KR100620895B1 - 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법에 관한 것으로서, 이동체의 모터에 축으로 연결된 회전판 상부에 전자 컴파스를 설치하고 회전판의 회전각을 측정하는 인코더를 모터의 하부에 설치한 이후, 이동체가 회전할 수 있는 속도에 비해서 빠르게 전자 컴파스가 설치된 회전판을 모터를 사용하여 360도 회전시켜 전자 컴파스의 출력 V 값을 측정하고, 전자 컴퍼스의 출력 V 값을 토대로 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하는지를 판단하며, 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하지 않는 경우에만, 전자 컴파스의 출력 V 값을 토대로 지구자기가 어떻게 이동체에 있는 철부분에 영향을 끼쳐 자화를 시키는가를 나타내는 값인 K와 이동체의 자화된 철부분에 의해서 생기는 하드 아이론(hard iron) 자기간섭인 Mhard의 추정을 수행하여 전자 컴퍼스를 보정한다.

따라서, 본 발명은 외부자기간섭이 빈번한 환경에서 외부자기간섭 유무를 정확하게 판단하여 외부의 자기간섭성분이 없을 때 이동체 내부의 자기간섭성분을 추정함으로써, 전자 컴파스의 보정을 정확하게 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

회전 컴파스, 자기간섭성분, 검출, 보정

Description

회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법{Method for detecting magnetic field of outside interference using vehicle compass system}

도 1은 일반적인 전자 컴파스의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 지구 자기장과 전자 컴파스를 이용한 방향 검출을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명의 외부간섭 자기장 검출방법에 이용되는 회전 컴파스를 장착한 이동체의 구성을 나타낸 도면,

도 4는 전자 컴파스의 회전장치의 구조를 나타낸 도면,

도 5는 이동체 외부자기간섭의 유무에 따른 회전 컴파스의 출력변화를 나타낸 도면,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 이동체 200 : 회전 컴파스 장치

210 : 전자 컴퍼스 회전부 211 : 전자 컴퍼스

212 : 회전판 213 : 모터

214 : 인코더 215 : 축

220 : 연산부

본 발명은 외부간섭 자기장 검출방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 외부의 자기간섭이 많은 환경에서 회전 컴파스 장치를 이용하여 외부의 자기간섭 정도를 검출하여 전자 컴파스의 보정을 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법에 관한 것이다.

일반적으로 지구자기를 이용하여 방향을 표시하는 컴파스는 아주 오래전부터 사용되어 왔는데, 최근에는 전자 컴파스가 많이 사용되고 있다. 전자 컴파스는 자기를 측정하는 방식에 따라 플럭스 게이트(flux gate)형, 마그네트로레지스티브(magnetroresistive)형 등 여러 가지 형태가 있으며, 2개의 수직으로 배치한 자기 센서를 이용하여 지구자기를 측정하고 이를 이용하여 방향을 알아내는 원리는 동일하다. 이러한 전자 컴파스는 자동차, 실내에서 이동하는 무인 로봇, 항공기 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

전자 컴파스를 자동차, 실내에서 이동하는 무인 로봇, 항공기 등의 이동체에 설치하여 사용할 때, 전자 컴파스는 지구자기 이외에도 이동체 내부에 존재하는 자기간섭성분(예를 들어, 자동차의 동체는 약한 자석으로 생각할 수 있음) 및 이동체 외부에 존재하는 자기간섭성분(예를 들어, 실내에서 이동하는 무인 로봇의 경우 실내의 모니터 등은 강한 자기 영향을 전자 컴파스에 줄 수 있음)의 영향을 받게 된다. 따라서, 정확한 방향을 얻기 위해서는 이러한 이동체 내부에 존재하는 자기간 섭성분 및 이동체 외부에 존재하는 자기간섭성분의 영향을 제거하고, 지구자기 성분만을 추출하는 전자 컴파스의 보정이 필수적이다.

하지만, 전자 컴파스의 보정을 수행할 때 많은 어려움이 따랐는데, 전자 컴파스의 보정에 있어서 어려운 점의 하나는 이동체 내부 또는 외부에 존재하는 지구자기를 제외한 자기간섭 성분이 일정하지 않고, 시간에 따라 변화될 수 있다는 점이다.

