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KR101595791B1 - Sensing apparatus of fusing sensing signal using fusion algorithm, method of the same, and inclinometers using integrated mems sensor - Google Patents

Sensing apparatus of fusing sensing signal using fusion algorithm, method of the same, and inclinometers using integrated mems sensor Download PDF

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KR101595791B1
KR101595791B1 KR1020140040029A KR20140040029A KR101595791B1 KR 101595791 B1 KR101595791 B1 KR 101595791B1 KR 1020140040029 A KR1020140040029 A KR 1020140040029A KR 20140040029 A KR20140040029 A KR 20140040029A KR 101595791 B1 KR101595791 B1 KR 101595791B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
mems
fusion
sensor
sensing signal
processing unit
Prior art date
Application number
KR1020140040029A
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Korean (ko)
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KR20150115278A (en
Inventor
김정우
에스 박 사이먼
샌드웰 알렌
시아 텐쥔
Original Assignee
한국지질자원연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 융합 알고리즘을 이용하여 센싱신호를 융합하는 센싱장치 및 융합 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 센싱장치는 미리 지정된 간격으로 배열되는 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서를 포함하는 센서부, 및 부분 필터 및 전체 필터를 포함하고, 상기 부분 필터 및 상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 융합 처리부를 포함할 수 있다.The present invention relates to a sensing device and a fusion method for fusing a sensing signal using a fusion algorithm, and a sensing device according to an embodiment includes a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors arranged at predetermined intervals (MEMS) sensor among the plurality of composite MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the partial filter and the whole filter, Mechanical Systems) sensors, and a fusion processing unit for fusing at least one sensing signal obtained from the sensors.

Description

융합 알고리즘을 이용하여 센싱신호를 융합하는 센싱장치, 융합 방법, 및 복합 멤스 센서 경사계{SENSING APPARATUS OF FUSING SENSING SIGNAL USING FUSION ALGORITHM, METHOD OF THE SAME, AND INCLINOMETERS USING INTEGRATED MEMS SENSOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a sensing device for fusing a sensing signal using a fusion algorithm, a fusion method, and a composite MEMS sensor tilt sensor. [0002]

본 발명은 GPS(global positioning system)와 같이 기준이 될 수 있는 외부 센서의 존재에 의존하지 않고, 복수의 멤스(MEMS, micro electro mechanical systems) 센서를 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반한 융합 알고리즘을 사용해 각변위와 선형변위 데이터를 융합하여 정확성을 향상시키는 기술적 사상과 이러한 기술적 사상이 적용된 복합 멤스 센서 경사계에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for detecting a plurality of MEMS (micro electro mechanical systems) sensors based on Extended Kalman filtering based on the presence of an external sensor, such as a global positioning system (GPS) And a composite MEMS sensor tilt sensor to which such a technical idea is applied.

경사계(Inclinomters)는 주로 지표 변위를 측정하는데 이용되며, 그 이름에서 알 수 있듯이 경사각변위의 측정에 기능이 집중된다. 각변위와 선형변위를 동시에 측정하기 위해 가속도계, 자이로스코프, 자력계가 융합된 Integrated MEMS sensor가 사용될 수 있지만 가장 큰 문제는 저가의 센서들을 사용하는 점으로 인해 발생하는 낮은 정확성이다. 기존의 시스템들은 GPS와 같은 외부 장치의 도움을 받지만 지중 탐사 등, 많은 경우에서 외부 장치를 사용할 수 없다.Inclinomters are mainly used to measure surface displacements, and as their name implies, their function is focused on measuring the tilt angle displacement. An integrated MEMS sensor fused with an accelerometer, gyroscope, or magnetometer can be used to simultaneously measure angular displacement and linear displacement, but the biggest problem is the low accuracy due to the use of low cost sensors. Existing systems are assisted by external devices such as GPS but can not use external devices in many cases, such as underground exploration.

일실시예에 따른 센싱장치는 미리 지정된 간격으로 배열되는 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서를 포함하는 센서부 및 부분 필터 및 전체 필터를 포함하고, 상기 부분 필터 및 상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 융합 처리부를 포함할 수 있다.The sensing device according to an embodiment of the present invention includes a sensor portion including a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors arranged at predetermined intervals, and a partial filter and an entire filter. The partial filter and the entire filter And a fusion processor for fusing at least one sensing signal obtained from at least one of the plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using a MEMS sensor.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 상기 부분 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processing unit according to an exemplary embodiment may fuse the sensing signal of one of the plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the partial filter have.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment may fuse the sensing signals of the plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the entire filter.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 확장된 칼만 필터링에 기반하는 융합 알고리즘을 이용하여 상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment may fuse the at least one sensing signal using a fusion algorithm based on extended Kalman filtering.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 상기 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment may fuse the sensing signal by reflecting the measurement error and the process error in the fusion algorithm.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 상기 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 상기 융합 알고리즘에 반영하여 상기 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processor according to an embodiment may update the cross covariance after the position tracking fusion of the at least one MEMS sensor and may update the updated cross covariance And the sensing signal may be fused by reflecting it to the fusion algorithm.

일실시예에 따른 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서는 가속도계, 자이로스코프, 및 자력계 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.The at least one MEMS sensor may include at least one of an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer.

일실시예에 따른 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호는 각변위 및 선형변위 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.The at least one sensed signal obtained from the at least one MEMS sensor may include at least one of angular displacement and linear displacement.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 방위각(ψ, azimuth)과 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 경사각(tilting angle)을 계산할 수 있다.The fusion processing unit according to an exemplary embodiment may calculate a tilting angle using a spherical coordinate associated with an azimuth angle ψ and an inclination γ.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 상기 방위각(ψ, azimuth)을 계산할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment may calculate the azimuth angle ψ, azimuth to correspond to a yaw angle of the Euler angle system.

일실시예에 따른 융합 처리부는, 피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 상기 기울기(γ, inclination)를 계산할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment may calculate the inclination gamma (inclination) by combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle.

일실시예에 따른 센싱장치의 융합 방법은 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호에 대한 경사각을 계산하는 단계, 오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 방위각(ψ, azimuth)을 계산하는 단계, 피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 기울기(γ, inclination)를 계산하는 단계, 및 상기 계산된 경사각, 방위각, 및 기울기 중에서 적어도 하나를 이용하여 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 단계를 포함할 수 있다.The method of fusing a sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention includes calculating a tilt angle of at least one sensing signal obtained from a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor, calculating a yaw angle of an Euler angle system computing an azimuth angle ψ, azimuth so as to correspond to a pitch angle and a roll angle, combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle to calculate a slope γ, And fusing at least one sensing signal obtained using at least one of the calculated tilt angle, azimuth angle, and tilt.

