KR20240019538A - Sensor fusion device and and multi-sensor system having same - Google Patents

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KR20240019538A
KR20240019538A KR1020220097318A KR20220097318A KR20240019538A KR 20240019538 A KR20240019538 A KR 20240019538A KR 1020220097318 A KR1020220097318 A KR 1020220097318A KR 20220097318 A KR20220097318 A KR 20220097318A KR 20240019538 A KR20240019538 A KR 20240019538A
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김성호
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Abstract

본 발명은 제 1 센서로부터의 제 1 데이터와 센서 퓨전 장치의 출력을 입력받아 이들의 오차를 계산하는 차분기; 상기 차분기로부터의 오차로부터 출력값을 계산하는 PI 제어기; 상기 PI 제어기의 출력값과 제 2 센서로부터의 제 2 데이터를 입력받아 이들을 적분하는 적분기; 및 상기 적분기의 출력을 반전시키는 인버터를 포함하는 센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템을 제시한다.The present invention includes a differentiator that receives first data from a first sensor and the output of a sensor fusion device and calculates an error between them; a PI controller that calculates an output value from the error from the differencer; an integrator that receives the output value of the PI controller and second data from the second sensor and integrates them; A sensor fusion device including an inverter that inverts the output of the integrator and a multi-sensor system including the same are presented.

Figure P1020220097318
Figure P1020220097318

Description

센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템{Sensor fusion device and and multi-sensor system having same}Sensor fusion device and multi-sensor system having the same {Sensor fusion device and and multi-sensor system having same}

본 발명은 센서 퓨전 장치에 관한 것으로, 특히 아날로그 회로를 이용하여 센서 퓨전 과정을 수행하는 저전력 센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor fusion device, and particularly to a low-power sensor fusion device that performs a sensor fusion process using an analog circuit and a multi-sensor system equipped therewith.

드론, 자율 자동차 등의 이동체는 이동체의 속도, 방향, 위치 등을 실시간으로 파악하기 위해 복수의 센서가 장착된다. 그런데, 모든 센서는 각자의 고유한 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 서로 장단점이 반대되는 센서들의 데이터를 융합(fusion)하는데, 이를 센서 퓨전(sensor fusion)이라 한다. 센서 퓨전을 이용함으로써 데이터에 포함된 노이즈를 줄여 정확도를 향상시킬 수 있다. 즉, 센서 퓨전은 복수의 센서에서 수집된 데이터를 융합하여 불확실성이 적고 보다 신뢰할 수 있는 정보를 생성함으로써 개별 센서의 한계를 극복할 수 있다. 또한, 센서 퓨전은 고성능의 센서를 사용하지 않아도 되기 때문에 센서가 사용되는 다양한 시스템에서 널리 활용되고 있다.Mobile objects such as drones and autonomous vehicles are equipped with multiple sensors to determine the speed, direction, and location of the moving object in real time. However, all sensors have their own unique disadvantages. To compensate for these shortcomings, data from sensors with opposing strengths and weaknesses are fused, which is called sensor fusion. By using sensor fusion, accuracy can be improved by reducing noise included in data. In other words, sensor fusion can overcome the limitations of individual sensors by fusing data collected from multiple sensors to generate more reliable information with less uncertainty. Additionally, sensor fusion is widely used in various systems where sensors are used because it does not require the use of high-performance sensors.

센서 퓨전은 예를 들어 드론이라고도 불리는 무인 항공기(UAV)에 활발히 적용되고 있다. 드론에는 드론의 정확한 위치나 방향을 실시간으로 파악하기 위해 GPS, 각속도계(gyroscope), 가속도계(accelerometer), 자력계, 압력 센서 등 다양한 센서가 내장된다. 여기서, 각속도계가 측정한 각속도에는 낮은 주파수 대역에서의 노이즈가 어쩔수 없이 포함된다. 반대로, 가속도계가 측정한 가속도에는 높은 주파수 대역에서의 노이즈가 포함된다. 따라서, 두 센서의 데이터를 적절한 알고리즘을 이용하여 융합하면 노이즈가 제거된 정확도 높은 신호를 얻을 수 있다. 즉, 이론적으로는 측정된 각속도만을 이용하여 드론의 현재 자세를 예측할 수 있고, 측정된 가속도만으로도 자세를 예측할 수 있다. 그러나, 이렇게 센서 1개로부터 얻어진 데이터로 자세를 예측하면 실제 자세와 오차가 많이 발생한다. 이러한 한계를 극복하고자 사용하는 방법이 센서 퓨전으로, 2개 이상의 센서로부터 얻어진 데이터를 적절한 알고리즘을 통해 융합하여 결과적으로 노이즈가 제거되어 정확도 높은 데이터를 얻을 수 있다. Sensor fusion is being actively applied, for example, to unmanned aerial vehicles (UAVs), also called drones. Drones are equipped with various sensors such as GPS, gyroscope, accelerometer, magnetometer, and pressure sensor to determine the drone's exact location or direction in real time. Here, the angular velocity measured by the angular velocity inevitably includes noise in the low frequency band. Conversely, acceleration measured by an accelerometer includes noise in high frequency bands. Therefore, by fusing the data from the two sensors using an appropriate algorithm, a highly accurate signal with noise removed can be obtained. In other words, theoretically, the current posture of the drone can be predicted using only the measured angular velocity, and the posture can be predicted using only the measured acceleration. However, if the posture is predicted using data obtained from a single sensor, there is a lot of error from the actual posture. Sensor fusion is a method used to overcome these limitations. By fusing data obtained from two or more sensors through an appropriate algorithm, noise is removed and highly accurate data can be obtained.

이러한 센서 퓨전을 위해 가장 널리 사용되는 알고리즘은 칼만필터(Kalman filter)와 상보필터(complementary filter)이다. 이들 알고리즘은 이미 수십여 년간 성능이 검증되었고, 그에 따라 드론, 자율 자동차 등 센서가 활용되는 대부분의 시스템에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 기존의 센서 퓨전 알고리즘은 센서가 신호를 검출할 때마다 계산을 계속해서 반복하므로 계산 과정이 복잡하며, 복잡한 수학적 모델을 필요로 하기도 한다. 이를 위해 기존의 센서 퓨전 알고리즘은 디지털 프로세서에서 수행된다. 즉, 이산 시간(discrete time) 기반의 칼만필터 알고리즘을 디지털 프로세서에서 계산하여 센서 퓨전 결과를 얻게 된다. 칼만필터 알고리즘을 디지털 프로세서에서 수행하므로 과도한 연산량 문제가 있고, 그에 따라 전력 소비가 큰 단점이 있다. 그런데, 드론, IoT 기기, 모바일 기기는 제한된 배터리만으로 동작하므로 고성능의 프로세서를 탑재하기가 어렵다. 따라서, 제한된 성능을 가지는 프로세서를 이용하여 센서 퓨전을 위한 알고리즘을 수행하는 것이 부담이 된다.The most widely used algorithms for sensor fusion are the Kalman filter and complementary filter. The performance of these algorithms has already been verified for decades, and as a result, they are widely used in most systems that utilize sensors, such as drones and autonomous vehicles. However, these existing sensor fusion algorithms continuously repeat calculations each time the sensor detects a signal, so the calculation process is complicated and often requires a complex mathematical model. For this purpose, existing sensor fusion algorithms are performed on a digital processor. In other words, the sensor fusion result is obtained by calculating the discrete time-based Kalman filter algorithm on a digital processor. Since the Kalman filter algorithm is performed on a digital processor, there is a problem with excessive computation and, consequently, large power consumption. However, drones, IoT devices, and mobile devices operate with limited batteries, so it is difficult to install high-performance processors. Therefore, it is burdensome to perform the algorithm for sensor fusion using a processor with limited performance.

한편, 기존의 센서 퓨전 알고리즘을 수행하기 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이 필요하다. 즉, 센서에서 얻어지는 데이터는 아날로그 신호인데, 센서 퓨전 알고리즘을 수행하기 위해 디지털 신호로 변환하는 과정이 필요하다. 다시 말하면, 센서에서 출력되는 신호가 센서 퓨전 알고리즘을 위한 디지털 프로세서로 입력되기 전에 디지털 신호로 변환되는 과정을 거치게 된다. 이러한 변환 과정에서 추가적인 에너지 소모가 필요하며, 어느 정도의 지연 시간(latency)이 발생하게 된다.Meanwhile, in order to perform the existing sensor fusion algorithm, a process of converting analog signals to digital signals is necessary. In other words, the data obtained from the sensor is an analog signal, but a process of converting it into a digital signal is necessary to perform the sensor fusion algorithm. In other words, the signal output from the sensor goes through a process of being converted into a digital signal before being input to the digital processor for the sensor fusion algorithm. This conversion process requires additional energy consumption and causes a certain amount of latency.

한국등록특허 제10-1880940호Korean Patent No. 10-1880940

본 발명은 디지털 프로세서에서 수행되는 기존의 센서 퓨전 알고리즘의 단점을 극복하여 센서 퓨전 알고리즘을 수행할 수 있는 센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템을 제공한다.The present invention provides a sensor fusion device capable of performing a sensor fusion algorithm by overcoming the shortcomings of the existing sensor fusion algorithm performed on a digital processor, and a multi-sensor system equipped therewith.

본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 센서 퓨전 알고리즘을 수행함으로써 기존의 센서 퓨전 알고리즘의 단점을 극복할 수 있는 센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템을 제공한다.The present invention provides a sensor fusion device that can overcome the shortcomings of existing sensor fusion algorithms by performing a sensor fusion algorithm using an analog circuit, and a multi-sensor system equipped therewith.

본 발명은 디지털 프로세서를 이용하여 신호 변환하고 아날로그 회로를 이용하여 센서 퓨전 과정을 수행함으로써 전력 소모를 줄일 수 있는 아날로그-디지털 하이브리드 회로 기반의 센서 퓨전 장치 및 이를 구비하는 멀티 센서 시스템을 제공한다The present invention provides a sensor fusion device based on an analog-digital hybrid circuit that can reduce power consumption by converting signals using a digital processor and performing a sensor fusion process using an analog circuit, and a multi-sensor system including the same.

본 발명의 일 실시 예에 따른 저전력 센서 퓨전 장치는 제 1 센서로부터의 제 1 데이터와 센서 퓨전 장치의 출력을 입력받아 이들의 오차를 계산하는 차분기; 상기 차분기로부터의 오차로부터 출력값을 계산하는 PI 제어기; 상기 PI 제어기의 출력값과 제 2 센서로부터의 제 2 데이터를 입력받아 이들을 적분하는 적분기; 및 상기 적분기의 출력을 반전시키는 인버터를 포함한다.A low-power sensor fusion device according to an embodiment of the present invention includes a differencer that receives first data from a first sensor and the output of the sensor fusion device and calculates an error between them; a PI controller that calculates an output value from the error from the differencer; an integrator that receives the output value of the PI controller and second data from the second sensor and integrates them; and an inverter that inverts the output of the integrator.

