WO2014119825A1 - Apparatus for attentuating vibration of acceleromter signal of mems attitude heading reference system, and method for same - Google Patents

Apparatus for attentuating vibration of acceleromter signal of mems attitude heading reference system, and method for same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for attenuating vibrations of an accelerometer signal for an MEMS attitude heading reference system, and a method for same, the apparatus allowing, in a MEMS attitude heading reference system, the accuracy of roll, pitch and attitude estimations thereof to be raised by separating and blocking a continuous low-frequency dynamic acceleration signal, generated due to vibrations, from among the accelerometer signals which are combined with gyro sensor signals. An apparatus for attenuating vibrations of an accelerometer signal for an MEMS attitude heading reference system according to the present invention comprises: a gyro sensor attitude measurement unit (100) for extracting attitude information of a transporting body by analyzing a signal of a two-axis gyro sensor; an accelerometer attitude measurement unit (200) for extracting the attitude information of the transporting body by analyzing a three-axis accelerometer signal, wherein the attitude information is extracted for the transporting body for which vibration is attenuated by separating the dynamic accelerometer component, generated due to vibration of the transporting body, included in the three-axis accelerometer signal; and an integrated filtering unit (300) for integrating and outputting the attitude information output by the gyro sensor attitude measurement unit (100) and the accelerometer attitude measurement unit (200). Thus, the present invention can accurately estimate the attitude of a transporting body by means of the gyro sensor signal and the accelerometer signal for which vibrations are attenuated.

Description

MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치 및 그 방법Accelerometer Signal Vibration Damping Device for MEMS Pose Measuring Device
본 발명은 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MEMS 자세측정장치에서 자이로센서 신호와 융합되는 가속도계 신호 중 진동에 의해 발생하는 연속적인 저주파 동적 가속도 신호를 분리시켜 차단함으로써 자세측정장치의 롤, 피치 자세 추정 정확도를 높일 수 있도록 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for damping an accelerometer signal vibration of a MEMS attitude measuring apparatus, and more particularly, to isolate a continuous low frequency dynamic acceleration signal generated by vibration among accelerometer signals fused with a gyro sensor signal in a MEMS attitude measuring apparatus. The present invention relates to an accelerometer signal vibration damping device of a MEMS attitude measuring device and a method for improving the roll and pitch attitude estimation accuracy of the attitude measuring device.
자세측정장치는 자동차나 기차, 항공기, 선박 등의 항체에 설치되어 항체의 자세를 측정하는 장치로서, 최근에는 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술 발전에 따라 소형화가 가능해졌으며 이에 따라 로봇, 무인 항공기 및 헬리콥터와 같은 소형 항체의 자세 측정에도 널리 이용되고 있다. The posture measuring device is a device for measuring the posture of an antibody installed in an antibody of a car, a train, an aircraft, a ship, etc. Recently, miniaturization is possible according to the development of microelectromechanical systems (MEMS) technology, and accordingly, a robot, an unmanned aerial vehicle, a helicopter, It is also widely used for measuring the posture of such small antibodies.
이러한 MEMS 자세측정장치는 2축 자이로센서로부터 획득한 자세의 오차 발산을 방지하고 일정한 범위의 정확도를 유지하기 위해 3축 가속도계 신호를 융합하여 사용하게 된다. 즉, MEMS 자세측정장치는 2축 자이로센서와 3축 가속도계의 출력 신호를 이용하여 롤(Roll), 피치(Pitch)의 2축 회전각를 계산하여 출력하게 된다. 여기에서, 상기 가속도계 신호는 중력 가속도 성분과 동적 가속도 성분의 합으로 나타나게 되는데, 일반적으로 MEMS 자세측정장치에서는 중력 가속도 성분만을 이용하기 때문에 동적 가속도 성분이 자세측정장치의 오차를 유발하는 원인이 되고 있다. The MEMS posture measuring device is used to fuse the 3-axis accelerometer signal to prevent the error of the posture acquired from the 2-axis gyro sensor and to maintain a certain range of accuracy. That is, the MEMS posture measuring device calculates and outputs the two-axis rotation angles of the roll and the pitch using the output signals of the two-axis gyro sensor and the three-axis accelerometer. Here, the accelerometer signal is represented by the sum of the gravity acceleration component and the dynamic acceleration component. In general, the MEMS posture measuring apparatus uses only the gravity acceleration component, which causes the error of the attitude measuring apparatus. .
