KR100794762B1

KR100794762B1 - 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식전자조이스틱

Info

Publication number: KR100794762B1
Application number: KR1020060034362A
Authority: KR
Inventors: 양재우; 이장명; 이효문; 최준영; 김홍철
Original assignee: 양재우
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2008-01-21
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: JP2007287117A; US20070242043A1; CN101059706A; TWI309723B; TW200741236A; CN101059706B; KR20070102767A

Abstract

본 발명은 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱에 관한 것으로, 홀 센서에 의한 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하는 원리를 이용하여 조이스틱 봉 말단의 2차원 좌표를 추출하도록 구현한 것으로서, 구형관절구조로 인체공학적인 측면에서 사용이 용이할 뿐만 아니라 구조의 간결성으로 고장진단이 용이하여 생산 조립공정의 단순화 및 효율성을 극대화할 수 있고 보다 향상된 진동내구성을 갖는 장점이 있다.

이를 구현하기 위한 본 발명에 의한 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱은 조이스틱 봉의 상단에 형성된 구형관절의 하단에 연결된 막대형태로 형성되는 영구자석과 상기 구형관절의 연동에 의하여 상기 영구자석의 축 방향에 대한 2차원 평면상에서 자기장의 수평벡터가 형성되면, 상기 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하는 홀 센서를 이용하여 전동휠체어와 같은 제어대상의 방향 및 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

단일 홀 센서, 구형관절구조, 자기장 수평벡터, 비선형 보정식, 보상알고리즘, 신호변환회로

Description

단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱{Contactless Electron Joystick of Universal Joint Structure Using Single Hole Sensor}

도 1은 종래의 2개의 센서구조를 가진 전자조이스틱 구조를 나타낸 외형 사시도

도 2는 종래의 단일 홀 센서구조를 가진 전자조이스틱 구조를 나타낸 외형 사시도

도 3은 본 발명에 의한 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱의 형상을 나타낸 도면

도 4는 영구자석의 자속 밀도 분포와 홀 센서의 배치관계를 설명한 도면

도 5는 홀 센서출력에 대한 신호변환회로를 나타낸 회로도

도 6은 수학식 5에 대하여 부동한 파라미터 값에 대한 비선형 특성 해석을 나타낸 그래프도

도 7은 선평범위 θ_c와 수직거리 D 사이의 관계를 정량적으로 나타낸 도표

도 8은 조이스틱 기구설계 지표변경에 따른 선형범위와 선형범위를 결정하는 파라미터 값의 변화 법칙을 3차원으로 표현한 결과를 나타낸 도면

도 9는 최소자승근사법에 근하하여 홀 센서의 신호변환회로의 출력과 조이스 틱 기울기 θ의 사인 값에 대한 비선형 실험곡선의 10차 다항식으로 적합한 결과를 나타낸 그래프도

도 10은 실험곡선에 대한 10차 다항식과 비선형 보정식(수학식 5)의 수치해의 일치성을 설명한 그래프도

도 11은 비선형 보정식(수학식 5)에 근거한 시뮬레이션 결과와 실제 실험곡선의 일치성을 검증한 그래프도

도 12는 본 발명에서 사용된 조이스틱 전자제어부의 각 기능모듈을 설명한 블록구성도

도 13은 본 발명에서 실제로 제작된 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱의 사진도

〈 도면의 주요 부호에 대한 설명 〉

11 : 홀 센서와 영구자석이 통합된 회전각 측정장치

21 : 회전체

22 : 회전체 중심에 위치한 홀 센서

23 : 지지축

24: 조이스틱 봉 하단에 장착된 막대형태 영구자석(영구자석 중심선 방향과 조이스틱 봉의 방향 일치되게 설치)

31 : 구형관절(universal joint)

32 : 2축 홀 센서

33 : 막대형태의 영구자석

51 : 자기장의 수평벡터 중 x축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하여 버퍼링하는 제 1 버퍼

52 : 자기장의 수평벡터 중 y축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하여 버퍼링하는 제 3 버퍼

53 : x 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하여 버퍼링하는 제 2 버퍼

54 : y 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하여 버퍼링하는 제 4 버퍼

55 : 신호변환회로 내부 기준전압(x 방향)을 입력하여 버퍼링하는 제 5 버퍼

56 : 신호변환회로 내부 기준전압(y 방향)을 입력하여 버퍼링하는 제 6 버퍼

57 : 차동증폭 및 저주파통과 필터

58 : 출력 버퍼

〈 비선형 특성 해석에 관련된 문자 설명〉

: 영구자석 축 방향 자속 밀도

: 영구자석 축 방향 자속의 수평벡터

k : 선형범위를 결정하는 파라미터

θ_c : 최대선형범위

n : 선형도

L : 영구자석 길이

D : 영구자석 말단과 홀 센서평면 수직거리

S: 영구자석 말단 표면적

θ : 조이스틱 봉의 기울기

λ(θ) : 조이스틱 봉의 기울기에 대한 비선형 함수

α : 조이스틱 봉의 회전각

ξ : 신호변환회로의 증폭계수와 정비례된 상수값

c : 신호변환 회로의 증폭계수

N: A/D 변환기의 해상도

V_ref : A/D 변환기의 기준전압

본 발명은 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱에 관한 것으로, 특히 홀 센서에 의한 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하는 원리를 이용하여 조이스틱 봉 말단의 2차원 좌표를 추출하도록 구현한 것으로서, 구형관절구조로 인체공학적인 측면에서 사용이 용이할 뿐만 아니라 구조의 간결성으로 고장진단이 용이하여 생산 조립공정의 단순화 및 효율성을 극대화할 수 있고 보다 향상된 진동내구성을 갖는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱에 관한 것이다.