상기 제 1 센서는 가속도계를 포함하여 상기 제 1 데이터는 오일러 각도(Emea(t))를 포함하고, 상기 제 2 센서는 각속도계를 포함하여 상기 제 2 데이터는 각속도(Wmea(t))를 포함하며, 상기 센서 퓨전 장치의 출력은 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 포함한다.The first sensor includes an accelerometer and the first data includes Euler angles (E mea (t)), and the second sensor includes a gyroscope and the second data includes an angular velocity (W mea (t)). It includes, and the output of the sensor fusion device includes an Euler angle prediction value (E est (t)).

상기 차분기는 오일러 각도 예측값(Eest(t))과 오일러 각도(Emea(t))의 오차값(

Figure pat00001
)을 계산한다.The differencer is an error value (
Figure pat00001
) is calculated.

상기 PI 제어기는, 제 1 및 제 2 입력 단자와 출력 단자를 구비하는 차동 증폭기와, 상기 차분기의 출력 단자와 상기 차동 증폭기의 상기 제 1 입력 단자 사이에 마련되는 멤리스터와, 상기 차동 증폭기의 출력 단자와 상기 제 1 단자 사이에 직렬 연결된 저항 및 캐패시터를 포함한다.The PI controller includes a differential amplifier having first and second input terminals and an output terminal, a memristor provided between the output terminal of the differencer and the first input terminal of the differential amplifier, and the differential amplifier. It includes a resistor and a capacitor connected in series between an output terminal and the first terminal.

상기 PI 제어기는 상기 차분기로부터 오차값(e(t))을 입력받아

Figure pat00002
의 출력값(-u(t))을 계산하며, GPI는 멤리스터의 전도도값, RPI는 저항의 저항값, CPI는 캐패시터의 캐패시턴스이다.The PI controller receives the error value (e(t)) from the differencer and
Figure pat00002
Calculate the output value (-u(t)), where G PI is the conductivity value of the memristor, R PI is the resistance value of the resistor, and C PI is the capacitance of the capacitor.

상기 PI 제어기의 출력값(-u(t))은 상기 차분기로부터의 오차값(e(t))에 비례한다.The output value (-u(t)) of the PI controller is proportional to the error value (e(t)) from the differencer.

상기 PI 제어기는 칼만계수(K)를 상기 멤리스터의 전도도에 대응시켜 상기 멤리스터의 전도도를 제어하여 게인값을 제어한다.The PI controller controls the gain value by controlling the conductivity of the memristor by matching the Kalman coefficient (K) to the conductivity of the memristor.

상기 PI 제어기의 게인값은 상기 멤리스터는 전도도가 증가하면 증가한다.The gain value of the PI controller increases as the conductivity of the memristor increases.

상기 멤리스터는 게이트, 소스 및 드레인을 포함하고, 게이트와 소스 및 드레인 사이에 채널층이 형성되며, 상기 채널층은 결정층과 결정층 사이에 그레인 바운더리가 존재하는 다결정 상태로 형성된 SnS2층을 포함한다.The memristor includes a gate, a source, and a drain, and a channel layer is formed between the gate, the source, and the drain, and the channel layer is a SnS 2 layer formed in a polycrystalline state with a grain boundary between the crystal layers. Includes.

상기 적분기는 상기 PI 제어기의 출력값과 상기 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 입력받아 적분한다.The integrator receives and integrates the output value of the PI controller and the angular velocity (W mea (t)) from the angular velocity.

상기 인버터는 상기 적분기의 출력을 입력받아 반전시켜 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력하고, 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))은 상기 차분기로 피드백된다.The inverter receives and inverts the output of the integrator to output the predicted Euler angle value (E est (t)), and the predicted Euler angle value (E est (t)) is fed back to the differencer.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 멀티 센서 시스템은 둘 이상의 센서; 상기 둘 이상의 센서로부터 데이터를 입력하여 융합하는 센서 퓨전 장치; 및 적어도 일부가 상기 센서 융합 장치의 출력을 변환시키는 디지털 프로세서를 포함한다.A multi-sensor system according to another embodiment of the present invention includes two or more sensors; A sensor fusion device that inputs and fuses data from the two or more sensors; and a digital processor, at least a portion of which converts the output of the sensor fusion device.

상기 둘 이상의 센서는 아날로그 데이터를 출력하고, 상기 센서 퓨전 장치는 상기 둘 이상의 센서로부터 아날로그 데이터를 융합하여 아날로그 신호를 출력하며, 상기 디지털 프로세서는 상기 센서 퓨전 장치의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.The two or more sensors output analog data, the sensor fusion device fuses the analog data from the two or more sensors to output an analog signal, and the digital processor converts the analog signals of the sensor fusion device into digital signals.

상기 센서 퓨전 장치는, 제 1 센서로부터의 제 1 데이터와 센서 퓨전 장치의 출력을 입력받아 이들의 오차를 계산하는 차분기; 상기 차분기로부터의 오차로부터 출력값을 계산하는 PI 제어기; 상기 PI 제어기의 출력값과 제 2 센서로부터의 제 2 데이터를 입력받아 이들을 적분하는 적분기; 및 상기 적분기의 출력을 반전시키는 인버터를 포함한다.The sensor fusion device includes a differentiator that receives first data from a first sensor and an output of the sensor fusion device and calculates an error between them; a PI controller that calculates an output value from the error from the differencer; an integrator that receives the output value of the PI controller and second data from the second sensor and integrates them; and an inverter that inverts the output of the integrator.

상기 제 1 센서는 가속도계를 포함하여 상기 제 1 데이터는 오일러 각도(Emea(t))를 포함하고, 상기 제 2 센서는 각속도계를 포함하여 상기 제 2 데이터는 각속도(Wmea(t))를 포함하며, 상기 센서 퓨전 장치의 출력은 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 포함한다.The first sensor includes an accelerometer and the first data includes Euler angles (E mea (t)), and the second sensor includes a gyroscope and the second data includes an angular velocity (W mea (t)). It includes, and the output of the sensor fusion device includes an Euler angle prediction value (E est (t)).

상기 차분기는 오일러 각도 예측값(Eest(t))과 오일러 각도(Emea(t))의 오차값(

Figure pat00003
)을 계산한다.The differencer is an error value (
Figure pat00003
) is calculated.

상기 PI 제어기는, 제 1 및 제 2 입력 단자와 출력 단자를 구비하는 차동 증폭기와, 상기 차분기의 출력 단자와 상기 차동 증폭기의 상기 제 1 입력 단자 사이에 마련되는 멤리스터와, 상기 차동 증폭기의 출력 단자와 상기 제 1 단자 사이에 직렬 연결된 저항 및 캐패시터를 포함한다.The PI controller includes a differential amplifier having first and second input terminals and an output terminal, a memristor provided between the output terminal of the differencer and the first input terminal of the differential amplifier, and the differential amplifier. It includes a resistor and a capacitor connected in series between an output terminal and the first terminal.

상기 PI 제어기는 상기 차분기로부터 오차값(e(t))을 입력받아

Figure pat00004
의 출력값(-u(t))을 계산하며, GPI는 멤리스터의 전도도값, RPI는 저항의 저항값, CPI는 캐패시터의 캐패시턴스이다.The PI controller receives the error value (e(t)) from the differencer and
Figure pat00004
Calculate the output value (-u(t)), where G PI is the conductivity value of the memristor, R PI is the resistance value of the resistor, and C PI is the capacitance of the capacitor.

상기 PI 제어기는 칼만계수(K)를 상기 멤리스터의 전도도에 대응시켜 상기 멤리스터의 전도도를 제어하여 게인값을 제어한다.The PI controller controls the gain value by controlling the conductivity of the memristor by matching the Kalman coefficient (K) to the conductivity of the memristor.

상기 적분기는 상기 PI 제어기의 출력값과 상기 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 입력받아 적분한다.The integrator receives and integrates the output value of the PI controller and the angular velocity (W mea (t)) from the angular velocity.

상기 인버터는 상기 적분기의 출력을 입력받아 반전시켜 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력하고, 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))은 상기 차분기로 피드백된다.The inverter receives and inverts the output of the integrator to output the predicted Euler angle value (E est (t)), and the predicted Euler angle value (E est (t)) is fed back to the differencer.

본 발명의 실시 예들에 따른 센서 퓨전 장치는 아날로그 회로로 구성된다. 즉, 본 발명은 칼만필터 또는 상보필터 알고리즘을 이용한 센서 퓨전 과정을 아날로그 회로를 이용하여 수행한다. 이때, 본 발명은 센서로부터의 아날로그 신호가 아날로그 센서 퓨전 장치에 직접 입력되어 센서 퓨전 과정이 수행된다.Sensor fusion devices according to embodiments of the present invention are composed of analog circuits. That is, the present invention performs a sensor fusion process using a Kalman filter or complementary filter algorithm using an analog circuit. At this time, in the present invention, the analog signal from the sensor is directly input to the analog sensor fusion device to perform the sensor fusion process.

또한, 본 발명은 디지털 프로세서를 이용하여 아날로그 회로에 입력될 신호를 변환하는 제한된 역할만 수행하게 한다. 즉, 디지털 프로세서는 아날로그 센서 퓨전 장치에 신호를 전달하는 역할을 하거나, 아날로그 센서 퓨전 장치로부터의 아날로그 출력 신호를 이후 제어에 활용할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 역할만 하게 된다. 다시 말하면, 본 발명은 디지털 프로세서가 신호 전달 또는 신호 변환 기능을 수행하고, 아날로그 회로가 센서 퓨전 알고리즘을 수행한다.Additionally, the present invention uses a digital processor to perform only a limited role of converting signals to be input to an analog circuit. In other words, the digital processor only serves to deliver signals to the analog sensor fusion device or to convert the analog output signal from the analog sensor fusion device into a digital signal so that it can be used for later control. In other words, in the present invention, a digital processor performs a signal transmission or signal conversion function, and an analog circuit performs a sensor fusion algorithm.

따라서, 본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 센서 퓨전 과정을 수행함으로써 종래의 디지털 프로세서를 이용하여 센서 퓨전 알고리즘을 수행하는 것에 비해 디지털 프로세서의 연산량 문제를 해결할 수 있고, 그에 따라 적은 전력 소모를 가능하게 한다.Therefore, by performing the sensor fusion process using an analog circuit, the present invention can solve the computational problem of a digital processor compared to performing a sensor fusion algorithm using a conventional digital processor, thereby enabling less power consumption. .