일실시예에 따른 경사각을 계산하는 단계는, 상기 방위각(ψ, azimuth)과 상기 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 상기 경사각(tilting angle)을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating the tilt angle according to an exemplary embodiment may include calculating the tilt angle using a spherical coordinate associated with the azimuth angle and the inclination gamma can do.

일실시예에 따른 상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 단계는 부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합하되, 상기 부분 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합하고, 상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합할 수 있다.The step of fusing the at least one sensing signal according to an exemplary embodiment of the present invention includes fusing the at least one sensing signal using a partial filter and an entire filter, (MEMS) sensor is fused with the sensing signals of a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the entire filter, can do.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 비자성의 케이스, 상기 케이스 내에서 미리 지정된 간격으로 배열되는 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서, 및 상기 케이스 내에서 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서로부터 수집되는 센싱신호를 융합 알고리즘을 이용하여 융합하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment includes a non-magnetic case, at least one or more composite MEMS sensors arranged at predetermined intervals in the case, and at least one composite MEMS sensor, ≪ / RTI > and a controller that fuses using an algorithm.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 상기 케이스의 일측에 위치하여 시추공 내에 상기 케이스를 탈착 및 부착시키는 적어도 하나 이상의 고정 장치를 포함하는 고정부를 더 포함할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to an exemplary embodiment may further include a fixing unit located at one side of the case and including at least one fixing device for detaching and attaching the case in the borehole.

일실시예에 따른 상기 고정부는 상기 컨트롤러로부터의 제어에 따라 적어도 하나 이상의 방향으로 움직이는 분리판을 더 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 고정 장치는 상기 분리판의 움직임에 상응하여 상기 시추공 내에서 탈착 및 부착될 수 있다.According to one embodiment, the fixing portion further includes a separator plate moving in at least one direction under the control of the controller, wherein the at least one fixture separator is detachable and attached in the borehole corresponding to the movement of the separator plate, .

일실시예에 따른 상기 컨트롤러는 데이터 처리부 및 통신부를 포함하고, 상기 데이터 처리부는 부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하고, 상기 통신부는 외부 장치와의 통신을 수행할 수 있다.The controller according to an embodiment includes a data processing unit and a communication unit, and the data processing unit fuses at least one sensing signal obtained from the at least one composite MEMS sensor using a partial filter and an entire filter, And can perform communication with an external device.

일실시예에 따른 상기 융합 알고리즘은 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반할 수 있다.The fusion algorithm according to an embodiment may be based on Extended Kalman filtering.

일실시예에 따른 상기 데이터 처리부는, 상기 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합할 수 있다.The data processing unit according to an embodiment may integrate the sensing signal by reflecting measurement errors and process errors in the fusion algorithm.

일실시예에 따른 상기 데이터 처리부는, 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 상기 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 상기 융합 알고리즘에 반영하여 상기 센싱신호를 융합할 수 있다.The data processing unit may update cross covariance after location fusion of the at least one composite MEMS sensor, reflect the updated cross covariance to the fusion algorithm, Signals can be fused.

일실시예에 따른 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서는 가속도계, 자이로스코프, 및 자력계 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호는 각변위 및 선형변위 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.The at least one microelectromechanical system (MEMS) sensor according to an embodiment includes at least one of an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer. The at least one microelectromechanical system (MEMS) The at least one sensing signal obtained from the at least one sensor may comprise at least one of an angular displacement and a linear displacement.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 시추공 내에서 이산화탄소를 감지하는 이산화탄소 센서를 더 포함할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment may further include a carbon dioxide sensor for sensing carbon dioxide in the borehole.

본 발명에 따르면, 단가가 낮은 복합 센서들을 활용하여 정확도가 높은 경사계를 만들 수 있다.According to the present invention, it is possible to make an inclinometer with high accuracy by utilizing composite sensors with low unit price.

본 발명에 따르면, GPS나 레이더 등 기준위치 정보값을 제공할 외부 장치가 필요없어, 지중 또는 해저 지중의 위치 변위를 정확하게 측정할 수 있다.According to the present invention, there is no need for an external device to provide a reference position information value such as a GPS or a radar, and it is possible to accurately measure the positional displacement in the ground or under the sea floor.

본 발명에 따르면, 이산화탄소 저장소의 플룸 부피 변화와 각종 지질 탐사의 정확도를 높일 수 있다.According to the present invention, the plume volume of the carbon dioxide reservoir can be changed and the accuracy of various geological exploration can be improved.

본 발명에 따르면, 이산화탄소의 센싱을 위해 새로운 시추공을 준비하는 것이 아니라, 복합 멤스 센서 경사계에 내장함으로써 시추공 굴착에 소모되는 비용을 절감시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to reduce the cost of drilling a borehole by incorporating a new borehole for sensing carbon dioxide in a composite MEMS sensor inclinometer.

도 1은 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치를 설명하는 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 부분 필터의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 전체 필터의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 경사각과 변위량을 설명하는 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계를 설명하는 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 고정 장치를 보다 구체적으로 설명하는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 고정 장치의 펼침 구조를 설명하는 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법을 설명하는 흐름도이다.1 is a block diagram illustrating a sensing apparatus using a fusion algorithm according to an embodiment.
2 is a view for explaining a flow of a partial filter according to an embodiment.
3 is a diagram illustrating the flow of an overall filter according to one embodiment.
4 is a view for explaining an inclination angle and a displacement amount according to an embodiment.
5 is a view illustrating a composite MEMS sensor tilt sensor according to an embodiment.
6 is a view for more specifically explaining a fixing device according to an embodiment.
7 is a view for explaining an unfolding structure of a fixing device according to an embodiment.
8 is a flowchart illustrating a convergence method using a fusion algorithm according to an embodiment.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The terminologies used herein are terms used to properly represent preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치(100)를 설명하는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a sensing device 100 that utilizes a fusion algorithm according to one embodiment.

본 발명의 일실시예에 따른 센싱장치(100)는 GPS와 같이 기준이 될 수 있는 외부 센서의 존재에 의존하지 않고, 복수의 멤스(MEMS, micro electro mechanical systems) 센서를 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반한 융합 알고리즘을 사용해 각변위와 선형변위 데이터를 융합하여 정확성을 향상시킬 수 있다.The sensing device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention can perform a Kalman filtering (Extended) of a plurality of MEMS (micro electro mechanical systems) sensors without depending on the existence of an external sensor, Kalman filtering can be used to improve accuracy by fusing angular displacement and linear displacement data.

