WO2014119824A1 - 3축 mems 지자기 센서의 방위각 보정장치 및 보정방법 - Google Patents

3축 mems 지자기 센서의 방위각 보정장치 및 보정방법 Download PDF

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geomagnetic sensor
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김태연
박진하
김충일
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(주)코어센스
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses

Definitions

  • the present invention relates to an azimuth correction device and a correction method of a three-axis MEMS geomagnetic sensor, and more particularly, to calculate a planar magnetic vector from the earth magnetic field measured using the three-axis MEMS geomagnetic sensor, and to minimize The geomagnetic sensor distorted by surrounding objects and environment generating magnetic force to accurately calculate the 360 ° azimuth angle based on magnetic north by extracting the coefficients necessary for azimuth correction by deriving the relational expression expressed by the elliptic equation by applying the square method.
  • An apparatus and method for calibrating a value is an apparatus and method for calibrating a value.
  • geomagnetic sensors have been widely used to calculate azimuth angles of antibodies such as robots, vehicles, aircraft and helicopters.
  • the azimuth angle using the geomagnetic sensor is calculated using the planar magnetic vector obtained after measuring the 3-axis earth magnetic field and converting it to the horizontal coordinate system for the current pose.
  • the method of performing correction before using the sensor has a disadvantage in that it cannot deal with geomagnetic distortion caused by changes in surrounding objects or environment during use.
  • an object of the present invention is an apparatus and method capable of accurately calculating the azimuth angle for 360 ° directions by correcting distortion using only the output of a 3-axis geomagnetic sensor without any external device and repeatedly performing this process even while using the sensor. To provide.
  • the azimuth correction device of a three-axis MEMS geomagnetic sensor for solving the above problems by using the earth magnetic field measured from the three-axis geomagnetic sensor to convert to a horizontal coordinate system for the current posture and planar magnetic
  • a planar magnetic vector calculation unit obtaining a vector
  • a geomagnetic distortion identification unit for deriving a magnetic vector relationship expressed in the form of an ellipse equation and extracting a correction coefficient from the planar magnetic vector set collected by the planar magnetic vector calculator
  • an azimuth calculation unit configured to correct the geomagnetic distortion and calculate an azimuth using the correction coefficient extracted by the geomagnetic distortion identification unit.
  • the present invention also includes obtaining a planar magnetic vector from the earth magnetic field measured by the three-axis geomagnetic sensor; Deriving a magnetic vector relationship expressed in the form of an ellipse equation and extracting a magnetic vector correction coefficient from the planar magnetic vector set collected in the step; Correcting geomagnetic distortion and calculating azimuth using the correction coefficient extracted in the above step; It provides an azimuth correction method of a three-axis MEMS geomagnetic sensor consisting of.
  • the azimuth correction device of the three-axis MEMS geomagnetic sensor according to the present invention as described above, it is possible to correct the distortion using only the output of the three-axis geomagnetic sensor without the help of an external device, and this process is repeatedly performed during the use of the sensor, thereby increasing the magnetic force. There is an effect that can calculate the correct azimuth angle irrespective of the surrounding objects and the environment to generate.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an azimuth correction process of a 3-axis MEMS geomagnetic sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates a relationship between a plane magnetic vector and a direction angle on a horizontal coordinate system.
  • FIG. 3 shows a planar magnetic vector relationship of an ideal geomagnetic sensor in a two-dimensional graph.
  • FIG. 4 illustrates a planar magnetic vector relationship of a geomagnetic sensor in a two-dimensional graph when hard iron distortion occurs.
  • FIG. 5 illustrates a planar magnetic vector relationship of a geomagnetic sensor in a two-dimensional graph when soft iron distortion occurs.
  • FIG. 6 illustrates a comparison between planar magnetic vector relationships before and after distortion correction of a geomagnetic sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 7 illustrates an output error in azimuth calculation after geomagnetic sensor distortion correction according to an embodiment of the present invention.
  • an azimuth correction device for a three-axis MEMS geomagnetic sensor includes a plane magnetic vector calculation unit 100 for obtaining a planar magnetic vector from an earth magnetic field measured by a three-axis geomagnetic sensor; A geomagnetic distortion identification unit (200) for deriving a magnetic vector relationship expressed in the form of an ellipse equation and extracting a magnetic vector correction coefficient from a planar magnetic vector set collected by the planar magnetic vector calculation unit (100); Azimuth angle calculation unit 300 is used to correct the geomagnetic distortion by using the correction coefficient extracted from the geomagnetic distortion identification unit 200 and calculate the azimuth angle.
  • the planar magnetic vector may be obtained by converting the earth magnetic field measured from the 3-axis geomagnetic sensor into a horizontal plane coordinate system as shown in Equation 1 below, and the azimuth angle is the plane. It is calculated from the planar magnetic vector obtained by the magnetic vector calculation unit 100.
  • X H and Y H are plane magnetic vectors
  • m x , m y and m z are the geomagnetic fields of each axis
  • ⁇ and ⁇ are the roll and pitch attitude angles to the reference coordinate system
  • ⁇ is the reference coordinate system. For azimuth.
  • the relationship of the planar magnetic vector with respect to 360 ° azimuth is represented by a circle whose origin is the center using a two-dimensional graph, but the magnetic field distortion due to the influence of surrounding objects and the environment is usually because the magnitude of the earth's magnetic field is very small. This is likely to occur, and the distortion of the planar magnetic vector is also distorted.
  • the soft iron distortion is generated by an object around the geomagnetic sensor, similar to the hard iron distortion, but the earth magnetic field itself is distorted and measured. Accordingly, the relation of the planar magnetic vector is centered at the origin and rotated in an arbitrary direction. It is expressed in the form of an ellipse.
  • x , y are planar magnetic vectors
  • a , b , c , d , e , and f are equation coefficients of the ellipse.
  • the elliptic equation derived from the set of n magnetic vectors is expressed as a matrix as shown in [Equation 3] below. If the elements of the set are 5 or more, the solution of the equation is solved by the least square method as shown in [Equation 4] below. Can be calculated using.
  • n is the number of plane magnetic vectors.
  • the center position of the ellipse, the rotation angle, the major axis, and the short axis length 200 can be calculated from the equation of the ellipse from which the coefficient is obtained, as shown in [Equation 5] below, and the center of the ellipse as shown in [Equation 6] below.
  • a non-rotated elliptical planar magnetic vector, and the geomagnetic distortion can be corrected by compensating the planar magnetic vector relationship with a circle by multiplying the X-axis magnetic vector by the ratio of the long axis and short axis as shown in [Equation 7] below. have.
  • cx and cy are the centers of the ellipses
  • w and h are the lengths of the long and short axes of the ellipse, respectively.
  • X cal and Y cal are distortion-corrected plane magnetic vectors
  • ⁇ is an angle of rotation of an ellipse
  • X H and Y H are plane magnetic vectors of each axis
  • c x and c y are centers of an ellipse.
  • w and h are the lengths of the major axis and the minor axis, respectively.
  • the center is the origin as compared to the plane magnetic vector of the sensor to which the correction method is not applied. Prove that it is represented in a circle.
  • the waveform measured from the geomagnetic sensor to which the geomagnetic distortion correction method according to the exemplary embodiment of the present invention is applied proves that there is almost no output error.

