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IMU(Inertial Measurement Unit)은 직역하면 ‘관성 측정 장치’이다. 관성을 측정하여 최종적으로 구하고자 하는 값은 물체가 기울어진 각도를 정확하게 측정하는 것이다. 또한 자이로스코프/가속도계/지자기센서로 구성된 센서를 뜻합니다.
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가속도 센서를 이용하여 이동경로 구하는 방법을 설명드립니다.
(스마트폰에 내장된 가속도 센서를 사용)
가속도를 적분하면 속도가 되고, 속도를 적분하면 변위가 나오는 원리를 이용하여 이동경로를 구할 수 있습니다.
Excel을 활용하여 간단한 수치적분을 통해 계산하는 방법을 공부해 봅시다
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관성측정장치(IMU)의 원리 – Drone’s DIYer
3축 가속도와 3축 자이로 센서를 조합한 후 각각의 센서 출력을 내보내는 장치를 관성측정장치(IMU; Inertial Measurement Unit)이라고 부릅니다.
Source: sharehobby.tistory.com
Date Published: 2/12/2022
View: 2146
[IMU] IMU의 개념 및 활용법 – velog
IMU는 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit)이다. 가속도 센서(Acceleration Sensor), 각속도 센서(Gyroscope, 자이로스코프)로 이루어져 …
Source: velog.io
Date Published: 7/6/2021
View: 5349
IMU 는 어디에 사용되는 물건일까요?
자이로 센서는 크게 IMU(관성측정장치)와 AHRS(센서융합기)로 나뉘어집니다. … 코리올리 힘을 검출하는 원리를 간단하게 설명하자면 중력이 가해질 …
Source: dulidungsil.tistory.com
Date Published: 2/10/2022
View: 1250
관성 측정 장비 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
관성 측정 장치(IMU)는 가속도계와 회전 속도계, 때로는 자력계의 조합을 사용하여 신체의 특정한 힘, 각도 비율 및 때로는 신체를 둘러싼 자기장을 측정하고 보고하는 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 3/23/2021
View: 4885
IMU 센서 작동 및 응용
작동 원리. IMU 센서 장치는 하나 이상의 가속도계를 사용하여 선형 가속을 감지하여 수행 할 수 있으며 하나 이상의 자이로 스코프를 사용하여 회전 속도를 감지 할 …
Source: ko.jf-parede.pt
Date Published: 6/11/2022
View: 8874
IMU MEMS 센서(Gyroscope + Accelerometer) – Hello, World!
IMU 센서에는 보통 가속도계(Accelerometer), 각속도계(Gyroscope), … 센서의 물리적인 동작원리가 포함되어 있으므로 참고하기 바란다.
Source: swiftcam.tistory.com
Date Published: 11/8/2021
View: 7989
관성 측정 단위 – 요다위키
관성측정장치(IMU)는 가속도계, 자이로스코프, 그리고 때로는 자력계의 조합을 사용 … IMU의 센서로부터 수집된 데이터는 컴퓨터가 데드 어카운팅으로 알려진 방법을 …
Source: yoda.wiki
Date Published: 3/11/2021
View: 6137
허리 장착 기반의 IMU 센서를 이용한 3D 보행자 위치 추정 …
Using Waist-Mounted IMU Sensor … PDR의 기본원리는 보행자의 초기 위치에서 보행자가 이 … 기존의 보행자 이동 유형 추정 방식은 IMU 센서를 보행자.
Source: robotics.pusan.ac.kr
Date Published: 5/25/2022
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주제에 대한 기사 평가 imu 센서 원리
- Author: SEMONAN
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- Date Published: 2022. 1. 9.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=-5cTAc5LglI
IMU 센서란
(9축 imu 센서(좌), 6축 imu센서(우))
IMU(Inertial Measurement Unit)은 직역하면 ‘관성 측정 장치’이다. 관성을 측정하여 최종적으로 구하고자 하는 값은 물체가 기울어진 각도를 정확하게 측정하는 것이다.
또한 자이로스코프/가속도계/지자기센서로 구성된 센서를 뜻합니다.
종류에 따라 자이로스코프 가속도계만 있는 6축센서, 자이로스코프와 가속도계 지자기센서까지 포함한 9축센서도 있다.
각 센서는 관성을 이용해 물리량을 측정하는데, 이 장치로부터 이용할 수 있는 물리량은 아래와 같다.
자이로스코프는 각속도(rad/s)를 측정하고 시간당 몇도(degree)를 회정했는지가 필요할 때 사용한다.
가속도계는 가속도(m/s^2)를 측정하고 초기값을 계산할 때 중력 가속도를 분해하여 얼마나 기울어졌는지를 측정하는데 사용한다. 또한 속도와 이동거리를 가속도를 적분해서 사용할 수 있다.
지자기 센서는 지자기(magnet)를 측정한다. 자북을 기준으로 자기선속의 세기를 측정하여 자북을 기준으로 얼마나 틀어졌는지를 측정한다.
IMU 는 어디에 사용되는 물건일까요?
자이로 센서는 크게 IMU(관성측정장치)와 AHRS(센서융합기)로 나뉘어집니다.
IMU는 보정되지 않은 센서의 순수한 X, Y, Z축 각속도, 가속도, 지자기값 을 출력해 주고 Roll, Pitch, Yaw는 자기가 알아서 구해야 합니다.
AHRS는 위의 IMU모듈을 포함하여 MCU를 포함합니다. MCU에선 센서들의 데이터를 이용하여 보정과 필터링을 거친 정확한 Roll, Pitch, Yaw 값을 계산해 줍니다.
INS(Inertial Navigation System) 관성항법장치라는 것도 있습니다. 비행기나 우주선이 안전하게 목적지에 도달할 수 있는 것은 이 INS 덕분이라는데요. INS는 IMU를 활용하여 이동체의 위치를 분석하는 시스템입니다. 즉, IMU가 자세측정만을 한다면 INS는 자세측정 및 이동거리까지 분석하기 위해 필요한 시스템입니다.
