[논문]롤피치 제한 조건에 강인한 가중 최소자승법 기반 마그네토미터 캘리브레이션 기법

전태형; 이정근

doi:10.5369/jsst.2017.26.4.259

[국내논문] 롤피치 제한 조건에 강인한 가중 최소자승법 기반 마그네토미터 캘리브레이션 기법
Weighted Least Square-Based Magnetometer Calibration Method Robust in Roll-Pitch Limited Conditions 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.26 no.4, 2017년, pp.259 - 265

Abstract ▼ AI-Helper

Magnetometer calibration must be performed before the use of three-axis magnetometers to ensure the accuracy of orientation estimation. Recently, one of the most popular calibration approaches is the ellipsoid fitting technique due to its high performance in calibration. To date, in fact, performances of the existing ellipsoid fitting methods have been evaluated with full range rotation data. However, in case of the calibration of magnetometers attached to vehicles, ships, and planes, it is very difficult to collect the full range rotation data since their allowable ranges in terms of roll and pitch are limited to small. This constraint may result in serious performance degradation of some ellipsoid fitting algorithms. Therefore, to be practical, this paper proposes a weighted least square-based magnetometer calibration method that is robust in roll-pitch limited conditions. Furthermore, the proposed method is a linear approach and thus is free from the well-known initial value issue in nonlinear approaches. Experimental results show the superiority of the proposed method to other ellipsoid-fitting calibration methods.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 항체의 롤·피치 각도가 제한적인 조건에서도 우수한 캘리브레이션 성능을 갖도록 하기 위해 선형 가중 최소자승법(weighted least square)을 이용한 마그네토미터 캘리브레이션 기법을 제안한다. 제안된 기법은 선형적인 방법으로 오차 파라미터를 추정하므로 초기값 설정이 필요하지 않다.

제안 방법

본 논문에서는 마그네토미터가 부착된 항체의 롤·피치가 제한적인 경우에도 우수한 캘리브레이션 성능을 갖도록 하기 위해 타원체 피팅 방식을 기반으로 하며 선형 가중 최소자승법을 사용한 마그네토미터 캘리브레이션 기법을 제안하였다.

대상 데이터

마그네토미터 오차 파라미터 추정용 데이터는 매틀랩을 통해 생성된 시뮬레이션 데이터를 사용하였다. 이때 GY-87의 마그네 토미터에 해당하는 잡음이 데이터에 추가되었다.

데이터처리

제안하는 마그네토미터 캘리브레이션 기법(이하 Proposed)의 성능을 비교검증하기 위해 타원체 피팅 방식 기반으로 하며 선형 최소자승법 (linear least squares)을 사용한 기법[8](이하 LLS), 비선형 최소자승법(nonlinear least squares)을 사용한 기법[9](이하 NLS)과 2단계 알고리즘을 사용한 캘리브레이션 기법[10](이하 Two-step)의 결과를 비교하였다. 3차원 자세 추정 비교를 위해 쿼터니언(quaternion)을 기반으로 하는 자세 추정 알고리즘[14]을 사용하였다.

이론/모형

제안하는 마그네토미터 캘리브레이션 기법(이하 Proposed)의 성능을 비교검증하기 위해 타원체 피팅 방식 기반으로 하며 선형 최소자승법 (linear least squares)을 사용한 기법[8](이하 LLS), 비선형 최소자승법(nonlinear least squares)을 사용한 기법[9](이하 NLS)과 2단계 알고리즘을 사용한 캘리브레이션 기법[10](이하 Two-step)의 결과를 비교하였다. 3차원 자세 추정 비교를 위해 쿼터니언(quaternion)을 기반으로 하는 자세 추정 알고리즘[14]을 사용하였다.

성능/효과

제안하는 기법은 다양한 자기 왜곡 환경에서 평면에 가까운 데이터를 사용하는 경우에도 우수한 성능을 보였다. 이에 따라 제안기법은 차량, 선박 또는 항공기와 같이 항체의 롤·피치가 제한된 현실적 조건에서 효율적이고 강인한 마그네토미터 캘리브레이션 기법으로 활용될 수 있다.

후속연구

제안하는 기법은 다양한 자기 왜곡 환경에서 평면에 가까운 데이터를 사용하는 경우에도 우수한 성능을 보였다. 이에 따라 제안기법은 차량, 선박 또는 항공기와 같이 항체의 롤·피치가 제한된 현실적 조건에서 효율적이고 강인한 마그네토미터 캘리브레이션 기법으로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3축 마그네토미터란 무엇인가?	3축 마그네토미터(magnetometer)는 지구 자기장의 크기와 방향을 측정하는 센서로서, 센서 부착 시스템에 방위각(yaw)을 제공한다. 일반적으로는 가속도계와 자이로스코프를 지칭하는 관성센서와 마그네토미터를 결합하여 IMMU(inertial and magnetic measurement unit)를 구성하므로써 3차원 자세를 추정하고 있다 [1-5].
	IMMU 센서의 제조 및 운용 과정에서 필요한 것은 무엇인가?	IMMU 센서는 제조 및 운용 과정에서 오차가 발생할 수 있으므로, 자세 추정의 정확성을 높이기 위해서는 캘리브레이션 (calibration)과정이 필요하다. 그 중에서도 마그네토미터는 가속도계나 자이로스코프에 비해 주변환경의 영향을 크게 받는다.
	캘리브레이션 기법 중 스윙법의 특징은 무엇인가?	마그네토미터를 통한 자세 추정 정확성을 높이기 위해 다양한 캘리브레이션 기법들이 연구되었으며, 가장 보편적인 방식으로 스윙법 (swing method)을 들 수 있다. 이는 마그네토미터가 부착된 시스템을 회전 테이블에 장착하여 회전시킨 후 센서값을 수집하고 이를 바탕으로 보정하는 방식으로 주변 물체나 환경의 변화에 의해 발생하는 자기 왜곡에 대해 다루기 어려운 단점이 있다 [7]. 그럼에도 불구하고, 방식의 간편성으로 인해 여전히 차량, 항공기, 헬리콥터 등 항체용 마그네토미터 캘리브레이션의 표준으로 사용되고 있다.

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