종래에는 이러한 문제점을 보안하기 위해 저역통과 필터를 설계하여 동적 가속도를 감쇠시키거나, 중력 가속도만 존재할 경우의 구속조건을 설정하여 자세 추정 시 조건에 따라 가속도계 신호의 융합 여부를 결정하도록 하는 방법이 개시되었는데, 이는 동적 가속도가 높은 주파수를 갖고 있거나 순간적으로 발생한다는 가정에 따른 것이다. Conventionally, in order to secure such a problem, a method of designing a lowpass filter to attenuate dynamic acceleration, or to set a constraint when only gravity acceleration exists, to determine whether or not the accelerometer signal is fused according to the condition in attitude estimation is disclosed. This is based on the assumption that the dynamic acceleration has a high frequency or occurs instantaneously.
하지만, MEMS 자세측정장치는 항체 면에 직접 부착되기 때문에 항체 기동 시 발생하는 진동은 가속도계에 동적 가속도를 유발하게 된다. 이러한 진동에 의한 동적 가속도는 일반적으로 낮은 주파수를 갖고 연속적으로 나타나므로 이를 분리하기 위해 차단 주파수가 낮은 저역통과 필터를 이용하기도 하는데, 이러한 저역통과 필터는 설계 시 자세측정장치의 응답속도가 느려지게 되므로 항체의 기동을 충분히 반영하기 어려운 문제점이 있다. However, since MEMS posture measuring devices are attached directly to the antibody surface, vibration generated when the antibody is activated causes dynamic acceleration in the accelerometer. Since the dynamic acceleration due to the vibration is generally continuous with a low frequency, a low pass filter with a low cutoff frequency may be used to separate it, and such a low pass filter causes a slow response of the attitude measuring device during design. There is a problem that it is difficult to sufficiently reflect the activation of the antibody.
또한, 구속조건에 따라 진동에 의한 동적 가속도를 분리하는 방법이 이용되기도 하는데, 이러한 방법 역시 연속적인 동적 가속도 성분으로 인하여 가속도계 신호를 융합하지 못하고 자이로센서만을 이용하여 자세를 추정하게 되므로 결과적으로 자세 오차가 발생되는 문제점이 여전히 남아 있게 된다. In addition, depending on the constraint condition, a method of separating dynamic acceleration due to vibration is also used, and this method also posture error because the posture is estimated using only a gyro sensor, instead of fusion of accelerometer signals due to continuous dynamic acceleration components. The problem that occurs still remains.
한편, 진동은 항체의 기구적 결합과 기동 상태에 따라 주파수가 변경되는 특징이 있으므로 이에 대한 고려가 요구되어야 한다. On the other hand, vibration has a characteristic that the frequency is changed according to the mechanical binding and activation state of the antibody, it should be considered.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 MEMS 자세측정장치에 있어서 변동되는 진동에 의해 발생하는 가속도계 신호의 동적 가속도를 분리하기 위하여 주파수 분석을 통하여 차단 주파수를 결정하고, 이를 적응형 대역저지 필터를 이용하여 분리시킴으로써 진동에 의한 감쇠를 최소화하여 항체의 자세 추정 정확도를 높일 수 있도록 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to cut off the frequency through frequency analysis to separate the dynamic acceleration of the accelerometer signal caused by the oscillating vibration in the MEMS attitude measuring apparatus. The present invention provides an accelerometer signal vibration damping device and a method for measuring a MEMS posture measuring device to minimize the attenuation caused by vibration by separating it by using an adaptive bandstop filter and to increase the pose estimation accuracy of the antibody.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치는 2축 자이로센서 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 자이로센서 자세 측정부와; 3축 가속도계 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하되, 3축 가속도계 신호에 포함된 항체의 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분을 분리시켜 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 추출하는 가속도계 자세 측정부와; 상기 자이로센서 자세 측정부와 가속도계 자세 측정부를 통하여 출력되는 자세 정보를 융합하여 출력하는 융합필터부;를 포함하여 이루어진다. Accelerometer signal vibration damping device of the MEMS posture measuring device according to the present invention for achieving the above object is a gyro sensor posture measuring unit for extracting the posture information of the antibody by analyzing a two-axis gyro sensor signal; Accelerometer position measurement unit that extracts the attitude information of the antibody by analyzing the three-axis accelerometer signal, but extracts the attitude information of the antibody damped vibration by separating the dynamic acceleration component generated by the vibration of the antibody included in the three-axis accelerometer signal Wow; And a fusion filter unit configured to fuse and output posture information output through the gyro sensor posture measuring unit and the accelerometer posture measuring unit.