IMU(Inertial Measurement Unit)는 관성을 측정하여 최종적으로 구하고자 하는 값은 물체가 기울어진 각도를 정확하게 측정하는 관성 측정 장치입니다. 또한 자이로스코프(각속도계)/가속도계/지자기센서로 구성된 센서를 뜻합니다. 사람의 감각 기관 중 귀속의 세반고리판 같은 역할을 하는데 이 장치에서 얻어진 데이터로 물체의 움직임을 읽어냅니다. 비행기와 선박 그리고 우주선과 위성에도 활용되고 있으며 유도미사일의 핵심부품이기도 합니다.
종류에 따라 자이로스코프 가속도계만 있는 6축센서, 자이로스코프와 가속도계 및 지자기센서까지 포함한 9축센서도 있습니다. 각 센서는 관성을 이용해 물리량을 측정하는데, 이 장치로부터 이용할 수 있는 물리량은 아래와 같습니다.
자이로스코프는 각속도(rad/s)를 측정하고 시간당 몇도(degree)를 회전했는지 가 필요할 때 사용합니다.
가속도계는 가 속도(m/s^2)를 측정하고 초기값을 계산할 때 중력 가속도를 분해하여 얼마나 기울어졌는지 를 측정하는데 사용한다. 또한 속도와 이동거리를 가속도를 적분해서 사용할 수 있습니다.
지자기 센서는 지자기(magnet)를 측정합니다. 자북을 기준으로 자기선속의 세기를 측정하여 자북을 기준으로 얼마나 틀어졌는지 를 측정합니다.
가속도 센서
가속도 센서는 Accelerometer로 말 그대로 ‘가속도를 측정하는 센서’입니다. 가속도 센서가 3축이라 함은 센서가 3차원에서 움직일 때 x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있습니다. 가속도 센서는 가만히 정지한 상태에서 중력가속도를 감지하므로 z축 방향으로 -g만큼의 값을 출력합니다. 가속도 센서가 물체의 기울어진 각도도 측정하는데.. 움직이는 물체와 견고하게 센서가 장착되어있는 상태에서 시작합니다. 센서의 초기 출력은 모두 0으로 설정합니다. 이 상태에서 물체를 y축 방향으로 45도 기울이면, 기울어진 상태에서 z축 방향으로 동일한 값의 가속도가 측정됩니다.
위 그림처럼 중력방향으로 G=0.707만큼의 힘이 작용하니 x축과 z축방향으로 나뉘어 힘이 출력됩니다. 따라서 z축과 x축 값의 비율을 atan으로 계산하면 결과값이 45도, 즉 기울어진 각도를 알 수 있게 됩니다. 가속도센서를 이용해서 각도를 측정하는 방법은 위와 같으나 정지된 상태에서 물체가 움직이기 시작하면 그 때 측정되는 값은 기울기를 나타내지 않을 수도 있습니다. 예를 들어 45도 기울어진 위와 같은 상태에서 오른쪽으로 가속을 해본다고 가정하면 x축과 z축에서 측정되는 가속도는 변하게 됩니다. 따라서 중력 가속도이 적용되는 상태가 아닌 이동에 의한 가속도가 센서에 측정이 되면서 위같은 방식으로 계산하게 되면 45도값은 나올 수가 없습니다. 즉, 움직임이 생기면 어느 한쪽 방향으로 가속도가 생기게 되어 결과적으로 중력에 의해 측정되는 가속도 값과 구분이 안되게 됩니다. 정지하지 않은 움직임 상태에서는 가속도센서로 기울기 값을 측정할 수 없습니다.
자이로 센서
가속도 센서로 x, y, z 방향으로 진행정도를 알 수 있었다면, 자이로센서는 회전의 변화량 즉 각속도를 측정하는 센서입니다. (각속도는 초당 회전하는 각도 w=[rad/s])
주로 비행기 제어에 많이 쓰이며 , x축으로의 회전을 Roll(말려있음), y축은 Pitch(내던지다.), z축은 Yaw(기울어지다.)라고 부릅니다.
자이로센서는 중력을 이용하여 ‘코리올리힘’을 검출합니다. (코리올리 힘 : 회전하는 계에서 느껴지는 관성력)
코리올리 힘을 검출하는 원리를 간단하게 설명하자면 중력이 가해질 때 진동속도가 변화하는 것을 각속도로 계산하여 질량과 진동속도를 통해 값을 측정합니다.
▶ 각속도가 측정되는 방식
수평한 자세를 유지하고 정지해있는 상태에서 각속도는 0도/sec 입니다.
이 물체가 10초동안 50도만큼 기울어진다고 하면 이 10초동안은 0이 아닌 각속도 값을 가지게 됩니다.10동안의 평균 가속도는 5도/sec가 됩니다.
기울어지는 동작을 한 후 다시 멈춰서 50도를 유지합니다. 좀 지나서 다시 각속도가 0도/sec가 됩니다.
각속도에서 각도를 구하려면 전체 시간에 해당하는 만큼 적분을 해야 합니다.
자이로센서는 각속도를 출력으로 내보내기 때문에 전체 시간동안 이 각속도를 적분하면 기울어진 각도를 계산할 수 있습니다.
문제는 센서에서 측정되는 각속도는 노이즈나 다른 이유들에 의해 측정값에 계속 작은 에러가 발생하는데, 이 오차가 적분시에는 누적이 되어서 최종 값이 오차가 커져 기울기 값이 변하게 됩니다. 이 오차를 보상하는 방법은 지자기 센서를 활용하는 것입니다.
자이로는 온도가 변하면 그 값이 같이 변하는 특성도 존재합니다. 그래서 정확한 출력을 계산해야할 경우 온도 센서도 함께 사용해서 오차를 보상해야 합니다.
그래서 각도 측정센서를 찾아보면 보통 가속도센서, 자이로센서, 지자기센서, 온도센서를 내장한 9축 자세 측정센서라고 합니다.
지자기 센서
지자기센서를 통해 자이로센서의 오차를 최대한 보정해 줍니다.
비행기를 예를 들어 보겠습니다.