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Abstract

본 발명은 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치 및 보정방법에 관한 것으로, 본 발명의 장치는 3축 지자기 센서에서 측정된 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 획득하는 평면 자기벡터 계산부(100)와; 상기 평면 자기벡터 계산부(100)에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 자기벡터 보정 계수를 추출하는 지자기 왜곡 식별부(200)와; 상기 지자기 왜곡 식별부(200)에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 방위각 계산부(300)를 포함하여 이루어진다.

Description

3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치 및 보정방법
본 발명은 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치 및 보정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3축 MEMS 지자기 센서를 이용하여 측정한 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 계산하고, 이러한 평면 자기벡터 집합으로부터 최소자승법을 적용하여 타원의 방정식으로 표현되는 관계식을 유도함으로써 방위각 보정에 필요한 계수를 추출한 후, 자북을 기준으로 한 360°방위각을 정확히 계산하기 위해 자력을 발생시키는 주변 물체 및 환경에 의해 왜곡된 지자기 센서 값을 보정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지자기 센서는 로봇이나 차량, 항공기 및 헬리콥터와 같은 항체의 방위각을 계산하기 위해 널리 사용되어 왔다.
최근 MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS) 기술의 발전으로 소형·저가의 지자기 센서가 개발됨으로써 항체뿐만 아니라 휴대전화, 게임기 등 방위각 정보를 이용할 수 있는 다양한 분야에서 사용이 증가하고 있다.
지자기 센서를 이용한 방위각은 3축 지구 자기장을 측정하여 이를 현재 자세에 대한 수평 좌표계로 변환한 후 획득한 평면 자기벡터를 이용하여 계산한다.
그러나 지구 자기장은 크기가 매우 작기 때문에 지자기 센서 주변의 물체 및 환경의 영향에 의해 왜곡이 발생하기 쉬우며 이는 곧 방위각 오차를 유발시킨다.
종래에는 전술되는 단점을 보완하기 위해 GPS, 자이로 컴퍼스 등 방위각 정보를 출력하는 외부장치를 이용하여 보정하는 방법과, 지자기 센서가 사용되기 전 수평 회전 테이블에 장착하여 회전시킨 후 센서 값을 수집하고 이를 바탕으로 보정하는 방법이 알려져 있다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 대한민국특허 제1208074호의 지구자기장을 활용한 멤스 지자기센서 보정방법, 미국특허공개 제2012-0072155호의 휴대기기의 지자기 센서의 보정방법 및 프로그램 등이 개시되어 있다.
그러나 종래의 외부장치를 이용하여 방위각을 보정하는 방법은 부가적인 장치가 필요한 문제점 외에도 이러한 장치는 대부분 MEMS 지자기 센서보다 크기 때문에 전체 시스템의 부피가 커지고 방위각 정보를 보정할 수 없는 상태가 발생할 수 있다.
그리고 센서 사용 전 보정을 수행하는 방법은 정밀한 수평 회전 테이블이 필요한 문제점 외에도 사용 중 주변 물체나 환경의 변화에 의해 발생하는 지자기 왜곡에 대해 다룰 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 어떠한 외부장치 없이 3축 지자기 센서의 출력만을 이용하여 왜곡을 보정하고, 이 과정을 센서 사용 중에도 반복적으로 수행함으로써 360°전 방향에 대한 방위각을 정확히 계산할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치는 3축 지자기 센서로부터 측정된 지구 자기장을 이용하여 현재 자세에 대한 수평 좌표계로의 변환을 수행하고 평면 자기벡터를 획득하는 평면 자기벡터 계산부와; 상기 평면 자기벡터 계산부에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 보정 계수를 추출하는 지자기 왜곡 식별부와; 상기 지자기 왜곡 식별부에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 방위각 계산부;를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 또, 3축 지자기 센서에서 측정된 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 획득하는 단계와; 상기 단계에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 자기벡터 보정 계수를 추출하는 단계와; 상기 단계에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 단계; 로 이루어지는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치에 의하면 외부장치의 도움없이 3축 지자기 센서의 출력만을 이용하여 왜곡을 보정 할 수 있고 이러한 과정은 센서 사용 중 반복적으로 수행되므로 자력을 발생시키는 주변 물체 및 환경의 영향에 관계없이 정확한 방위각을 계산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정 과정을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 수평 좌표계 상에서 평면 자기벡터와 방향각의 관계를 도시한 것이다.
