디지털 센서 바이어스 보정장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CORRECTING BIAS FOR DIGITAL SENSOR}
본 발명은 디지털 센서 바이어스 보정기법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 타입의 관성센서를 사용하는데 필요한 바이어스 보정기법에 관한 것이다.
일반적으로 관성센서는 아날로그 방식을 많이 사용해 왔으나 바이어스 보정과 디지털 변환 관련 회로를 별도로 구성해야 하고, 더욱이 여러 개의 센서를 채용할 때는 축간 오차 발생 등의 문제로 인해, 단축 센서를 채용하지만 현재는 대부분 디지털 타입의 센서를 채용하고 있다. 디지털센서는 이미 내부에 다양한 회로들이 내장되어 있어 사용하기 간단하며, 다중 센서를 채택하더라도 반도체 공정상의 문제가 아니면 축간 오차가 매우 작은 특징을 갖는다. 그러나, 디지털 센서는 온도에 따라 바이어스가 민감하게 변화하는 단점이 있기 때문에 이를 제대로 보정하지 못하면 시간이 경과할수록 온도 변화에 의한 오차가 계속 누적되는 문제점을 나타내고 이러한 문제점은 디지털센서의 사용을 제약하는 매우 큰 걸림돌이 된다. 아날로그 센서와 다르게 디지털 센서의 경우, 온도 변화에 따라 민감하게 변화하는 바이어스 특성을 나타내기 때문에, 차량용 추측항법에서 주행 방향에 오차가 누적되는 현상이 발생하고 개인 휴대 단말기에서는 동작 감지나 자세 결정에 오류가 발생하여 센서의 효용성이 떨어지는 문제를 일으킨다. 만일, 온도 변화에 따른 바이어스의 변화를 제거할 수 있다면 디지털 센서의 효용성을 획기적으로 개선할 수 있으며, 차량이나 개인 휴대단말기에 디지털 센서를 채용하는 비율을 높이는 효과를 가져오게 될 것이다. 또한 기존 아날로그 센서를 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 디지털 센서가 대체할 수 있다면, 보다 다양한 응용 기술이 개발되거나 보급되는 계기가 마련될 것이다.
본 발명의 목적은, 디지털 센서의 데이터 시그널을 처리하는 과정에서 온도에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추적하여 보정하는 디지털 센서 데이타를 사용하도록 하는 디지털 센서 바이어스 보정장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 부가적인 특성 및 이점들은 아래의 설명에 기재될 것이며, 부분적으로는 상기 설명에 의해 명백해지거나 본 발명의 실행을 통해 숙지될 것이다. 본 발명의 목표 및 다른 이점들은 특히 아래 기재된 설명 및 부가된 도면뿐만 아니라 청구항에서 지적한 구조에 의해 구현될 것이다.
본 발명은 온도변화에 민감하게 변화하는 디지털 센서의 바이어스 변화를 실시간으로 보정함으로써 디지털 센서를 채용하고 있는 다양한 단말기의 오차 누적 현상을 없애게 되고, 이는 단말기의 동작 성능과 기능을 획기적으로 개선할 수 있는 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법을 구현하였다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정방법은 차량항법용 추측항법 및 관성항법에 사용될 수 있고, 개인휴대 장치에 설치되어 자세, 위치, 방향 등의 검출에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법은 비포마켓(before market)의 차량항법 장치는 물론, 디지털 센서(예: 자이로센서)를 구비한 애프터 마켓(after market)의 차량항법 장치에도 장착 가능하며, 보행자용 항법장치(예: 스마트폰 등), 그리고 로봇이나 게임 리모컨(예: wii 등)의 자세 검출 및 이의 응용에 적용될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정의 개념도.
도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도.
도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도.
도4는 자이로 센서의 바이어스 변화와 온도 변화의 패턴을 나타낸 그래프.
도5는 스무딩 에러버지 기법에 따른 스무딩 효과를 나타낸 그래프.
도6은 자이로 센서의 추정결과를 나타낸 그래프.
도7의 a)는 본 발명에 따른 바이어스 추정 결과를 나타낸 그래프.