상기 가속도계 자세 측정부는 3축 가속도계 신호에 대한 주파수 분석을 수행하여 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분의 차단 주파수를 결정하는 주파수 분석모듈과; 상기 주파수 분석모듈에 의해 결정되는 차단 주파수를 3축 가속도계 신호에서 분리하여, 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 대역저지 필터모듈과; 상기 대역저지 필터모듈을 통하여 출력되는 진동이 감쇠된 가속도계 신호를 분석하여 자세 정보를 추출하는 자세변환모듈;을 포함하여 이루어진다.The accelerometer attitude measuring unit includes: a frequency analysis module configured to determine a cutoff frequency of dynamic acceleration components generated by vibration by performing frequency analysis on a three-axis accelerometer signal; A band stop filter module for separating the cut-off frequency determined by the frequency analysis module from the 3-axis accelerometer signal and outputting a 3-axis accelerometer signal with vibration attenuation; And a posture converting module configured to extract the posture information by analyzing the accelerometer signal attenuated by the vibration output through the bandstop filter module.
여기에서, 상기 대역저지 필터모듈은 차단 주파수의 변경이 가능한 적응형 대역저지 필터를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the band stop filter module preferably comprises an adaptive band stop filter capable of changing the cutoff frequency.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 방법은 2축 자이로센서를 통하여 출력되는 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 자이로센서 자세 측정단계와; 3축 가속도계를 통하여 출력되는 신호를 분석하여, 3축 가속도계 신호에 포함된 항체의 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분을 분리시켜 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 추출하는 가속도계 자세 측정단계와; 상기 자이로센서 자세 측정단계와 가속도계 자세 측정단계를 통하여 출력되는 자세 정보를 융합하여 항체의 롤(Roll) 및 피치(Pitch) 정보가 포함된 자세 정보를 출력하는 자세 정보 융합단계;를 포함하여 이루어진다. On the other hand, accelerometer signal vibration attenuation method of the MEMS posture measuring device according to the present invention for achieving the above object comprises a gyro sensor posture measuring step of extracting the posture information of the antibody by analyzing the signal output through the two-axis gyro sensor; An accelerometer attitude measuring step of analyzing a signal output through the three-axis accelerometer to separate the dynamic acceleration component generated by the vibration of the antibody included in the three-axis accelerometer signal and extracting the attitude information of the vibration-damped antibody; And a posture information fusion step of outputting posture information including the roll and pitch information of the antibody by fusing the posture information output through the gyro sensor posture measurement step and the accelerometer posture measurement step.
상기 가속도계 자세 측정단계는 3축 가속도계 신호에 대한 주파수 분석을 수행하여 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분의 차단 주파수를 결정하는 단계와, 상기 단계에서 결정되는 차단 주파수를 3축 가속도계 신호에서 분리하여 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 단계와, 상기 단계를 통하여 출력되는 진동이 감쇠된 가속도계 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어진다. The accelerometer attitude measuring step includes performing a frequency analysis on the three-axis accelerometer signal to determine the cutoff frequency of the dynamic acceleration component generated by the vibration, and separating the cutoff frequency determined in the step from the three-axis accelerometer signal to vibrate And outputting the attenuated triaxial accelerometer signal, and extracting the attitude information of the antibody by analyzing the vibration attenuated accelerometer signal output through the step.
여기에서, 상기 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 단계는, 상기 결정된 차단 주파수에 따라 차단되는 주파수를 변경하여, 3축 가속도계 신호에서 차단 주파수를 분리하여 출력하는 것이 바람직하다.Here, in the step of outputting the three-axis accelerometer signal attenuated vibration, it is preferable to change the cutoff frequency according to the determined cutoff frequency, to separate the cutoff frequency from the three-axis accelerometer signal.