도 1은 종래의 2개의 센서구조를 가진 전자조이스틱 구조를 나타낸 외형 사시도이다.

도 1에 제시된 바와 같이, 종래의 비접속식 전자조이스틱은 홀 센서를 조이스틱 봉의 회전축 x, y 방향에 장착하고 각 축에 대응되는 영구자석의 회전각 정보를 2차원 벡터로 하는 방법을 사용하고 있다. 이런 구조는 측정신호의 정확도를 향상시킬 수 있고 복잡한 신호처리 및 보상과정이 필요 없어 실시간성을 보장할 수 있다는 장점이 있지만 홀 센서출력 신호와 조이스틱 봉 말의 2차원 움직임 사이에는 비선형 관계가 존재한다. 또한, 2개의 홀 센서 구조는 회전각 측정을 위하여 영구자석이 각 회전축에 장착되어 설계 치수가 증가되고 진동내구성을 고려한 기구설계의 복잡성도 따라서 증가하게 된다는 문제점이 존재한다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 도 2와 같은 회전체 구조를 가진 조이스틱이 제안되고 있다.

도 2는 종래의 단일 홀 센서구조를 가진 전자조이스틱 구조를 나타낸 외형 사시도이다. 도 2에서처럼 홀 센서를 조이스틱 봉의 회전체 구형 중심에 위치시키고 봉의 하단부에는 막대 형태의 영구자석을 설치한 구조이다. 이러한 구조에서는 영구자석의 자력선은 항상 회전중심을 향하게 되며, 회전체의 구 중심에 위치한 홀 센서에 의해 조이스틱 봉에 대한 2차원 감지영역을 형성하게 된다. 홀 센서의 출력신호는 조이스틱 봉에 대한 2차원 감지영역을 형성하게 된다. 홀 센서의 출력신호는 영구자석에 의해 생성된 자기장의 수평벡터와 비례되며 조이스틱 봉의 회전범위를 수직 축을 기준으로 ±30°로 제한하면 수평면상의 ±360°전 방향에서 높은 선형성을 띄게 된다.

하지만, 이런 구조는 회전체가 전체 기구부에서 상당한 부피를 차지하고, 각 회전체에 의하여 지지되어야 하므로 마찰력, 진동내구성을 고려하면 고 강성재질을 사용해야만 한다. 또한, 자력선의 방향이 회전중심을 향하여야만 선형성을 유지하게 되므로 기구가공에 있어서 높은 정밀도를 요구하게 된다. 긴 시간 사용 후, 회전축의 마모에 의하여 영구자석의 자력선은 홀 센서평면의 중심을 지나지 않고 일정한 편차를 유지하게 되므로 정확도에 직접 영향을 주게 된다. 이런 편차는 사용자 또는 사용환경에 따라서 불확실성을 띄게 되므로 실시간에 보상의 구현은 가능하지 않다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 조이스틱 봉의 하단에 장착된 막대형태의 영구자석이 구형관절의 연동에 의하여 홀 센서의 2차원 평면상에서 막대자석 축 방향 자속에 대한 자기장의 수평벡터를 형성하고, 홀 센서는 상기 자기장의 수평벡터의 움직임을 감지하여 전동휠체어와 같은 제어대상의 방향 및 속도를 제어할 수 있는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 구형관절구조로 인체공학적인 측면에서 사용이 용이할 뿐만 아니라 구조의 간결성으로 고장진단이 용이하여 생산 조립공정의 단순화 및 효율성을 극대화할 수 있고 보다 향상된 진동내구성을 갖는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱은, 조이스틱 봉의 상단에 형성된 구형관절의 하단에 연결된 막대형태로 형성되는 영구자석;
상기 구형관절의 연동에 의하여 상기 영구자석의 축 방향에 대한 2차원 평면상에서 자기장의 수평벡터가 형성되면, 상기 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하여 출력신호를 생성하는 홀 센서;
상기 홀 센서의 출력신호를 입력받아 전동휠체어와 같은 제어대상의 방향 및 속도를 제어하기 위한 신호를 생성·출력하는 신호변환회로; 를 포함한다.