이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 센싱장치(100)는 센서부(110) 및 융합 처리부(120)를 포함할 수 있다.For this, the sensing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention may include a sensor unit 110 and a fusion processing unit 120.

일실시예에 따른 센서부(110)는 미리 지정된 간격으로 배열되는 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서를 포함할 수 있다.The sensor unit 110 according to an embodiment may include a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors arranged at predetermined intervals.

또한, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호, 예를 들어 각변위와 선형변위 데이터를 융합 알고리즘을 이용하여 융합할 수 있다.Also, the fusion processing unit 120 according to an embodiment may use at least one sensing signal obtained from at least one sensor (MEMS), for example, angular displacement and linear displacement data, using a fusion algorithm And can be fused.

이를 위해, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 부분 필터 및 전체 필터를 포함할 수 있다. 즉, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다. To this end, the fusion processing unit 120 according to one embodiment may include a partial filter and an entire filter. That is, the fusion processing unit 120 according to an exemplary embodiment may use at least one of a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using a partial filter and an entire filter And at least one sensed signal obtained may be fused.

일례로, 융합 처리부(120)는 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반하는 융합 알고리즘을 이용하여 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다.For example, the fusion processing unit 120 may fuse at least one sensing signal using a fusion algorithm based on Extended Kalman filtering.

일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 부분 필터와 전체 필터를 이용하여 융합 알고리즘을 수행할 수 있다.The fusion processing unit 120 according to an exemplary embodiment may perform a fusion algorithm using a partial filter and an entire filter.

도 2는 일실시예에 따른 부분 필터의 흐름을 설명하는 도면이다.2 is a view for explaining a flow of a partial filter according to an embodiment.

도면부호 200은 방향(각변위) 값에 관여하는 부분 필터의 흐름도이다. 도면부호 200에서 보는 바와 같이 부분 필터는 예측(Prediction), 정정(Correction), 융합(Fusion)의 과정을 통해 가속도계, 자이로스코프, 자력계를 포함하는 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 내에서의 신호 융합을 처리할 수 있다. 즉, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 부분 필터를 이용하여 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합할 수 있다.Reference numeral 200 is a flow chart of a partial filter involved in a direction (angular displacement) value. As shown at reference numeral 200, the partial filter includes a single micro-electro-mechanical system (MEMS) sensor including an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer through a process of prediction, correction, It is possible to deal with signal fusion within the signal processing system. That is, the fusion processing unit 120 according to one embodiment uses a partial filter to converge sensing signals of a single MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor among a plurality of MEMS can do.

도 3은 일실시예에 따른 전체 필터의 흐름을 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating the flow of an overall filter according to one embodiment.

도면부호 300은 방향(각변위) 값과 위치(선형변위) 값에 관여하는 전체 필터의 흐름도이다. 도면부호 300에서 보는 바와 같이 전체 필터 역시 예측(Prediction), 정정(Correction), 융합(Fusion)의 과정을 통해 신호 융합을 처리할 수 있다. 그러나, 전체 필터는 부분 필터와는 달리 시스템 안의 모든 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서들의 신호를 융합할 수 있다. 즉, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 전체 필터를 이용하여 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합할 수 있다.Reference numeral 300 denotes a flow chart of the entire filter involved in a direction (angular displacement) value and a position (linear displacement) value. As shown at reference numeral 300, the entire filter can also process signal fusion through a process of predication, correction, and fusion. However, unlike a partial filter, the entire filter can fuse the signals of all MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors in the system. That is, the fusion processing unit 120 according to one embodiment can fuse the sensing signals of a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the entire filter.

일실시예에 따른 융합 처리부(120)는, 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processing unit 120 according to an exemplary embodiment may integrate the sensing signal by reflecting a measurement error and a process error in the fusion algorithm.

즉, 융합 알고리즘은 측정오차와 과정오류에 대해 고려할 수 있다. 비록 하나의 센서가 갖는 측정오차는 다른 센서의 측정오차로부터 독립되어 있으나, 목표의 위치 추적은 각 센서가 공통적으로 공유하는 프로세스 노이즈와 상관관계에 있다. 교차 공분산(cross covariance)이 각 센서의 위치추적 융합 후에 갱신된다는 점을 이용하여 이러한 상관관계를 알고리즘 프로세스에 함유할 수 있다. 즉, 일실시예에 따른 융합 처리부(120)는, 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 상기 융합 알고리즘에 반영하여 상기 센싱신호를 융합할 수 있다. In other words, the convergence algorithm can consider measurement errors and process errors. Although the measurement error of one sensor is independent of the measurement error of the other sensor, the tracking of the target is correlated with the process noise commonly shared by each sensor. This correlation can be included in the algorithm process using the fact that the cross covariance is updated after the location fusion of each sensor. That is, the fusion processing unit 120 according to an embodiment updates the cross covariance after the position tracking fusion of at least one MEMS sensor, and updates the cross covariance ) To the fusion algorithm so that the sensing signals can be fused.

일실시예에 따른 융합 처리부(120)는 방위각(ψ, azimuth)과 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 경사각(tilting angle)을 계산하고, 계산된 경사각, 방위각, 및 기울기 중에서 적어도 하나를 이용하여 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다.The fusion processing unit 120 according to an embodiment calculates a tilting angle using spherical coordinates related to an azimuth angle ψ and an inclination γ and calculates a tilting angle, And the at least one sensing signal obtained using at least one of the slopes.

예를 들어, 융합 처리부(120)는 오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 상기 방위각(ψ, azimuth)을 계산할 수 있다. 또한, 융합 처리부(120)는 피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 상기 기울기(γ, inclination)를 계산할 수 있다.For example, the fusion processing unit 120 may calculate the azimuth angle ψ, azimuth to correspond to a yaw angle of the Euler angle system. Also, the fusion processing unit 120 may calculate the inclination gamma (inclination) by combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle.

도 4는 일실시예에 따른 경사각과 변위량들을 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining an inclination angle and a displacement amount according to an embodiment.

일반적인 움직임은 경사각(θ) 및 거리 L과 함께 변위 값(displacement values) d1/d2과 관련이 있기 때문에, 아래 [수학식 1]이 유효하다.
Since the general motion is related to the displacement values d 1 / d 2 together with the inclination angle θ and the distance L, the following formula (1) is valid.

[수학식 1][Equation 1]

d2-d1=Lθ
d 2 -d 1 = L?