본 발명에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치 및 그 방법에 의하여, 항체 진동에 의하여 발생하는 가속도계 신호의 동적 가속도를 주파수 분석모듈 및 대역저지 필터모듈를 통하여 가속도계 신로로부터 분리함으로써 진동을 감쇠할 수 있으며, 이에 따라 진동이 감쇠된 가속도계 신호와 자이로센서 신호를 융합하여 항체의 정확한 자세를 추정할 수 있는 효과가 있다.According to the accelerometer signal vibration attenuation device and method of the MEMS attitude measuring device according to the present invention, the vibration of the accelerometer signal generated by the antibody vibration is separated from the accelerometer path through the frequency analysis module and the band stop filter module. Accordingly, by fusion of the vibration-damped accelerometer signal and the gyro sensor signal has the effect of estimating the exact position of the antibody.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram schematically showing an accelerometer signal vibration damping apparatus of a MEMS attitude measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대역저지 필터모듈의 주파수 응답 일례를 나타낸 것이다. Figure 2 shows an example of the frequency response of the bandstop filter module according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 정지 상태에서 진동 보상 전후 출력 일례를 나타낸 것이다. Figure 3 shows an example of the output before and after vibration compensation in the stationary state of the MEMS posture measuring device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 기동 상태에서 진동 보상 전후 출력 일례를 나타낸 것이다. Figure 4 shows an example of the output before and after vibration compensation in the starting state of the MEMS posture measuring device according to an embodiment of the present invention.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of drawing
100 : 자이로센서 자세 측정부 200 : 가속도계 자세 측정부100: gyro sensor posture measuring unit 200: accelerometer posture measuring unit
210 : 주파수 분석모듈 220 : 대역저지 필터모듈210: frequency analysis module 220: band stop filter module
230 : 자세변환모듈 300 : 융합필터부230: attitude conversion module 300: fusion filter unit
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 1 is a conceptual diagram schematically showing an accelerometer signal vibration damping apparatus of a MEMS attitude measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치는 2축 자이로센서 신호를 통하여 자세 정보를 추출하는 자이로센서 자세 측정부(100)와, 3축 가속도계 신호를 통하여 진동이 감쇠된 자세 정보를 추출하는 가속도계 자세 측정부(200)와, 상기 자이로센서 자세 측정부(100) 및 가속도계 자세 측정부(200)를 통하여 출력되는 자세 정보를 융합하여 출력하는 융합필터부(300)를 포함하여 이루어진다. As shown in FIG. 1, the accelerometer signal vibration damping device of the MEMS posture measuring device according to an embodiment of the present invention includes a gyro sensor posture measuring unit 100 and a three-axis extracting posture information through a two-axis gyro sensor signal. Converging the posture information output through the accelerometer posture measuring unit 200 for extracting the posture information attenuated vibration through the accelerometer signal, the gyro sensor posture measuring unit 100 and the accelerometer posture measuring unit 200 to output It comprises a fusion filter unit 300.
상기 자이로센서 자세 측정부(100)는 2축 자이로센서를 통하여 출력되는 2축 자이로센서 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하게 되는데, 본 발명의 실시예에서 이러한 2축 자이로센서 신호를 통하여 항체의 자세를 추출하는 방법으로 오일러 회전각을 이용한 자세미분방정식 및 적분 연산을 이용하게 된다. The gyro sensor posture measuring unit 100 extracts the posture information of the antibody by analyzing the 2-axis gyro sensor signal output through the 2-axis gyro sensor, in the embodiment of the present invention through the two-axis gyro sensor signal As a method of extracting the posture, the posture differential equation and integral calculation using the Euler rotation angle are used.
상기 가속도계 자세 측정부(200)는 3축 가속도계를 통하여 출력되는 3축 가속도계 신호를 분석하여, 신호에 포함된 진동에 의한 동적 가속도 성분를 분리하여 차단시킴으로써 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 추출하게 된다. 이러한 가속도계 자세 측정부(200)는 3축 가속도계 신호의 주파수 분석을 수행하여 진동에 의해 발생한 차단 주파수를 결정하는 주파수 분석모듈(210)과, 상기 주파수 분석모듈(210)을 통하여 결정된 차단 주파수를 가속도계 신호로부터 분리하여 출력하는 대역저지 필터모듈(220)과, 상기 대역저지 필터모듈(220)을 통하여 출력되는 진동이 감쇠된 가속도계 신호로부터 자세 정보를 추출하는 자세변환모듈(230)을 포함하여 이루어진다. The accelerometer attitude measuring unit 200 analyzes a three-axis accelerometer signal output through the three-axis accelerometer to separate and block the dynamic acceleration component due to the vibration included in the signal to extract the attitude information of the vibration damped antibody . The accelerometer attitude measuring unit 200 performs a frequency analysis of a three-axis accelerometer signal to determine a cutoff frequency generated by vibration, and the cutoff frequency determined by the frequency analysis module 210 to measure the accelerometer. And a posture converting module 230 extracting posture information from the accelerometer signal of which the vibration outputted through the bandstop filter module 220 is attenuated.
