 IMU 센서(12, 14)는, 비용 절감의 측면에서, MEMS 기반인 것이 바람직하다. 또한 바람직하게 보조 IMU 센서(14)는 8개가 배치되며, 주 IMU 센서(12)를 가운데에 두고 3 × 3 행렬 구조로 배치되는 것이 좋다. Meanwhile, the main IMU sensor 12 and the plurality of auxiliary IMU sensors 14 are disposed on the PCB substrate 10 . The IMU sensors 12 and 14 are preferably MEMS-based in terms of cost reduction. Also preferably, 8 auxiliary IMU sensors 14 are arranged, and it is preferable that the main IMU sensors 12 be arranged in a 3 × 3 matrix structure with the main IMU sensor 12 in the center.

복수의 보조 IMU 센서(14)는 주 IMU 센서(12)에서 측정된 값의 오차를 보정하기 위해 사용될 수 있다.A plurality of auxiliary IMU sensors 14 may be used to correct errors in values measured by the primary IMU sensor 12 .

일 실시예로서, 복수의 보조 IMU 센서(14)에서 측정된 값들의 평균을 구하고 이러한 평균값과 주 IMU 센서(12)에서 측정된 값을 비교하고, 그 차이에 비례하여 주 IMU 센서(12) 측정값을 보정할 수 있다.As an embodiment, an average of the values measured by the plurality of auxiliary IMU sensors 14 is obtained, the average value is compared with a value measured by the primary IMU sensor 12 , and the primary IMU sensor 12 is measured in proportion to the difference. values can be corrected.

다른 실시예로서, 복수의 보조 IMU 센서(14)에서의 측정값의 표준 편차를 구하고 이를 기초로 주 IMU 센서(12)의 측정값을 보정할 수 있다.As another embodiment, the standard deviation of the measurement values of the plurality of auxiliary IMU sensors 14 may be obtained, and the measurement values of the main IMU sensor 12 may be corrected based on the standard deviation.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 장치(100)의 하드웨어 구성도를 도시한다. 2 shows a hardware configuration diagram of the position measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

주 제어 장치(Main Control Unit; MCU)(90)는 각각의 IMU 센서(12, 14)로부터 측정된 측정값을 수신하여 에러를 보상한다. 에러를 보상하는 방식은 위에서 설명된 바와 같다. 전체 보조 IMU 센서의 측정값의 평균을 구하거나, 또는 보조 IMU 센서의 표준편차를 구하고 이를 기초로 주 IMU 센서의 측정값을 보정하는 방식 등을 사용할 수 있다. 이들은 단지 예일 뿐이며, 보조 IMU 센서의 측정값을 이용하여 주 IMU 센서의 측정값을 보정하는 방식이 이들에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.A main control unit (MCU) 90 receives the measured values measured from each of the IMU sensors 12 and 14 and compensates for the error. The method of compensating for the error is as described above. A method of calculating the average of the measured values of all the auxiliary IMU sensors or obtaining the standard deviation of the auxiliary IMU sensors and correcting the measured values of the main IMU sensor based on this may be used. These are merely examples, and it should be noted that the method of correcting the measurement value of the primary IMU sensor using the measurement value of the secondary IMU sensor is not limited thereto.

무선 통신 모듈(40)은 안테나(62)를 통해 스마트 디바이스(70)와의 통신을 가능하게 한다. 무선 통신 모듈(40)은 예를 들어, 블루투스, Wi-Fi, NFC 등을 지원할 수 있다.The wireless communication module 40 enables communication with the smart device 70 via the antenna 62 . The wireless communication module 40 may support, for example, Bluetooth, Wi-Fi, NFC, and the like.

스마트 디바이스(70)는 전용의 단말기가 아닌 스마트 기기(전용 앱 포함)를 이용하는 것이 바람직하다.The smart device 70 preferably uses a smart device (including a dedicated app) rather than a dedicated terminal.

GPS 센서 모듈(50)은 안테나(64)를 통해 수신된 GPS 신호를 주 제어 장치(90)로 전달한다. The GPS sensor module 50 transmits the GPS signal received through the antenna 64 to the main control device 90 .

주 제어 장치(90)는 스마트 디바이스(70)를 통해 가상 기지국(VRS)(80)으로부터 전송받은 위치 보정값을 이용하여 RTK(Real Time Kinematic) 측량을 수행함으로써 GPS 센서의 정확도를 강화시킬 수 있다.The main control device 90 may enhance the accuracy of the GPS sensor by performing Real Time Kinematic (RTK) surveying using the position correction value received from the virtual base station (VRS) 80 through the smart device 70 . .