로봇의 자세를 의미하는 각도는 롤, 피치, 요(Roll, Pitch, Yaw)로 나타냅니다. 비행기의 항법 장치에 필수적인 요소이기도 합니다. 요는 z축 방향 회전을 의미하고, 롤은 좌우로 회전하는 것을 의미합니다. 좌우라고 표현하니까 헷갈릴 수도 있는데, 자동차를 기준으로 생각해 본다면 코너를 돌때 한쪽 방향으로 쏠려서 기울어지는 것을 롤이라고 합니다. 마지막 피치는 자동차가 브레이크를 잡아서 앞으로 쏠릴때 기울어지는 방향을 의미합니다. 이러한 자세 측정에는 그 기준이 있습니다. 즉, 중력방향을 기준으로 얼마나 기울어져 있는지를 나타내는 값이 롤과 피치입니다. 롤과 피치를 측정하기 위해 사용하는 센서가 바로 가속도 센서와 자이로 센서입니다.
관성 측정 장비
관성 측정 장치(IMU)는 가속도계와 회전 속도계, 때로는 자력계의 조합을 사용하여 신체의 특정한 힘, 각도 비율 및 때로는 신체를 둘러싼 자기장을 측정하고 보고하는 전자 장치이다. . IMU는 일반적으로 무인 항공기(무인 항공기)를 포함한 항공기와 인공위성과 육지를 포함한 우주선을 조종하는 데 사용된다. 최근의 개발은 IMU를 사용할 수 있는 GPS장치의 생산을 가능하게 한다. IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS-신호를 사용할 수 없을 때 GPS수신기를 사용할 수 있도록 한다.[1]
작동 원리 [ 편집 ]
관성 측정 장치는 하나 이상의 가속도계를 사용하여 선형 가속도를 감지하고 하나 이상의 자이로스코프를 사용하여 회전 속도를 감지함으로써 작동한다. 어떤 것들은 또한 표제 참조로 사용되는 자기 측정기를 포함한다. 일반적인 구성에는 피치, 롤링 및 요 세 가지 차량의 각 축에 대해 축 하나당 속도계, 자이로 및 자기 측정기가 하나씩 포함된다.
이용 [ 편집 ]
IMU는 종종 초기 IMU측정을 이용하여 글로벌 기준 프레임에 대한 자세, 각도 비율, 선형 속도 및 위치를 계산하는 관성 항법 시스템에 통합된다. IMU가 장착된 INS는 유인 항공기, 미사일, 선박, 잠수함, 위성과 같은 많은 상업용 및 군사용 차량의 항법과 통제의 중추를 이룬다. IMU는 또한 무인 시스템의 안내와 제어에 있어 필수적인 요소이다. 태도라는 개념과 헤딩 참조 시스템은 IMU를 이용한다. 자기 북쪽에 상대적인 방향으로 차량 자세를 계산한다. IMU의 센서에서 수집된 데이터는 컴퓨터가 추측 항법(dead reckoning)이라고 알려진 방법을 사용하여 우주선의 위치를 추적할 수 있게 해준다.
육지 차량의 경우 IMU가 GPS기반 차량 내비게이션 시스템 또는 차량 추적 시스템에 통합될 수 있으므로 시스템의 계산이 잘못되고 최대한 많은 데이터를 수집할 수 있다. 차량의 현재 속도, 회전 속도, 방향, 기울기 및 가속도에 대한 데이터를 차량의 휠 속도 센서 출력 및 가능한 경우 후진 기어 신호와 조합하여 더 나은 교통 충돌 분석과 같은 목적으로 사용한다.
항법 목적 외에도 IMU는 많은 소비자 제품에서 방향 센서 역할을 한다. 거의 모든 스마트 폰과 태블릿에는 IMU가 방향 센서로 포함되어 있다. 또한 피트니스 추적기 및 기타 웨어러블에는 달리기와 같은 모션 측정을 위한 IMU가 포함될 수 있다. IMU는 또한 실행과 관련된 특정 매개 변수의 특수성과 민감성을 확인함으로써 이동 중일 때 개인의 개발 수준을 결정할 수 있는 능력이 있다. 닌텐도 Wii의 리모컨과 같은 일부 게임 시스템은 움직임을 측정하기 위해 IMU를 사용한다. 저가 IMU는 소비자 드론 산업의 확산을 가능하게 했다. 또한 스포츠 기술(기술 훈련)[2]및 애니메이션 용도로도 자주 사용된다. 그들은 모션 캡처 기술에 사용하기 위한 경쟁 기술입니 I[3]MU는 Segway Personal Transporter에서 사용되는 균형 기술의 핵심이다.
항해에서 이용 [ 편집 ]
우주선의 현대적 관성 측정 장치.
항법 시스템에서 IMU가 보고한 데이터는 자세, 속도 및 위치를 계산하는 프로세서에 입력된다. Strap Down Inertial System이라 불리는 일반적인 구현에는 자이로스코프의 각도 비율이 통합되어 각도 위치를 계산한다. 이것은 자세를 추정하기 위해 칼만 필터에서 가속도계에 의해 측정된 중력 벡터와 융합된다. 자세 추정은 가속 측정을 관성 참조 프레임 (관성 항법이라는 용어)으로 변환하여 선형 속도를 얻기 위해 한 번 통합되고 선형 위치를 얻기 위해 두 번 통합된다.[4][5][6]
예를 들어, 특정 방향 벡터를 따라 움직이는 비행기에 설치된 IMU가 비행기의 가속도를 1 초 동안 5m / s2로 측정하는 경우 1 초 후에 안내 컴퓨터는 비행기가 5m / s이며 초기 위치 (v0 = 0이고 시작 위치 좌표 x0, y0, z0)로 2.5m가되어야한다. 기계적 종이지도 또는 디지털지도 보관소 (지도 시스템 위치 출력이 종종 기준점으로 사용되어 움직이는 지도가 나오기 때문에 출력이 일반적으로 움직이는지도 디스플레이로 알려진 시스템)과 결합 된 경우 안내 시스템에서 다음을 사용할 수 있다. 이 방법은 비행기가 GPS 네비게이션 시스템처럼 특정 순간에 지리적으로 위치하는 조종사를 보여주기 위함이지만 위성이나 육상 라디오 트랜스 폰더와 같은 외부 구성 요소와 통신하거나 통신 할 필요가 없지만 외부 소스 관성 항법 시스템에 의해 허용된 위치 갱신 빈도가 더 높을 수 있기 때문에 맵 디스플레이상의 차량 움직임은보다 매끄럽게 감지 될 수 있다. 이 네비게이션 방법은 데드 레커닝 (dead reckoning)이라고 한다.