도7의 b)는 본 발명에 따라 자이로 센서 검출값의 보정 결과를 나타낸 그래프.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정장치는 온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터를 출력하는 디지털 센서와, 상기 디지털 센서로부터 수신된 X축, Y축, Z축 데이터를 수신하여 처리하는 다수의 바이어스 보정장치(TBEC, Temperature-based Bias Estimation & Correction)들을 포함하여 온도변화에 따른 바이어스 변화를 추정하고 보정하는 데이터 처리 프로세서와, 상기 바이어스 보정장치들을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼의 각도(또는 자세)를 구하는 처리부를 포함하여 구성되며, 상기 데이터 처리 프로세서는, 상기 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제1바이어스 보정부와, 상기 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제2바이어스 보정부와, 상기 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 제3바이어스 보정부를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정기법은 디지털 센서가 장착된 단말기 내부에 소프트웨어 형태로 탑재될 수 있다. 즉, 기존에는 디지털 센서로부터 생성된 디지털 데이터를 단말기 내부의 프로세서가 받아서 그 때의 바이어스만을 보정하였으나, 본 발명은 디지털 센서로부터 생성된 디지털 데이터를 프로세서가 받아서 처리하는 과정에서 온도에 따라 변화하는 바이어스를 실시간으로 추적하여 보정한다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도1은 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정의 개념도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정장치는 디지털 센서(200), 데이터 처리 프로세서(100), X-TBEC(110, 또는 제1바이어스 보정부), Y-TBEC(120 또는 제2바이어스 보정부), Z-TBEC(130, 제3바이어스 보정부), 그리고 처리부(300)를 포함하여 구성된다. 상기 디지털 센서(200)는 온도변화에 따라 바이어스도 변화하는 특성을 갖는 디지털 데이터를 출력하는 센서이다. 상기 데이터 처리 프로세서(100)는 상기 디지털 센서(200)와 직접 연결되어 센서의 검출값을 I2C(I-square-C, 일명 '아이스퀘어시'라 함)통신이나 SPI(Serial Peripheral Interface, 주변장치용 직렬 인터페이스)통신 또는 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter, 범용 비동기화 송수신) 통신을 통해 직접 수신하고 처리한다. 데이터 처리 프로세서(100)가 수신한 검출값에는 자세를 포함한 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함하는 것으로 가정하며, 데이터 처리 프로세서(100)는 각 축 별로 온도변화에 근거한 바이어스 추정 및 보정기능(Temperature-based Bias Estimation and Correction)을 수행하는 장치들(예: X-TBEC(110), Y-TBEC(120), Z-TBEC(130))로 구성된다. 아날로그 센서의 경우 1개 축(예: Z축)의 데이터만을 포함하지만, 디지털 센서의 경우 3개 축(예: X축, Y축, Z축)의 데이터를 포함한다. 상기 X-TBEC(110, 제1바이어스 보정부)은 X축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다. 상기 Y-TBEC(120, 제2바이어스 보정부)은 Y축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다. 상기 Z-TBEC(130, 제1바이어스 보정부)은 Z축 데이터에 대해 온도변화에 따라 변화하는 바이어스를 추정하고 보정하는 장치 블록이다. 상기 처리부(300)는 상기 TBEC장치 블록들(110, 120, 130)을 통해 보정된 디지털 센서의 검출값으로 플랫폼(예: 차량)의 각도(또는 자세)를 구한다. 상기 처리부(300)에서 이루어지는 계산을 수식으로 나타내면 아래 [수식 1]과 같다. [수식 1] θ t = θ t-1 + δθ t 여기서, 상기 θ t 는 최종 각도이고, 상기 'δθ t '는 각도 변화량(디지털 센서의 검출값(X t )에 해당)이다. 도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시예에 따른 TBEC장치 블록(or 바이어스 보정장치 블록)은 디지털 센서를 실장한 단말이 동작하지 않는 상태 즉, 멈춘 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 일반 네비게이션이나 스마트폰 용으로 사용된다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 각 TBEC장치 블록(110 내지 130)은 온도변화 검출부(110A), 바이어스 검출부(110B), 동작 검출부(110C), 온도별 바이어스 추정부(110D), 실시간 바이어스 보정부(110E)를 포함하여 구성된다. 상기 온도변화 검출부(110A)는 상기 디지털 센서(200) 주변의 온도 변화를 검출한다. 디지털 센서(200)가 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다. 