핵심 변위양(key quantity), 예를 들어 각변위와 선형변위값은 경사각에 대응될 수 있고, 오일러(Euler) 각으로부터 파생된 결과의 경사각으로 해석할 수 있다.The key quantity, for example angular displacement and linear displacement, may correspond to the tilt angle and can be interpreted as the tilt angle of the result derived from the Euler angle.

본 발명의 일실시예에 따른 융합 처리부는 다음의 과정들을 통해서 핵심 변위양(key quantity)을 산출할 수 있다.The fusion processing unit according to an embodiment of the present invention can calculate a key quantity through the following processes.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 융합 처리부는 방위각(ψ)과 기울기(γ)가 관련된 구 좌표를 고려하여, [수학식 2]의 지오메트리로부터 경사각(Φ, tilting angle)을 계산할 수 있다.
First, the fusion processing unit according to an embodiment of the present invention may calculate the tilt angle? From the geometry of Equation (2) in consideration of spherical coordinates related to the azimuth angle? And the gradient?.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112014032217329-pat00001

Figure 112014032217329-pat00001

[수학식 2]에서 Φ는 경사각으로 해석될 수 있고, ψ는 방위각으로 해석될 수 있으며, γ은 기울기로 해석될 수 있다.
In Equation (2),? Can be interpreted as an inclination angle,? Can be interpreted as an azimuth angle, and? Can be interpreted as an inclination.

방위각(ψ)은 오일러 각 시스템에서의 요각(yaw angle)과 동일하고, 기울기(γ)는 연산될 필요가 있다.The azimuth angle [psi] is equal to the yaw angle in each Euler system, and the slope [gamma] needs to be computed.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 융합 처리부는 피치와 롤 각으로부터 기울기(γ)를 연산할 수 있다.Accordingly, the fusion processing unit according to an embodiment of the present invention can calculate the slope gamma from the pitch and the roll angle.

본 발명의 일실시예에 따른 융합 처리부는 피치와 롤 각으로부터 두 개의 연속 회전을 결합하여 기울기(γ)를 연산할 수 있다. 이때 필요한 구체적인 수학식의 파생식들은 [Koks, 2008]에 설명되어 있다.The fusion processing unit according to an embodiment of the present invention can calculate the slope gamma by combining two continuous rotations from the pitch and the roll angle. The derivations of the specific mathematical expressions required at this time are described in [Koks, 2008].

두 개의 연속 회전과 관련되는 단일 회전 θ을 위해, 아래와 같이 회전축을 지시하는 단위 벡터(n)를 고려할 수 있다.
For a single rotation [theta] associated with two consecutive rotations, a unit vector (n) indicating the rotation axis can be considered as follows.

Figure 112014032217329-pat00002

Figure 112014032217329-pat00002

한편, 회전 행렬(R(θ))은 아래의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
On the other hand, the rotation matrix R ([theta]) can be expressed by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112014032217329-pat00003

Figure 112014032217329-pat00003

피치각의 경우 회전 축은 아래의 단위 벡터로 표현될 수 있다.
For a pitch angle, the rotation axis can be expressed as a unit vector below.

Figure 112014032217329-pat00004

Figure 112014032217329-pat00004

피치각의 경우 회전 축이 위의 단위 벡터로 표현될 수 있기 때문에, 피치를 위한 회전 행렬(R(θ))은 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
Since the rotation axis in the case of the pitch angle can be represented by the above unit vector, the rotation matrix R ([theta]) for the pitch can be expressed by the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112014032217329-pat00005

Figure 112014032217329-pat00005

피치를 위한 회전 행렬(R(θ))과 마찬가지로 롤(roll)을 위한 회전 행렬(R(φ))은 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
The rotation matrix R (?) For the roll as well as the rotation matrix R (?) For the pitch can be expressed by the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112014032217329-pat00006

Figure 112014032217329-pat00006

결과적으로, 회전 행렬(R(γ))은 피치를 위한 회전 행렬(R(θ))과 롤(roll)을 위한 회전 행렬(R(φ))을 모두 고려하여 아래의 [수학식 6]으로 결정될 수 있다.
As a result, the rotation matrix R ([gamma]) is calculated by the following Equation 6 considering both the rotation matrix R ([theta]) for the pitch and the rotation matrix R ([ Can be determined.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112014032217329-pat00007

Figure 112014032217329-pat00007

이 회전 행렬(R(γ))은 다음의 프로퍼티를 갖는다.This rotation matrix R ([gamma]) has the following properties.

Figure 112014032217329-pat00008

Figure 112014032217329-pat00008

결국, 일실시예에 따른 융합 처리부는 이러한 프로퍼티로 인해 θ 및 φ로부터 기울기(γ)을 결정할 수 있다.As a result, the fusion processing unit according to an embodiment can determine the slope gamma from? And? Due to this property.

일실시예에 따른 융합 처리부는 위와 같이, 경사각(Φ), 방위각(ψ), 및 기울기(γ)를 연산할 수 있다.The fusion processing unit according to the embodiment can calculate the tilt angle?, The azimuth angle?, And the tilt? As described above.

또한, 일실시예에 따른 융합 처리부는 연산된 경사각, 방위각, 및 기울기 중에서 적어도 하나를 이용하여 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다.Also, the fusion processing unit according to an embodiment may fuse at least one sensing signal obtained using at least one of the calculated tilt angle, azimuth angle, and tilt.

결국, 본 발명에 따른 센싱장치를 이용하면, 단가가 낮은 복합 센서들을 활용하여 정확도가 높은 경사계를 만들 수 있다. 뿐만 아니라, GPS나 레이더 등 기준위치 정보값을 제공할 외부 장치가 필요없어, 지중 또는 해저 지중의 위치 변위를 정확하게 측정할 수 있고, 이산화탄소 저장소의 플룸 부피 변화와 각종 지질 탐사의 정확도를 높일 수 있다.As a result, by using the sensing device according to the present invention, it is possible to make an inclinometer with high accuracy by utilizing composite sensors with low unit price. In addition, it eliminates the need for an external device to provide reference position information such as GPS or radar, can accurately measure positional displacements in the ground or underwater, and can improve the plume volume of carbon dioxide storage and accuracy of geological exploration .

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 센싱장치가 적용된 복합 멤스 센서 경사계를 설명하는 실시예이다. 도 5 내지 7에서 설명하는 복합 멤스 센서 경사계는 단가가 낮은 복합 센서들을 활용함에도 불구하고, 정확도를 높일 수 있다.5 to 7 illustrate an embodiment of a composite MEMS sensor tilt sensor to which a sensing device according to the present invention is applied. The composite MEMS sensor inclinometer described in FIGS. 5 to 7 can improve the accuracy even though it utilizes low complexity sensors.