상기 신호변환회로는, 상기 영구자석의 자기장의 수평벡터 중 x축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하는 제 1 버퍼와, x 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하는 제 2 버퍼로 구성된 x축 입력 버퍼; 상기 영구자석의 자기장의 수평벡터 중 y축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하는 제 3 버퍼와, y 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하는 제 4 버퍼로 구성된 y축 입력 버퍼; 신호변환회로 내부의 x 방향 및 y 방향의 기준전압을 각각 발생하는 제 5 및 제 6 버퍼로 구성된 기준전압 버퍼; 상기 제 1 버퍼의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 2 버퍼 및 상기 제 5 버퍼의 출력신호를 타측에 입력하는 제 7 버퍼와, 상기 제 3 버퍼의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 4 버퍼 및 상기 제 6 버퍼의 출력신호를 타측에 입력하는 제 8 버퍼를 구비하여, 상기 신호변환회로 내부의 기준전압과 상기 홀 센서 기준전압 차를 차동증폭 및 저주파통과 필터링하는 저주파통과필터; 및 상기 제 7 버퍼 및 상기 제 8 버퍼의 출력신호를 각각 버퍼링하여 출력하는 제 9 및 제 10 버퍼로 구성된 출력버퍼;를 포함한다.

여기서, 상기 홀 센서의 출력신호와 상기 조이스틱 봉의 움직임 사이의 비선 형특성은,

(수학식 1)

(수학식 2)

(수학식 3)

상기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3으로부터,

(수학식 4)

상기 수학식 4로부터,

(수학식 5)를 구하며,

(여기서,

: 영구자석 축 방향 자속 밀도,

: 영구자석 축 방향 자속의 수평벡터, k : 선형범위를 결정하는 파라미터, θ_c : 최대선형범위, n : 선형도, L : 영구자석 길이, D : 영구자석 말단과 홀 센서평면 수직거리, θ : 조이스틱 봉의 기울기, λ(θ) : 조이스틱 봉의 기울기에 대한 비선형 함수, α : 조이스틱 봉의 회전각, ξ : 신호변환회로의 증폭계수와 정비레된 상수값, c : 신호변환 회로의 증폭계수, N : A/D 변환기의 해상도, V_ref : A/D 변환기의 기준전압이다)

상기 수학식과 같은 비선형특성을 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 수학식 5에서 최대선형범위(θ_c)는,

(수학식 6)의 관계를 가지며,

선형범위를 결정하는 파라미터(k)는,

(수학식 7)

의 특성을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호변환회로의 증폭계수와 정비레된 상수값(ξ)은,

상기 수학식 3과 상기 수학식 4로부터,

(수학식 8)의 관계를 가지며,

상기 수학식 8로부터,

(수학식 9)

의 특성을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 센서 출력과 상기 조이스틱 봉의 기울기에 대한 비선형보상은,

(수학식 10)

상기 수학식 10과 상기 수학식 11로부터,

(수학식 12)로 나타내며,

(여기서, 상기ε₁은 설정된 오차범위를 나타내고, ε₂는 설정된 오차범위를 나타낸다)의 특성을 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명은 조이스틱 봉의 하단에 장착된 막대형태의 영구자석(33)이 구형관절(31)의 연동에 의하여 홀 센서(32)의 2차원 평면상에서 막대자석 축 방향에 대한 수평벡터(34)를 형성하고, 홀 센서(32)는 자기장의 수평벡터(34)의 회전을 감지하여 출력신호를 생성하고, 상기 출력신호를 입력받은 전자제어부(도 12 참조)는 신호변환회로(도 5 참조)를 포함하며, 상기 신호변환회로는 전동휠체어와 같은 제어대상의 방향 및 속도를 제어하기 위한 신호를 생성 출력할 수 있는 단일 홀 센서구조와 구형관절 전자식 조이스틱 구조를 새롭게 제시하였다.

본 발명의 조이스틱구조에서 설계사양에 따라 센서 출력신호와 조이스틱 봉의 움직임 사이에는 근본적으로 비선형 관계를 나타낸다. 이러한 비선형 효과는 주로 선형범위의 변화, 신호 폭의 변화, 선형범위에서 곡선에 대한 선형도의 변화로 표현할 수 있다.

센서구조에 관련된 기하학적 특징들이 정해져 있고, 영구자석의 형상 및 자기감응세기가 주어져 있다면 홀 센서의 출력 신호는 조이스틱 운동에 따라서 어떠한 특정된 법칙에 따라서 변경하게 될 것이고, 상술한 비선형 지표들은 일정한 값 을 유지하게 된다. 영구자석에 대한 자속 밀도 분포, 홀 소자의 물리적 특성을 기반으로 비선형특성을 해석하려면 다양한 물리요소들을 대표하는 파라미터 값들에 대한 해석 및 확정과정이 필요하므로 복잡성을 띄게 된다.

때문에, 본 발명에서는 물리학적 이론에 기반한 복잡한 모델링 과정을 회피하여 선형범위(θ_c), 신호의 폭(ξ), 비선형 곡선의 선형도(n)를 고려한 유전성을 가진 비선형 함수(λ(θ))를 도입하여 조이스틱 봉의 움직임에 따른 홀 센서출력신호의 특성을 해석하고, 비선형 보정식에 기초한 새로운 보상알고리즘을 제시한다.

도 3에서 홀 센서는 영구자석(33)의 자기장의 수평벡터(34) 중 x, y축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호(도 5의 51, 52)를 출력한다. 온도와 같은 외부환경의 변화에 의하여 일정한 편차를 가진 오프셋(offset) 전압이 존재하게 되고 자기장이 인가되지 않은 상태에서도 외부에 존재하는 자계의 영향, 전자파 노이즈에 의하여 기준전압(도 5의 도3, 54)에 대하여서도 오프셋(offset) 전압이 유지된다. 이것은 측정오차에 주는 원인이기도 한다.