상기 동작 검출부(110C)는 디지털 센서(200)가 탑재된 플랫폼(예: 일반 네비게이션 or 스마트 폰)의 동작을 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 플랫폼의 동작 여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성한다. 상기 바이어스 검출부(110B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서(200)의 바이어스를 검출하고 그 검출 데이터를 온도별 바이어스 추정부 (110D)로 전달한다. 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 동작 검출부(110C)로부터 플래그를 전달받고, 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 검출된 데이터를 전달받는다. 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 플랫폼의 동작 정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 전달받은 데이터를 참조하여 디지털 센서(200)의 온도변화에 따른 바이어스를 계산한다. 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)가 계산한 바이어스를 이용하여 실시간으로 상기 디지털 센서의 측정값(200)을 보정한다. 디지털 센서(200)의 측정값을 보정하고 나서 그 결과를 다시 상기 바이어스 검출부(110B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스를 검출할 수 있다. 도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록의 구성도이다. 본 실시예에 따른 TBEC장치 블록은 디지털 센서를 실장한 단말이 동작하는 상태를 전제로 하여 바이어스를 추정하고 보정하며, 자동차에 내장되는 네비게이션용으로 사용된다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 TBEC장치 블록(110 내지 130)은 온도변화 검출부(110A), 바이어스 검출부(110B), 동작 검출부(110C), 온도별 바이어스 추정부(110D), 실시간 바이어스 보정부(110E), 주행 중 바이어스 추정부(110F)를 포함하여 구성된다. 상기 온도변화 검출부(110A)는 상기 디지털 센서(200) 주변의 온도 변화를 검출한다. 디지털 센서(200)가 온도에 민감하므로 온도 변화를 정확하게 검출해야 정확한 바이어스를 추정할 수 있다. 상기 동작 검출부(110C)는 차량의 주행여부를 검출할 수 있고, 쓰레스홀드(threshold) 기법을 이용하여 차량의 주행이나 정지여부를 판단할 수 있는 플래그를 생성한다. 상기 제1실시예에 따른 동작 검출부(110C)는 디지털 센서(200)에서 출력되는 디지털 데이타만을 이용하여 플랫폼의 주행여부를 판별하였으나, 본 실시 예에 따른 동작 검출부(110C)는 GPS(Global Positioning System)나 차속센서와 같은 외부장치로부터 GPS신호와 차속펄스를 인가받아 차량의 주행과 정지여부를 보다 정확히 판별할 수 있다. 상기 바이어스 검출부(110B)는 시간과 온도에 따라 변화하는 디지털 센서(200)의 바이어스를 검출하고 그 검출된 데이터를 온도별 바이어스 추정부 (110D)로 전달한다. 상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 차량의 주행상태임을 나타내는 것일 때, 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)는 GPS(또는 차속센서)로부터 GPS신호(또는 차속펄스)를 인가받아, 주행 중에 바이어스(B2)를 추정한다. 그리고 추정한 바이어스 값(B2)을 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)로 전달한다. 반면, 상기 동작 검출부(110C)의 플래그가 차량의 주행정지를 나타내는 것일 때, 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)는 상기 온도변화 검출부(110A)와 바이어스 검출부(110B)로부터 검출된 데이터를 전달받아, 상기 제1실시예와 동일하게 디지털 센서(200)의 온도변화에 따른 바이어스(B1)를 계산한다. 그리고, 계산된 온도변화에 따른 바이어스 값(B1)은 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)로 전달된다. 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)로부터 차량의 주행정지 시에 계산된 바이어스 값(B1)이 전달되면, 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)로부터 전달받은 바이어스 추정값(B2)과 비교한다. 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 온도별 바이어스 추정부(110D)의 바이어스 값(B1)과 상기 주행 중 바이어스 추정부(110F)의 바이어스 추정값(B2)을 비교하고, 최적의 바이어스를 판별하여 실시간으로 상기 디지털 센서의 측정값을 보정한다. 상기 실시간 바이어스 보정부(110E)의 보정을 수식으로 나타내면 아래 [수식 2]과 같다. [수식 2] 실시간 바이어스 보정부의 보정결과 값 = ((B1 x 8) + (B2 x 1) / 9) 이러한, 바이어스 보정은 실시간으로 진행되며, 실시간 바이어스 보정부(110E)는 보정된 그 결과값을 상기 바이어스 검출부(110B)로 피드백함으로써 지속적으로 바이어스 검출기능을 업데이트하고 정밀한 바이어스 검출이 가능하도록 한다. 본 실시예는 상기 제1실시예에서 동작이 없는 경우만 바이어스 추정을 수행했던 한계를 극복하고 주행 중에도 바이어스를 추정할 수 있는 기능을 제안한다. 