또한, 본 발명은 센서로부터의 아날로그 신호를 직접 입력하여 센서 퓨전 과정을 수행함으로써 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이 필요없기 때문에 종래에 비해 추가적인 에너지 소모와 지연 시간(latency)의 문제가 발생되지 않는다.In addition, the present invention performs a sensor fusion process by directly inputting the analog signal from the sensor, thereby eliminating the need for a process of converting the analog signal to a digital signal, thus eliminating the problem of additional energy consumption and latency compared to the prior art. No.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치가 적용되는 멀티 센서 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치의 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치에 적용되는 멤리스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 멤리스터의 전도도값에 따른 상보필터 회로의 출력값 변화를 실험적으로 확인한 데이터이다.
도 8은 칼만필터 알고리즘을 본 발명에 따른 센서 퓨전 장치를 이용하여 수행한 결과와 종래의 디지털 프로세서에서 수행한 결과를 비교한 그래프이다.
도 9는 상보필터 알고리즘을 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 이용하여 수행한 결과와 종래의 디지털 프로세서에서 수행한 결과를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치를 탑재한 드론의 사진이다.
1 is a schematic diagram of a multi-sensor system to which a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention is applied.
Figure 2 is a configuration diagram of a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention.
3 to 6 are diagrams for explaining a memristor applied to a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows data experimentally confirming the change in output value of the complementary filter circuit according to the conductivity value of the memristor.
Figure 8 is a graph comparing the results of performing the Kalman filter algorithm using the sensor fusion device according to the present invention and the results of performing the Kalman filter algorithm using a conventional digital processor.
Figure 9 is a graph comparing the results of performing the complementary filter algorithm using a low-power sensor fusion device according to the present invention and the results of performing the complementary filter algorithm using a conventional digital processor.
Figure 10 is a photograph of a drone equipped with a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. These embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided for complete information.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치가 적용되는 시스템의 개략도이다. 즉, 도 1은 적어도 둘 이상의 센서를 구비하여 센서들의 데이터를 융합하는 센서 퓨전 장치가 적용되는 시스템의 개략도이다. 이러한 시스템은 예를 들어 적어도 둘 이상의 센서가 구비되어 센서 퓨전을 수행하는 드론, IoT 기기, 모바일 기기 등을 포함할 수 있다.1 is a schematic diagram of a system to which a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention is applied. That is, Figure 1 is a schematic diagram of a system in which a sensor fusion device that includes at least two sensors and fuses data from the sensors is applied. These systems may include, for example, drones, IoT devices, mobile devices, etc. that are equipped with at least two sensors and perform sensor fusion.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 퓨전 장치가 적용되는 시스템은 적어도 둘 이상의 센서(10, 20)와, 적어도 둘 이상의 센서(10, 20)로부터 출력되는 데이터를 융합하는 센서 퓨전 장치(30)와, 신호 변환 기능을 수행하는 디지털 프로세서(40)를 포함할 수 있다. 여기서, 센서들(10, 20)은 GPS, 각속도계, 가속도계, 자력계, 압력 센서 등을 포함하는 센서 중에서 적어도 둘 이상을 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예는 센서들(10, 20)이 각각 각속도계 및 가속도계일 수 있다. 또한, 센서 퓨전 장치(30)는 아날로그 회로로 구성되어 센서들(10, 20)로부터의 출력 신호, 즉 각 센서들(10, 20)의 센싱 데이터를 융합한다. 즉, 센서 퓨전 장치(30)는 아날로그 회로로 구성되어 센서들(10, 20)로부터의 센싱 데이터를 직접 입력하여 이들 데이터를 융합한다. 그리고, 디지털 프로세서(40)는 센서 퓨전 장치(30)로 입력되는 신호를 변환하거나 센서 퓨전 장치(30)로부터 출력되는 신호를 변환하는 기능을 수행한다. 즉, 디지털 프로세서(40)는 예를 들어 드론 등의 복수의 센서를 포함하는 멀티 센서 시스템의 구동 및 운용 등 전반을 제어하는데, 본 발명에 대해서는 일부 기능으로서 신호 변환 기능을 수행한다.As shown in Figure 1, the system to which the sensor fusion device according to the present invention is applied is a sensor fusion device that fuses at least two sensors 10 and 20 and data output from at least two sensors 10 and 20. It may include (30) and a digital processor (40) that performs a signal conversion function. Here, the sensors 10 and 20 may include at least two of sensors including GPS, gyroscope, accelerometer, magnetometer, and pressure sensor. At this time, in an embodiment of the present invention, the sensors 10 and 20 may be an angular velocity sensor and an accelerometer, respectively. In addition, the sensor fusion device 30 is composed of an analog circuit and fuses the output signals from the sensors 10 and 20, that is, the sensing data of each sensor 10 and 20. That is, the sensor fusion device 30 is composed of an analog circuit and directly inputs sensing data from the sensors 10 and 20 and fuses these data. In addition, the digital processor 40 performs a function of converting a signal input to the sensor fusion device 30 or a signal output from the sensor fusion device 30. That is, the digital processor 40 controls the overall driving and operation of a multi-sensor system including a plurality of sensors, such as a drone, and performs a signal conversion function as a part of the present invention.

상기한 바와 같이, 본 발명은 센서 퓨전 장치(30)가 아날로그 회로로 구성되어 센서 퓨전 과정을 수행하고, 디지털 프로세서(40)는 신호 변환 기능만을 수행한다. 즉, 본 발명의 센서 퓨전 장치(30)는 종래의 디지털 프로세서에서 수행하던 센서 퓨전 알고리즘, 즉 칼만필터 또는 상보필터를 아날로그 회로로 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 디지털 프로세서(40)를 이용하여 센서 퓨전 알고리즘을 수행하는 종래에 비해 전력 소모를 줄일 수 있고, 그에 따라 저전력 센서 퓨전 장치를 가능하게 한다.As described above, in the present invention, the sensor fusion device 30 is composed of an analog circuit to perform a sensor fusion process, and the digital processor 40 only performs a signal conversion function. That is, the sensor fusion device 30 of the present invention can implement the sensor fusion algorithm, that is, the Kalman filter or complementary filter, performed in a conventional digital processor, as an analog circuit. Therefore, the present invention can reduce power consumption compared to the conventional method of performing a sensor fusion algorithm using the digital processor 40, thereby enabling a low-power sensor fusion device.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치의 구성도이다. 이러한 퓨전 센서 장치는 종래의 디지털 프로세서에서 수행하던 센서 퓨전 알고리즘, 즉 칼만필터 또는 상보필터를 아날로그 회로로 구현한 것이다. 센서 퓨전 장치는 적어도 둘 이상의 센서로부터 데이터를 입력하는데, 본 발명은 드론을 예로 들어 각속도계 및 가속도계로부터의 데이터를 융합한다. 여기서, Wmea는 각속도계로부터 측정된 각속도이고, Emea는 가속도계로부터 측정된 가속도를 이용해 예측된 드론의 자세, 즉 오일러 각도이다. 드론의 자세는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)라고 불리는 3개의 오일러 각도를 통해 표현되며, 실제 드론의 오일러 각도에 비해 노이즈가 많이 포함되어 있다. 또한, Eest는 센서 퓨전 과정을 통해 예측된 드론의 자세(오일러 각도 예측값), 즉 Emea에서 노이즈가 제거된 신호이다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 저전력 센서 퓨전 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 둘 이상의 센서로부터의 출력 신호를 직접 입력하여 센서 퓨전 과정을 수행하는 아날로그 회로로 구성된다. 즉, 저전력 센서 퓨전 장치는 가속도계로부터의 오일러 각도(Emea(t))와 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 직접 입력하여 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력한다. 본 발명은 센서로부터 출력되는 아날로그 신호를 직접 입력함으로써 종래의 센서로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것에 비해 추가적인 에너지 소모와 지연 시간(latency) 발생을 방지할 수 있다.Figure 2 is a configuration diagram of a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention. This fusion sensor device is an analog circuit that implements the sensor fusion algorithm, that is, the Kalman filter or complementary filter, performed in a conventional digital processor. A sensor fusion device inputs data from at least two sensors, and the present invention fuses data from an angular velocity sensor and an accelerometer, using a drone as an example. Here, W mea is the angular velocity measured from the angular velocity, and E mea is the attitude of the drone predicted using the acceleration measured from the accelerometer, that is, the Euler angle. The drone's attitude is expressed through three Euler angles called roll, pitch, and yaw, and contains a lot of noise compared to the Euler angles of an actual drone. In addition, E est is a signal from which noise has been removed from the drone's attitude (Euler angle prediction value) predicted through the sensor fusion process, that is, E mea . As shown in FIG. 2, the low-power sensor fusion device according to an embodiment of the present invention is composed of an analog circuit that performs a sensor fusion process by directly inputting output signals from at least two sensors. That is, the low-power sensor fusion device directly inputs the Euler angle (E mea (t)) from the accelerometer and the angular velocity (W mea (t)) from the gyroscope and outputs the predicted Euler angle value (E est (t)). The present invention can prevent additional energy consumption and latency compared to converting the analog signal output from a conventional sensor into a digital signal by directly inputting the analog signal output from the sensor.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치는 가속도계로부터의 가속도값, 즉 오일러 각도(Emea(t))와 센서 퓨전 장치의 출력값인 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 피드백 받아 입력하여 이들의 차이, 즉 오차값(e(t))을 계산하는 차분기(100)와, 차분기(100)의 출력, 즉 오차값(e(t))으로부터 출력값(-u(t))을 계산하는 PI 제어기(200)와, PI 제어기(200)의 출력(-u(t))과 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 입력하고 이들을 적분하여 출력하는(-Eest(t)) 적분기(300)와, 적분기(300)의 출력(-Eest(t))을 반전시켜 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력하는 인버터(400)를 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치는 오일러각 산출값(즉 오일러 각도(Emea(t))으로부터 드론의 자세 변동에 따른 실시간 오일러각 변동값(즉 오일러 각도 예측값(Eest(t)))을 예측하여 드론의 자세 제어에 활용할 수 있도록 한다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치를 각 구성별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 2, the sensor fusion device according to an embodiment of the present invention includes an acceleration value from an accelerometer, that is, the Euler angle (E mea (t)), and an Euler angle predicted value (E est (t)), which is an output value of the sensor fusion device. ) is fed back and input to calculate the difference between them, that is, the error value (e(t)), and the output value (- A PI controller 200 that calculates u(t)), inputs the output of the PI controller 200 (-u(t)) and the angular velocity (W mea (t)) from the angular velocity, integrates them, and outputs them. (-E est (t)) Includes an integrator 300 and an inverter 400 that inverts the output (-E est (t)) of the integrator 300 and outputs the predicted Euler angle value (E est (t)). can do. The sensor fusion device according to an embodiment of the present invention calculates a real-time Euler angle change value (i.e., Euler angle predicted value (E est (t)) according to the drone's attitude change from the Euler angle calculated value (i.e., Euler angle (E mea (t)). ))) can be predicted and used for attitude control of the drone. The sensor fusion device according to an embodiment of the present invention will be described in more detail for each configuration as follows.