가장 초기의 유닛 중 하나는 Ford Instrument Company가 USAF를 위해 설계하고 제작한 것으로 항공기 외부에서 아무런 입력없이 항공기가 비행 중에 이동할 수 있도록한다. 지상 포지션 인디케이터 (Ground-Position Indicator)라고 불리는이 조종사는 조종사가 이륙시 항공기 경도와 위도를 입력하면 조종사에게 지상과 관련하여 항공기의 경도와 위도를 표시한다.[7]
단점 [ 편집 ]
IMU를 네비게이션에 사용하는 주된 단점은 일반적으로 누적된 오류로 고통 받는다는 것이다. 가이던스 시스템은 속도와 위치를 계산하기 위해 가속도를 시간에 대해 지속적으로 통합하므로 (추측 항법 참조) 모든 측정 오류는 시간이 지남에 따라 누적된다. 이것은 ‘드리프트 (drift)’로 이어진다. 시스템이 위치한다고 생각하는 위치와 실제 위치가 계속해서 차이가 난다. 적분으로 인해 가속도에 일정한 오차가 발생하면 속도의 선형 오차와 위치의 2 차 오차 증가가 발생한다. 자세율(attitude rate)의 일정한 오차는 속도의 2차 오차와 위치의 3차 오차 증가를 초래한다.[8]
GPS와 같은 위치 추적 시스템[9]은 드리프트 오류를 지속적으로 교정하는 데 사용할 수 있다(칼만 필터 적용).
TIMU (타이밍 및 IMU) 센서 [ 편집 ]
DARPA의 Microsystems Technology Office (MTO) 부서는 절대 위치 추적을 수행하는 “TIMU”( “타이밍 및 관성 측정 장치”) IC를 설계하기 위한 Micro-PNT(“위치 결정, 탐색 및 타이밍을 위한 마이크로 기술” GPS 지원 탐색 기능이 없는 단일 칩“)이다.[10][11][12]
Micro-PNT는 매우 정확한 마스터 타이밍 클럭[13]을 IMU(관성 측정 장치)칩에 통합하여 “TIMU”(“타이밍 및 관성 측정 장치”) 칩으로 만든다. 따라서 Micro-PNT 용 TIMU 칩은 3 축 자이로스코프, 3 축 가속도계 및 3 축 자력계가 통합되어 있다. 고정밀 마스터 타이밍 클럭과 함께, 그것은 동시에 추적 된 움직임을 측정하고 이를 동기화 된 클록의 타이밍과 결합한다. 센서 퓨전을 사용하면 외부 송신기 또는 트랜시버 없이도 절대 위치 추적이 가능하다.[10][11]
IMU 성능 [ 편집 ]
응용 프로그램 유형에 따라 매우 다양한 종류의 IMU가 있으며 성능 범위는 다음과 같다.[14]
자이로스코프의 경우 # 0.1 ° / s ~ # 0.001 ° / h
가속도계의 경우 # 100 mg에서 # 10 μg까지
센서 오류 [ 편집 ]
자이로스코프 및 가속도계 센서의 동작은 종종 적절한 측정 범위와 대역폭이 있다고 가정할 때 다음 오류를 기반으로 한 모델을 통해 나타난다.
오프셋 오류: 이 오류는 안정성 성능 (센서가 불변 조건에서 유지되는 동안 드리프트)과 반복성 (두 조건 사이의 다양한 조건으로 구분 된 유사한 조건에서의 두 측정 간의 오차)
축척 비율 오류: 사용 불가능 및 비선형성으로 인한 첫 번째 주문 감도 오류
정렬 불량 오류: 기계 장착 불량으로 인한 오류
교차 축 감도: 센서 축에 직각 방향의 축을 따라 요청에 의해 유도되는 기생 측정
노이즈: 원하는 동적 성능에 따라 다름
환경 민감도: 주로 열 구배 및 가속도에 대한 민감도
이러한 모든 오류는 각 센서 기술에 특정한 다양한 물리적 현상에 달려 있다. 목표로 하는 애플리케이션에 따라 적절한 센서 선택을 할 수 있도록 하려면 단기간 및 장기간에 걸쳐 안정성, 반복성 및 환경 감도 (주로 열적 및 기계적 환경)와 관련된 요구 사항을 고려하는 것이 매우 중요한다. 애플리케이션의 목표 성능은 센서의 절대 성능보다 더 낫다. 그러나 센서 성능은 시간에 따라 정확도가 다소 달라 반복적으로 적용될 수 있으므로 평가하고 보정하여 성능을 향상시킬 수 있다. 이 실시간 성능 향상은 센서 및 IMU 모델 모두를 기반으로 한다. 이러한 모델에 대한 복잡성은 필요한 성능 및 고려 된 적용 유형에 따라 선택된다. 이 모델을 정의하는 기능은 센서 및 IMU 제조업체의 노하우의 일부이다. 센서 및 IMU 모델은 다축 턴테이블 및 기후 챔버를 사용하는 전용 교정 시퀀스를 통해 공장에서 계산된다. 개별 제품에 대해 계산되거나 전체 프로덕션에 대해 일반일 수 있다. 보정은 일반적으로 센서의 성능을 최소 20년 이상 향상시킨다.
IMU 어셈블리 [ 편집 ]
혹독한 조건에서 작동하도록 설계된 고성능 IMU 또는 IMU는 충격 흡수 장치에 의해 정지되는 경우가 많다. 이 충격 흡수 장치는 세 가지 효과를 습득해야 한다.
기계 환경 유도로 인한 센서 오류 감소
충격이나 진동으로 센서가 손상 될 수 있으므로 보호하십시오.
제한된 대역폭 내에서 기생 IMU 이동을 포함하며, 처리가 이를 보상 할 수 있다.