본 발명에서는 도 5에서와 같이, 신호변환회로 내부의 기준전압(55, 56)과 홀 센서 기준전압(53, 54) 차를 차등 증폭 및 저주파통과필터(57)로 구성하여 오프셋 전압과 노이즈 성분이 제거된 신호를 획득하게 된다.

신호변환 회로의 각 기능 모듈은 버퍼로 격리된 간단한 회로의 최적화 설계를 구현하여 신호 흐름의 연관성, 하드웨어적인 독립성을 확보하여 하나의 기능모듈의 고장이 다른 모듈에 영향을 미칠 수 없게끔 설계하여 유지보수 용이하게 되었 다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 도면의 각 부분의 주석들을 아래와 같은 규칙에 의해 기술한다. 주석들은 2자리 수로 표현하는데 첫 번째 자리 수는 도면의 순서를 표시하고 두 번째 자리 수는 도면의 각 부분의 순서를 표시한다. 예를 들면, 도 3에서 첫 번째 구성은 구형관절이므로 주석을 "31"로 기술한다. 기타 도면에서도 마찬가지로 적용된다.

실시예

도 3은 본 발명에 의한 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱의 형상을 나타낸 도면이다.

도 1의 조이스틱 구조와는 달리 본 발명에서는 영구자석의 자력선은 구형관절(31)의 회전중심을 향하게 된다. 영구자석이 구형관절(31)의 움직임에 의하여 θ만큼 기울어졌을 때 중심선의 자기감응 세기

는 홀 센서(32) 평면에서 수평벡터

(34)를 형성하고, 홀 센서(32)평면의 중심에서 수평성분 B_x, B_y이 감지된다. 홀 센서(32)는 이 두 성분에 대응하여 위상이 90°인 신호를 출력하게 된다. B_x와 B_h는 아래와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, λ(θ)는 영구자석(33)의 자력선의 분포특성, 조이스틱 봉의 기울기 에 의하여 형성된 비선형효과를 나타낸 함수이다. 만약, 영구자석의 자속밀도 분포가 균일하고, 조이스틱 봉의 방향과 평행 된다면 λ(θ)＝1을 만족한다. 하지만, 기울기 θ의 증가에 따라서 수평벡터

는 일관되게 증가하는 것이 아니라 특정된 선형범위를 벗어나면 오히려 감소하게 된다.

막대형태의 영구자석(33) 내부에서 자력선의 방향은 중심선의 방향과 거의 일치하고 자기감응세기는 최대값을 가지게 된다. 하지만, 외부에서 자력선의 분포는 영구자석(33)의 N극으로부터 S극으로 향하게 된다. 즉, 내부의 자력선의 방향은 외부의 자력선의 방향과 반대된다. 외부에서는 영구자석의 중심선과 멀어질수록 자속밀도는 감소한다.

영구자석(33)이 선형범위 내에서 움직일 때에는 홀 센서는 오직 N극에서 발산된 자력선에 둘러싸여 기울기 θ의 증가에 따라 수평벡터

는 증가하게 된다. 하지만, 선형범위를 초과하였을 경우에는 N극에서 발산된 자력선과 영구자석(33) 외부에서 N극에서 S극으로 향하는 자력선이 공동으로 작용한 원인으로 기울기 θ의 증가에 따라 수평벡터

는 감소하게 된다.

이러한 비선형 효과는 본 발명에서 조이스틱 기하학적인 구조선택과 직접 관련이 있다. 즉, 도 4에서 잎구자석의 길이 L, 홈 포지션(home position)에서 영구자석의 말단과 홀 센서 평면의 수직거리 D, 조이스틱 봉의 기울기 θ의 함수로 표현할 수 있다. 이러한 성질을 바탕으로 먼저 비선형 함수 λ(θ)를 θⁿ에 대한 감소 함수로 아래와 같이 모델링한다.

[수학식 2]

n 은 조이스틱 봉의 기울기 θ의 사인 값과 홀 센서 출력 사이의 선형도를 나타내고 짝수 값을 가진다. k는 영구자석의 기하학적 특징, 자기감응세기 및 기구설계 사양에 따른 상수 값이 된다.

홀 센서의 출력전압 V_x, V_y는 자기감응 세기 B_x, B_y 성분과 선형비례관계를 가지므로 다음의 식으로 구해진다. c는 신호변환회로의 증폭계수이며, α는 조이스틱 봉의 회전각을 나타낸다.

[수학식 3]

홀 센서의 출력신호는 증폭, 저주파 통과필터(57), 오프셋 해제(offsets

홀 센서의 출력신호는 증폭, 저주파 통과필터(57), 오프셋 해제(offsets cancellation) 과정을 걸친 후 프로세서 내부에서 처리되므로 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3으로부터 다음과 같이 표현된다.

[수학식 4]

여기서, ξ는 센서 출력에 대한 신호변환 회로의 증폭계수로, 영구자석 중심선에서의 자기감응세기와, 프로세서 내부의 A/D 변환기의 해상도와 정비례되고, 수직거리 D², A/D 변환기의 기준전압 V_ref와 반비례되는 상수 값이다.