1. 차분기1. Calm down

차분기(100)는 가속도계로부터의 가속도, 즉 오일러 각도(Emea(t))와 센서 퓨전 장치의 출력값인 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 피드백 받아 입력한다. 즉, 차분기(100)는 측정 오일러 각도(Emea(t))와 추정 오일러 각도(Eest(t))를 입력한다. 이때, 차분기(100)는 오일러 각도(Emea(t))를 반전 입력 단자(-)로 입력하고 피드백된 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 비반전 입력 단자(+)로 입력하는 차동 증폭기(110)를 포함할 수 있다. 또한, 차분기(100)는 복수의 저항(R11, R12, R13, R14)을 포함한다. 즉, 반전 입력 단자(-)에 연결된 제 1 저항(R11)과, 비반전 입력 단자(+)에 연결된 제 2 저항(R12)와, 비반전 입력 단자와 접지 단자 사이에 연결된 제 3 저항(R13)과, 출력 단자와 반전 입력 단자(-) 사이에 연결된 제 4 저항(R14), 즉 귀환 저항을 포함할 수 있다. 이때, 차분기(100)의 제 1 내지 제 4 저항(R11, R12, R13, R14)은 동일한 저항값, 예를 들어 10㏁의 저항값을 가질 수 있다. 이러한 차분기(100)는 차동 증폭기(110)의 반전 입력 단자(-)와 비반전 입력 단자(+)로 입력되는 두 신호의 차이를 증폭하여 출력한다. 즉, 차분기(100)는 오일러 각도(Emea(t))와 오일러 각도 예측값(Eest(t))의 오차(

Figure pat00005
)를 출력한다. 다시 말하면, 차분기(100)는 필터를 통해 노이즈가 제거된 오일러 각도 예측값(Eest(t))와 현재의 오일러각(Emea(t))의 차이를 계산한다.The differencer 100 receives feedback and inputs the acceleration from the accelerometer, that is, the Euler angle (E mea (t)), and the predicted Euler angle value (E est (t)), which is the output value of the sensor fusion device. That is, the differencer 100 inputs the measured Euler angle (E mea (t)) and the estimated Euler angle (E est (t)). At this time, the differencer 100 inputs the Euler angle (E mea (t)) to the inverting input terminal (-) and inputs the fed-back Euler angle prediction value (E est (t)) to the non-inverting input terminal (+). It may include a differential amplifier 110. Additionally, the differencer 100 includes a plurality of resistors R11, R12, R13, and R14. That is, the first resistor (R11) connected to the inverting input terminal (-), the second resistor (R12) connected to the non-inverting input terminal (+), and the third resistor (R13) connected between the non-inverting input terminal and the ground terminal. ) and a fourth resistor (R14) connected between the output terminal and the inverting input terminal (-), that is, a feedback resistor. At this time, the first to fourth resistors R11, R12, R13, and R14 of the differential 100 may have the same resistance value, for example, 10 MΩ. This differential 100 amplifies the difference between the two signals input to the inverting input terminal (-) and the non-inverting input terminal (+) of the differential amplifier 110 and outputs the amplified difference. In other words, the differencer 100 calculates the error (
Figure pat00005
) is output. In other words, the differencer 100 calculates the difference between the predicted Euler angle value (E est (t)) from which noise has been removed through a filter and the current Euler angle (Emea (t)).

2. PI 제어기2. PI controller

PI 제어기(Proportional-Integral controller)(200)는 차분기(100)의 출력을 입력하여 제어에 필요한 출력값(-u(t))을 계산한다. 즉, PI 제어기(200)는 차분기(100)로부터 오일러 각도(Emea(t))와 오일러 각도 예측값(Eest(t))의 오차(e(t))를 입력하여 출력값을 계산한다. 이러한 PI 제어기(200)는 멤리스터(210)와 차동 증폭기(220)를 포함할 수 있다. 멤리스터(210)는 차분기(100)의 출력 단자와 차동 증폭기(220)의 반전 입력 단자(-) 사이에 마련된다. 또한, 차동 증폭기(220)는 반전 입력 단자(-)에 멤리스터(210)의 출력이 입력되고, 비반전 입력 단자(+)에 접지 전위가 입력된다. 또한, 차동 증폭기(220)의 출력은 적분기(300)로 입력되는데, 차동 증폭기(220)의 출력 단자는 저항(R21) 및 캐패시터(C21)을 통해 반전 입력 단자(-)와 연결된다.The PI controller (Proportional-Integral controller) 200 inputs the output of the differencer 100 and calculates the output value (-u(t)) required for control. That is, the PI controller 200 calculates an output value by inputting the error e(t) of the Euler angle E mea (t) and the predicted Euler angle value E est (t) from the differencer 100. This PI controller 200 may include a memristor 210 and a differential amplifier 220. The memristor 210 is provided between the output terminal of the differential amplifier 100 and the inverting input terminal (-) of the differential amplifier 220. In addition, the differential amplifier 220 receives the output of the memristor 210 to the inverting input terminal (-), and the ground potential is input to the non-inverting input terminal (+). Additionally, the output of the differential amplifier 220 is input to the integrator 300, and the output terminal of the differential amplifier 220 is connected to the inverting input terminal (-) through a resistor (R21) and a capacitor (C21).

이러한 PI 제어기(200)는 차분기(100)로부터 오차값(e(t))을 입력받아

Figure pat00006
라는 출력(-u(t))을 생성한다. 여기서, GPI는 멤리스터(210)의 전도도값, RPI는 저항(R21)의 저항값, CPI는 캐패시터(C21)의 캐패시턴스이다. 한편, PI 제어기(200)는 마이너스 값, 즉 -u(t)를 출력하는데, 그 이유는 센서 퓨전 알고리즘의 3번째 과정, 즉 적분기(300)에서 Wmea(t) 신호와 u(t)를 빼주는 과정이 필요하기 때문에 -u(t)를 PI 제어기(200)의 출력으로 생성한다.This PI controller 200 receives the error value (e(t)) from the differencer 100 and
Figure pat00006
It generates an output called (-u(t)). Here, G PI is the conductivity value of the memristor 210, R PI is the resistance value of the resistor (R21), and C PI is the capacitance of the capacitor (C21). Meanwhile, the PI controller 200 outputs a negative value, that is, -u(t), because the third process of the sensor fusion algorithm, that is, the integrator 300 combines the W mea (t) signal and u(t). Because a subtraction process is necessary, -u(t) is generated as the output of the PI controller 200.

또한, PI 제어기(200)는 상황 변화에 따라 멤리스터(210)의 전도도를 제어함으로써 게인값을 제어할 수 있다. 예를 들어, 소정의 초기 전도도를 갖는 멤리스터(210)를 적용하여 초기 게인값을 설정하고, 상황 변화에 따라 멤리스터(210)의 전도도를 제어함으로써 게인값을 제어할 수 있다. 즉, PI 제어기(200)는 바람 등의 환경 변수 영향으로 추정 오일러 각도를 산출하는 PI 제어기(200)의 게인값 조정이 필요하다고 판단하면, 멤리스터(210)의 전도도를 조정할 수 있다. 이때, 본 발명은 칼만계수(K)를 가변 저항 소자, 즉 멤리스터(210)의 전도도에 대응시킨다. 예를 들어, K=1이면 멤리스터(210)의 전도도는 1S[simen]으로 아날로그 회로에서 표현한다. 이때, 멤리스터(210)는 기존 반도체 소자처럼 0 또는 1의 값만 가지는 디지털 방식으로 동작하는 소자가 아니라, 차세대 반도체 물질을 이용하여 0과 1 사이의 값을 자유롭게 바꿀 수 있는 소자이다. 따라서, 임의의 K 값을 멤리스터(210)의 전도도 값으로 표현이 가능하다.Additionally, the PI controller 200 can control the gain value by controlling the conductivity of the memristor 210 according to changes in circumstances. For example, the initial gain value can be set by applying the memristor 210 having a predetermined initial conductivity, and the gain value can be controlled by controlling the conductivity of the memristor 210 according to changes in situations. That is, if the PI controller 200 determines that it is necessary to adjust the gain value of the PI controller 200 that calculates the estimated Euler angle due to the influence of environmental variables such as wind, it can adjust the conductivity of the memristor 210. At this time, the present invention corresponds the Kalman coefficient (K) to the conductivity of the variable resistance element, that is, the memristor 210. For example, if K=1, the conductivity of the memristor 210 is expressed in an analog circuit as 1S[simen]. At this time, the memristor 210 is not a device that operates in a digital manner with only a value of 0 or 1 like existing semiconductor devices, but is a device that can freely change the value between 0 and 1 using next-generation semiconductor materials. Therefore, any K value can be expressed as the conductivity value of the memristor 210.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 PI 제어기(200)에 적용되는 멤리스터(210)를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 3은 멤리스터의 단면 개략도이고, 도 4는 멤리스터의 평면도이며, 도 5는 멤리스터의 단면 사진이고, 도 6은 멤리스터의 전도도 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이 멤리스터는 게이트(G), 소스(S) 및 드레인(D)을 가지는 트랜지스터 구조로 제작될 수 있다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 소스(S)와 드레인(D)는 소정 간격 이격되어 게이트(G)와 교차되는 방향으로 형성될 수 있다. 한편, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 게이트(G)는 도핑된 실리콘 기판으로 이루어질 수 있고, 소스(S) 및 드레인(D)은 Ti 및 Au의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 그러나, 게이트(G)는 실리콘 기판 상에 형성된 도전 물질로 이루어질 수 있으며, 소스(S) 및 드레인(D)는 적층 구조 뿐만 아니라 적어도 하나의 도전 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 게이트(G), 소스(S) 및 드레인(D)은 Al, Au, Cu, Ir, Ru, Pt, Ti, TiN, Ta, TaN, Cr 등의 다양한 도전 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 게이트(G) 상에는 Al2O3 등으로 이루어진 게이트 절연막이 형성되고, 게이트 절연막 상에 SnS2 등으로 이루어진 채널층이 형성될 수 있다. 여기서, 게이트 절연막은 Al2O3 이외에 산화막, 질화막, 산화질화막 등의 다양한 절연막으로 형성될 수 있다. 또한, 채널층은 SnS2 이외에도 전이금속 디칼로게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 형성될 수 있는데, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, GaSe, GaTe, InSe, In2Se3, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 멤리스터(210)는 게이트(G)에 전압을 인가하면 SnS2층에 전류가 잘 흐를 수 있는 채널(channel)이 형성되어, 결과적으로 소스(S)와 드레인(D) 사이에 전류가 흐르게 된다. 이때, SnS2 층은 여러층의 SnS2 단결정 원자층이 겹쳐서 형성된다. 즉, SnS2 층은 다결정(poly-crystalline) 상태로 형성된다. 이러한 다결정층에는 결정층과 결정층 사이에 그레인 바운더리(grain boundary)가 존재하는데, 이 부분에 전자들이 갇힐 수 있는 트랩(trap)이 형성된다. 따라서, 특정 전압을 인가하면 의도적으로 SnS2층 사이사이에 존재하는 그레인 바운더리에 전자를 채워넣거나 빼낼 수 있다. 그 경우, 채널을 흐르는 전류의 양이 증가되거나 감소할 수 있다. 이것이 SnS2 멤리스터의 전도도값을 조절하는 메커니즘이다, 도 6의 그래프는 실제로 측정된 데이터로, SnS2 멤리스터에 전기적 펄스를 인가하였을 때, 전도도값이 0.1∼1.1μS 사이의 값을 가지도록 조절될 수 있음을 보여 주고 있다.3 to 6 are diagrams for explaining the memristor 210 applied to the PI controller 200 of the present invention. That is, FIG. 3 is a cross-sectional schematic diagram of the memristor, FIG. 4 is a top view of the memristor, FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the memristor, and FIG. 6 is a graph for explaining the change in conductivity of the memristor. As shown in FIG. 3, the memristor can be manufactured as a transistor structure having a gate (G), source (S), and drain (D). At this time, as shown in FIG. 4, the source (S) and the drain (D) may be formed in a direction that intersects the gate (G) at a predetermined distance apart. Meanwhile, as shown in FIGS. 3 and 5, the gate (G) may be made of a doped silicon substrate, and the source (S) and drain (D) may be made of a stacked structure of Ti and Au. However, the gate (G) may be made of a conductive material formed on a silicon substrate, and the source (S) and drain (D) may be made of at least one conductive material as well as a stacked structure. For example, the gate (G), source (S), and drain (D) include at least one of various conductive materials such as Al, Au, Cu, Ir, Ru, Pt, Ti, TiN, Ta, TaN, Cr, etc. can do. Additionally, a gate insulating film made of Al 2 O 3 or the like may be formed on the gate G, and a channel layer made of SnS 2 or the like may be formed on the gate insulating film. Here, the gate insulating film may be formed of various insulating films such as an oxide film, a nitride film, and an oxynitride film in addition to Al 2 O 3 . In addition, the channel layer may be formed of transition metal dichalcogenide in addition to SnS 2 , MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , WTe 2 , TaS 2 , TaSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , SnSe 2 , GeS 2 , GeSe 2 , GaS 2 , GaSe 2 , GaSe, GaTe, InSe, In 2 Se 3 , Bi 2 S 3 , Bi 2 It may include at least one selected from the group consisting of Se 3 and Bi 2 Te 3 . When a voltage is applied to the gate (G) of this memristor 210, a channel through which current can easily flow is formed in the SnS 2 layer, resulting in current flowing between the source (S) and drain (D). do. At this time, the SnS 2 layer is formed by overlapping several layers of SnS 2 single crystal atomic layers. That is, the SnS 2 layer is formed in a poly-crystalline state. In this polycrystalline layer, a grain boundary exists between the crystal layers, and a trap in which electrons can be trapped is formed in this area. Therefore, by applying a specific voltage, electrons can be intentionally filled or extracted from the grain boundaries that exist between the SnS 2 layers. In that case, the amount of current flowing through the channel may increase or decrease. This is the mechanism that controls the conductivity value of the SnS 2 memristor. The graph in FIG. 6 is actually measured data, and when an electrical pulse is applied to the SnS 2 memristor, the conductivity value is between 0.1 and 1.1 μS. It shows that it can be controlled.