도 5는 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계를 설명하는 도면이다.5 is a view illustrating a composite MEMS sensor tilt sensor according to an embodiment.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 일정 간격으로 배열된 복수의 복합 멤스 센서를 내장하고 있으며 융합 알고리즘을 통해 복수의 복합 멤스 센서들의 측정값을 융합하고, 각변위 측정의 정확도를 높일 뿐만 아니라, 기존의 경사계에서는 측정이 불가능했던 선형변위(위치변화)를 정확하게 측정할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment includes a plurality of composite MEMS sensors arrayed at regular intervals and fuses measured values of a plurality of composite MEMS sensors through a fusion algorithm to increase the accuracy of angular displacement measurement, It is possible to accurately measure the linear displacement (position change) which can not be measured in the conventional inclinometer.

이를 위해, 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 비자성의 케이스(508), 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서(미도시), 및 컨트롤러(506)를 포함할 수 있다.To this end, the composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment may include a non-magnetic case 508, at least one or more composite MEMS sensors (not shown), and a controller 506.

일실시예에 따른 케이스(508)는 비자성(non-magnetic) 재료로 만들어진 덕분에 자력계를 비롯해 자기장에 민감한 센서를 내장할 수 있다. 시추공 내 설치를 통해 지중 변위를 측정, 감시하는 것을 주목적으로 하는 복합 멤스 센서 경사계는 비자성 재료로 형성된 케이스(508)를 포함하기 때문에 재료의 자성 때문에 측정값을 보정할 필요가 없다. 또한, 케이스(508)는 비자성 재료로 형성되었기 때문에 부식에 강하다.The case 508 according to an exemplary embodiment may include a magnetometer and a sensor sensitive to a magnetic field due to the non-magnetic material. The composite MEMS sensor inclinometer, which is primarily aimed at measuring and monitoring underground displacements through a borehole installation, includes a case 508 formed of a non-magnetic material, so there is no need to calibrate the measurement due to the magnetism of the material. Further, the case 508 is resistant to corrosion because it is formed of a non-magnetic material.

적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서는 도 5의 관성센서1(inertial sensor1, 504), 액츄에이터1(actuator1, 505), 액츄에이터2(actuator2, 509), 관성센서2(inertial sensor2, 510), 등을 이용하는 가속도계, 자이로스코프, 자력계 등을 포함할 수 있고, 케이스(508) 내에서 미리 지정된 간격으로 배열될 수 있다.At least one or more composite MEMS sensors may include an inertial sensor 1 504, an actuator 1 505, an actuator 2 509, an inertial sensor 2 510, A gyroscope, a magnetometer, and the like, and may be arranged at predetermined intervals in the case 508.

일실시예에 따른 컨트롤러(506)는 케이스(508) 내에서 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서로부터 수집되는 센싱신호를 융합 알고리즘을 이용하여 융합할 수 있다. 이때의 융합 알고리즘은 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반할 수 있다.The controller 506 according to one embodiment may fuse sensing signals collected from at least one or more composite MEMS sensors within the case 508 using a fusion algorithm. The fusion algorithm at this time may be based on extended Kalman filtering.

뿐만 아니라, 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 케이스(508)의 일측에 위치하여 시추공 내에 케이스(508)를 탈착 및 부착시키는 적어도 하나 이상의 고정 장치(502, 512)와 컨트롤러(506)로부터의 제어에 따라 적어도 하나 이상의 방향으로 움직이는 분리판(503, 513)를 포함하는 고정부를 더 포함할 수 있다.In addition, the composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment includes at least one fixing device 502, 512 that is located at one side of the case 508 to detach and attach the case 508 in the borehole, And a separating plate (503, 513) moving in at least one direction according to the control.

예를 들어, 분리판(503, 513)의 상하 운동으로 고정 장치(502, 512)가 펼쳐지거나 접힌상태를 유지하기 때문에, 시추공 내에서 탈부착될 수 있다.For example, the up and down movements of the separating plates 503 and 513 can cause the fastening devices 502 and 512 to remain unfolded or folded, thus being detachable in the borehole.

고정부는 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계가 시추공 내에 설치(부착)된 후 탈착될 수 있도록 하기 때문에, 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계의 재사용을 가능하게 한다.The fixture enables reuse of the composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment, since the composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment can be detached after being installed (attached) in the borehole.

기존의 경사계가 시추공 내의 다운홀 감시 시스템에 적용된 이후 회수가 불가능하다는 점에 비해 일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 회수 및 수리 후 재사용이 가능하다.The conventional inclinometer can not be recovered after being applied to the downhole monitoring system in the borehole, whereas the composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment can be reused after recovery and repair.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 자체 전원의 공급을 위해서 파워 서플라이(507)를 더 포함할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment may further include a power supply 507 for supplying its own power.

일실시예에 따른 컨트롤러(506)는 데이터 처리부와 통신부를 포함할 수 있다.The controller 506 according to an exemplary embodiment may include a data processing unit and a communication unit.

다수의 센서로부터 신호를 받아 처리해야 하는 복합 멤스 센서 경사계는 연산 장치를 내장하여 실시간으로 데이터 연산을 수행할 수 있다. 내장된 저장장치에 저장함과 동시에 통신 모듈을 통하여 외부 장치로 데이터를 송신할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer, which receives signals from a number of sensors, can perform data operations in real time by incorporating a computing device. The data can be transmitted to the external device through the communication module while being stored in the built-in storage device.

일례로, 데이터 처리부는 부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하고, 통신부는 외부 장치와의 통신을 수행할 수 있다.For example, the data processing unit fuses at least one sensing signal obtained from at least one or more composite MEMS sensors using a partial filter and an entire filter, and the communication unit can perform communication with an external device.

또한, 일실시예에 따른 데이터 처리부는 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합할 수 있다. 뿐만 아니라, 일실시예에 따른 데이터 처리부는 적어도 하나 이상의 복합 멤스 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 융합 알고리즘에 반영하여 센싱신호를 융합할 수 있다.In addition, the data processing unit according to an exemplary embodiment may integrate the sensing signal by reflecting the measurement error and the process error in the fusion algorithm. In addition, the data processing unit according to an exemplary embodiment may update the cross covariance after the location fusion of at least one or more composite MEMS sensors, reflect the updated cross covariance to the convergence algorithm, can do.

일실시예에 따른 복합 멤스 센서 경사계는 시추공 내에서 이산화탄소를 감지하는 이산화탄소 센서(511)를 더 포함할 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer according to one embodiment may further include a carbon dioxide sensor 511 for sensing carbon dioxide in the borehole.