본 발명에서 조이스틱 구조형상으로부터 봉의 움직임은 영구자석 말단의 2차원 좌표로 표현되고, sin(θ)와 비례된다. 상기 수학식 4로부터, 프로세서에서 처리되는 A/D 값과 sin(θ)값 사이에는 비선형관계가 존재하므로 프로세서에서는 sin(θ)에 대한 선형보정과정을 거쳐야 한다. 도 3에서 Z 축에 대한 회전각 α는 A/D 값으로부터 계산 가능하고, 상기 수학식 4로부터 아래와 같이 비선형 보정식을 얻을 수 있다.

[수학식 5]

도 6은 수학식 5에 근거한 비선형 특성에 대한 해석결과이다. 횡좌표는 sin(θ)값이고 종좌표는 A/D 값을 표시한다. (a), (b)의 결과로부터 k값의 증가에 따라 선형범위가 줄어든다는 것을 확인할 수 있다. 즉, k는 선형범위를 결정하는 파라미 터 값이다. (c), (d)는 선형도를 나타내는 n값의 변화에 따른 시뮬레이션결과이다. n 값의 증가에 따라 정해진 선형범위에서 직선에 근접하게 된다.

도 6에서 A/D 값의 최대값에 대응되는 기울기를 θ_c라고 정의한다. 조이스틱 시스템에서 θ_c는 중요한 성능지표로, 도 4에서 수직거리 D와 영구자석의 길이 L의 비례 값의 변화에 따라서 선형범위는 변하게 된다. L를 고정시키고 D를 증가하였을 때 θ_c가 증가하고, 반대로 D를 고정시키고 L를 증가하였을 때 θ_c가 감소함을 실험으로 증명하였다.

뿐만 아니라, D와 L가 정해졌을 때 θ_c는 영구자석의 말단의 면적 S와 밀접한 관계를 가진다. 면적이 크면 N 극에서 발산된 자력선은 홀 센서(hall sensor)를 충분히 둘러싸므로 θ_c는 따라서 증가하게 된다. 상기 수학식 5로부터 k=0 일 때

을 만족하고 제안한 조이스틱 구조로부터 이것은 선형범위의 극한 값을 표시한다. 상술한 실험고찰과정과 설계지표에 따른 선형범위의 변화특성에 근거하여 θ_c은 아래와 같은 식으로 모델링한다.

[수학식 6]

상기 θ_c는 상기 수학식 5에서 최대 A/D 값에 대응되는 기울기를 표시한다. 또한, 상기 θ_c는 상기 수학식 5에서 에 대한 도함수가 "0"인 조건을 만족하므로 선형범위를 결정하는 파라미터 값 k와 θ_c 사이의 관계는 아래와 같은 식을 만족한다.

[수학식 7]

도 7은 선평범위와 수직거리 사이의 관계를 정량적으로 나타낸 도표로서, 바로 D의 변화에 따른 θ_c의 변화 관계와 상기 수학식 6에 근거한 이론 치와 실험측정치의 비교결과를 보여준 것이다. 그리고, 도 8은 조이스틱 기구설계 지표변경에 따른 선형범위와 선형범위를 결정하는 파라미터 값의 변화 법칙을 3차원으로 표현한 결과이다.

전자제어부의 신호변환 회로에서는 홀 센서의 출력신호에 대하여 증폭처리를 하고, A/D 변환기에 의하여 프로세서 내부에서 처리되므로, ξ는 증폭계수 c와 A/D 변환기의 해상도 N과 정비례 관계를 가진다. 또한, 영구자석의 자기감응세기 조이스틱 봉의 말단과 홀 센서 평면 사이의 수직거리와도 직접 관련이 있다. 상기 수학식 3과 상기 수학식 4로부터 다음과 같은 식이 성립된다.

[수학식 8]

상기 수학식 8로부터 ξ는 다음과 같이 표현된다.

[수학식 9]

실제설계에서 수직거리 D와 영구자석의 길이 L의 비례 값을 증가시키는 방법으로 선형범위 θ_c를 증가시키게 되는데, 이런 경우에는 신호변환회로의 출력신호가 감소하는 현상이 발생하게 되어 조이스틱 봉의 말단의 위치정확도가 떨어지게 된다. 때문에 조이스틱 기구부의 설계지표가 결정된 경우에는 ξ값은 상기 수학식 9에서 모델링된 신호변환회로의 증폭계수 c를 증가시키는 방법으로 해결할 수 있다.

비선형 보정식(수학식 5)에서 프로세서에 의하여 측정된 A/D 값으로부터 직접 sin(θ)값을 구하기는 불가능하기에 뉴턴(Newton) 방법을 이용하여 조이스틱 봉의 회전각 θ의 수치해를 구한 다음 sin(θ)값을 구하여야만 한다. 실제 응용에서 상용의 조이스틱은 봉의 회전범위를 ±30°이내로 제한하였기에 임의의 θ값에 대하여 sin(θ)는 유일한 값을 가지게 된다.