도 3은 이상적인 지자기 센서의 평면 자기벡터 관계를 2차원 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 Hard Iron 왜곡이 발생할 경우 지자기 센서의 평면 자기벡터 관계를 2차원 그래프로 도시한 것이다.
도 5는 Soft Iron 왜곡이 발생할 경우 지자기 센서의 평면 자기벡터 관계를 2차원 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 센서의 왜곡 보정 전·후 평면 자기벡터 관계를 비교하여 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 센서 왜곡 보정 후 방위각 계산 시 출력 오차를 도시한 것이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 평면 자기벡터 계산부
200 : 지자기 왜곡 식별부
300 : 방위각 계산부
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예에 의한 보정장치 및 보정방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치는 3축 지자기 센서에서 측정된 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 획득하는 평면 자기벡터 계산부(100)와; 상기 평면 자기벡터 계산부(100)에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 자기벡터 보정 계수를 추출하는 지자기 왜곡 식별부(200)와; 상기 지자기 왜곡 식별부(200)에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 방위각 계산부(300)를 포함하여 이루어져 있다.
도 2를 참조하면, 평면 자기벡터 계산부(100)에서 평면 자기벡터는 아래 [식 1]과 같이 3축 지자기 센서로부터 측정된 지구 자기장을 수평면 좌표계로 변환하여 획득할 수 있고, 방위각은 상기 평면 자기벡터 계산부(100)에서 획득한 평면 자기벡터로부터 계산된다.
[식 1]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000001
여기서, X H , Y H 는 각각 평면 자기벡터이고, m x , m y , m z 는 각 축의 지구자기장이며, Ø,θ 는 각각 기준 좌표계에 대한 롤, 피치 자세각이고, Ψ는 기준 좌표계에 대한 방위각이다.
도 3을 참조하면, 360°방위각에 대한 평면 자기벡터의 관계는 2차원 그래프를 이용하여 중심이 원점인 원으로 표현되지만 보통 지구 자기장의 크기는 매우 작기 때문에 주변 물체 및 환경의 영향으로 인한 자기장 왜곡이 발생하기 쉬우며 이러한 왜곡에 의해 평면 자기벡터의 관계 역시 왜곡된다.
도 4를 참조하면, Hard Iron 왜곡은 지자기 센서 주변에 자력을 발생시키는 물체에 의해 발생하므로 일정한 양의 자력벡터가 더해짐으로써 평면 자기벡터의 관계는 중심이 임의의 위치로 옮겨진 원으로 표현된다.
도 5를 참조하면, Soft Iron 왜곡은 Hard Iron 왜곡과 마찬가지로 지자기 센서 주변의 물체에 의해 발생하지만 지구 자기장 자체가 왜곡되어 측정되며, 이에 평면 자기벡터의 관계는 중심이 원점이고 임의의 방향으로 회전된 타원의 형태로 표현된다.
일반적인 형태의 지자기 왜곡, 즉, Hard Iron 왜곡과 Soft Iron 왜곡이 동시에 발생하는 경우 평면 자기벡터의 관계는 중심이 임의의 위치에 있고 임의의 방향으로 회전된 타원의 형태로 표현되며 이러한 타원의 방정식은 아래 [식 2]와 같이 표현된다.
[식 2]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000002
여기서, x, y는 평면 자기벡터이고 , a, b, c, d, e, f 는 타원의 방정식 계수이다.
그리고, n개의 자기벡터 집합으로부터 유도되는 타원의 방정식은 아래 [식 3]과 같이 행렬로 표현되며, 집합의 원소가 5 이상일 경우 최소자승법에 의해 방정식의 해를 아래 [식 4]와 같이 의사 역행렬을 이용하여 계산할 수 있다.
[식 3]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000003
여기서, 첨자 n은 평면 자기벡터의 개수이다.
[식 4]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000004
또한, 계수가 구해진 타원의 방정식으로부터 타원의 중심위치, 회전각, 장축 및 단축의 길이(200)는 아래 [식 5]와 같이 계산할 수 있고, 이를 이용하여 아래 [식 6]과 같이 중심이 원점이고 회전되지 않은 타원 형태의 평면 자기벡터를 획득할 수 있으며, 아래 [식 7]과 같은 장축과 단축의 비를 X축 자기벡터에 곱하여 평면 자기벡터 관계를 원으로 보상함으로써 지자기 왜곡을 보정할 수 있다.
[식 5]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000005
여기서, θ는 타원의 회전각이고, cx, cy는 타원의 중심이고, w, h는 각각 타원의 장축과 단축의 길이이다.
[식 6]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000006
여기서, X cal , Y cal 은 왜곡 보정된 평면 자기벡터이고, θ는 타원의 회전각이고, X H , Y H 는 각축의 평면 자기벡터이고, c x , c y 는 타원의 중심이다.
[식 7]
Figure PCTKR2013004694-appb-I000007
여기서, σ는 장축과 단축의 비이고, w, h는 각각 장축과 단축의 길이이다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 왜곡 보정 방법이 적용된 지자기 센서로부터 평면 자기벡터 관계를 도시할 경우 보정 방법이 적용되지 않은 센서의 평면 자기벡터에 비하여 중심이 원점인 원 형태로 표현됨을 증명한다.
또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지자기 왜곡 보정 방법이 적용된 지자기 센서로부터 방위각을 측정한 파형은 출력 오차가 거의 없음을 증명한다.