예를 들어, 이동체가 강한 자석 근처를 지나는 경우에는 이동체의 철성분이 자화되어 이동체 내부의 자기성분이 변하며, 실내에서 이동하는 무인 로봇의 옆에 있는 모니터가 갑자기 켜진 경우에는 이동체 외부의 자기성분이 변하게 된다. 따라서, 전자 컴파스는 계속해서 보정을 하여야 하는데, 후술되는 바와 같이 전자 컴파스의 보정을 위한 많은 방법들이 이미 제시되어 있다. 미국특허공보 제6,301,794호에서는 전자 컴파스의 출력을 계산하여 이동체에 존재하는 자기성분이 변했는지를 검출하고, 이를 토대로 보정을 수행하고 있으며, 미국특허공보 제5,327,348호에서는 각속도 센서와 전자 컴파스를 이용하여 전자 컴파스를 보정하고 있다. 또한, 미국특허공보 제6,408,251호에서는 각속도 센서, GPS를 전자 컴파스와 함께 사용하여 전자 컴파스를 보정하고 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 전자 컴파스 보정방법들은, 모두 이동체 외부의 자기간섭성분이 없다고 가정하고, 이동체 내부의 자기간섭성분을 추정하는 알고리즘을 사용하고 있기 때문에 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하는 경우에는 이동체 내부의 자기간섭성분의 추정이 잘못되어 부정확한 방향이 계산될 수 있 는 문제점이 있었다.

도 1과 도 2는 상술한 바와 같은 일반적인 전자 컴파스의 기본 원리를 설명하기 위한 도면으로서, X방향 자기센서(12) 및 Y방향 자기센서(14)가 수직으로 놓여 있고, X방향 자기센서(12)에서 감지되는 자기의 양을 Vx, Y방향 자기센서(14)에서 감지되는 자기의 양을 Vy라고 한다. 컴파스의 방향은 Y방향 자기 센서(14)와 일치하도록 선택한다. 전자 컴파스가 도 2와 같이 지구자기장과 각도 θcompass를 이루고 있고 지구자기장의 세기를 H(약 0.5∼0.6 gauss)라고 하면, 전자 컴파스의 X, Y 방향 자기센서(12)(14)에서 감지되는 자기량은 다음과 같다.

따라서, 방향 θcompass는 Vx, Vy를 이용해 다음의 수학식 2와 같이 손쉽게 구할 수 있다.

만약, 지구자기 이외에 다른 자기간섭성분이 전혀 없을 때, 전자 컴파스를 360도 회전시키면, 전자 컴파스 Vx, Vy의 평면에서의 출력은 원을 그리게 된다.

또한, 전자 컴파스를 이동체에 장착했을 때 생기는 이동체 내부의 자기간섭은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 이동체의 자화된 철부분에 의해서 생기는 하드 아이론(hard iron) 자기간섭이다. 또 하나는 이동체의 철부분이 지구자기장에 영향을 받아 생기는 소프트 아이론(soft iron) 자기간섭이다. 하드 아이론 자기간섭 및 소프트 아이론 자기간섭이 있는 상황에서 전자 컴파스 X, Y방향 자기센서에 감지되는 자기량을 벡터형식으로 표현하면 다음의 수학식 3과 같다.

여기서 V는 전자 컴파스의 X, Y방향 자기센서의 출력을 다음과 같이 벡터형식으로 쓴 것이다.

또한, Mearth는 전자 컴파스에서 감지된 지구자기의 양이고, Msoft는 소프트 아이론에 의한 자기간섭이고, Mhard는 하드 아이론에 의한 자기간섭이다.

위에서 Mhard는 이동체에 있는 자화된 철부분에 의해서 결정되는 벡터이고, 2×2 행렬 K는 지구자기가 어떻게 이동체에 있는 철부분에 영향을 끼쳐 자화를 시키는가를 나타내는 행렬이다.

수학식 3에서 θcompass를 알기 위해서는 K 및 Mhard를 정확히 추정하여 전자 컴파스의 출력 V를 알아 낼 필요가 있다. K 및 Mhard를 추정하는 알고리즘은 여 러 가지 방법이 있는데, 모두 이동체 외부의 자기간섭이 없다는 가정아래 유도된 것이다. 만약, 이동체 외부의 자기간섭이 존재하게 되면, 잘못된 K 및 Mhard를 추정하게 되고, 결과적으로 잘못된 방향 θcompass를 추정하게 된다.