상기한 바와 같이 PI 제어기(200)는 멤리스터(210)의 전도도, 즉 GPI를 조절함으로써 PI 제어기(200)의 성능을 조절할 수 있다. 일반적인 PI 제어기의 출력은

Figure pat00007
로 된다. 여기서, KP는 비례 게인(gain), KI는 적분 게인이다. 따라서,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
가 되기 때문에 GPI를 조절하면 PI 제어기(200)의 성능을 조절할 수 있다. 즉, 멤리스터(210)의 전도도를 변동시킴으로써 PI 제어기(200)의 게인값을 변동시킬 수 있다. 도 7은 멤리스터의 전도도값에 따른 상보필터 회로의 출력값 변화를 실험적으로 확인한 데이터이다. GPI값이 0.5μS에서 2μS로 커지게 되면, KP=1, KI=1에서 KP=4, KI=4로 커지게 된다. 즉, GPI값이 0.5μS에서 KP=1, KI=1이지만, GPI값이 2μS로 커지게 되면 KP=4, KI=4로 커지게 된다. 이렇게 비례 게인과 적분 게인이 커지면 PI 제어기(200)의 출력값이 커지게 된다. 이 경우, 상대적으로 가속도계의 측정값(Emea(t))이 각속도계의 측정값(Wmea(t))보다 더 많이 최종 상보필터의 출력(Eest(t))에 반영된다. 즉, 센서 퓨전 장치의 최종 출력값이 주로 가속도계의 측정값을 따라 결정된다. 가속도계는 측정값에 고주파 노이즈가 포함되는 단점이 있다. 따라서, 상보필터가 가속도계의 측정값을 주로 반영할 경우, 초록색 그래프처럼 출력값에 노이즈가 포함된다. 반대로, GPI값이 0.5μS에서 0.1μS으로 작아지게 되면, KP=1, KI=1에서 KP=0.2, KI=0.2로 작아지게 된다. GPI값이 0.5μS에서 KP=1, KI=1이지만, GPI값이 0.1μS로 작아지게 되면 KP=0.2, KI=0.2로 작아지게 된다. 이 경우 상대적으로 가속도계의 측정값(Emea(t))보다 각속도계의 측정값(Wmea(t))이 더 많이 최종 상보필터(Eest(t))의 출력값에 반영된다. 각속도계의 측정값(Wmea(t))은 짧은 시간 범위 안에서는 유효하지만 긴 시간동안 측정하면 드리프트(drift) 현상이 발생하면서 측정값이 어느 한쪽으로 서서히 치우치는 단점이 있다. 따라서, 빨간색 그래프처럼 측정값의 최대/최소값이 들쑥날쑥한 것을 볼 수 있다. 결국, 상보필터에 적절한 PI 제어기(200)의 게인을 정해주어야 이상적인 출력값을 얻을 수 있는데, 기존에는 게인값을 몇번의 시행착오(trial and error)를 거쳐 임의로 정해주고, 고정된 값을 계속 사용하였다. 그러나, 본 발명은 PI 제어기(200)의 게인값을 가변할 수 있는 멤리스터(210)의 전도도값에 대응시켰기 때문에 주변 상황이 변하여 상보필터의 특성을 변화시킬 필요가 발생한 경우 PI 제어기(200)의 게인값을 적절히 변화시킬 수 있다. 그리고, 칼만필터와 마찬가지로 저전력으로 상보필터 알고리즘을 계산할 수 있다.As described above, the PI controller 200 can adjust the performance of the PI controller 200 by adjusting the conductivity of the memristor 210, that is, G PI . The output of a typical PI controller is
Figure pat00007
It becomes. Here, K P is the proportional gain and K I is the integral gain. thus,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
Since , the performance of the PI controller 200 can be adjusted by adjusting G PI . That is, the gain value of the PI controller 200 can be changed by changing the conductivity of the memristor 210. Figure 7 is data experimentally confirming the change in output value of the complementary filter circuit according to the conductivity value of the memristor. When the G PI value increases from 0.5μS to 2μS, it increases from K P =1, K I =1 to K P =4, K I =4. In other words, when the G PI value is 0.5μS, K P = 1 and K I = 1, but when the G PI value increases to 2 μS, it increases to K P = 4 and K I = 4. As the proportional gain and integral gain increase, the output value of the PI controller 200 increases. In this case, relatively more of the measured value of the accelerometer (E mea (t)) is reflected in the output (E est (t)) of the final complementary filter than the measured value of the angular velocity (W mea (t)). In other words, the final output value of the sensor fusion device is mainly determined by the measured value of the accelerometer. Accelerometers have the disadvantage that their measurements include high-frequency noise. Therefore, when the complementary filter mainly reflects the measured value of the accelerometer, noise is included in the output value, as shown in the green graph. Conversely, when the G PI value decreases from 0.5μS to 0.1μS, it decreases from K P =1, K I =1 to K P =0.2, K I =0.2. When the G PI value is 0.5μS, K P = 1 and K I = 1, but when the G PI value decreases to 0.1 μS, it decreases to K P = 0.2 and K I = 0.2. In this case, the angular velocity measurement value (W mea (t)) is relatively more reflected in the output value of the final complementary filter (E est (t)) than the accelerometer measurement value (E mea (t)). The measured value of the angular velocity (W mea (t)) is valid within a short time range, but when measured over a long period of time, a drift phenomenon occurs and the measured value gradually becomes biased to one side. Therefore, you can see that the maximum/minimum values of the measured values are uneven, as shown in the red graph. In the end, an ideal output value can be obtained only by determining the gain of the PI controller 200 appropriate for the complementary filter. In the past, the gain value was arbitrarily determined through several trials and errors, and the fixed value was continued to be used. . However, since the present invention corresponds the gain value of the PI controller 200 to the conductivity value of the variable memristor 210, if the surrounding conditions change and it is necessary to change the characteristics of the complementary filter, the PI controller 200 The gain value can be changed appropriately. And, like the Kalman filter, the complementary filter algorithm can be calculated with low power.

3. 적분기3. Integrator

적분기(300)는 PI 제어기(200)의 출력과 각속도계의 측정값(Wmea(t))을 입력한다. 즉, 적분기(300)는 PI 제어기(200)의 출력(-u(t))과 각속도계의 측정값(Wmea(t))을 더하여 적분한다. 이때, PI 제어기(200)의 출력(-u(t))은 오차값(e(t)), 즉 차분기(100)로부터의 오일러 각도(Emea(t))와 오일러 각도 예측값(Eest(t))의 오차(e(t))에 비례하고, 이 오차값은 결국 가속도계의 측정값(Emea(t))에 비례한다. 따라서, 적분기(300)는 가속도계의 측정값(Emea(t))과 각속도계의 측정값(Wmea(t))이 서로 더해지는데, 어느 측정값이 최종 상보필터 출력에 더 큰 영향을 미칠 것인지가 결정된다. 한편, 적분기(300)는 PI 제어기(200)의 출력과 각속도계의 측정값(Wmea(t))를 반전 입력 단자(-)로 입력하고 비반전 입력 단자(+)에는 접지 전위가 인가되는 차동 증폭기(310)를 포함할 수 있다. 이때. 반전 입력 단자(-)에는 병렬 연결된 제 1 및 제 2 저항(R31, R32)를 통해 PI 제어기(200)의 출력과 각속도계의 측정값(Wmea(t))이 각각 입력될 수 있다. 즉, 제 1 저항(R31)을 통해 PI 제어기(200)의 출력이 입력되고 제 2 저항(R32)을 통해 각속도계의 측정값(Wmea(t))이 차동 증폭기(310)의 반전 입력 단자(-)로 입력될 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 저항(R31, R32)는 동일한 저항값을 갖는다. 또한, 차동 증폭기(310)의 출력은 인버터(unity gain inverter)(400)로 입력된다. 차동 증폭기(310)의 출력은 병렬 연결된 제 3 저항(R33) 및 캐패시터(C31)를 통해 반전 입력 단자(-)로 피드백된다. 여기서, 제 3 저항(R33)의 저항값은 제 1 및 제 2 저항(R31, R32)의 저항값보다 작다.The integrator 300 inputs the output of the PI controller 200 and the measured value (W mea (t)) of the angular velocity meter. That is, the integrator 300 integrates the output of the PI controller 200 (-u(t)) and the measured value of the angular velocity (W mea (t)). At this time, the output (-u(t)) of the PI controller 200 is the error value (e(t)), that is, the Euler angle (E mea (t)) from the differencer 100 and the Euler angle predicted value (E est (t)) is proportional to the error (e(t)), and this error value is ultimately proportional to the measured value of the accelerometer (E mea (t)). Therefore, the integrator 300 adds the measured value of the accelerometer (E mea (t)) and the measured value of the angular velocity (W mea (t)), which measurement value will have a greater influence on the final complementary filter output. It is decided whether Meanwhile, the integrator 300 inputs the output of the PI controller 200 and the measured value (Wmea(t)) of the angular velocity into the inverting input terminal (-), and the ground potential is applied to the non-inverting input terminal (+). It may include an amplifier 310. At this time. The output of the PI controller 200 and the measured value (W mea (t)) of the angular velocity meter may be input to the inverting input terminal (-) through the first and second resistors (R31 and R32) connected in parallel, respectively. That is, the output of the PI controller 200 is input through the first resistor (R31), and the measured value (W mea (t)) of the angular velocity meter is input through the second resistor (R32) to the inverting input terminal of the differential amplifier 310. It can be entered as (-). At this time, the first and second resistors R31 and R32 have the same resistance value. Additionally, the output of the differential amplifier 310 is input to an inverter (unity gain inverter) 400. The output of the differential amplifier 310 is fed back to the inverting input terminal (-) through the third resistor R33 and capacitor C31 connected in parallel. Here, the resistance value of the third resistor R33 is smaller than the resistance values of the first and second resistors R31 and R32.