뉴턴(Newton) 방법은 비선형 방정식 f(x)＝0의 해를 구하는 수치해법 중에서 간편하고 수렴성이 신속하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 함수 f(x)가 연속인 도함수를 가지면 곡선 y＝f(x)의 접선의 방정식을 구할 수 있다. 임의의 초기값에 대응되는 접선이 x축과 만나는 점으로부터 반복알고리즘을 실행하여 구하고자 하는 방정식의 수치해를 구하는 것이 뉴턴 방법이다. 반복알고리즘은 다음과 같다.

[수학식 10]

뉴턴(Newton) 방법의 2차 수렴성에 근거하여 현재 값과 앞에서 구해진 해의 값의 차이가 미리 설정된 오차범위에 들어오게 되면 f(x)＝0을 만족하는 근사해는 구해지게 된다.

[수학식 11]

상기ε₁은 설정된 오차범위를 나타낸다. 위의 결론으로부터 비선형 보정식(수학식 5)에 대한 수치해를 구할 수 있다.

[수학식 12]

아래의 조건이 만족될 때까지 반복계산을 진행한다. ε₂는 설정된 오차범위를 나타낸다.

[수학식 13]

상기 수학식 13에 대한 연산과정은 순환(recursive)하므로 수치 해를 구하는데 일정한 시간이 걸린다. 또한, 프로세서 자체의 연산속도의 제한성으로 실시간 연산처리가 어렵기 때문에 실제응용에 있어서 측정된 A/D 값으로부터 룩 테이블(look table)을 작성하여 직선 보간을 하는 것이 효과적인 방법이다.

라그랑주(Lagrange) 보간법이나 뉴턴(Newton) 보간법을 사용하여 구한 보간 다항식은 주어진 점을 정확하게 지나는 함수이다. 그러나, 실험에 의하여 구한 측정값은 많은 오차를 내포하고 있으므로 주어진 점에서 정확히 일치하는 근사함수보다 주어진 자료에 전체적으로 적합한 함수를 구하는 것이 좋다. 이렇게 주어진 자료를 대표하는 곡선을 구하는 방법을 곡선의 적합이라고 한다. 때문에, 본 발명에서 최소자승근사법에 기초한 실험곡선을 기준으로 하여 비선형 보정식에 기초한 보상결과의 일치성을 검증하게 된다.

A/D 값으초부터 sin(θ)에 대한 선형보상을 진행하여야 하므로 실험환경으로부터 상기 수학식 5에서 sin(θ)에 대한 측정치를 종좌표로 하고

에 대한 측정치를 횡좌표로 하는 그래프를 그린다.

인코더(Encoder)가 장착된 DC 모터를 조이스틱 봉의 회전축 x, y축에 설치하고 회전각에 대한 사인 값을 측정한다. 인코더(Encoder) 신호는 슬레이브(slave) A, B의 프로세서에 입력되어 회전각을 계산하고, 홀 센서의 출력은 증폭 및 필터링 과정을 거쳐 마스터(master) 프로세서에 입력된다. 슬레이브(slave) A, B와 마스터(master) 사이는 CAN 네트워크(network)로 구축되어 실시간에 정보를 교환한다. 본 발명에서는 슬레이브 A, B에서 카운트(count)된 펄스 값을 마스터(master)에서 받아들인 다음 다시 CAN 통신을 통하여 컴퓨터에 전송하는 방법으로 비선형 곡선을 획득하였다. 도 9에서 (a)는 최소자승근사법을 이용하여 실제 실험곡선을 10차 다항식으로 근사한 결과이고, (b)는 실제 실험곡선을 나타낸다.

비선형 보정식(수학식 5)에서 파라미터 k 및 ξ의 선택은 조이스틱 시스템의 성능에 직집 영향을 준다. 만약, k, ξ가 상기 수학식 7과 상기 수학식 9에 의하여 구해지고 비선형 보정식의 수치해와 최소제곱근사법을 이용한 10차 근사다항식의 값과 일치하면 비선형특성에 대한 모델링 방법의 정확성을 설명할 수 있다. 실험방법은 k 및 ξ를 "최적화"한 후 도 9의 적합 곡선과의 일치성을 검증하는 과정이다. 그리고, 최적화된 값과 이론치와의 비교결과를 보여준다.

도 10은 실험곡선에 대한 10차 다항식과 비선형 보정식(수학식 5)의 수치해의 일치성을 설명한 그래프로서, 최소제곱근사법에 근거한 10차 다항식과 뉴턴 방법을 이용하여 비선형 보정식의 수치해 사이의 일치성을 검증한 실험결과를 나타내고 있다.

실험은 D=1.3㎝, L=2.5㎝, S=0.8㎠, B=2000 가우스(Gauss), N=10, V_ref=5, c=40인 조건에서 진행하였다. "최적화"된 후 k=1.639, ξ=1065이고, 상기 수학식 7에 근거한 이론값은 k=1.697, 상기 수학식 9에 근거한 이론값은 ξ=1136을 만족하였다.

도 11은 비선형 보정식(수학식 5)에 근거한 시뮬레이션 결과와 실제 실험곡선의 일치성을 검증한 그래프로서, 조이스틱 봉의 기울기 에 따라서 홀 센서에 의하여 감지된 신호의 변화 특성과 보정식에 근거한 비선형특성 해석 사이의 일치성 을 보여주는 실험결과이다.