정지된 IMU는 혹독한 환경에 제출 된 경우에도 매우 높은 성능을 제공한다. 그러나 이러한 성능에 도달하려면 세 가지 주요 결과 동작을 보완해야 한다.
coning : 두 개의 직각 회전에 의해 유발되는 기생 효과이다.
sculling : 회전에 직각 인 가속도에 기생하는 기생 효과
원심 가속 효과.
이러한 오류를 줄이면 IMU 설계자가 처리 주파수를 높이게 되어 최근의 디지털 기술을 사용하는 것이 더 쉬워진다. 그러나 이러한 오류를 제거할 수 있는 알고리즘을 개발하려면 센서 / IMU 설계에 대한 깊은 관성 지식과 강력한 친밀도가 필요한다. 반대로, 정지가 IMU 성능 향상을 가능하게 하는 경우 크기와 질량에 부작용이 있다.
에 로봇 공학 , 센서는 무시할 수없는 필수적인 역할을하는 핵심 요소입니다. 이들은 주변과 연결되는 인터페이스를 제공하는 것과 같은 기능으로 인해 매우 중요합니다. 이것이 다른 응용 분야에 대해 다른 범위에서 사용할 수있는 이유입니다. 전류 센서, 전압 센서, 속도계, 광 센서 , 그리고 마지막으로 IMU 센서. 이 기사에서는 관성 측정 장치로 알려진 IMU 센서의 개요를 설명합니다.
IMU 센서 란 무엇입니까?
IMU 센서는 자이로 스코프, 자력계, 가속도계와 같은 3 개의 센서를 혼합하여 얻을 수있는 신체의 정확한 힘, 각속도 및 신체의 방향을 계산하고보고하는 데 사용되는 전자 장치입니다. 이 센서는 일반적으로 UAV (무인 항공기)를 포함한 항공기, 다른 여러 항공기 및 착륙선과 위성으로 구성된 우주선을 계획하는 데 사용됩니다. 현대적인 개발은 IMU 기반 GPS 장치의 제조를 허용합니다.
이뮤 센서
이러한 센서를 사용하면 건물, 터널 내에서와 같이 GPS 신호를 사용할 수 없을 때 또는 전자 간섭이있을 수있는 경우 GPS 수신기가 작동 할 수 있습니다. WIMU는 무선 IMU 센서에 불과합니다.
작동 원리
IMU 센서 장치는 하나 이상의 가속도계를 사용하여 선형 가속을 감지하여 수행 할 수 있으며 하나 이상의 자이로 스코프를 사용하여 회전 속도를 감지 할 수 있습니다. 일부는 표제 참조로 사용할 수있는 자력계도 포함합니다. 이 센서에는 롤, 요 및 피치와 같은 3 개 차량 축 각각에 사용되는 각 축에 대해 자이로, 가속도계 1 개 및 자력계가 포함 된 몇 가지 일반적인 구성이 포함됩니다.
IMU 센서가 사용됩니까?
힘, 자기장 및 각속도를 측정합니다. 이 센서에는 3 축이 포함됩니다. 가속도계 그리고 자이로 스코프. 따라서 이것은 6 축 IMU 센서로 측정됩니다. 이들은 또한 추가 3 축 자력계를 포함 할 수 있으므로 9 축 IMU로 간주 할 수 있습니다.
공식적으로 IMU라는 이름은 센서 일 뿐이지 만 센서 융합과 같은 소프트웨어와 자주 연결됩니다. 이 센서는 수많은 센서의 데이터를 병합하여 방향 및 방향 측정을 제공합니다. 일반적으로이 센서는 AHRS (Attitude Heading Reference System)라고도하는 센서 및 센서 융합 소프트웨어의 혼합을 나타내는 데 사용할 수 있습니다.
응용
MIU 센서의 용도는 다음과 같습니다.
이 센서는 내에서 방향을 결정하는 데 사용됩니다. GPS 시스템.
이 센서는 휴대폰, 비디오 게임의 리모컨과 같은 사용자 전자 장치 내에서 움직임을 추적하는 데 사용됩니다.
이 센서는 안테나와 같은 장비의 위치를 지원하고 계산하기 위해 산업에서 사용됩니다.
이 센서는 조종사없이 또는 조종사와 함께 항공기 조종을 지원합니다.
IMU는 비행 및 소비자 영공의 엔터테인먼트 시스템에 사용되어 리모컨의 접촉에 편리함을 더합니다.
미래에는 GPS, RF, 다루는 이를 통해 실내 및 실외에서 시민, 장비 및 차량의 정확한 위치를 파악할 수 있습니다.
따라서 이것은 IMU 센서에 관한 것입니다. 익숙한 센서의 융합 소프트웨어와 결합하여 자기장, 각속도 및 가속도를 계산합니다. 이 센서는 방향, 동작 및 방향을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 소비자 전자 제품 및 산업 분야에 적용됩니다. IMU 센서의 장점은 무엇입니까?
IMU MEMS 센서(Gyroscope + Accelerometer)
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MEMS 란?
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 라고 한다. 센서의 기술이 발달함에 따라 기계식 센서를 실리콘다이와 같은 반도체 안에 구현한 초소형 센서들을 말한다.
MEMS 중 주변에서 쉽게 사용할 수 있는 것이 드론에서 사용하는 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성측정장치) 센서이다. IMU 센서에는 보통 가속도계(Accelerometer), 각속도계(Gyroscope), 지자계(Magnetometer)가 한 센서에 일체형으로 들어가 있다.
가속도계는 직선운동에 대한 가속도값을 측정하고, 각속도계는 회전운동에 대한 각도 변화율을 계산하여 자세를 측정하는 용도로 사용된다.
아래 링크는 IMU MEMS 센서를 쉽게 설명한 자료이다. 센서의 물리적인 동작원리가 포함되어 있으므로 참고하기 바란다.
What is MEMS? Accelerometer, Gyroscope & Magnetometer with Arduino
IMU MEMS 센서의 종류
A Guide To using IMU (Accelerometer and Gyroscope Devices) in Embedded Applications.
아래부터는 위 사이트의 설명을 이해하기 쉽도록 요약하는 것으로 정리한다.
1. Accelerometer
1) 개요
– 직선운동에 대한 가속도의 값을 측정하는 센서이다.