본 발명의 실시예에서 상기 주파수 분석모듈(210)은 FFT(Fast Fourier Transforms)를 이용하여 주파수 분석을 수행하게 되는데, 이 주파수 분석모듈(210)은 3축 가속도계 신호에 포함된 진동에 의해 발생된 차단 주파수를 결정하게 된다. 상기 주파수 분석모듈(210)을 통하여 결정되는 차단 주파수는 진동의 크기나 종류에 따라 다양하게 나타날 수 있으므로, 상기 대역저지 필터모듈(220)은 차단 주파수를 변경시켜 적용할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 상기 대역저지 필터모듈(220)은 차단 주파수를 변경할 수 있는 적응형 대역저지 필터로 이루어져, 상기 주파수 분석모듈(210)을 통하여 차단되어야 하는 주파수가 결정되면 결정된 주파수로 차단 주파수를 변경하여 3축 가속도계 신호로부터 차단 주파수를 분리시키게 된다. 상기 대역저지 필터모듈(220)을 통하여 차단 주파수가 분리된 3축 가속도계 신호는 자세변환모듈(230)을 통하여 항체의 자세 정보가 계산되게 된다. In an embodiment of the present invention, the frequency analysis module 210 performs frequency analysis using fast fourier transforms (FFT), and the frequency analysis module 210 is generated by vibrations included in a three-axis accelerometer signal. The cutoff frequency will be determined. Since the cutoff frequency determined by the frequency analysis module 210 may vary depending on the magnitude or type of vibration, the bandstop filter module 220 should be applicable by changing the cutoff frequency. Accordingly, the bandstop filter module 220 according to an embodiment of the present invention is composed of an adaptive bandstop filter that can change the cutoff frequency, and the frequency determined when the frequency to be cut off through the frequency analysis module 210 is determined. By changing the cutoff frequency, the cutoff frequency is separated from the 3-axis accelerometer signal. The 3-axis accelerometer signal of which the cutoff frequency is separated by the band stop filter module 220 is calculated by the attitude information of the antibody through the posture conversion module 230.
상기 융합필터부(300)는 자이로센서 자세 측정부(100)를 통하여 출력되는 자이로센서 자세 정보와 가속도계 자세 측정부(200)를 통하여 출력되는 가속도계 자세 정보를 융합하여 항체의 롤(Roll) 및 피치(Pitch) 정보가 포함된 자세 정보를 출력하게 된다.The fusion filter unit 300 fuses the gyro sensor posture information output through the gyro sensor posture measurement unit 100 and the accelerometer posture information output through the accelerometer posture measurement unit 200 to roll and pitch the antibody. Posture information including (Pitch) information is output.
이하에서는, 상기 구성으로 이루어진 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치를 통하여 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 계산하는 과정에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the process of calculating the attitude information of the antibody whose vibration is attenuated through the accelerometer signal vibration damping device of the MEMS posture measuring device having the above configuration will be described.
먼저, 상기 자이로센서 자세 측정부(100)는 2축 자이로센서를 통하여 출력되는 2축 자이로센서 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 계산하게 되는데, 2축 자이로센서 신호를 통한 자세 정보는 다음의 수학식 1과 같이 오일러 회전각을 이용한 미분방정식의 결과를 적분 연산하여 획득할 수 있다. First, the gyro sensor posture measuring unit 100 calculates the posture information of the antibody by analyzing the 2-axis gyro sensor signal output through the 2-axis gyro sensor, the posture information through the 2-axis gyro sensor signal is As shown in Equation 1, the result of the differential equation using the Euler rotation angle can be obtained by integrating.
[수학식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2013004695-appb-I000001
Figure PCTKR2013004695-appb-I000001
여기에서, φ, θ, ψ는 각각 기준 좌표계에 대한 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw) 자세각이고, ωx, ωy, ωz는 각축의 자이로 센서 출력 신호를 나타낸다.Here, φ, θ, and ψ are Roll, Pitch, and Yaw attitude angles with respect to the reference coordinate system, respectively, and ω x , ω y , and ω z denote gyro sensor output signals on each axis.
한편, 3축 가속도계의 출력 신호를 이용하여 항체의 자세 정보를 계산할 수 있는데, 3축 가속도계 출력 신호를 이용한 자세 정보는 다음의 수학식 2와 같이 중력 벡터의 분력 수식을 연산하여 획득할 수 있다.On the other hand, the attitude information of the antibody can be calculated using the output signal of the three-axis accelerometer, the attitude information using the three-axis accelerometer output signal can be obtained by calculating the gravity equation of the gravity vector as shown in Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2013004695-appb-I000002
Figure PCTKR2013004695-appb-I000002
여기에서, ax, ay, az는 각축의 가속도계 출력 신호이고, Cb n는 기준 좌표계에서 동체 좌표계로의 자세 변환 행렬이고, g는 중력 가속도이고, φ, θ는 각각 기준 좌표계에 대한 롤, 피치 자세각을 나타낸다.Where a x , a y , and a z are the accelerometer output signals for each axis, C b n is the attitude transformation matrix from the reference coordinate system to the fuselage coordinate system, g is the gravitational acceleration, and φ and θ are each relative to the reference coordinate system. Roll and pitch attitude angles are shown.