실험결과는 앞에서 k, ξ에 대하여 모델링 된 수식을 이용하여 수직거리 D와 신호변환회로의 증폭계수 c를 "최적화"한 것이다. 기타 파라미터 값들은 도 10의 실험조건과 동일하다. 비선형 보정식(수학식 5)에 대한 수치해를 구하지 않고 실제 실험측정치와 직접 비교하였기에 횡좌표는 sin(θ)이고 종좌표는 A/D 값을 나타낸다. 조이스틱 봉의 회전이 선형범위를 벗어났어도 비선형 보정식은 정확히 실험곡선의 변화를 "추종"한다는 것을 확인할 수 있다.

결론적으로, 실제 실험곡선에 대한 측정과정에서 인위적인 요소, 측정장치의 고유오차 및 측정환경에서 오는 잡음으로 하여 실험곡선 자체에 소량의 오차성분이 포함되었지만, 도 10 및 도 11의 실험결과로부터 비선형 보정식은 비교적 정확하게 존재하는 비선형 현상을 표현한다는 것을 알 수 있다.

앞에서 미설명한 도 5는 홀 센서출력에 대한 신호변환회로를 나타낸 회로도로서, 제 1 버퍼(51), 제 2 버퍼(53), 제 3 버퍼(52), 제 4 버퍼(54), 제 5 버퍼(55), 제 6 버퍼(56), 저주파통과필터(57), 출력 버퍼(58)를 포함한다.

여기서, 상기 제 1 버퍼(51)는 영구자석(33)의 자기장의 수평벡터 중 x축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하여 버퍼링하며, 상기 제 2 버퍼(53)는 x 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하여 버퍼링한다.

그리고, 상기 제 3 버퍼(52)는 영구자석(33)의 자기장의 수평벡터 중 y축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하여 버퍼링하며, 상기 제 4 버퍼(54)는 y 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하여 버퍼링한다.

상기 제 5 및 제 6 버퍼(55)(56)는 기준전압 버퍼로서, 신호변환회로 내부의 x 방향 및 y 방향의 기준전압을 각각 발생한다.

상기 제 7 버퍼(57의 x 방향)는 상기 제 1 버퍼(51)의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 2 버퍼(53) 및 상기 제 5 버퍼(55)의 출력신호를 타측에 입력하여 버퍼링하고, 상기 제 8 버퍼(57의 y 방향)는 상기 제 3 버퍼(52)의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 4 버퍼(54) 및 상기 제 6 버퍼(56)의 출력신호를 타측에 입력하여 버퍼링한다.

상기 저주파통과필터(57)는 상기 신호변환회로 내부의 기준전압과 상기 홀 센서 내부의 기준전압 차를 차동증폭 및 저주파통과 필터링하는 제 7 버퍼(x 방향) 및 제 8 버퍼(y 방향)로 구성되어 있다.

상기 출력 버퍼(58)는 상기 제 7 버퍼 및 상기 제 8 버퍼의 출력신호를 각각 버퍼링하여 출력하는 제 9 및 제 10 버퍼로 구성된다.

상기 구성을 갖는 신호변환회로는 신호변환회로 내부의 기준전압과 홀 센서 내부의 기준전압 차를 차동증폭 및 저주파통과필터로 구성하여 오프셋 전압과 노이즈 성분이 제거된 신호를 획득할 수 있고, 각 기능 모듈은 제 1 내지 제 6 버퍼(51 내지 56)로 격리되어 신호 흐름의 연관성, 하드웨어적인 독립성을 확보하여 하나의 기능모듈의 고장이 다른 모듈에 영향을 미칠 수 없도록 설계하였다.

도 12는 본 발명에서 사용된 조이스틱 전자제어부의 각 기능모듈을 설명한 블록구성도이다.

상기 조이스틱 전자제어부는 도 12에 도시한 바와 같이, 2축 홀 센서, 비교기, 오프셋 해제(Offset Cacellation)부, 증폭(Amplification)기, 저대역통과필터(Low pass filter), 프로세서, CAN 모듈(Module), RS232 모듈, D/A 변환 모듈(Convert), 사용자 인터페이스(User Interface), 모터 구동회로(Motor Drive) 등을 포함하여 구성한다.

도 13은 본 발명에서 실제로 제작된 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱의 사진도이다.

본 발명에서는 단일 홀 센서로 자기장의 회전을 감지하는 원리를 이용하여 비접촉식 전자조이스틱의 기구 및 전자제어부를 설계하였다(도 12 참조).

조이스틱 봉의 실제 회전과 센서 출력 사이의 비선형관계를 이론적으로 모델링하여 최소자승근사법에 근거하여 실험과 시뮬레이션 사이의 일치성을 증명하였다.

또한, 기존의 최소자승근사법을 이용하는 대신에 제안한 구형관절구조의 메커니즘으로부터 비선형 보정 방정식에 기초한 새로운 보상방법을 제시하였다.

또한, 개발된 조이스틱의 전자제어부(도 12)는 CAN, RS232, D/A 변환과 같은 다양한 인터페이스로 모듈화하여 여러 응용환경에 적용 가능하도록 개발하였다.