이산화탄소의 집적, 및 저장소 설치를 위한 복합 멤스 센서 경사계는 폴리머 탄소나노튜브 화합체로 만들어진 이산화탄소 센서(511)를 내장할 수 있다. 이산화탄소 센서(511)는 섭씨 200-450도의 고열이 필요하지 않기 때문에, 다른 센서와 함께 쉽게 내장될 수 있으며, 전력 소모가 거의 없다. 본 발명은 이산화탄소의 센싱을 위해 새로운 시추공을 준비하는 것이 아니라, 복합 멤스 센서 경사계에 내장함으로써 시추공 굴착에 소모되는 비용을 절감시킬 수 있다.The composite MEMS sensor inclinometer for the accumulation and storage of carbon dioxide may incorporate a carbon dioxide sensor 511 made of a polymeric carbon nanotube compound. Since the carbon dioxide sensor 511 does not require a high temperature of 200-450 degrees Celsius, it can be easily embedded with other sensors and consumes little power. The present invention can reduce the cost of drilling a borehole by embedding the new borehole for sensing carbon dioxide in a composite MEMS sensor inclinometer.

도 6은 일실시예에 따른 고정 장치(601)를 보다 구체적으로 설명하는 도면이다.6 is a view for more specifically explaining a fixing device 601 according to an embodiment.

기존의 경사계에 설치된 고정장치도 경사계를 시추공 내에 고정시키는 역할을 할 수는 있었으나, 한번 고정된 경사계를 시추공으로부터 다시 회수하는 것은 불가능했다.The fixture installed on the existing inclinometer could also serve to fix the inclinometer in the borehole, but it was impossible to retrieve the fixed inclinometer once again from the borehole.

그러나, 일실시예에 따른 고정 장치(601)는 컨트롤러의 제어에 따라서 시추공 내에서의 탈부착이 가능하여, 고정된 이후에 시추공으로부터 다시 회수할 수 있다.However, the fixing device 601 according to one embodiment can be detached and attached in the borehole according to the control of the controller, and can be recovered from the borehole again after being fixed.

일실시예에 따른 고정 장치(601)의 일측에는 잠금 탱(602)과 힌지(603)가 형성될 수 있다.A locking tang 602 and a hinge 603 may be formed on one side of the fixing device 601 according to one embodiment.

고정 장치(601)가 접히게 되면, 잠금 탱(602)은 분리판(604)의 탱 인터로크(605)와 상호 결합될 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러는 분리판(604)의 상하 움직임을 제어할 수 있다.When the fastening device 601 is folded, the locking tangs 602 can be interdigitated with the tang interlocks 605 of the separating plate 604. For this purpose, the controller can control the upward and downward movement of the separation plate 604.

본 발명에서는 분리판(604)의 상하 운동으로 인해, 잠금 탱(602)과 탱 인터로크(605)가 상호 결합되는 실시예를 설명하였으나, 분리판(604)의 상하 운동뿐만 아니라 다양한 방향의 운동으로 설계 변경될 수 있음은 자명하다.The locking tangs 602 and the tang interlocks 605 are coupled to each other due to the vertical movement of the separation plate 604. In the present invention, not only the vertical movement of the separation plate 604, It is obvious that the design can be changed.

고정 장치(601)의 힌지(603)는 케이스의 힌지(606)와 결합되어, 스프링에 의해서 펼쳐지거나 접힐 수 있다.The hinge 603 of the fastening device 601 is engaged with the hinge 606 of the case and can be unfolded or folded by a spring.

도 7은 일실시예에 따른 고정 장치의 펼침 구조를 설명하는 도면이다.7 is a view for explaining an unfolding structure of a fixing device according to an embodiment.

도 7의 도면부호 701은 고정 장치가 접힌 상태를 나태내고, 이 때 각 고정 장치의 잠금 탱들은 분리판의 상하 운동으로 인해, 분리판의 탱 인터로크에 결속될 수 있다. 또한, 도면부호 701과 같이 고정 장치가 접히게 되면, 시추공으로부터 경사계가 탈착되기 때문에, 경사계를 시추공으로부터 회수할 수 있다.Reference numeral 701 in Fig. 7 denotes a state in which the fixing device is folded, and at this time, the locking tangs of the fixing devices can be bound to the tang interlock of the separating plate due to the up-and-down movement of the separating plate. Further, when the fixing device is collapsed as indicated by reference numeral 701, since the inclinometer is detached from the borehole, the inclinometer can be recovered from the borehole.

도면부호 702는 고정 장치가 펼쳐진 상태를 나타낸다. 도면부호 701과 같이 고정 장치가 접힌 상태에서 컨트롤러에 의해 분리판이 상하 운동을 하면, 스프링의 탄력으로 인해서, 고정 장치가 도면부호 702와 같이 펼쳐질 수 있다. 또한, 도면부호 702과 같이 고정 장치가 펼쳐지면, 시추공에 경사계가 부착될 수 있다.Reference numeral 702 denotes a state in which the fixing device is unfolded. When the separating plate moves up and down by the controller in the state where the fixing device is folded as indicated by reference numeral 701, the fixing device can be unfolded as indicated by reference numeral 702 due to the elasticity of the spring. Further, when the fixing device is unfolded as indicated by reference numeral 702, an inclinometer may be attached to the borehole.

도 8은 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법을 설명하는 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a convergence method using a fusion algorithm according to an embodiment.

일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 다수의 멤스(MEMS, micro electro mechanical systems) 센서를 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반한 융합 알고리즘을 사용해 각변위와 선형변위 데이터를 융합하여 정확성을 향상시킬 수 있다.The convergence method using the fusion algorithm according to an exemplary embodiment fuses angular displacement and linear displacement data using a fusion algorithm based on extended Kalman filtering to a plurality of MEMS (micro electro mechanical systems) Can be improved.

이를 위해, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 먼저 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호에 대한 경사각을 계산할 수 있다(단계 801). 예를 들어, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 방위각(ψ, azimuth)과 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 경사각(Φ, tilting angle)을 계산할 수 있다.To this end, the fusion method using the fusion algorithm according to an exemplary embodiment may first calculate an inclination angle of at least one sensing signal obtained from a MEMS sensor (step 801). For example, the convergence method using the fusion algorithm according to an embodiment can calculate the tilting angle? Using a spherical coordinate associated with azimuth angle? And inclination? have.

다음으로, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 방위각(ψ, azimuth)을 계산할 수 있다(단계 802).Next, the fusion method using the fusion algorithm according to an embodiment may calculate the azimuth angle?, Azimuth to correspond to the yaw angle of the Euler angle system (step 802).