하지만, 가속도계 신호는 다음의 수학식 3과 같이 중력 가속도에 의한 성분 외에 동적인 성분이 포함되며, 특히 진동에 의한 동적 성분이 연속적이고 낮은 주파수 범위에서 발생하므로 자세 계산 시 오차를 발생시키게 된다.However, the accelerometer signal includes dynamic components in addition to the components due to the acceleration of gravity as shown in Equation 3 below, and in particular, the dynamic components due to the vibration are generated in the continuous and low frequency range, which causes errors in calculating the attitude.
[수학식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2013004695-appb-I000003
Figure PCTKR2013004695-appb-I000003
여기에서, ax, ay, az는 각축의 가속도계 출력 신호이고, u, v, w는 각축의 가속도계 동적 성분이고, g는 중력 가속도이고, φ, θ는 각각 기준 좌표계에 대한 롤, 피치 자세각을 나타낸다.Where a x , a y , a z are the accelerometer output signals on each axis, u, v, w are the accelerometer dynamic components on each axis, g is the gravitational acceleration, and φ, θ are the roll and pitch for the reference coordinate system, respectively. Represents the attitude angle.
본 발명의 실시예에 따른 대역저지 필터모듈(220)은 3축 가속도계의 출력 신호 중 차단 주파수를 분리시켜 통과시킬 수 있는 필터로서, 이 대역저지 필터모듈(220)은 차단 주파수의 변경이 가능하여 진동에 따라 달라지는 차단 주파수를 효과적으로 분리시킬 수 있도록 한다. 이에 따라 상기 대역저지 필터모듈(220)은 3축 가속도계 신호에 포함된 진동에 의해 동적 가속도 신호를 분리하여 진동을 감쇠하게 된다. Band stop filter module 220 according to an embodiment of the present invention is a filter that can pass through the cutoff frequency of the output signal of the three-axis accelerometer, the bandstop filter module 220 can be changed the cutoff frequency This allows effective isolation of cutoff frequencies that vary with vibration. Accordingly, the band stop filter module 220 attenuates the vibration by separating the dynamic acceleration signal by the vibration included in the three-axis accelerometer signal.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대역저지 필터모듈의 주파수 응답 일례를 나타낸 것이다. Figure 2 shows an example of the frequency response of the bandstop filter module according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 대역저지 필터모듈(220)은 특정 주파수 대역(fc1∼fc2)의 신호를 감쇠하는 효과가 있으므로 3축 가속도계 신호에 포함된 진동 주파수를 분리할 수 있는데, 이를 위한 대역저지 필터모듈(220)의 전달함수는 다음의 수학식 4와 같다. Referring to FIG. 2, since the bandstop filter module 220 attenuates a signal of a specific frequency band f c1 to f c2 , it is possible to separate a vibration frequency included in a three-axis accelerometer signal. The transfer function of the jersey filter module 220 is shown in Equation 4 below.
[수학식 4][Equation 4]
Figure PCTKR2013004695-appb-I000004
Figure PCTKR2013004695-appb-I000004
여기서, s는 라플라스 변환 인자이고, ω는 차단 주파수이고, b는 차단 대역을 나타낸다.Where s is the Laplace transform factor, ω is the cutoff frequency, and b is the cutoff band.
또한, 대역저지 필터모듈(220)의 이산시간 수식은 다음의 수학식 5와 같다.In addition, the discrete time equation of the bandstop filter module 220 is as shown in Equation 5 below.
[수학식 5][Equation 5]
Figure PCTKR2013004695-appb-I000005
Figure PCTKR2013004695-appb-I000005
여기에서, z는 Z 변환 인자이고, a1, a2는 각각 변환 후 해당 계수를 나타낸다.Here, z is a Z conversion factor, and a 1 and a 2 respectively represent corresponding coefficients after conversion.