온도 측정 센서(16)는 PCB 기판(10)의 온도를 측정하여 그 측정값을 주 제어 장치(90)로 전달한다. 주 제어 장치(90)는 측정된 온도값에 기초하여 PCB 기판(10)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 펠티어 모듈(20)의 작동을 제어할 수 있다. 필요한 경우 펠티어 모듈(20)에는 팬 드라이브 냉각기(30)와 같은 냉각기가 더 부착될 수 있다. 대안적으로 이러한 냉각 수단은 패드로서 구성될 수도 있다.The temperature measuring sensor 16 measures the temperature of the PCB substrate 10 and transmits the measured value to the main control device 90 . The main control device 90 may control the operation of the Peltier module 20 so as to constantly maintain the temperature of the PCB substrate 10 based on the measured temperature value. If necessary, a cooler such as a fan drive cooler 30 may be further attached to the Peltier module 20 . Alternatively such cooling means may be configured as a pad.

이와 같이 PCB 기판(10)의 온도를 일정하게 유지시킴으로써 PCB 기판(10) 상에 배치된 IMU 센서들의 온도를 일정하게 유지하는 것이 가능하게 되고, 따라서 온도의 변동으로 인한 자이로스코프 및 가속도계 센서의 오차를 최소한으로 줄이는 것이 가능하게 된다.In this way, by maintaining the temperature of the PCB substrate 10 constant, it is possible to maintain the temperature of the IMU sensors disposed on the PCB substrate 10 constant, and thus the error of the gyroscope and the accelerometer sensor due to the temperature fluctuation. can be reduced to a minimum.

도 3 내지 6은 본 발명에 따른 위치 측정 장치(100)를 작동시키기 위한 알고리즘(200)을 설명하는 도면이다.3 to 6 are diagrams for explaining an algorithm 200 for operating the position measuring device 100 according to the present invention.

먼저 도 3은 본 발명에 따른 위치 측정 장치(100)의 전체 동작 알고리즘(200)을 설명하는 도면이고, 도 4는 캘리브레이션부(211)의 동작 알고리즘(300)을 설명하는 도면이며, 도 5는 캘리브레이션부(221)의 동작 알고리즘(400)을 설명하는 도면이다.First, FIG. 3 is a view for explaining the entire operation algorithm 200 of the position measuring apparatus 100 according to the present invention, FIG. 4 is a view for explaining the operation algorithm 300 of the calibration unit 211, and FIG. 5 is It is a diagram explaining the operation algorithm 400 of the calibration unit 221 .

자이로스코프(210)에서 측정된 값은 캘리브레이션부(211)에서 바이어스, 스케일, 온도 보상되어 델타 각을 생성한다(도 4 참조). 델타 각은 동적 드리프트 감소부(212)로 입력되어 각 속도를 생성하고 이렇게 생성된 각속도는 상보 필터(230)로 입력된다.The value measured by the gyroscope 210 is biased, scaled, and temperature compensated by the calibration unit 211 to generate a delta angle (see FIG. 4 ). The delta angle is input to the dynamic drift reducing unit 212 to generate an angular velocity, and the thus generated angular velocity is input to the complementary filter 230 .

한편, 가속도계(220)에서 측정된 가속도 측정값은 캘리브레이션부(221)에서 바이어스, 스케일, 온도 보상되어 가속도를 생성한다(도 5 참조). 생성된 가속도는 동적 스케일 팩터 조정부(222)를 거쳐 상보 필터(230)로 입력된다.Meanwhile, the acceleration measurement value measured by the accelerometer 220 is biased, scaled, and temperature compensated by the calibration unit 221 to generate acceleration (see FIG. 5 ). The generated acceleration is input to the complementary filter 230 through the dynamic scale factor adjusting unit 222 .

도 6에서는 도 3에서 상보 필터(230) 이전의 과정, 다시 말해, 자이로스코프(210)에 대한 캘리브레이션부(211)와 동적 드리프트 감소부(212)의 데이터 처리, 및 가속도계(220)에 대한 캘리브레이션부(221)와 동적 스케일 팩터 조정부(222)의 데이터 처리에 관한 순서도를 나타낸다. 이하, 이에 관해 상술한다.In FIG. 6 , the process before the complementary filter 230 in FIG. 3 , that is, data processing of the calibration unit 211 and the dynamic drift reducing unit 212 for the gyroscope 210 , and calibration for the accelerometer 220 . A flowchart related to data processing of the unit 221 and the dynamic scale factor adjusting unit 222 is shown. Hereinafter, this will be described in detail.

센서값sensor value 읽기(S1100) Read (S1100)

MCU(90)에서 첫 번째 IMU 센서로부터 읽은 데이터를 다음과 같이 표시하였을 때, a1은 3축 가속도 벡터, ω1은 3축 각속도 벡터, m1은 3축 지자기 벡터, t1은 온도에 대한 스칼라 량이다.When the data read from the first IMU sensor in the MCU 90 is displayed as follows, a 1 is a 3-axis acceleration vector, ω 1 is a 3-axis angular velocity vector, m 1 is a 3-axis geomagnetic vector, and t 1 is the temperature is a scalar quantity.