또한, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 기울기(γ, inclination)를 계산할 수 있다(단계 803). 구체적으로, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 피치를 위한 회전 행렬(R(θ))과 롤(roll)을 위한 회전 행렬(R(φ))을 이용하여 기울기(γ, inclination)를 계산할 수 있다.Further, the fusion method using the fusion algorithm according to an embodiment may calculate the slope gamma, inclination by combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle (step 803) . Specifically, a fusion method using a fusion algorithm according to an embodiment uses a rotation matrix R ([theta]) for pitch and a rotation matrix R ([phi]) for roll, Can be calculated.

일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 계산된 경사각, 방위각, 및 기울기 중에서 적어도 하나를 이용하여 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합할 수 있다(단계 804). 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하기 위해서 부분 필터 및 전체 필터를 이용할 수 있다. 예를 들어, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법은 부분 필터를 이용하여 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합하고, 전체 필터를 이용하여 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합할 수 있다.A fusion method using a fusion algorithm according to one embodiment may fuse at least one sensing signal obtained using at least one of the calculated tilt angle, azimuth angle, and tilt (step 804). A fusion method using a fusion algorithm according to an embodiment may use a partial filter and an entire filter to fuse at least one sensed signal to be obtained. For example, a fusion method using a fusion algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention can be applied to a sensing of a single MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor among a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Signals can be fused and the sensing signals of a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors can be fused using the entire filter.

결국, 일실시예에 따른 융합 알고리즘을 이용하는 융합 방법을 이용하면, 단가가 낮은 복합 센서들을 활용하여 정확도가 높은 경사계를 만들 수 있다. 뿐만 아니라, GPS나 레이더 등 기준위치 정보값을 제공할 외부 장치가 필요없어, 지중 또는 해저 지중의 위치 변위를 정확하게 측정할 수 있고, 이산화탄소 저장소의 플룸 부피 변화와 각종 지질 탐사의 정확도를 높일 수 있다.As a result, by using the fusion method using the fusion algorithm according to one embodiment, it is possible to make an inclinometer with high accuracy by utilizing complex sensors with low unit price. In addition, it eliminates the need for an external device to provide reference position information such as GPS or radar, can accurately measure positional displacements in the ground or underwater, and can improve the plume volume of carbon dioxide storage and accuracy of geological exploration .

본 발명은 가속도계, 자이로스코프, 자력계로부터 가속도, 각속도와 자기장 정보를 받고, 일정 간격으로 떨어진 복수의 복합 멤스 센서들로부터 같은 정보를 융합, 기존의 버블 프로트렉터 경사계와 비슷한 수준의 정확도를 갖는 각변위를 측정할 수 있다. 또한, GPS 등의 외부 장치의 연동없이도 선형 변위 측정이 가능해 위치 변화를 측정할 수 있다. 따라서, 기존의 경사계를 단순히 보다 저가의 센서들을 사용하는 경사계로 대체할 수 있을 뿐만 아니라, GPS 등 외부 장치의 사용이 여의치 않는 시추공내 설치에도 사용이 가능하다. 또한, 본 발명은 이산화탄소 저장소의 플룸 측정에 유용하며 최근 자주 사용되는 수압파쇄 공법을 통한 원유 시추 등의 과정에서 지표 변화를 면밀하게 관찰하는데 적용될 수도 있다.The present invention receives acceleration, angular velocity and magnetic field information from an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer, fuses the same information from a plurality of composite MEMS sensors spaced apart at regular intervals, and outputs angular displacement having an accuracy similar to that of a conventional bubble proctor inclinometer Can be measured. In addition, it is possible to measure the linear displacement without interlocking with an external device such as GPS, so that the position change can be measured. Therefore, it is possible not only to replace an existing inclinometer with an inclinometer that uses low-cost sensors, but also to install in a borehole where the use of an external device such as GPS is unlikely. Further, the present invention is useful for plume measurement of a carbon dioxide reservoir and can be applied to closely observe the change of the land surface during the process of crude oil drilling through the hydraulic crushing method which is frequently used recently.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (24)