– 3축으로 되어 있으며 가속도 센서의 각 축의 방향은 아래 그림과 같다. 오른손 법칙에서 검지(x축), 중지(y축), 엄지(z축)으로 나타낼 수 있다. 빨간색으로 표시된 부분이 + 방향이다.
큐브상자에 공이 있다고 가정하자.
우주와 같이 중력이 작동하지 않는 공간에서는 3축 모두 0의 값을 가진다.
지구에서는 1g(9.8㎨) 만큼의 중력이 바닦을 향하고 있으므로 Z축 방향으로 -1g의 값을 가지게 된다.
갑자기 상자를 X축 방향으로 1g 만큼 당기게 되면 관성에 의해서 당기는 쪽과 반대방향으로 1g만큼의 힘을 받게 된다.
상자를 45도 만큼 기울이게 되면 X와 Z축 방향으로 공이 벽에 닿으면서 각각 0.7g(1/√2)만큼의 힘을 받게 된다.
Accelerometer 내부에는 이 공의 역할을 담당하는 금속성 센서가 들어 있고 센서의 기울기에 따라 3축 가속도 값을 측정한다.
2) 가속도값 계산
Accelerometer의 측정값을 계산하기 위해 다음 그림과 같이 정의한다.
– Vector R: Accelerometer가 측정할 가속도 벡터
– Rx : Vector R을 X축에 투영한 Vector
– Ry : Vector R을 Y축에 투영한 Vector
– Rz : Vector R을 Z축에 투영한 Vector
R^2 = Rx^2 + Ry^2 + Rz^2
따라서 Vector R은 Rx, Ry, Rz의 조합으로 구할 수 있다.
그럼 Rx, Ry, Rz는 어떻게 구하는가?
앞에서 살펴본 것과 같이 Accelerometer는 각 축의 가속도 크기를 측정해주므로 각 축의 가속도값을 알면 Vector R의 가속도 값을 알 수 있는 것이다.
Rx(g) = (AdcRx * ADC_LSB – V0 ) / Sensitivity
Ry(g) = (AdcRy * ADC_LSB – V0 ) / Sensitivity
Rz(g) = (AdcRz * ADC_LSB – V0 ) / Sensitivity
AdcRx는 AD 변환된 각 축의 가속도 출력값이다. 이 값을 ADC_LSB곱하면 Vref에 대한 Voltage 레벨이 되고 거기서 V0를 뺀 값을 Sensitivity로 나누어주면 가속도의 단위값으로 변환이 가능하다. Sensitity는 V/g 의 민감도이다.
3) 각도값 계산
3축 Accelerometer를 이용하여 각도값을 계산할 수 있다.
Vector R과 Rx, Ry, Rx사이의 각도값을 DCT(Direc Cosine Transform)을 이용하여 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Rx/R = cos(Axr)
Ry/R = cos(Ayr)
Rz/R = cos(Azr)
각 축의 각도는 Vector R을 기준으로 각 축으로 프로젝션된 값 Rx, Ry, Rz값의 arccos값이다.
Rx, Ry, Rz는 앞에서 구했고, R의 값도 Rx, Ry, Rz로 구할 수 있으니 각속도도 계산이 가능하다.
Axr = arccos(Rx/R)
Ayr = arccos(Ry/R)
Azr = arccos(Rz/R)
2. Gyroscope
1) 개요
– 각도 변화율을 이용하여 각속도를 측정하는 센서이다.
– 각속도를 알면 회전하는 물체의 각도를 알 수 있으므로 자세측정 센서의 역할을 한다.
– 회전운동을 측정하기 위한 것으로 처음에는 디스크 기반의 기계식으로 만들어졌다.
– 주로 이동체의 항법장치로 사용되며 Roll, Pitch, Yaw의 3축으로 구성되어 있다. 앞 서 설명한 Accelerometer의 오른손 좌표계를 Roll 방향으로 뒤집으면 동일한 좌표계가 된다.
2) 각도 변화율 계산
아래 좌표에서 R을 X-Z평면에 프로젝션한 것을 Rxz, Y-Z평면에 프로젝션한 것을 Ryz, X-Y평면에 프로젝션한 것을 Rxy라 한다.
Z축과 Rxz사이의 각도를 Axz, Z축과 Ryz사이의 각도를 Ayz라 하자.
Y축을 중심으로 회전한다고 가정하자. 그러면 X축과 Z축이 회전하게 된다.
Z축 중심으로 Rxz의 각도(Axz)의 변화가 생기는데 t0에서 t1시간까지의 각도 변화는 아래와 같이 계산할 수 있다.
Axz_rate = (Axz1 – Axz0) / (t1-t0)
Gyzo는 각도변화율을 ADC값으로 출력해주므로 deg/sec의 단위로 변환하면 다음과 같이 계산할 수 있다.
Axz_rate = (GyroXZ * ADC_LSB – Vo_rate)/Sensitivity
Ayz_rate = (GyroYZ * ADC_LSB – Vo_rate)/Sensitivity
Axy_rate = (GyroXY * ADC_LSB – Vo_rate)/Sensitivity
GyroXZ는 Y축의 회전각도 변화, GyroYZ는 X축의 회전각도 변화, GyroXY는 Z축의 회전각도 변화를 나타낸다. t1-t0sms ADC의 sample rate이므로 sample rate를 나누어 주면 각도 변화율이 된다. 이 값을 전압값으로 환산하고 다시 각도값으로 환산하면 각도 변화율을 구할 수 있다.
V0_rate는 각속도 변화가 없을 때 출력되는 전압값이다. Sensitivity는 mV/dps 즉, 1초당 회전각도에 대한 전압값을 mV로 표현한 출력감도이다.
다음번에는 실제 IMU MEMS 센서를 사용해보고 각도 및 가속도값을 확인해볼 예정이다.
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관성 측정 단위
이 주제에 대한 자세한 내용은 관성 항법 시스템을 참조하십시오.