Figure pat00001
Figure pat00001

MCU에는 9개의 IMU 센서가 연결되어 있어, 모든 센서로부터 읽은 데이터는 다음과 같이 표시할 수 있다.Since 9 IMU sensors are connected to the MCU, the data read from all sensors can be displayed as follows.

첫번째 IMU 센서 데이터:

Figure pat00002
First IMU sensor data:
Figure pat00002

두번째 IMU 센서 데이터:

Figure pat00003
Second IMU sensor data:
Figure pat00003

......

아홉번째 IMU 센서 데이터:

Figure pat00004
Ninth IMU sensor data:
Figure pat00004

센서 값 평균 계산(S1200)Average sensor value calculation (S1200)

아홉개의 IMU 센서로부터 읽은 데이터는 동일한 센서 종류와 축에 대하여 각각 평균을 계산하게 된다.Data read from nine IMU sensors are averaged for the same sensor type and axis.

Figure pat00005
Figure pat00005

만일 각각의 센서값들이 백색 잡음을 포함하고 있을때, n개의 값을 평균 내면 센서 값들의 잡음은

Figure pat00006
만큼 줄어드는 것으로 알려져 있다.If each sensor value contains white noise, if n values are averaged, the noise of the sensor values is
Figure pat00006
is known to decrease.

상기와 같이 9개의 센서 출력 값을 평균 내었다면, 평균 값은 하나의 센서로부터 측정한 값에 비하여 3배 정밀해질 것으로 기대할 수 있다.If the output values of nine sensors are averaged as described above, it can be expected that the average value will be three times more precise than the value measured from one sensor.

캘리브레이션부(221)에서의in the calibration unit 221 가속도 센서 온도 보정, 바이어스 스케일 조정(S1300) Accelerometer temperature compensation, bias scale adjustment (S1300)

이하, 도 5를 함께 참조로 하여 설명한다.Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 5 together.

온도에 의한 바이어스 보정Bias correction by temperature

온도 계수는 온도에 의한 가속도 센서 값의 변화율을 의미한다. 온도 계수는 이미 온도에 의한 각 센서 값들의 변화를 보정하는 기능에 의해 미리 알려져 있다고 할 때 다음 수식에 의해 보정된다.The temperature coefficient means the rate of change of the value of the acceleration sensor according to the temperature. Assuming that the temperature coefficient is already known in advance by the function of correcting the change of each sensor value due to the temperature, it is corrected by the following equation.

출력값=온도계수×온도+입력값Output value = temperature coefficient × temperature + input value

센서의 고유 바이어스와 스케일 보정Sensor's Intrinsic Bias and Scale Calibration

센서의 고유 바이어스와 스케일 값은 이미를 보정하는 기능에 의해 미리 알려져 있다고 할 때 다음 수식에 따라 보정된다.Assuming that the sensor's intrinsic bias and scale values are already known in advance by the correction function, they are corrected according to the following equation.

출력값=스케일×(입력값-바이어스)Output = Scale × (Input - Bias)

IIRIIR 필터 filter

IIR 필터는 일반적인 1차 저역통과 필터이다.The IIR filter is a typical first-order low-pass filter.

중력 회전 보정Gravity rotation compensation

가속도 센서가 PCB에 기울어진 상태로 마운트 되거나 PCB가 금속 프레임에 기울어진 상태로 마운트 되는 경우, 프레임이 수평을 유지하더라도 필터가 계산한 오일러 각은 0°가 되지 않을 수 있다. 이는 중력가속도의 방향이 약간 기울어진 상태에서 각도를 보정하기 때문이다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 센서가 수평이 되었을 때 가속도 벡터가 (0, 0, -1)이 되도록 보정하여야 한다. 이는 상기 그림에서 중력 회전 행렬을 가속도 벡터에 곱하여 보정하게 된다.If the accelerometer is mounted on the PCB in an inclined state or the PCB is mounted in a tilted state on the metal frame, the Euler angle calculated by the filter may not be 0° even if the frame is level. This is because the angle is corrected when the direction of gravitational acceleration is slightly inclined. In order to prevent this problem, it is necessary to correct the acceleration vector so that the acceleration vector becomes (0, 0, -1) when the sensor becomes horizontal. This is corrected by multiplying the acceleration vector by the gravitational rotation matrix in the above figure.

캘리브레이션부(211)에서의in the calibration unit 211 자이로gyro 센서 온도 보정, 바이어스 스케일 조정(S1300') Sensor temperature compensation, bias scale adjustment (S1300')

이하, 도 4를 함께 참조로 하여 설명한다.Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 4 together.