즉, 종래의 전자 컴파스 보정방법들은 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하는 경우 이동체 내부의 자기간섭성분의 추정이 잘못되어 부정확한 방향이 계산되는 것이다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 이동체 외부의 자기간섭성분의 유무를 판단하고, 외부의 자기간섭성분이 없을 때 이동체 내부의 자기간섭성분을 정확하게 추정함으로써, 전자 컴파스의 보정을 수행하도록 하는 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전자 컴파스를 모터를 사용한 회전체 위에 설치하여 전자 컴파스를 회전시켜 얻은 데이터에서 이동체 외부의 자기간섭성분의 정도를 판단하고, 이를 이용하여 전자 컴파스의 보정을 수행하도록 하는 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법은, 이동체 외부의 자기간섭성분이 없을 때 이동체 내부의 자기간섭성분을 정확하게 추정하여 전자 컴파스의 보정을 수행하도록 이동체 외부의 자기간섭성분 존재유무를 검출하는 외부간섭 자기장 검출방법에 있어서, (1) 이 동체의 모터에 축으로 연결된 회전판 상부에 전자 컴파스를 설치하며, 회전판의 회전각을 측정하는 인코더를 모터의 하부에 설치하는 과정과; (2) 이동체가 회전할 수 있는 속도에 비해서 빠르게 전자 컴파스가 설치된 회전판을 모터를 사용하여 360도 회전시켜 전자 컴파스의 출력 V 값을 측정하는 과정과; (3) 전자 컴파스를 회전시켜 측정한 전자 컴퍼스의 출력 V 값을 토대로 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하는지를 판단하는 과정과; (4) 판단 결과 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하지 않는 경우에만, (2) 과정을 통해 측정한 전자 컴파스의 출력 V 값을 토대로 지구자기가 어떻게 이동체에 있는 철부분에 영향을 끼쳐 자화를 시키는가를 나타내는 값인 K와 이동체의 자화된 철부분에 의해서 생기는 하드 아이론(hard iron) 자기간섭인 Mhard의 추정을 수행하여 전자 컴퍼스를 보정하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 외부간섭 자기장 검출방법에 이용되는 회전 컴파스 장치를 장착한 이동체의 구성을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 이동체(100)는 바퀴 또는 다른 구동장치로 구동되는 자동차 등의 주행장치를 말한다.

그리고, 지구자기장의 좌표를 기준좌표로 하여 모든 각을 표시하는 데, 각도 θbody는 차량의 방향, 각도 θcompass는 전자 컴파스의 방향, 각도 θencoder는 각도 θbody와 각도 θcompass의 차이를 나타낸다.

회전 컴파스 장치(200)는 전자 컴파스 회전부(210)와 데이터를 받아서 처리하는 연산부(220)로 구성된다.

전자 컴파스 회전부(210)는 도 4에 도시된 바와 같이, 모터(213)에 축(215)으로 연결된 회전판(212) 상부에 전자 컴파스(211)가 설치되어 있으며, 회전판(212)의 회전각을 측정하는 인코더(214)가 모터(213)의 하부에 설치되어 있다. 이때, 모터(213)는 전자 컴파스(211)에 미치는 영향을 줄이기 위해 자기장을 발생하지 않는 초음파모터를 사용하는 것이 바람직하다.

다음에는, 회전 컴파스 장치(200)를 이용한 이동체(100)의 외부자기간섭 검출방법의 원리에 대하여 설명한다.

우선, 이동체(100)가 회전할 수 있는 속도에 비해서 충분히 빨리 전자 컴파스(211)가 설치된 회전판(212)을 모터(213)를 사용하여 360도 회전시킨다. 이때, 전자 컴파스(211)에서 관측되는 자기량은 수학식 4와 같다.

이때, 상술한 수학식 4에서 rot(θ)는 수학식 5에 나타낸 바와 같이 회전을 나타내는 2×2 행렬이다.

각도 θbody와 각도 θcompass의 차이인 각도 θencoder의 변화속도가 각도 θbody의 변화속도에 비해서 충분히 빠르면, 회전판(212)이 360도 회전하는 동안에 각도 θbody는 변하지 않는 상수라고 가정할 수 있다.

회전 컴파스 장치(200)가 360도 회전할 때의 전자 컴파스(211)의 X, Y방향 자기센서의 출력 Vx, Vy는 도 5a에 도시된 바와 같이 원을 그리게 된다. 하지만, 이동체(100)에 외부자기간섭이 있을 경우에는 전자 컴파스(211)의 X, Y방향 자기센서의 출력 Vx, Vy는 도 5b에 도시된 바와 같이 왜곡된 부분(A)을 볼 수 있다. 즉, 전자 컴파스(211)의 X, Y방향 자기센서의 출력 Vx, Vy에서 왜곡된 부분(A)이 존재하는지의 여부를 조사하면 외부자기간섭이 있는지 없는지를 알 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 원리를 사용하여 이동체(100)의 외부자기간섭 유무를 알아내는 방법을 수학식을 사용하여 기술하면 다음과 같다. 수학식 4에서 이동체(100)의 외부자기간섭이 없는 경우에는 다음의 수학식 6을 만족한다.

여기서, rot(θencoder)^-1은 rot(θencoder)의 역행렬이다.

외부자기간섭이 없으면 수학식 6에서 rot(θencoder)^-1V는 항상 일정한 값을 가지는 벡터가 된다. 따라서, rot(θencoder)^-1V의 값이 일정한 값에서 벗어나면, 외부자기간섭이 있다고 판단할 수 있다. 도 5b를 통해 예를 들면, 각도 θencoder가 외부자기장의 영향을 받는 부분(A)에 있을 때에는 수학식 6이 만족되지 않는다.