상기 수학식 5에서와 같이, 차단 주파수 및 차단 대역은 계수 a1과 a2로부터 결정되는데, 진동 주파수는 MEMS 자세측정장치가 장착된 항체의 기구적 특성과 기동 특성에 의해 다르므로, 차단 주파수 및 차단 대역도 변경되어야 하며, 이는 FFT에 의한 주파수 분석모듈(210)을 통해 실시간으로 결정되어 갱신되게 된다.As in Equation 5, the cutoff frequency and cutoff band are determined from the coefficients a 1 and a 2 , and the vibration frequency is different depending on the mechanical characteristics and the starting characteristics of the antibody equipped with the MEMS posture measuring device. The cutoff band should also be changed, which is determined and updated in real time through the frequency analysis module 210 by the FFT.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 정지 상태에서 진동 보상 전후 출력 일례를 나타낸 것이다. Figure 3 shows an example of the output before and after vibration compensation in the stationary state of the MEMS posture measuring device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가속도계 신호 진동 감쇠 장치가 적용된 MEMS 자세측정장치의 정지상태 출력 파형은, 진동 감쇠 장치가 적용되지 않은 장치의 출력 파형에 비하여 자세 오차가 작고 정밀함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, the stationary output waveform of the MEMS posture measuring device to which the accelerometer signal vibration damping device is applied is smaller and more accurate than the output waveform of the device to which the vibration damping device is not applied. You can check it.
또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 기동 상태에서 진동 보상 전후 출력 일례를 나타낸 것이다. 4 shows an example of output before and after vibration compensation in the starting state of the MEMS posture measuring device according to the embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가속도계 신호 진동 감쇠 장치가 적용된 MEMS 자세측정장치의 기동상태 출력 파형 역시, 진동 감쇠 장치가 적용되지 않은 장치의 출력 파형에 비하여 자세 오차의 누적이 없고 정밀함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, the start state output waveform of the MEMS posture measuring device to which the accelerometer signal vibration damping device is applied does not accumulate posture error compared to the output waveform of the device to which the vibration damping device is not applied. You can confirm the precision.
이와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치는 3축 가속도계 신호에 포함된 항체 진동에 의한 동적 가속도를 분리시켜 진동이 감쇠된 항체의 가속도계 자세 정보를 추정할 수 있고, 이러한 진동이 감쇠된 가속도계 자세 정보와 자이로센서 신호로부터 파악되는 자이로센서 자세 정보를 융합하여 항체의 정확한 자세를 추정할 수 있게 된다. As described above, the accelerometer signal vibration attenuation device of the MEMS posture measuring device according to the present invention can estimate the accelerometer attitude information of the antibody whose vibration is attenuated by separating the dynamic acceleration due to the antibody vibration included in the three-axis accelerometer signal. Accurate posture of the antibody can be estimated by fusing the vibration attenuated attitude information and the gyro sensor attitude information obtained from the gyro sensor signal.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments and various modifications and variations within the equivalent range of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course this can be done.
본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치는 자동차나 기차, 항공기, 선박, 로봇 등 운행 가능한 다양한 항체에 적용되어, 항체의 진동에 의한 동적 가속도 성분을 분리시켜 보다 정확한 항체의 자세를 측정할 수 있도록 제공된다. Accelerometer signal vibration damping device of the MEMS posture measuring device according to an embodiment of the present invention is applied to a variety of antibodies that can be driven, such as cars, trains, aircraft, ships, robots, to separate the dynamic acceleration components due to the vibration of the antibody more accurate antibody It is provided to measure the posture.

Claims (6)

  1. 2축 자이로센서 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 자이로센서 자세 측정부(100)와;A gyro sensor posture measuring unit 100 for analyzing the biaxial gyro sensor signal and extracting the posture information of the antibody;
    3축 가속도계 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하되, 3축 가속도계 신호에 포함된 항체의 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분을 분리시켜 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 추출하는 가속도계 자세 측정부(200)와;Accelerometer position measurement unit that extracts the attitude information of the antibody by analyzing the three-axis accelerometer signal, but extracts the attitude information of the antibody damped vibration by separating the dynamic acceleration component generated by the vibration of the antibody included in the three-axis accelerometer signal 200;
    상기 자이로센서 자세 측정부(100)와 가속도계 자세 측정부(200)를 통하여 출력되는 자세 정보를 융합하여 출력하는 융합필터부(300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치.Accelerometer signal of the MEMS posture measuring device comprising a; fusion filter unit 300 for fusing and outputting the posture information output through the gyro sensor posture measuring unit 100 and the accelerometer posture measuring unit 200 Vibration damping device.