4. 인버터4. Inverter

인버터(400)는 적분기(300)의 출력을 입력하고, 이를 반전시켜 출력한다. 즉, 인버터(400)는 적분기(300)의 출력이 -Eest(t)이기 때문에 음의 부호를 없애주기 위한 역할을 한다. 다시 말하면, 인버터(400)는 아날로그 상보필터 회로의 최종 출력이 Eest(t)가 되도록 부호를 맞추어주는 역할을 한다. 따라서, 인버터(400)의 출력이 오일러 각도 예측값(Eest(t))이 된다. 인버터(400)는 반전 입력 단자(-)로 적분기(300)의 출력을 입력하고 비반전 입력 단자(+)는 접지 전위를 입력한다. 이때, 인버터(400)는 제 1 저항(R41)을 통해 적분기(300)의 출력을 입력한다. 또한, 인버터(400)의 출력은 제 2 저항(R42)를 통해 반전 입력 단자(-)로 피드백된다. 따라서, 제 1 및 제 2 저항(R41, R42)의 저항값이 동일하게 설정되어 진폭변화 없이 입력값을 반전시켜 출력한다. 즉, 인버터(400)는 적분기(300)의 출력을 진폭변화없이 반전시켜 출력한다. 인버터(400)의 출력, 즉 오일러 각도 예측값(Eest(t))은 차분기(100)로 피드백된다.The inverter 400 inputs the output of the integrator 300, inverts it, and outputs it. That is, the inverter 400 serves to eliminate the negative sign because the output of the integrator 300 is -E est (t). In other words, the inverter 400 serves to match the sign so that the final output of the analog complementary filter circuit is E est (t). Accordingly, the output of the inverter 400 becomes the predicted Euler angle value (E est (t)). The inverter 400 inputs the output of the integrator 300 to the inverting input terminal (-), and the non-inverting input terminal (+) inputs the ground potential. At this time, the inverter 400 inputs the output of the integrator 300 through the first resistor (R41). Additionally, the output of the inverter 400 is fed back to the inverting input terminal (-) through the second resistor (R42). Accordingly, the resistance values of the first and second resistors R41 and R42 are set to be the same, and the input value is inverted and output without changing the amplitude. That is, the inverter 400 inverts the output of the integrator 300 without changing the amplitude and outputs it. The output of the inverter 400, that is, the predicted Euler angle value (E est (t)), is fed back to the differencer 100.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치는 아날로그 회로로 구성된다. 즉, 본 발명은 칼만필터 또는 상보필터 알고리즘을 이용한 센서 퓨전 과정을 아날로그 회로를 이용하여 수행한다. 이때, 본 발명은 센서로부터의 아날로그 신호가 아날로그 센서 퓨전 장치에 직접 입력되어 센서 퓨전 과정이 수행된다. 또한, 본 발명은 디지털 프로세서를 이용하여 아날로그 회로에 입력될 신호를 변환하는 제한된 역할만 수행하게 한다. 즉, 디지털 프로세서는 아날로그 센서 퓨전 장치에 신호를 전달하는 역할을 하거나, 아날로그 센서 퓨전 장치로부터의 아날로그 출력 신호를 이후 제어에 활용할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 역할만 하게 된다. 다시 말하면, 본 발명은 디지털 프로세서가 신호 전달 또는 신호 변환 기능을 수행하고, 아날로그 회로가 센서 퓨전 과정을 수행한다. 이에 따라, 아날로그-디지털 하이브리드 회로를 기반으로 한 센서 퓨전 장치가 구현될 수 있다.As described above, the sensor fusion device according to an embodiment of the present invention is composed of an analog circuit. That is, the present invention performs a sensor fusion process using a Kalman filter or complementary filter algorithm using an analog circuit. At this time, in the present invention, the analog signal from the sensor is directly input to the analog sensor fusion device to perform the sensor fusion process. In addition, the present invention uses a digital processor to perform only a limited role of converting signals to be input to an analog circuit. In other words, the digital processor serves only to transmit signals to the analog sensor fusion device or to convert the analog output signal from the analog sensor fusion device into a digital signal so that it can be used for later control. In other words, in the present invention, a digital processor performs a signal transmission or signal conversion function, and an analog circuit performs a sensor fusion process. Accordingly, a sensor fusion device based on an analog-digital hybrid circuit can be implemented.

따라서, 본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 센서 퓨전 과정을 수행함으로써 종래의 디지털 프로세서를 이용하여 센서 퓨전 알고리즘을 수행하는 것에 비해 디지털 프로세서의 연산량 문제를 해결할 수 있고, 그에 따라 적은 전력 소모를 가능하게 한다. 그리고, 본 발명은 센서로부터의 아날로그 신호를 직접 입력하여 센서 퓨전 과정을 수행함으로써 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이 필요없기 때문에 종래에 비해 추가적인 에너지 소모와 지연 시간(latency)의 문제가 발생되지 않는다.Therefore, by performing the sensor fusion process using an analog circuit, the present invention can solve the computational problem of a digital processor compared to performing a sensor fusion algorithm using a conventional digital processor, thereby enabling less power consumption. . In addition, the present invention performs a sensor fusion process by directly inputting the analog signal from the sensor, so there is no need for a process of converting the analog signal to a digital signal, so there is no problem of additional energy consumption and latency compared to the prior art. No.

또한, 본 발명은 차세대 저항 변화 소자, 즉 멤리스터(210)를 이용하여 센서 퓨전의 성능을 주변 환경에 맞추어 가변적으로 조절 가능하게 한다. 예를 들어, 바람이 많아 노이즈가 소정의 표준 노이즈에 비하여 많아지는 경우 멤리스터의 전도도값을 조절하여 센서 퓨전의 성능을 조절할 수 있다.In addition, the present invention uses a next-generation resistance change element, that is, a memristor 210, to enable the performance of sensor fusion to be variably adjusted according to the surrounding environment. For example, when there is a lot of wind and the noise increases compared to a predetermined standard noise, the performance of sensor fusion can be adjusted by adjusting the conductivity value of the memristor.

이에 비해, 종래의 디지털 프로세서를 이용한 센서 퓨전 방식은 센서 퓨전의 성능을 최적화하기 위해 성능을 결정하는 변수(예: 칼만필터에서의 칼만변수 K)를 조절한다. 예를 들어, 칼만필터에서는 K값을 새로운 데이터가 센서로부터 입력될 때마다 알고리즘 계산을 통해 업데이트한다. 즉, K값을 다시 계산하는 과정만 1초에 수십번 이상 진행되며, 이 과정에 필요한 전력 소모량도 상당하다. 상보필터의 경우, 두 가지 변수값(비례 게인 KP, 적분 게인 KI)으로 성능을 최적화하는데, 이 두 값은 여러 번의 시행착오(trial and error) 과정을 반복하여 선택한다.In comparison, the sensor fusion method using a conventional digital processor adjusts variables that determine performance (e.g., Kalman variable K in the Kalman filter) to optimize sensor fusion performance. For example, in the Kalman filter, the K value is updated through algorithmic calculation every time new data is input from the sensor. In other words, the process of recalculating the K value occurs more than dozens of times per second, and the power consumption required for this process is significant. In the case of complementary filters, performance is optimized with two variable values (proportional gain K P and integral gain K I ), and these two values are selected by repeating several trial and error processes.

그러나, 본 발명의 센서 퓨전 장치는 K값이 멤리스터의 전도도값에 저장되어 있는데, 소자 1개의 전도도값을 바꾸는 것은 전력 소모량이 상대적으로 매우 적다. 이 또한 기존 소프트웨어적으로 센서 퓨전을 수행하는 것보다 아날로그-디지털 하이브리드 방식이 전력 소모량이 적은 이유중 하나가 된다. 즉, 기존 센서 퓨전의 성능을 결정하는 변수를 가변 저항 소자, 즉 멤리스터의 전도도 값에 저장하였고, 멤리스터의 전도도를 바꾸는 것은 상대적으로 매우 적은 전력 소모만 필요하기 때문에 결과적으로 센서 퓨전에 필요한 전력 소모를 감소시킬수 있다.However, in the sensor fusion device of the present invention, the K value is stored in the conductivity value of the memristor, and changing the conductivity value of one element consumes relatively very little power. This is also one of the reasons why the analog-digital hybrid method consumes less power than performing sensor fusion through existing software. In other words, the variable that determines the performance of existing sensor fusion is stored in the conductivity value of the variable resistance element, that is, the memristor, and because changing the conductivity of the memristor requires relatively very little power consumption, as a result, the power required for sensor fusion Consumption can be reduced.

이어서, 본 발명에 따른 아날로그-디지털 하이브리드 기반의 센서 퓨전 장치와 기존의 디지털 프로세서를 이용한 센서 퓨전 방식을 비교하여 본 발명에 따른 성능이 기존과 유사하고 전력 소비를 줄일 수 있음을 도면 및 표를 이용하여 설명하겠다.Next, by comparing the analog-digital hybrid-based sensor fusion device according to the present invention with the sensor fusion method using a conventional digital processor, it is shown using drawings and tables that the performance according to the present invention is similar to the existing one and power consumption can be reduced. Let me explain.