외부자기간섭의 검출에 대한 구체적인 방법은 다음과 같다. 먼저, 도 4의 회전판(212)을 360도 회전시키면서(즉, 각도 θencoder를 변화시키는 것) 전자 컴파스(211)의 출력 V를 측정한다.

이때, 360도 회전하면서 V 값을 측정하는 횟수를 N번이라고 하고, 각각의 경우에 대한 θencoder값을 θencoder(i)라고 하고, 측정값을 V(i)라고 한다. 그리고, θencoder(i) = i×360/N, 1≤i≤N 의 관계식을 만족하도록 한다.

먼저, 수학식 7과 같이 rot(θencoder(i))^-1V(i) 값의 N개의 측정값의 평균을 구한다.

N개의 측정값 V(i)중에서, 연속된 N개의 i값에 대해서, 다음의 수학식 8이 성립하면, 이동체(100)의 외부자기간섭이 존재한다고 판별한다.

여기서, ||·|| 은 벡터의 일반적인 유크리디안 놈(Euclidean norm)을 의미한다.

N개의 i값에 대해서 수학식 8을 만족한다는 것은 도 5b에서 왜곡된 부분(A)이 존재한다는 것이다. 즉, 외부자기간섭이 존재한다는 것이다.

연속된 N개의 i값에 대해서 수학식 8을 확인하는 것은 전자 컴파스(211)의 노이즈에 의해서 1∼2점의 데이터가 이상한 값을 가질 수 있는 데, 이에 의한 잘못된 외부간섭 자기장의 검출을 방지하기 위함이다.

이러한 외부자기간섭의 유무를 먼저 판단하고, 외부자기간섭이 없을 때에만 K와 Mhard의 추정을 행하여 정확한 컴파스의 보정을 수행할 수 있다. 외부자기간섭이 없을 때의 K와 Mhard의 추정에 대한 것은 다른 특허에서 이미 제시하고 있는 방법이므로 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.

이상에서와 같이 본 발명의 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법에 따르면, 외부자기간섭이 빈번한 환경에서 외부자기간섭 유무를 정확하게 판단하여 외부의 자기간섭성분이 없을 때 이동체 내부의 자기간섭성분을 추정함으로써, 전자 컴파스의 보정을 정확하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 이동체 외부의 자기간섭성분이 없을 때 이동체 내부의 자기간섭성분을 정확하게 추정하여 전자 컴파스의 보정을 수행하도록 이동체 외부의 자기간섭성분 존재유무를 검출하는 외부간섭 자기장 검출방법에 있어서,

   (1) 이동체의 모터에 축으로 연결된 회전판 상부에 전자 컴파스를 설치하며, 상기 회전판의 회전각을 측정하는 인코더를 상기 모터의 하부에 설치하는 과정;

   (2) 상기 이동체가 회전할 수 있는 속도에 비해서 빠르게 상기 전자 컴파스가 설치된 회전판을 모터를 사용하여 360도 회전시켜 상기 전자 컴파스의 출력 V 값을 측정하는 과정;

   (3) 상기 전자 컴파스를 회전시켜 측정한 상기 전자 컴퍼스의 출력 V 값을 토대로,

   

   (여기서, 360도 회전하면서 V 값을 측정하는 횟수를 N, 각각의 경우에 대한 θencoder값을 θencoder(i), 측정값을 V(i), θencoder(i) = i×360/N, 1≤i≤N 의 관계식을 만족한다.)

   의 수학식을 통해 rot(θencoder(i))^-1V(i) 값의 N개의 측정값의 평균을 구한 이후,

   N개의 측정값 V(i)중에서, 연속된 N개의 i값에 대해서, 다음의 수학식이 성립하면,

   

   (여기서, ||·|| 은 벡터의 일반적인 유크리디안 놈(Euclidean norm))

   상기 이동체의 외부자기간섭이 존재한다고 판단하는 과정; 및

   (4) 판단 결과 상기 이동체 외부의 자기간섭성분이 존재하지 않는 경우에만, 상기 과정(2)을 통해 측정한 전자 컴파스의 출력 V 값을 토대로 지구자기가 어떻게 이동체에 있는 철부분에 영향을 끼쳐 자화를 시키는가를 나타내는 값인 K와 상기 이동체의 자화된 철부분에 의해서 생기는 하드 아이론(hard iron) 자기간섭인 Mhard의 추정을 수행하여 상기 전자 컴퍼스를 보정하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(3)을 통한 상기 이동체 외부의 자기간섭성분 존재유무의 판단은,

   상기 과정(2)을 통해 측정되는 상기 전자 컴퍼스의 X, Y방향 자기센서에서 감지되는 자기의 양인 Vx, Vy의 출력에서 왜곡된 원의 존재유무에 의해 판단됨을 특징으로 하는 회전 컴파스 장치를 이용한 외부간섭 자기장 검출방법.

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