전자 기기
아폴로 관성 측정기
관성 기준 적분 자이로스(IRIGs, Xg, Yyg, Zg) 감지 자세 변화 및 펄스 적분 펜더러스 가속도계(PIPA, Xa, Ya, Za) 감지 속도 변화를 감지하는 아폴로 IMU
관성측정장치(IMU)는 가속도계, 자이로스코프, 그리고 때로는 자력계의 조합을 사용하여 물체의 특정한 힘, 각도 속도, 그리고 때로는 물체의 방향을 측정하고 보고하는 전자 장치이다. IMU는 일반적으로 오토바이, 미사일, 항공기(자세 및 방향 참조 시스템), 무인항공기(UAV)를 포함한 현대 차량과 인공위성 및 착륙선을 포함한 우주선을 조종하는 데 사용된다. 최근의 개발은 IMU 대응 GPS 장치 생산을 가능하게 한다. IMU를 사용하면 터널, 건물 내부 등 GPS 신호를 사용할 수 없는 경우 또는 전자 간섭이 존재하는 [1]경우 GPS 수신기가 작동할 수 있습니다.
동작 원리
프랑스 IRBM S3의 관성 항법 장치입니다.
관성측정유닛은 하나 이상의 가속도계를 사용하여 직선가속도를 검출하고 하나 이상의 자이로스코프를 [2]사용하여 회전속도를 검출함으로써 동작한다. 일부에는 머리글 참조로 일반적으로 사용되는 자력계도 포함되어 있습니다. 일반적인 구성에는 피치, 롤 및 요의 세 가지 주요 축 각각에 대해 축당 가속도계, 자이로 및 자력계가 하나씩 포함되어 있습니다.
사용하다
IMU는 종종 관성 항법 시스템에 통합되며, 관성 항법 시스템은 원시 IMU 측정을 활용하여 자세, 각도 속도, 선형 속도 및 전역 기준 프레임에 대한 위치를 계산합니다. IMU가 장착된 INS는 승무원 항공기, 미사일, 선박, 잠수함 및 인공위성과 같은 많은 상업 및 군용 차량의 항법 및 제어를 위한 중추 역할을 합니다. IMU는 또한 UAV, UGV 및 UUV와 같은 미가공 시스템의 안내 및 제어에 필수적인 구성 요소이다. 자세 및 방향 참조 시스템이라고 하는 간단한 버전의 INS는 IMU를 사용하여 자북을 기준으로 방향 전환을 하는 차량 자세를 계산한다. IMU의 센서로부터 수집된 데이터는 컴퓨터가 데드 어카운팅으로 알려진 방법을 사용하여 우주선의 위치를 추적할 수 있게 해준다.
육상 차량의 경우 IMU를 GPS 기반 차량 내비게이션 시스템 또는 차량 추적 시스템에 통합하면 시스템이 정확한 계산 기능을 제공하고 차량의 현재 속도, 회전 속도, 방향, 기울기 및 가속도에 대한 최대한 정확한 데이터를 수집할 수 있습니다. 더 나은 교통 충돌 분석과 같은 목적을 위해 센서 출력과 후진 기어 신호(가능한 경우)를 제공합니다.
항법 목적 외에 IMU는 많은 소비자 제품에서 방향 센서 역할을 합니다. 거의 모든 스마트폰과 태블릿에는 IMU가 방향 센서로 포함되어 있습니다. 피트니스 트래커 및 기타 웨어러블은 달리기와 같은 움직임을 측정하기 위한 IMU를 포함할 수 있다. IMU는 또한 실행과 관련된 특정 매개변수의 특이성과 민감도를 식별함으로써 이동 시 개인의 발달 수준을 결정할 수 있는 능력을 가지고 있다. 닌텐도 Wii의 리모컨과 같은 몇몇 게임 시스템은 움직임을 측정하기 위해 IMU를 사용한다. 저비용 IMU는 소비자 드론 산업의 확산을 가능하게 했다. 스포츠 테크놀로지([3]기술 트레이닝)나 애니메이션 애플리케이션에도 많이 사용되고 있습니다. 모션 캡처 [4]기술에 사용되는 경쟁 기술입니다. IMU는 Segway Personal Transporter에서 사용되는 밸런싱 기술의 핵심입니다.
내비게이션 중
우주선을 위한 최신 관성 측정 장치입니다.
내비게이션 시스템에서 IMU에 의해 보고되는 데이터는 고도, 속도 [5]및 위치를 계산하는 프로세서에 공급된다. 스트랩 다운 관성 시스템이라고 하는 일반적인 구현은 자이로스코프의 각 속도를 통합하여 각 위치를 계산합니다. 이것은 자세를 추정하기 위해 칼만 필터의 가속도계에 의해 측정된 중력 벡터와 융합됩니다. 자세 추정치는 가속도 측정을 관성 기준 프레임(따라서 관성 항법이라는 용어)으로 변환하는 데 사용되며, 여기서 선형 속도를 얻기 위해 한 번, [6][7][8]선형 위치를 얻기 위해 두 번 통합된다.
만약 IMU는 확실한 방향 벡터 함께 이동하던 비행기에 설치된 예를 들어, 1초에 5m/s2하는 것처럼 그 이후 1초는 유도 컴퓨터 비행기는 5m/s에 및 초기 위치가 2.5m(v0=0을 가정해 알려진 위치 coordinat부터 여행하게 되어야 합니다 추론할 수 있는 비행기의 가속을 측정하도록 있었다.에스 x 0 , y 0 , z 0 ). 기계식 종이 지도 또는 디지털 지도 아카이브(유도 시스템 위치 출력이 종종 기준점으로 취해져 이동 지도가 되기 때문에 출력이 일반적으로 이동 지도 디스플레이로 알려진 시스템)와 결합하는 경우, 안내 시스템은 이 방법을 사용하여 인증에서 비행기가 지리적으로 어디에 위치하는지를 파일럿에게 보여줄 수 있다. GPS 항법 시스템과 마찬가지로 외부 소스는 드리프트 오류를 수정하기 위해 여전히 사용되며 관성 항법 시스템에 의해 허용되는 위치 업데이트 빈도가 높을 수 있으므로 위성이나 육상 무선 트랜스폰더와 같은 외부 구성요소와 통신하거나 통신을 수신할 필요가 없다. er 지도 디스플레이의 차량 움직임이 부드럽게 인식될 수 있습니다. 이 항법 방법은 데드 어카운팅이라고 불립니다.