또한, 조이스틱 봉의 회전 범위에서 1％ 이내의 비선형 오차 특성을 확보할 수 있었고, 듀얼(dual) 센서 구조의 기구적 제한성을 극복하고 마찰력 및 진동으로 인한 내구성의 문제점을 근본적으로 해결하였다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시 예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허 청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱에 의하면, 홀 센서에 의한 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하는 원리를 이용하여 조이스틱 봉 말단의 2차원 좌표를 추출하도록 구현한 것으로서, 기구적인 측면에서는 도 3과 같이 구형관절구조의 메커니즘을 사용하고, 센서구조적 측면에서는 영구자석에 중심축에 대한 자속의 수평벡터 회전을 검출하도록 구현하였다. 이와 같이, 구형관절 구조를 사용하면 조이스틱 기구부의 복잡성을 대폭 줄일 수 있고, 진동 마찰력에 의한 성능저하에 대한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 구조의 간결성으로 인하여 고장진단이 용이하여 생산 조립공정의 단순화 및 효율성을 극대화할 수 있고 보다 향상된 진동내구성을 갖는 장점이 있다.

Claims

비접촉식 전자조이스틱에 있어서,

조이스틱 봉의 상단에 형성된 구형관절의 하단에 연결된 막대형태로 형성되는 영구자석;

상기 구형관절의 연동에 의하여 상기 영구자석의 축 방향에 대한 2차원 평면상에서 자기장의 수평벡터가 형성되면, 상기 자기장의 수평벡터의 회전을 감지하여 출력신호를 생성하는 홀 센서;

상기 홀 센서의 출력신호를 입력받아 전동휠체어와 같은 제어대상의 방향 및 속도를 제어하기 위한 신호를 생성·출력하는 신호변환회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 조이스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 신호변환회로는:

상기 영구자석의 자기장의 수평벡터 중 x축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하는 제 1 버퍼와, x 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하는 제 2 버퍼로 구성된 x축 입력 버퍼;

상기 영구자석의 자기장의 수평벡터 중 y축 성분에 대응하여 90°의 위상차를 가지는 신호를 입력하는 제 3 버퍼와, y 방향의 홀 센서 내부 기준전압을 입력하는 제 4 버퍼로 구성된 y축 입력 버퍼;

신호변환회로 내부의 x 방향 및 y 방향의 기준전압을 각각 발생하는 제 5 및 제 6 버퍼로 구성된 기준전압 버퍼;

상기 제 1 버퍼의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 2 버퍼 및 상기 제 5 버퍼의 출력신호를 타측에 입력하는 제 7 버퍼와, 상기 제 3 버퍼의 출력 신호를 일측에 입력하고 상기 제 4 버퍼 및 상기 제 6 버퍼의 출력신호를 타측에 입력하는 제 8 버퍼를 구비하여, 상기 신호변환회로 내부의 기준전압과 상기 홀 센서 내부의 기준전압차를 차동증폭 및 저주파통과 필터링하는 저주파통과필터; 및

상기 제 7 버퍼 및 상기 제 8 버퍼의 출력신호를 각각 버퍼링하여 출력하는 제 9 및 제 10 버퍼로 구성된 출력 버퍼;를 포함하는 상기 홀 센서의 출력에 대한 신호변환회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 홀 센서의 출력신호와 상기 조이스틱 봉의 움직임 사이의 비선형특성은,

(수학식 1)

(수학식 2)

(수학식 3)

상기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3으로부터,

(수학식 4)

상기 수학식 4로부터,

(수학식 5)를 구하며,

(여기서,
: 영구자석 축 방향 자속 밀도,
: 영구자석 축 방향 자속의 수평벡터, k : 선형범위를 결정하는 파라미터, θ_c : 최대선형범위, n : 선형도, L : 영구자석 길이, D : 영구자석 말단과 홀 센서평면 수직거리, θ : 조이스틱 봉의 기울기, λ(θ) : 조이스틱 봉의 기울기에 대한 비선형 함수, α : 조이스틱 봉의 회전각, ξ : 신호변환회로의 증폭계수와 정비례된 상수값, c : 신호변환 회로의 증폭계수, N : A/D 변환기의 해상도, V_ref : A/D 변환기의 기준전압이다)

상기 수학식과 같은 비선형특성을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱.
제 3 항에 있어서,

상기 수학식 5에서 최대선형범위(θ_c)는,

(수학식 6)의 관계를 가지며,

선형범위를 결정하는 파라미터(k)는,

(수학식 7)

의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱.
제 4 항에 있어서,

상기 신호변환회로의 증폭계수와 정비례된 상수값(ξ)은,

상기 수학식 3과 상기 수학식 4로부터,

(수학식 8)의 관계를 가지며,

상기 수학식 8로부터,

(수학식 9)

의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱.
제 5 항에 있어서,

상기 센서 출력과 상기 조이스틱 봉의 기울기에 대한 비선형보상은,

(수학식 10)

(수학식 11)

상기 수학식 10과 상기 수학식 11로부터,

(수학식 12)으로 나타내며,

(여기서, 상기ε₁은 설정된 오차범위를 나타내고, ε₂는 설정된 오차범위를 나타낸다)의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 홀 센서를 이용한 구형관절 구조의 비접촉식 전자조이스틱.