온도에 의한 바이어스 보정Bias correction by temperature

온도 계수는 온도에 의한 자이로 센서 값의 변화율을 의미한다. 온도 계수는 이미 온도에 의한 각 센서 값들의 변화를 보정하는 기능에 의해 미리 알려져 있다고 할 때 다음 수식에 의해 보정된다.The temperature coefficient means the rate of change of the gyro sensor value according to the temperature. Assuming that the temperature coefficient is already known in advance by the function of correcting the change of each sensor value due to the temperature, it is corrected by the following equation.

출력값=온도계수×온도+입력값Output value = temperature coefficient × temperature + input value

센서의 고유 바이어스와 스케일 보정Sensor's Intrinsic Bias and Scale Calibration

센서의 고유 바이어스와 스케일 값은 이미를 보정하는 기능에 의해 미리 알려져 있다고 할 때 다음 수식에 따라 보정된다.Assuming that the sensor's intrinsic bias and scale values are already known in advance by the correction function, they are corrected according to the following equation.

출력값=스케일×(입력값-바이어스)Output = Scale × (Input - Bias)

적분기integrator

센서 값을 적분하는 이유는, 센서 값을 샘플링 하여 메모리에 저장하는 주기와 MCU에서 메모리 값을 읽어가는 주기가 다를 때, 센서 측정 정밀도를 높이기 위해 센서 값을 샘플링 하였을 때 메모리에는 적분하게 된다. 그리고 MCU가 읽어갈 때는, 이전 읽을 때의 값과 현재 읽을 때의 값의 차이를 읽어가도록 함으로 센서 값의 정밀도를 높일 수 있다.The reason for integrating the sensor value is that when the cycle of sampling and storing the sensor value in the memory is different from the cycle of reading the memory value from the MCU, when the sensor value is sampled to increase the sensor measurement accuracy, it is integrated in the memory. Also, when the MCU reads, it is possible to increase the precision of the sensor value by reading the difference between the value at the time of previous reading and the value at the time of current reading.

동적 스케일 필터 조정부(222)에서의 가속도 센서에 대한 동적 스케일일 Dynamic scale for the acceleration sensor in the dynamic scale filter adjustment unit 222 펙터factor 조정(S1400) Adjustment (S1400)

가속도 센서가 측정한 가속도에는 중력이 포함되어 있기 때문에 중력을 제거한 후 적분하여 속도와 위치를 계산하는데, 이때 미소한 scale factor의 변화로 인해 중력 성분이 제대로 제거되지 않고 적분으로 누적되면 결국 큰 오차가 발생한다. 여기서는 이러한 scale factor를 조절하기 위한 동적 스케일 펙터 조정 알고리즘에 대하여 설명한다.Since the acceleration measured by the acceleration sensor includes gravity, the velocity and position are calculated by integrating after removing the gravity. Occurs. Here, a dynamic scale factor adjustment algorithm for adjusting such a scale factor will be described.

<동적 스케일 팩터 조정 알고리즘><Dynamic Scale Factor Adjustment Algorithm>

1. Scale factor

Figure pat00007
를 1로 설정한다.(
Figure pat00008
=1)1. Scale factor
Figure pat00007
is set to 1. (
Figure pat00008
=1)

2. 가속도 센서의 측정값의 크기

Figure pat00009
를 계산한다.2. The magnitude of the measurement value of the accelerometer
Figure pat00009
to calculate

Figure pat00010
Figure pat00010

3. 다음 조건에 따라

Figure pat00011
를 업데이트 한다.3. Subject to the following conditions
Figure pat00011
update

Figure pat00012
Figure pat00012

4. Scale이 조정된 가속도

Figure pat00013
를 계산한다.4. Scale-adjusted acceleration
Figure pat00013
to calculate

Figure pat00014
Figure pat00014

5. 새로운 측정값이 들어오면 2번 과정부터 반복한다.5. If a new measured value is received, repeat the process from step 2.

* 상기 과정에서 사용되는 변수

Figure pat00015
는 1보다 미소하게 큰 값을 사용한다. (Ex:
Figure pat00016
=1.0001)* Variables used in the above process
Figure pat00015
uses a value slightly larger than 1. (Ex:
Figure pat00016
=1.0001)

동적 dynamic 드리프트drift 감소부(212)에서의in the reduction part 212 자이로gyro 센서에 대한 동적 dynamic to sensor 드리프트drift 감소(S1400') Decrease (S1400')

자이로 센서의 측정 값을 적분하여 회전각을 계산하는데, 이때 미소한 bias drift도 적분으로 누적되면 결국 큰 오차가 발생한다. 여기서는 이러한 bias drift를 최소화 하기위한 자이로 센서에 대한 동적 드리프트 감소 알고리즘의 사용에 대하여 설명한다.The rotation angle is calculated by integrating the measured values of the gyro sensor. At this time, if even a small bias drift is accumulated through integration, a large error occurs. Here, we describe the use of a dynamic drift reduction algorithm for the gyro sensor to minimize such bias drift.