도 8은 칼만필터 알고리즘을 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 이용하여 수행한 결과와 종래의 디지털 프로세서에서 수행한 결과를 비교한 그래프이다. 도 8에서 파란색 점선은 종래의 디지털 프로세서를 이용하여 칼만필터 알고리즘을 수행한 결과이고, 빨간색 실선은 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 이용하여 칼만필터 알고리즘을 수행한 결과로서, 두 결과가 정확하게 일치함을 알 수 있다.Figure 8 is a graph comparing the results of performing the Kalman filter algorithm using a low-power sensor fusion device according to the present invention and the results of performing the Kalman filter algorithm using a conventional digital processor. In Figure 8, the blue dotted line is the result of performing the Kalman filter algorithm using a conventional digital processor, and the red solid line is the result of performing the Kalman filter algorithm using the low-power sensor fusion device according to the present invention, and the two results are exactly the same. It can be seen that

또한, 도 9는 상보필터 알고리즘을 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 이용하여 수행한 결과와 종래의 디지털 프로세서에서 수행한 결과를 비교한 그래프이다. 도 9에서 검은색 점선은 종래의 디지털 프로세서를 이용하여 상보필터 알고리즘을 수행한 결과이고, 빨간색 실선은 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 이용하여 상보필터 알고리즘을 수행한 결과로서, 두 결과가 거의 유사함을 알 수 있다.In addition, Figure 9 is a graph comparing the results of performing the complementary filter algorithm using a low-power sensor fusion device according to the present invention and the results of performing the complementary filter algorithm using a conventional digital processor. In Figure 9, the black dotted line is the result of performing the complementary filter algorithm using a conventional digital processor, and the solid red line is the result of performing the complementary filter algorithm using the low-power sensor fusion device according to the present invention, and the two results are almost identical. You can see the similarity.

도 8 및 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치로 수행한 센서 퓨전의 결과와 기존의 방식대로 디지털 프로세서로 수행한 센서 퓨전의 결과를 비교해 보았을 때, 성능적인 측면에서 거의 차이가 없음을 알 수 있다.As can be seen in FIGS. 8 and 9, when comparing the results of sensor fusion performed with a low-power sensor fusion device according to the present invention and the results of sensor fusion performed with a digital processor in a conventional manner, there is almost no difference in performance. You can see that there is no difference.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 퓨전 장치를 드론에 탑재한 사진이다. 또한, 표 1은 기존 방식에 따른 칼만필터 알고리즘의 특성을 나타낸 표이고, 표 2는 본 발명에 따른 칼만필터 알고리즘의 특성을 나타낸 표이다. 즉, 표 1은 기존 방식처럼 칼만필터 알고리즘에 대한 코드(code)를 드론의 마이크로 콘트롤러, 즉 디지털 프로세서를 이용해서 계산했을 때 전력 소모량을 측정한 결과이고, 표 2는 본 발명에 따른 디지털 프로세서 및 아날로그 저전력 센서 퓨전 장치로 이루어진 아날로그-디지털 하이브리드 장치를 이용하여 칼만필터 알고리즘을 계산했을 때 전력 소모량을 측정한 결과이다. 즉, 표 2는 디지털 프로세서가 신호 변환을 수행하고 아날로그 저전력 센서 퓨전 장치가 칼만필터 알고리즘에 따른 센서 퓨전 과정을 수행한 경우의 전력 소모량을 측정한 결과이다. 도 10에 도시된 바와 같이 실제 드론에 본 발명에 따른 저전력 센서 퓨전 장치를 탑재한 후 테스트한 결과, 종래의 디지털 프로세서로 센서 퓨전을 수행한 것보다 1/4 만의 전력 소모만으로 동일한 성능의 센서 퓨전이 가능하다. 이를 표 1 및 표 2를 이용하여 설명하면 다음과 같다.Figure 10 is a photograph of a sensor fusion device according to an embodiment of the present invention mounted on a drone. In addition, Table 1 is a table showing the characteristics of the Kalman filter algorithm according to the existing method, and Table 2 is a table showing the characteristics of the Kalman filter algorithm according to the present invention. That is, Table 1 shows the results of measuring power consumption when the code for the Kalman filter algorithm is calculated using a drone's microcontroller, that is, a digital processor, as in the existing method, and Table 2 shows the results of measuring the power consumption using the digital processor and the digital processor according to the present invention. This is the result of measuring power consumption when calculating the Kalman filter algorithm using an analog-digital hybrid device consisting of an analog low-power sensor fusion device. That is, Table 2 shows the results of measuring power consumption when the digital processor performs signal conversion and the analog low-power sensor fusion device performs the sensor fusion process according to the Kalman filter algorithm. As shown in Figure 10, as a result of testing after mounting the low-power sensor fusion device according to the present invention on an actual drone, sensor fusion with the same performance was achieved with only 1/4 the power consumption compared to sensor fusion performed with a conventional digital processor. This is possible. This is explained using Table 1 and Table 2 as follows.

digital componentdigital component V+ V + +5V+5V Id(max) I d(max) 12.3㎃12.3㎃ Id(min) I d(min) 7.5㎃7.5㎃

Figure pat00010
Figure pat00010

197mJ

197mJ

digital componentdigital component analog componetanalog component V+ V + 5V5V +5V+5V V- V - -- -5V-5V Id(max) I d(max) 5.5㎃5.5㎃ -- Id(min) I d(min) 2.2㎃2.2㎃ -- Ia(max) I a(max) -- +41㎂+41㎂ Ia(min) I a(min) -- +4㎂+4㎂ Io(max) Io (max) -- +37.5㎂+37.5㎂ Io(min) I o(min) -- -37.5㎂-37.5㎂

Figure pat00011
Figure pat00011

53.7mJ

53.7mJ

-

-
Figure pat00012
Figure pat00012

-

-

0.79mJ

0.79mJ
Figure pat00013
Figure pat00013

54.5mJ

54.5mJ

전력 소모량(P)은 전압×전류×시간으로부터 계산할 수 있다. 여기서, 공급 전압은 일정하지만, 전류가 시간에 따라 계속 변하기 때문에 본 테스트에서는 5초 동안 소모된 전력 소모량을 계산하여 비교하였다. 즉, 5초 동안의 전압×전류 값을 시간에 대해 적분하여 종래 방식에 따른 전력 소모량(Psoft-K), 본 발명에 따른 전력 소모량(Phybrid-K)을 비교하였다. 여기서, V+는 디지털 프로세서 또는 저전력 센서 퓨전 장치에 공급되는 양의 전원(+5V 전압)이고, V-는 저전력 센서 퓨전 장치에 공급되는 음의 전원(-5V 전압)이다. 또한, Id(max) 및 Id(min)는 디지털 프로세서에 공급되는 전류의 최대값 및 최소값이다. 그런데, Id값은 실시간으로 계속 변하는 값이기 때문에 Id(max), Id(min) 값이 큰 의미는 없고, 결국 적분해서 얻은 전력 소모량 값이 많은 의미가 있다. 이때, 종래의 Id(max) 및 Id(min)는 각각 12.3㎃ 및 7.5㎃이고, 본 발명의 Id(max) 및 Id(min)는 각각 5.5㎃ 및 2.2㎃이다. 그리고, Ia(max) 및 Ia(min)는 저전력 센서 퓨전 장치에 공급되는 전류의 최대값 및 최소값으로 각각 41㎂ 및 4㎂이고, Io(max) 및 Io(min)는 저전력 센서 퓨전 장치로부터 출력되는 전류의 최대값 및 최소값으로 각각 +37.5㎂ 및 -37.5㎂이다. 한편,

Figure pat00014
는 종래 방식으로 5초동안 칼만필터 알고리즘을 디지털 프로세서에서 계산했을 때 소모된 총 전력 소모량(전압×전류×시간)으로 197mJ이고,
Figure pat00015
는 본 발명에 따라 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨팅을 이용하여 칼만필터 알고리즘을 계산했을 때 디지털 프로세서에서 소모된 전력 소모량으로 53.7mJ이다. 그리고,
Figure pat00016
는 본 발명에 따라 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨팅을 이용해 칼만필터 알고리즘을 계산했을 때 아날로그 컴포넌트에서 소모된 전력 소모량으로 0.79mJ이고,
Figure pat00017
는 본 발명에 따라 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨팅을 이용해 칼만필터 알고리즘을 계산했을 때 소모된 전체 전력 소모량으로 54.5mJ이다.Power consumption (P) can be calculated from voltage × current × time. Here, the supply voltage is constant, but the current continues to change over time, so in this test, the power consumption for 5 seconds was calculated and compared. That is, the voltage × current value for 5 seconds was integrated over time to compare the power consumption according to the conventional method (P soft-K ) and the power consumption according to the present invention (P hybrid-K ). Here, V + is positive power (+5V voltage) supplied to the digital processor or low-power sensor fusion device, and V - is negative power (-5V voltage) supplied to the low-power sensor fusion device. Additionally, I d(max) and I d(min) are the maximum and minimum values of current supplied to the digital processor. However, because the I d value is a value that continuously changes in real time, the I d(max) and I d(min) values do not have much meaning, and in the end, the power consumption value obtained through integration has a lot of meaning. At this time, the conventional I d(max) and I d(min) are 12.3 mA and 7.5 mA, respectively, and the I d(max) and I d(min) of the present invention are 5.5 mA and 2.2 mA, respectively. And, I a(max) and I a(min) are the maximum and minimum values of the current supplied to the low-power sensor fusion device, which are 41㎂ and 4㎂, respectively, and I o(max) and I o(min) are the low-power sensor fusion device. The maximum and minimum values of current output from the fusion device are +37.5㎂ and -37.5㎂, respectively. Meanwhile,
Figure pat00014
is the total power consumption (voltage
Figure pat00015
is the power consumption consumed by the digital processor when calculating the Kalman filter algorithm using analog-digital hybrid computing according to the present invention, which is 53.7mJ. and,
Figure pat00016
is the power consumption consumed by the analog component when calculating the Kalman filter algorithm using analog-digital hybrid computing according to the present invention, which is 0.79mJ;
Figure pat00017
is the total power consumption consumed when calculating the Kalman filter algorithm using analog-digital hybrid computing according to the present invention, which is 54.5mJ.