미리 지정된 간격으로 배열되는 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서를 포함하는 센서부; 및
부분 필터 및 전체 필터를 포함하고, 상기 부분 필터 및 상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 융합 처리부
를 포함하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.A sensor unit including a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors arranged at predetermined intervals; And
(MEMS) sensor among the plurality of composite MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the partial filter and the entire filter, And at least one sensing signal
And a sensing device that senses the position of the sensing device. 제1항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
상기 부분 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.The method according to claim 1,
The fusion processing unit
Wherein a sensing signal of one of the plurality of MEMS sensors is fused using a fusion filter of the MEMS sensor using the partial filter. 제2항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.3. The method of claim 2,
The fusion processing unit
And a fusion algorithm for fusing the sensing signals of the plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the entire filter. 제1항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반하는 융합 알고리즘을 이용하여 상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.The method according to claim 1,
The fusion processing unit
And a fusion algorithm based on Extended Kalman filtering to fuse the at least one sensing signal. 제4항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
상기 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.5. The method of claim 4,
The fusion processing unit
And a fusion algorithm for fusing a sensing signal by reflecting a measurement error and a process error in the fusion algorithm. 제1항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 상기 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 상기 융합 알고리즘에 반영하여 상기 센싱신호를 융합하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.The method according to claim 1,
The fusion processing unit
Updating the cross covariance after the location fusion of the at least one MEMS sensor and reflecting the updated cross covariance to the convergence algorithm to generate the sensing signal, A sensing device that uses a fusion algorithm that fuses. 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서는 가속도계, 자이로스코프, 및 자력계 중에서 적어도 하나를 포함하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.The method according to claim 1,
Wherein the at least one microelectromechanical system (MEMS) sensor uses at least one of an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer. 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호는 각변위 및 선형변위 중에서 적어도 하나를 포함하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.The method according to claim 1,
Wherein at least one sensing signal obtained from the at least one MEMS sensor uses at least one of an angular displacement and a linear displacement. 제8항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
방위각(ψ, azimuth)과 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 경사각(tilting angle)을 계산하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.9. The method of claim 8,
The fusion processing unit
Wherein a tilting angle is calculated using a spherical coordinate associated with an azimuth angle and an inclination. 제9항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 상기 방위각(ψ, azimuth)을 계산하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.10. The method of claim 9,
The fusion processing unit
A sensing device using a fusion algorithm to calculate the azimuth angle (azimuth) to correspond to a yaw angle of an Euler angle system. 제10항에 있어서,
상기 융합 처리부는,
피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 상기 기울기(γ, inclination)를 계산하는 융합 알고리즘을 이용하는 센싱장치.11. The method of claim 10,
The fusion processing unit
A sensing device that uses a fusion algorithm to calculate the slope (gamma, inclination) by combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle. 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호에 대한 경사각을 계산하는 단계;
오일러 각 시스템(Euler angle system)의 요각(yaw angle)에 상응하도록 방위각(ψ, azimuth)을 계산하는 단계;
피치(pitch)와 롤(roll) 각(angle)으로부터의 두 개의 연속 회전을 결합하여 기울기(γ, inclination)를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 경사각, 방위각, 및 기울기 중에서 적어도 하나를 이용하여 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 단계
를 포함하는 센싱장치의 융합 방법.Calculating an inclination angle for at least one sensing signal obtained from a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor;
Calculating an azimuth angle ψ, azimuth to correspond to a yaw angle of the Euler angle system;
Combining two consecutive rotations from a pitch and a roll angle to calculate a slope (gamma, inclination); And
Fusing at least one sensing signal obtained using at least one of the calculated tilt angle, azimuth, and tilt,
Wherein the sensing device is a sensor. 제12항에 있어서,
상기 경사각을 계산하는 단계는,
상기 방위각(ψ, azimuth)과 상기 기울기(γ, inclination)가 관련된 구 좌표(spherical coordinate)를 이용하여 상기 경사각(tilting angle)을 계산하는 단계를 포함하는 센싱장치의 융합 방법.13. The method of claim 12,
The step of calculating the tilt angle may include:
And calculating the tilting angle using a spherical coordinate that is related to the azimuth angle and the inclination gamma, inclination. 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합하는 단계는
부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 상기 적어도 하나의 센싱신호를 융합하되,
상기 부분 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서 중에서 하나의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호를 융합하고,
상기 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서의 센싱신호들을 융합하는 센싱장치의 융합 방법.13. The method of claim 12,
The step of fusing the at least one sensing signal
Fusing said at least one sensing signal using a partial filter and an entire filter,
A sensing signal of one of the plurality of MEMS sensors is fused using the partial filter, and the sensing signal of one of the plurality of micro electro mechanical systems (MEMS)
And integrating sensing signals of the plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors using the entire filter. 제12항 내지 제14항 중에서 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for performing the method according to any one of claims 12 to 14. 비자성의 케이스;
상기 케이스 내에서 미리 지정된 간격으로 배열되는 복수의 복합 멤스 센서; 및
상기 케이스 내에서 상기 복수의 복합 멤스 센서로부터 수집되는 센싱신호를 융합 알고리즘을 이용하여 융합하는 컨트롤러
를 포함하는 복합 멤스 센서 경사계.Non-magnetic case;
A plurality of composite MEMS sensors arranged at predetermined intervals in the case; And
A controller for integrating sensing signals collected from the plurality of composite MEMS sensors in the case using a fusion algorithm,
A composite MEMS sensor tilt sensor. 제16항에 있어서,
상기 케이스의 일측에 위치하여 시추공 내에 상기 케이스를 탈착 및 부착시키는 적어도 하나 이상의 고정 장치를 포함하는 고정부
를 더 포함하는 복합 멤스 센서 경사계.17. The method of claim 16,
And at least one fixing device which is located at one side of the case and detaches and attaches the case in the borehole,
Wherein the tilt sensor further comprises a tilt sensor. 제17항에 있어서,
상기 고정부는 상기 컨트롤러로부터의 제어에 따라 적어도 하나 이상의 방향으로 움직이는 분리판을 더 포함하고,
상기 적어도 하나 이상의 고정 장치는 상기 분리판의 움직임에 상응하여 상기 시추공 내에서 탈착 및 부착되는 복합 멤스 센서 경사계.18. The method of claim 17,
Wherein the fixing portion further comprises a separator plate moving in at least one direction under the control of the controller,
Wherein the at least one fixation device is desorbed and attached in the borehole corresponding to the movement of the separation plate. 제16항에 있어서,
상기 컨트롤러는 데이터 처리부 및 통신부를 포함하고,
상기 데이터 처리부는 부분 필터 및 전체 필터를 이용하여 상기 복수의 복합 멤스 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호를 융합하고,
상기 통신부는 외부 장치와의 통신을 수행하는 복합 멤스 센서 경사계.17. The method of claim 16,
Wherein the controller includes a data processing unit and a communication unit,
Wherein the data processor fuses at least one sensing signal obtained from the plurality of composite MEMS sensors using a partial filter and an entire filter,
Wherein the communication unit communicates with an external device. 제16항에 있어서,
상기 융합 알고리즘은 확장된 칼만 필터링(Extended Kalman filtering)에 기반하는 복합 멤스 센서 경사계.17. The method of claim 16,
The fusion algorithm is based on extended Kalman filtering. 제19항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 융합 알고리즘에 측정 오차와 과정 오류를 반영하여 센싱신호를 융합하는 복합 멤스 센서 경사계.20. The method of claim 19,
Wherein the data processing unit comprises:
A composite MEMS sensor tilt sensor that fuses a sensing signal by reflecting measurement error and process error in the fusion algorithm. 제19항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 복수의 복합 멤스 센서의 위치추적 융합 후에 교차 공분산(cross covariance)을 갱신하고, 상기 갱신된 교차 공분산(cross covariance)을 상기 융합 알고리즘에 반영하여 상기 센싱신호를 융합하는 복합 멤스 센서 경사계.20. The method of claim 19,
Wherein the data processing unit comprises:
A composite MEMS sensor tilt sensor that updates cross covariance after location fusion of the plurality of composite MEMS sensors and fuses the sensing signal by reflecting the updated cross covariance to the fusion algorithm. 제16항에 있어서,
상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서는 가속도계, 자이로스코프, 및 자력계 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 복수의 복합 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 센서로부터 획득되는 적어도 하나의 센싱신호는 각변위 및 선형변위 중에서 적어도 하나를 포함하는 복합 멤스 센서 경사계.17. The method of claim 16,
Wherein the plurality of MEMS sensors include at least one of an accelerometer, a gyroscope, and a magnetometer,
Wherein at least one sensing signal obtained from the plurality of MEMS sensors comprises at least one of an angular displacement and a linear displacement. 제16항에 있어서,
시추공 내에서 이산화탄소를 감지하는 이산화탄소 센서를 더 포함하는 복합 멤스 센서 경사계.17. The method of claim 16,
A composite MEMS sensor tilt sensor further comprising a carbon dioxide sensor for sensing carbon dioxide in the borehole.
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