<자이로 센서에 대한 동적 드리프트 감소 알고리즘><Dynamic drift reduction algorithm for gyro sensor>

도 7을 참고하여 설명한다.It will be described with reference to FIG. 7 .

Figure pat00017
는 에러가 포함되지 않은 이상적인 값인데, Gyro 센서가 측정을 할 때
Figure pat00018
Figure pat00019
가 포함된다.
Figure pat00020
는 센서가 움직이지 않는 일정한 기간의 측정값을 평균하여 계산한 초기 바이어스 값이다.
Figure pat00021
는 시간에 따라 미소하게 변하는 바이어스 값으로 여기서 제거하고자 하는 대상이다.
Figure pat00017
is an ideal value without error, and when the gyro sensor measures
Figure pat00018
Wow
Figure pat00019
is included
Figure pat00020
is the initial bias value calculated by averaging the measured values of a certain period in which the sensor does not move.
Figure pat00021
is a bias value that slightly changes with time and is an object to be removed here.

Binary I-controller는 작은 오차(

Figure pat00022
)에는 민감하게 반응해야 하고 큰 오차(자이로 센서가 회전하여 발생하는 실제 값의 변화)에는 둔감하게 반응해야 한다. 그래서 오차의 부호만을 고려한다.Binary I-controller has a small error (
Figure pat00022
) should respond sensitively and insensitively respond to large errors (changes in actual values caused by rotation of the gyro sensor). Therefore, only the sign of the error is considered.

Binary I-controller는 다음과 같이 동작한다.Binary I-controller works as follows.

Figure pat00023
Figure pat00023

여기서

Figure pat00024
는 는 상수이고 SIGN()함수는 다음과 같이 동작한다.here
Figure pat00024
is a constant, and the SIGN() function operates as follows.

Figure pat00025
Figure pat00025

이제, 도 3에서 상보 필터(230)를 중심으로 하여, 후반 과정들에 관해 설명한다.Now, with reference to the complementary filter 230 in FIG. 3 , the latter processes will be described.

상보 필터(230)에서 출력된 각 축에 대한 기울기는 보정부(240)에서 직교성 보정을 거쳐 계산부(250)에서 오일러 각이 계산된다. 이렇게 계산된 오일러 각은 통신부(260)로 전달된다. 바람직하게 통신부는 CAN 또는 RS-232 프로토콜을 사용할 수 있다. 보다 상세한 설명은 아래와 같다.The inclination for each axis output from the complementary filter 230 undergoes orthogonality correction in the correction unit 240 , and the Euler angle is calculated in the calculator 250 . The calculated Euler angle is transmitted to the communication unit 260 . Preferably, the communication unit may use a CAN or RS-232 protocol. A more detailed description is given below.

상보 필터 (230)Complementary Filter (230)

자이로 센서는 바이어스가 있지만 각도의 변화에 민감하게 반응하기 때문에 고역통과필터(high pass filter)를 사용하고, 가속도 센서에서 측정한 각도는 센서에 작용하는 외력에 의해 쉽게 영향을 받기 때문에 저역통과필터(low pass filter)를 사용한다.The gyro sensor has a bias, but because it responds sensitively to changes in angle, a high pass filter is used. low pass filter) is used.

Figure pat00026
Figure pat00026

여기서

Figure pat00027
는 자이로 센서 값에서 바이어스를 제거한 값이고,
Figure pat00028
는 가속도 센서로부터 측정한 각도다. 위 식을 다시 쓰면,here
Figure pat00027
is the value after removing the bias from the gyro sensor value,
Figure pat00028
is the angle measured by the accelerometer. If we rewrite the above expression,

Figure pat00029
Figure pat00029

이다. 블록 다이어그램으로 나타내면 도 8a와 같다.am. It is shown in a block diagram as shown in FIG. 8A.

도 8a의 블록 다이어그램을 살펴보면, 가속도 센서로부터 측정한 각도(

Figure pat00030
)와의 차를 이득 1/a를 곱하여
Figure pat00031
에 적분한다. 그리고 자이로 센서로부터 측정한 각속도(
Figure pat00032
)는
Figure pat00033
에 그대로 적분한다. 여기서 주의할 점은,
Figure pat00034
는 센서 좌표계를 기준으로 하는 각속도 값이고,
Figure pat00035
는 전역 전역 좌표계를 기준으로 하는 각도 값이라는 점이다. 이 때문에 적분하는 방법에 차이가 있다.Looking at the block diagram of FIG. 8A, the angle measured from the accelerometer (
Figure pat00030
) by multiplying the difference with the gain 1/a
Figure pat00031
integrate into And the angular velocity measured from the gyro sensor (
Figure pat00032
)Is
Figure pat00033
Integrate as it is It should be noted here,
Figure pat00034
is the angular velocity value relative to the sensor coordinate system,
Figure pat00035
is the angular value relative to the global global coordinate system. Because of this, there is a difference in the integration method.