도4는 자이로 센서의 바이어스 변화와 온도 변화의 패턴을 나타낸 그래프이다. 도4에 도시된 바와 같이, 디지털 센서(200, 이하, '자이로 센서'라 한다)의 바이어스 변화는 온도 변화와 동일한 패턴으로 움직인다. 본 발명은 자이로 센서(200)의 바이어스 변화가 온도 변화와 동일한 패턴으로 움직인다는 사실을 이용한다. 본 발명에 따른 데이터 처리 프로세서(100)는 자이로 센서(200)의 초기 동작시 초기 바이어스를 추정하여 바이어스 초기값을 설정한다. 이후, 상기 데이터 처리 프로세서(100)는 자이로 센서(200)의 검출값에 대해서 아래의 [수식3]에 의해 스무딩(smoothing) 또는 필터링(filtering)을 수행한다. 자이로 센서(200)의 검출값은 노이즈(Noise)로 인하여, 들죽날쭉하므로 스무딩 에버러지(moving average) 기법에 따라 스무딩(smoothing)이나 필터링(filtering) 처리하게 된다. 본 발명에 따른 자이로 센서(200)의 검출 주기는 50Hz 샘플링 단에서 수행하는 것이 바람직하다. [수식 3] [Smoothing or Filtering] 여기서, 상기 'S'는 스무딩된 자이로 센서값이고, 상기 'n'은 시간 인덱스이고, 상기 'x'는 원래의 자이로 센서값이다. 도5는 스무딩 에버러지 기법에 따른 스무딩 효과를 나타낸 그래프이다. 스무딩(Smoothing)의 장점은 도5의 a)에 도시된 바와 같이, 튀는 값을 제거해 주는 장점이 있으나 도5의 b)에 도시된 바와 같이, 시간 지연 문제가 발생하므로 스무딩(smoothing)값은 바이어스 추정에만 사용하는 것이 바람직하다. 도6은 자이로 센서의 추정결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 온도별 바이어스 추정부(110D)는 계산된 바이어스 값을 이용하여 온도 변화에 따른 바이어스 변화율을 계산한다. 상기 데이터 처리 프로세서(100)는 기존에 초기 바이어스를 계산하는 구간에서 온도에 따른 바이어스의 변화율도 함께 계산해야 한다. 초기의 이 바이어스 값과 바이어스 변화율은 이후의 온도변화에 따른 바이어스 추정에 사용된다. 바이어스 변화율은 도6에 도시된 바와 같이, 대략 1도의 온도 변화당 -6.4 ~ -7.2 구간으로 형성된다. 도7의 a)는 본 발명에 따른 바이어스 추정 결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명은 확보된 바이어스 변화율을 이용하여, 이후 주행 중 바이어스 추정을 수행한다. 도7의 a)에서, 'gyroBias'는 자이로 센서(200)의 원래 바이어스 값이고, 'estBias'는 주행 정지시 추정한 바이어스 값(제1실시예)이고, 'EstBias'는 주행시 추정한 바이어스 값(제2실시예)이다. 도7의 b)는 본 발명에 따라 자이로 센서 검출값의 보정 결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 실시간 바이어스 보정부(110E)는 상기 추정된 바이어스 값(B1, B2)을 자이로 센서(200)의 검출값에 반영하여 보정을 수행한다. 도7의 b)에서, 'RawGyroZ'는 보정전의 자이로 센서(200)의 검출값이고, 'fbGyro'는 주행 정지시 추정한 바이어스를 적용하여 보정된 자이로 센서(200)의 검출값(제1실시예)이고, 'FBGyro'는 주행시 추정한 바이어스를 적용하여 보정된 자이로 센서(200)의 검출값(제2실시예)이다. 본 발명의 제1실시 예에서처럼, 만일, 주행 정지로 판단된 직후, 바이어스 추정을 실시할 경우 초기화와 동일한 동작을 수행한다. 즉, 초기 바이어스 추정 후 바이어스 변화율을 검지하는 과정을 다시 수행한다. 만일, 정지 이후 다시 주행이 개시되면, 상기 제1실시 예의 경우, 바이어스 변화율 추정 알고리즘을 벗어나게 된다. 이상에서 설명한 상기 디지털 센서 바이어스 보정방법은 하드웨어적으로 구현될 수도 있고, 소프트웨어적으로도 구현될 수 있다. 예시적인 하드웨어적인 구현에 의하면, 본 발명에 따른 디지털 센서 바이어스 보정방법은 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(micro processors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수도 있다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 온도변화에 민감하게 변화하는 디지털 센서의 바이어스 변화를 실시간으로 보정함으로써 디지털 센서를 채용하고 있는 다양한 단말기의 오차 누적 현상을 없애게 되고, 이는 단말기의 동작 성능과 기능을 획기적으로 개선할 수 있는 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법을 구현하였다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정방법은 차량항법용 추측항법 및 관성항법에 사용될 수 있고, 개인휴대 장치에 설치되어 자세, 위치, 방향 등의 검출에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 디지털센서의 바이어스 보정장치 및 방법은 비포마켓(before market)의 차량항법 장치는 물론, 디지털 센서(예: 자이로센서)를 구비한 애프터 마켓(after market)의 차량항법 장치에도 장착 가능하며, 보행자용 항법장치(예: 스마트폰 등), 그리고 로봇이나 게임 리모컨(예: wii 등)의 자세 검출 및 이의 응용에 적용될 수 있다.
100 : 데이터 처리 프로세서 110 : X-TBEC
110A : 온도변화 검출부 110B : 바이어스 검출부
110C : 동작 검출부 110D : 온도별 바이어스 추정부
110E : 실시간 바이어스 보정부 110F : 주행 중 바이어스 추정부
120 : Y-TBEC 130 : Z-TBEC
200 : 디지털 센서 300 : 처리부 |