표 1에 나타낸 바와 같이 종래 방식으로 5초동안 칼만필터 알고리즘을 디지털 프로세서에서 계산했을 때 소모된 총 전력 소모량(

Figure pat00018
)이 197mJ이고, 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따라 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨팅을 이용해 칼만필터 알고리즘을 계산했을 때 소모된 전체 전력 소모량(
Figure pat00019
)이 54.5mJ로서, 본 발명은 종래에 비해 약 1/4 정도의 전력을 소비함을 알 수 있다.As shown in Table 1, the total power consumption (
Figure pat00018
) is 197mJ, and as shown in Table 2, the total power consumption consumed when calculating the Kalman filter algorithm using analog-digital hybrid computing according to the present invention (
Figure pat00019
) is 54.5mJ, so it can be seen that the present invention consumes about 1/4 of the power compared to the prior art.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.The technical idea of the present invention as described above has been described in detail according to the above-mentioned embodiments, but it should be noted that the above-described embodiments are for explanation and not limitation. Additionally, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

100 : 차분기 200 : PI 제어기
300 : 적분기 400 ; 인버터
100: Differentiator 200: PI controller
300: integrator 400; inverter

Claims (21)

제 1 센서로부터의 제 1 데이터와 센서 퓨전 장치의 출력을 입력받아 이들의 오차를 계산하는 차분기;
상기 차분기로부터의 오차로부터 출력값을 계산하는 PI 제어기;
상기 PI 제어기의 출력값과 제 2 센서로부터의 제 2 데이터를 입력받아 이들을 적분하는 적분기; 및
상기 적분기의 출력을 반전시키는 인버터를 포함하는 센서 퓨전 장치.
A differencer that receives the first data from the first sensor and the output of the sensor fusion device and calculates an error between them;
a PI controller that calculates an output value from the error from the differencer;
an integrator that receives the output value of the PI controller and second data from the second sensor and integrates them; and
A sensor fusion device including an inverter that inverts the output of the integrator.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1 센서는 가속도계를 포함하여 상기 제 1 데이터는 오일러 각도(Emea(t))를 포함하고, 상기 제 2 센서는 각속도계를 포함하여 상기 제 2 데이터는 각속도(Wmea(t))를 포함하며, 상기 센서 퓨전 장치의 출력은 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 포함하는 센서 퓨전 장치.
The method of claim 1, wherein the first sensor includes an accelerometer and the first data includes an Euler angle (E mea (t)), and the second sensor includes a goniometer and the second data includes an angular velocity (W). mea (t)), and the output of the sensor fusion device includes an Euler angle prediction value (E est (t)).
청구항 2에 있어서, 상기 차분기는 오일러 각도 예측값(Eest(t))과 오일러 각도(Emea(t))의 오차값(
Figure pat00020
)을 계산하는 센서 퓨전 장치.
The method of claim 2, wherein the differencer is an error value (
Figure pat00020
) a sensor fusion device that calculates
청구항 2에 있어서, 상기 PI 제어기는,
제 1 및 제 2 입력 단자와 출력 단자를 구비하는 차동 증폭기와,
상기 차분기의 출력 단자와 상기 차동 증폭기의 상기 제 1 입력 단자 사이에 마련되는 멤리스터와,
상기 차동 증폭기의 출력 단자와 상기 제 1 단자 사이에 직렬 연결된 저항 및 캐패시터를 포함하는 센서 퓨전 장치.
The method of claim 2, wherein the PI controller,
A differential amplifier having first and second input terminals and output terminals,
a memristor provided between the output terminal of the differential amplifier and the first input terminal of the differential amplifier;
A sensor fusion device including a resistor and a capacitor connected in series between the output terminal of the differential amplifier and the first terminal.
청구항 4에 있어서, 상기 PI 제어기는 상기 차분기로부터 오차값(e(t))을 입력받아
Figure pat00021
의 출력값(-u(t))을 계산하며, GPI는 멤리스터의 전도도값, RPI는 저항의 저항값, CPI는 캐패시터의 캐패시턴스인 센서 퓨전 장치.
The method of claim 4, wherein the PI controller receives an error value (e(t)) from the differencer and
Figure pat00021
Calculate the output value (-u(t)) of the sensor fusion device, where G PI is the conductivity value of the memristor, R PI is the resistance value of the resistor, and C PI is the capacitance of the capacitor.
청구항 5에 있어서, 상기 PI 제어기의 출력값(-u(t))은 상기 차분기로부터의 오차값(e(t))에 비례하는 센서 퓨전 장치.
The sensor fusion device of claim 5, wherein the output value (-u(t)) of the PI controller is proportional to the error value (e(t)) from the differencer.
청구항 6에 있어서, 상기 PI 제어기는 칼만계수(K)를 상기 멤리스터의 전도도에 대응시켜 상기 멤리스터의 전도도를 제어하여 게인값을 제어하는 센서 퓨전 장치.
The sensor fusion device of claim 6, wherein the PI controller controls the gain value by controlling the conductivity of the memristor by matching the Kalman coefficient (K) to the conductivity of the memristor.
청구항 7에 있어서, 상기 PI 제어기의 게인값은 상기 멤리스터는 전도도가 증가하면 증가하는 센서 퓨전 장치.
The sensor fusion device of claim 7, wherein the gain value of the PI controller increases as the conductivity of the memristor increases.
청구항 8에 있어서, 상기 멤리스터는 게이트, 소스 및 드레인을 포함하고, 게이트와 소스 및 드레인 사이에 채널층이 형성되며, 상기 채널층은 결정층과 결정층 사이에 그레인 바운더리가 존재하는 다결정 상태로 형성된 SnS2층을 포함하는 센서 퓨전 장치.
The method of claim 8, wherein the memristor includes a gate, a source, and a drain, and a channel layer is formed between the gate, the source, and the drain, and the channel layer is in a polycrystalline state with a grain boundary between the crystal layers. Sensor fusion device containing two layers of SnS formed.
청구항 2에 있어서, 상기 적분기는 상기 PI 제어기의 출력값과 상기 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 입력받아 적분하는 센서 퓨전 장치.
The sensor fusion device of claim 2, wherein the integrator receives and integrates the output value of the PI controller and the angular velocity (W mea (t)) from the angular velocity.
청구항 2에 있어서, 상기 인버터는 상기 적분기의 출력을 입력받아 반전시켜 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력하고, 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))은 상기 차분기로 피드백되는 센서 퓨전 장치.
The method of claim 2, wherein the inverter receives and inverts the output of the integrator to output the Euler angle prediction value (E est (t)), and the Euler angle prediction value (E est (t)) is fed back to the differencer. Sensor fusion device.
둘 이상의 센서;
상기 둘 이상의 센서로부터 데이터를 입력하여 융합하는 센서 퓨전 장치; 및
적어도 일부가 상기 센서 융합 장치의 출력을 변환시키는 디지털 프로세서를 포함하는 멀티 센서 시스템.
Two or more sensors;
A sensor fusion device that inputs and fuses data from the two or more sensors; and
A multi-sensor system, at least a portion of which includes a digital processor that converts the output of the sensor fusion device.
청구항 12에 있어서, 상기 둘 이상의 센서는 아날로그 데이터를 출력하고, 상기 센서 퓨전 장치는 상기 둘 이상의 센서로부터 아날로그 데이터를 융합하여 아날로그 신호를 출력하며, 상기 디지털 프로세서는 상기 센서 퓨전 장치의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 멀티 센서 시스템.
The method of claim 12, wherein the two or more sensors output analog data, the sensor fusion device fuses the analog data from the two or more sensors to output an analog signal, and the digital processor converts the analog signals of the sensor fusion device into digital signals. A multi-sensor system that converts into signals.
청구항 13에 있어서, 상기 센서 퓨전 장치는,
제 1 센서로부터의 제 1 데이터와 센서 퓨전 장치의 출력을 입력받아 이들의 오차를 계산하는 차분기;
상기 차분기로부터의 오차로부터 출력값을 계산하는 PI 제어기;
상기 PI 제어기의 출력값과 제 2 센서로부터의 제 2 데이터를 입력받아 이들을 적분하는 적분기; 및
상기 적분기의 출력을 반전시키는 인버터를 포함하는 멀티 센서 시스템.
The method of claim 13, wherein the sensor fusion device,
A differencer that receives first data from the first sensor and the output of the sensor fusion device and calculates an error between them;
a PI controller that calculates an output value from the error from the differencer;
an integrator that receives the output value of the PI controller and second data from the second sensor and integrates them; and
A multi-sensor system including an inverter that inverts the output of the integrator.
청구항 14에 있어서, 상기 제 1 센서는 가속도계를 포함하여 상기 제 1 데이터는 오일러 각도(Emea(t))를 포함하고, 상기 제 2 센서는 각속도계를 포함하여 상기 제 2 데이터는 각속도(Wmea(t))를 포함하며, 상기 센서 퓨전 장치의 출력은 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 포함하는 멀티 센서 시스템.
The method of claim 14, wherein the first sensor includes an accelerometer and the first data includes an Euler angle (E mea (t)), and the second sensor includes a gyroscope and the second data includes an angular velocity (W). mea (t)), and the output of the sensor fusion device includes an Euler angle prediction value (E est (t)).
청구항 15에 있어서, 상기 차분기는 오일러 각도 예측값(Eest(t))과 오일러 각도(Emea(t))의 오차값(
Figure pat00022
)을 계산하는 멀티 센서 시스템.
The method of claim 15, wherein the differencer calculates an error value (
Figure pat00022
) A multi-sensor system that calculates
청구항 15에 있어서, 상기 PI 제어기는,
제 1 및 제 2 입력 단자와 출력 단자를 구비하는 차동 증폭기와,
상기 차분기의 출력 단자와 상기 차동 증폭기의 상기 제 1 입력 단자 사이에 마련되는 멤리스터와,
상기 차동 증폭기의 출력 단자와 상기 제 1 단자 사이에 직렬 연결된 저항 및 캐패시터를 포함하는 멀티 센서 시스템.
The method of claim 15, wherein the PI controller:
A differential amplifier having first and second input terminals and output terminals,
a memristor provided between the output terminal of the differential amplifier and the first input terminal of the differential amplifier;
A multi-sensor system including a resistor and a capacitor connected in series between the output terminal of the differential amplifier and the first terminal.
청구항 16에 있어서, 상기 PI 제어기는 상기 차분기로부터 오차값(e(t))을 입력받아
Figure pat00023
의 출력값(-u(t))을 계산하며, GPI는 멤리스터의 전도도값, RPI는 저항의 저항값, CPI는 캐패시터의 캐패시턴스인 멀티 센서 시스템.
The method of claim 16, wherein the PI controller receives an error value (e(t)) from the differencer and
Figure pat00023
Calculate the output value (-u(t)) of a multi-sensor system where G PI is the conductivity value of the memristor, R PI is the resistance value of the resistor, and C PI is the capacitance of the capacitor.
청구항 18에 있어서, 상기 PI 제어기는 칼만계수(K)를 상기 멤리스터의 전도도에 대응시켜 상기 멤리스터의 전도도를 제어하여 게인값을 제어하는 멀티 센서 시스템.
The multi-sensor system of claim 18, wherein the PI controller controls the gain value by controlling the conductivity of the memristor by matching the Kalman coefficient (K) to the conductivity of the memristor.
청구항 15에 있어서, 상기 적분기는 상기 PI 제어기의 출력값과 상기 각속도계로부터의 각속도(Wmea(t))를 입력받아 적분하는 멀티 센서 시스템.
The multi-sensor system of claim 15, wherein the integrator receives and integrates the output value of the PI controller and the angular velocity (W mea (t)) from the angular velocity.
청구항 15에 있어서, 상기 인버터는 상기 적분기의 출력을 입력받아 반전시켜 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))을 출력하고, 상기 오일러 각도 예측값(Eest(t))은 상기 차분기로 피드백되는 멀티 센서 시스템.The method of claim 15, wherein the inverter receives and inverts the output of the integrator to output the Euler angle prediction value (E est (t)), and the Euler angle prediction value (E est (t)) is fed back to the differencer. Multi-sensor system.
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