3차원 공간에서 센서의 자세각을 다루기 위하여 회전행렬을 사용한다. 회전행렬은 오일러각에 비해 각도의 합과 차를 쉽게 계산할 수 있기 때문이다.A rotation matrix is used to handle the sensor's attitude angle in 3D space. This is because the rotation matrix can easily calculate the sum and difference of angles compared to Euler angles.

회전행렬rotation matrix

오일러각

Figure pat00036
에 의한 회전행렬
Figure pat00037
은 다음과 같이 정의된다.Euler angle
Figure pat00036
rotation matrix by
Figure pat00037
is defined as

(회전 순서가 z축, y축, x축 순서임에 주의)(Note that the rotation order is the z-axis, y-axis, and x-axis order)

Figure pat00038
Figure pat00038

회전행렬

Figure pat00039
로부터 오일러각을 다음과 같이 계산할 수 있다.rotation matrix
Figure pat00039
The Euler angle can be calculated as

Figure pat00040
Figure pat00040

Figure pat00041
는 행렬
Figure pat00042
의 i 행과 j 열의 원소이다.
Figure pat00041
is the matrix
Figure pat00042
is an element in row i and column j of

필터 구현filter implementation

다음은 자이로 센서로부터 각속도

Figure pat00043
를 측정하고, 가속도 센서로부터 가속도
Figure pat00044
를 측정하여 센서의 자세각을 계산하는 과정이다.Here is the angular velocity from the gyro sensor
Figure pat00043
is measured and the acceleration from the accelerometer
Figure pat00044
It is the process of calculating the attitude angle of the sensor by measuring

자이로gyro 센서의 바이어스 값 Bias value of the sensor

이상적인 자이로 센서는 움직이지 않을 때 0을 출력하여야 하나, 대부분의 실제 센서가 0이 아닌 바이어스 된 값을 출력한다. 그래서 센서에서 측정된 값으로부터 바이어스 된 값을 제거해야 할 필요가 있다. 다음 과정은 low pass 필터와 같은 역할을 하도록 측정되는 신호들의 평균을 구하는 과정이다.An ideal gyro sensor should output 0 when it is not moving, but most real sensors output a non-zero biased value. So it is necessary to remove the biased value from the value measured by the sensor. The next step is to find the average of the measured signals to act like a low pass filter.

Figure pat00045
Figure pat00045

n은 평균을 낸 횟수이며, 어떠한 값 이상으로 커지지 않도록 제한하여야 한다. 즉, n이 특정 값에 도달하기 전까지는 평균을 낼 때마다 1씩 증가하다가, 특정 값에 도달하면 고정된 값을 사용하도록 한다.n is the number of averages, and it should be limited so that it does not become larger than a certain value. That is, until n reaches a specific value, it increases by 1 every time it is averaged, and when it reaches a specific value, a fixed value is used.

각속도의 적분integral of angular velocity

각속도의 적분 과정은 블록 다이어그램에서 점선 박스로 표시한 부분이다(도 8b).The process of integrating the angular velocity is indicated by a dotted line box in the block diagram (FIG. 8B).

먼저 자이로 센서로부터 측정한 각속도

Figure pat00046
Figure pat00047
의 평균
Figure pat00048
간의 차를 계산함으로 자이로 센서의 바이어스를 제거한 각속도
Figure pat00049
를 계산한다.
Figure pat00050
는 각속도 센서의 데이터 측정 주기이다.First, the angular velocity measured from the gyro sensor
Figure pat00046
Wow
Figure pat00047
average of
Figure pat00048
Angular velocity with the bias of the gyro sensor removed by calculating the difference between
Figure pat00049
to calculate
Figure pat00050
is the data measurement period of the angular velocity sensor.

Figure pat00051
Figure pat00051

회전행렬

Figure pat00052
은 현재 센서의 자세각을 표현하는 행렬이다. 자이로 센서로부터 읽은 각속도를 회전행렬의 변위
Figure pat00053
로 바꾸어
Figure pat00054
에다가 적분(회전 행렬간의 곱) 한다. rotation matrix
Figure pat00052
is a matrix representing the attitude angle of the current sensor. The angular velocity read from the gyro sensor is the displacement of the rotation matrix.
Figure pat00053
change to
Figure pat00054
Integrate (multiplication between rotation matrices).