Claims (5)

  1. 3축 지자기 센서에서 측정된 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 획득하는 평면 자기벡터 계산부(100)와;
    상기 평면 자기벡터 계산부(100)에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 자기벡터 보정 계수를 추출하는 지자기 왜곡 식별부(200)와;
    상기 지자기 왜곡 식별부(200)에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 방위각 계산부(300)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정장치.
  2. 3축 지자기 센서에서 측정된 지구 자기장으로부터 평면 자기벡터를 획득하는 단계(S1);
    상기 단계(S1)에서 수집된 평면 자기벡터 집합으로부터 타원의 방정식 형태로 표현되는 자기벡터 관계를 유도하고 자기벡터 보정 계수를 추출하는 단계(S2);
    상기 단계(S2)에서 추출된 보정 계수를 이용하여 지자기 왜곡을 보정하고 방위각을 계산하는 단계(S3);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정방법
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(S1)에서 3축 지자기 센서는 Hard Iron 왜곡과 Soft Iron 왜곡이 발생할 경우에 대하여 왜곡을 보상할 수 있는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(S2)에서는 왜곡된 평면 지자기 벡터로부터 타원의 방정식을 실시간 식별하고 보정에 필요한 계수를 추출하는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(S3)에서는 왜곡 보정 후 평면 지자기벡터의 관계가 원점을 중심으로 하는 원으로 보상되는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 지자기 센서의 방위각 보정방법.
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