최초의 장치 중 하나는 USAF를 위해 포드 인스트루먼트 컴퍼니에 의해 설계되고 제작되었으며, 항공기가 항공기 외부에서 입력 없이 비행 중에 항행할 수 있도록 도와준다. 지상 위치 표시기라고 불리는, 조종사가 이륙 시 항공기 경도와 위도에 진입하면, 이 장치는 조종사에게 [9]지면에 대한 항공기의 경도와 위도를 보여준다.
GPS와 같은[10] 위치 추적 시스템을 사용하여 드리프트 오류를 지속적으로 수정할 수 있습니다(칼만 필터 적용).
단점들
내비게이션에 IMU를 사용하는 경우의 주요 단점은 일반적으로 누적 오류가 발생한다는 것입니다. 유도 시스템은 속도와 위치를 계산하기 위해 시간과 관련된 가속도를 지속적으로 통합하기 때문에(사산 참조), 아무리 작더라도 시간에 따라 측정 오류가 누적됩니다. 이로 인해 시스템이 생각하는 위치와 실제 위치 간의 차이가 점점 더 커집니다. 통합으로 인해 가속도의 지속적인 오류는 속도의 선형 오류와 위치의 2차 오류 증가를 초래합니다. 자세율(자이로)의 지속적인 오류는 속도의 2차 오류와 위치의 [11]입방 오차 증가를 초래합니다.
성능
애플리케이션 유형에 따라 매우 다양한 IMU가 존재하며 성능 범위는 [12]다음과 같습니다.
자이로스코프의 경우 0.1°/s ~ 0.001°/h
가속도계의 경우 100 mg에서 10 µg까지.
대략적으로 말하자면, 이것은 수정되지 않은 단일 가속도계의 경우, 가장 저렴한 가속도계(100mg에서)는 약 10초 후에 50미터의 정확도를 잃는 반면, 가장 좋은 가속도계(10µg에서)는 약 17분 [13]후에 50미터의 정확도를 잃는다는 것을 의미한다.
현대식 관성 측정 장치(IMU) 내부의 관성 센서의 정확도는 관성 항법 시스템(INS)의 성능에 더 복잡한 영향을 미칩니다.
센서 오류
자이로스코프 및 가속도계 센서의 동작은 종종 적절한 측정 범위와 대역폭을 가진 것으로 가정하여 다음 오류에 기초한 모델로 나타납니다.
오프셋 오류: 이 오류는 안정성 성능(센서가 불변한 상태로 유지되는 동안 발생하는 오류)과 반복성(사이의 다양한 조건으로 구분된 유사한 조건의 두 측정 사이의 오류)으로 나눌 수 있습니다.
척도 요인 오류: 비반복성 및 비선형성으로 인한 1차 민감도 오류
정렬 오류: 불완전한 기계 장착으로 인한 오류 발생
크로스 축 감도: 센서 축에 직교하는 축을 따라 권유를 통해 유도되는 기생 측정
노이즈: 원하는 다이내믹 퍼포먼스에 따라 다름
환경 감도: 주로 열구배 및 가속에 대한 감도
이러한 모든 오류는 각 센서 기술에 고유한 다양한 물리적 현상에 따라 달라집니다. 대상 애플리케이션에 따라 적절한 센서를 선택할 수 있도록 하려면 안정성, 반복성 및 환경 민감도(주로 열 및 기계 환경)에 관한 요구를 단기 및 장기 모두 고려하는 것이 매우 중요합니다. 애플리케이션의 목표 성능은 대부분의 경우 센서의 절대 성능보다 우수합니다. 그러나 센서 성능은 시간이 지남에 따라 어느 정도 정확도로 반복할 수 있기 때문에 성능을 향상시키기 위해 평가 및 보상할 수 있습니다. 이 실시간 성능 향상은 센서와 IMU 모델을 모두 기반으로 합니다. 이러한 모델의 복잡성은 필요한 성능 및 고려된 애플리케이션 유형에 따라 선택됩니다. 이 모델을 정의하는 기능은 센서와 IMU 제조사 노하우의 일부다. 센서와 IMU 모델은 공장에서 다축 턴테이블과 기후 챔버를 사용하는 전용 교정 시퀀스를 통해 계산됩니다. 각 개별 제품에 대해 계산하거나 전체 생산에 대해 일반화할 수 있습니다. 일반적으로 교정을 통해 센서의 원시 성능이 최소 20년 이상 향상됩니다.
어셈블리
아폴로 IMU 안정 부재
고성능 IMU 또는 가혹한 조건에서 작동하도록 설계된 IMU는 쇼크 업소버에 의해 종종 매달려 있습니다. 이러한 충격 흡수기는 세 가지 효과를 숙달하기 위해 필요합니다.
기계적 환경 요구로 인한 센서 오류 감소
충격이나 진동에 의해 센서가 손상될 수 있으므로 센서를 보호한다.
제한된 대역폭 내에서 기생 IMU 이동을 포함하며 처리로 이를 보완할 수 있습니다.
서스펜드 IMU는 가혹한 환경에서도 매우 높은 퍼포먼스를 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 성능에 도달하려면 다음과 같은 세 가지 주요 결과 동작을 보정해야 합니다.
커넥팅: 2개의 직교 회전에 의해 유발되는 기생 효과
스컬링: 회전에 직교하는 가속에 의해 유발되는 기생 효과
원심 가속 효과
이러한 오류를 줄이면 IMU 설계자가 처리 빈도를 증가시켜 최신 디지털 기술을 사용하는 것이 쉬워집니다. 그러나 이러한 오류를 상쇄할 수 있는 알고리즘을 개발하려면 깊은 관성 지식과 센서/IMU 설계에 대한 강한 친밀성이 필요합니다. 반면 서스펜션이 IMU 성능을 높일 가능성이 높으면 크기와 질량에 부작용이 있다.
무선 IMU는 [14][15][16][17]WIMU라고 불립니다.
「 」를 참조해 주세요.
키워드에 대한 정보 imu 센서 원리
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