  2. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 가속도계 자세 측정부(200)는 The accelerometer attitude measuring unit 200
    상기 3축 가속도계 신호에 대한 주파수 분석을 수행하여 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분의 차단 주파수를 결정하는 주파수 분석모듈(210)과; A frequency analysis module 210 for performing a frequency analysis on the three-axis accelerometer signal to determine a cutoff frequency of the dynamic acceleration component generated by the vibration;
    상기 주파수 분석모듈(210)에 의해 결정되는 차단 주파수를 3축 가속도계 신호에서 분리하여, 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 대역저지 필터모듈(220)과; A band stop filter module 220 for separating the cutoff frequency determined by the frequency analysis module 210 from the 3-axis accelerometer signal and outputting a 3-axis accelerometer signal with vibration attenuation;
    상기 대역저지 필터모듈(220)을 통하여 출력되는 진동이 감쇠된 가속도계 신호를 분석하여 자세 정보를 추출하는 자세변환모듈(230);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치.Vibration damping of the accelerometer signal of the MEMS posture measuring device, characterized in that it comprises a; posture conversion module 230 for extracting the attitude information by analyzing the attenuated accelerometer signal outputted through the band stop filter module 220 Device.
  3. 제 2항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 대역저지 필터모듈(220)은 차단 주파수의 변경이 가능한 적응형 대역저지 필터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 장치.The bandstop filter module 220 is an accelerometer signal vibration attenuation device of the MEMS attitude measuring device, characterized in that it comprises an adaptive bandstop filter capable of changing the cutoff frequency.
  4. (a) 2축 자이로센서를 통하여 출력되는 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 자이로센서 자세 측정단계와; (a) a gyro sensor posture measuring step of extracting posture information of the antibody by analyzing a signal output through the two-axis gyro sensor;
    (b) 3축 가속도계를 통하여 출력되는 신호를 분석하여, 3축 가속도계 신호에 포함된 항체의 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분을 분리시켜 진동이 감쇠된 항체의 자세 정보를 추출하는 가속도계 자세 측정단계와;(b) Accelerometer attitude measurement step of analyzing the signal output through the three-axis accelerometer, extracting the attitude information of the antibody damped vibration by separating the dynamic acceleration component generated by the vibration of the antibody contained in the three-axis accelerometer signal Wow;
    (c) 상기 자이로센서 자세 측정단계(a)와 가속도계 자세 측정단계(b)를 통하여 출력되는 자세 정보를 융합하여 항체의 롤(Roll) 및 피치(Pitch) 정보가 포함된 자세 정보를 출력하는 자세 정보 융합단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 방법.(c) a posture for outputting posture information including roll and pitch information of the antibody by fusing the posture information output through the gyro sensor posture measurement step (a) and the accelerometer posture measurement step (b) Information fusion step; Accelerometer signal vibration attenuation method of the MEMS posture measuring device comprising a.
  5. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 가속도계 자세 측정단계(a)는 The accelerometer attitude measuring step (a)
    (a-1) 상기 3축 가속도계 신호에 대한 주파수 분석을 수행하여 진동에 의해 발생된 동적 가속도 성분의 차단 주파수를 결정하는 단계와, (a-1) determining a cutoff frequency of the dynamic acceleration component generated by vibration by performing frequency analysis on the three-axis accelerometer signal;
    (a-2) 상기 단계에서 결정되는 차단 주파수를 3축 가속도계 신호에서 분리하여, 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 단계와, (a-2) separating the cutoff frequency determined in the step from the three-axis accelerometer signal and outputting a three-axis accelerometer signal with vibration damped;
    (a-3) 상기 단계를 통하여 출력되는 진동이 감쇠된 가속도계 신호를 분석하여 항체의 자세 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 방법.(a-3) analyzing the accelerometer signal attenuated by the vibration output through the step of extracting the attitude information of the antibody, characterized in that the accelerometer signal vibration damping method of the MEMS posture measuring device.
  6. 제 5항에 있어서,The method of claim 5,
    상기 진동이 감쇠된 3축 가속도계 신호를 출력하는 단계(a-2)는,The outputting of the three-axis accelerometer signal is attenuated vibration (a-2),
    상기 결정된 차단 주파수에 따라 차단되는 주파수를 변경하여, 3축 가속도계 신호에서 차단 주파수를 분리하여 출력하는 것을 특징으로 하는 MEMS 자세측정장치의 가속도계 신호 진동 감쇠 방법.Changing the cut-off frequency according to the determined cut-off frequency, and outputs by separating the cut-off frequency from the three-axis accelerometer signal accelerometer signal vibration damping method.
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