Figure pat00055
Figure pat00055

Figure pat00056
Figure pat00056

중력 가속도로 with gravitational acceleration 자세각detailed angle 보정 correction

중력 가속도로 자세각을 보정하는 과정은 도 8c의 블록 다이어그램에서 점선 박스로 표시한 부분이다.The process of correcting the posture angle with the acceleration of gravity is indicated by a dotted line box in the block diagram of FIG. 8C .

중력가속도는 항상 지구 중심으로 향하기 때문에 가속도 센서에 다른 힘이 작용하지 않을 경우 g=(0,0,-9.81)가 측정된다. 가속도 센서에서 측정한 가속도와 중력가속도를 비교함으로

Figure pat00057
을 보정할 수 있다. 하지만 이러한 조건은 가속도 센서에 작용하는 힘이 오직 중력만 있을 때 가능하다. 중력가속도와 이러한 힘을 분리하여 측정할 수 없기 때문에, 중력가속도 외 다른 힘이 작용하고 있는 조건은
Figure pat00058
인지 확인해 보는 것이 제일 간단한 방법이다.Since gravitational acceleration always points toward the center of the earth, g = (0,0,-9.81) is measured when no other force is applied to the accelerometer. By comparing the acceleration measured by the accelerometer and the acceleration due to gravity,
Figure pat00057
can be corrected. However, this condition is possible only when the force acting on the accelerometer is only gravity. Since gravitational acceleration and these forces cannot be measured separately, the conditions under which forces other than gravitational acceleration are acting are
Figure pat00058
The simplest way is to check if it is.

가속도 센서에서 측정한 가속도

Figure pat00059
에는 중력가속도와 센서의 가속에 의한 다양한 종류의 가속도가 포함되어있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.Acceleration measured by the accelerometer
Figure pat00059
includes various types of acceleration caused by gravity acceleration and sensor acceleration. Expressing this as an expression:

Figure pat00060
Figure pat00060

여기서

Figure pat00061
는 선가속도이며
Figure pat00062
는 관성좌표계에서 중력가속도 값 (0, 0, -9.81)을 가진다.here
Figure pat00061
is the linear acceleration
Figure pat00062
has the value of gravitational acceleration (0, 0, -9.81) in the inertial coordinate system.

위 식에서 선가속도

Figure pat00063
가 0이고 각속도
Figure pat00064
가 0일 때는 다음과 같이 간단히 쓸 수 있다.Linear acceleration in the above equation
Figure pat00063
is 0 and the angular velocity
Figure pat00064
When is 0, it can be simply written as:

Figure pat00065
Figure pat00065

오일러각으로 정리하면 다음과 같다.In terms of Euler angles, we get:

Figure pat00066
Figure pat00066

Figure pat00067
Figure pat00067

여기서 구한

Figure pat00068
Figure pat00069
을 계산하고
Figure pat00070
을 다음과 같이 업데이트 한다.saved here
Figure pat00068
as
Figure pat00069
to calculate
Figure pat00070
is updated as follows.

Figure pat00071
Figure pat00071

Figure pat00072
Figure pat00072

Figure pat00073
는 중력으로 찾은 각도의 오차를 업데이트하는 비율(이득)이다. 중력벡터의 크기가 1g 근처일때 이득이 커야하고 1g에서 멀어질수록 이득이 적어야 한다. 그래서 이득을 다음과 같이 계산하도록 하였다.
Figure pat00073
is the rate (gain) updating the error of the angle found by gravity. When the magnitude of the gravity vector is near 1g, the gain should be large, and the gain should be small as the magnitude of the gravity vector is near 1g. So, the gain was calculated as follows.

Figure pat00074
Figure pat00074

보정부compensator (240)(240)

만일 회전행렬이 계속해서 업데이트된다면 수치 계산의 미소한 오류가 누적되어 행렬의 직교성이 만족되지 않는다

Figure pat00075
.If the rotation matrix is continuously updated, the orthogonality of the matrix is not satisfied because small errors in numerical calculations are accumulated.
Figure pat00075
.

행렬의 직교성을 유지하기 위해서, 다음 수식을 사용하여 회전행렬을 보정한다.In order to maintain the orthogonality of the matrix, the rotation matrix is corrected using the following equation.

Figure pat00076
Figure pat00076

계산부calculator (250)(250)

회전행렬

Figure pat00077
로부터 계산할 수 있다. 다음 식에서 사용되는
Figure pat00078
는 행렬
Figure pat00079
의 i 행과 j 열의 원소이다.rotation matrix
Figure pat00077
can be calculated from used in the following expression
Figure pat00078
is the matrix
Figure pat00079
is an element in row i and column j of

Figure pat00080
Figure pat00080

다음 오일러각을 계산하는 식들은 z-y-x 회전에 대해 유도된 식들이다.The following equations for calculating Euler angles are derived for z-y-x rotation.

i)

Figure pat00081
Figure pat00082
일 때:i)
Figure pat00081
go
Figure pat00082
when:

Figure pat00083
Figure pat00083

ii)

Figure pat00084
Figure pat00085
일 때:ii)
Figure pat00084
go
Figure pat00085
when:

Figure pat00086
Figure pat00086

통신부(260)에 관한 설명은 생략한다.A description of the communication unit 260 will be omitted.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: PCB 기판 12: 주 IMU 센서
14: 보조 IMU 센서 16: 온도 센서
20: 펠티어 모듈 30: 팬 구동 냉각기
40: 무선 통신 모듈 50: GPS 센서 모듈
62, 64: 안테나 70: 스마트 디바이스
80: 가상 기지국 90: 주 제어 장치
100: 위치 측정 장치 200: 위치 측정 장치의 전체 동작 알고리즘
210: 자이로스코프 211, 221: 캘리브레이션부
212: 동적 드리프트 감소부 222: 동적 스케일 팩터 조정부
230: 상보 필터 240: 보정부
250: 계산부 260: 통신부
300, 400: 캘리브레이션부 동작 알고리즘
10: PCB board 12: Main IMU sensor
14: auxiliary IMU sensor 16: temperature sensor
20: peltier module 30: fan driven cooler
40: wireless communication module 50: GPS sensor module
62, 64: antenna 70: smart device
80: virtual base station 90: main control unit
100: position measuring device 200: overall operation algorithm of the position measuring device
210: gyroscope 211, 221: calibration unit
212: dynamic drift reduction unit 222: dynamic scale factor adjustment unit
230: complementary filter 240: correction unit
250: calculation unit 260: communication unit
300, 400: Calibration unit operation algorithm

Claims (7)

위치 측정 방법으로서,
주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서를 포함하는 PCB 기판을 준비하는 단계;
상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값의 평균을 구하는 단계;
상기 평균값에 기초하여 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값을 수정하는 단계;를 포함하는,
위치 측정 방법.
A method for measuring position, comprising:
preparing a PCB board including a primary MEMS-based IMU sensor and a plurality of secondary MEMS-based IMU sensors;
obtaining an average of the values measured by the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors;
Correcting the value measured by the main MEMS-based IMU sensor based on the average value; Containing,
How to measure position.
위치 측정 방법으로서,
주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서를 포함하는 PCB 기판을 준비하는 단계;
상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값의 표준 편차를 구하는 단계;
상기 표준 편차에 기초하여 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서에서 측정된 값을 수정하는 단계;를 포함하는,
위치 측정 방법.
A method for measuring position, comprising:
preparing a PCB board including a primary MEMS-based IMU sensor and a plurality of secondary MEMS-based IMU sensors;
obtaining a standard deviation of values measured by the plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors;
Correcting the value measured by the main MEMS-based IMU sensor based on the standard deviation;
How to measure position.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 주 MEMS 기반 IMU 센서 및 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서가 배치된 기판의 온도를 측정하는 단계;
상기 측정된 온도에 기초하여 상기 기판의 온도를 조절하는 단계;를 더 포함하는,
위치 측정 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
measuring a temperature of a substrate on which the main MEMS-based IMU sensor and a plurality of auxiliary MEMS-based IMU sensors are disposed;
Further comprising; adjusting the temperature of the substrate based on the measured temperature;
How to measure position.
위치 측정 장치로서,
PCB 기판으로서;
주 MEMS 기반 IMU 센서;
복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서; 및
온도 센서를 포함하는,
PCB 기판;
상기 PCB 기판의 하부에 배치되는 냉각 수단을 포함하는,
위치 측정 장치.
A position measuring device comprising:
as a PCB substrate;
main MEMS-based IMU sensor;
a plurality of secondary MEMS-based IMU sensors; and
comprising a temperature sensor;
PCB board;
Including cooling means disposed under the PCB substrate,
position measuring device.
제4 항에 있어서,
상기 복수의 보조 MEMS 기반 IMU 센서가 8개인,
위치 측정 장치.
5. The method of claim 4,
8 of said plurality of secondary MEMS-based IMU sensors;
position measuring device.
제5 항에 있어서,
상기 복수의 MEMS 기반 IMU 센서가 상기 주 MEMS 기반 IMU 센서 주위에 배치되는,
위치 측정 장치.
6. The method of claim 5,
wherein the plurality of MEMS-based IMU sensors are disposed around the primary MEMS-based IMU sensor;
position measuring device.
제4 항에 있어서,
상기 냉각 수단은, 상기 PCB 기판의 하부에 배치되는 팰티어 모듈 및 상기 팰티어 모듈 하부에 배치되는 팬 구동 냉각기를 포함하는,
위치 측정 장치.
5. The method of claim 4,
The cooling means includes a Peltier module disposed under the PCB substrate and a fan-driven cooler disposed under the Peltier module,
position measuring device.
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