가속도 센서 : 가속도센서란 지구의 중력가속도를 기준으로 사물이 얼마만큼의 힘을 받고 있는지를 측정하는 센서이다. Show 즉. 가만히 있을 때 센서에 작용하는 중력 가속도를 X, Y, Z 축으로 벡터 3개로 나누어 크기를 측정. 시간이 지나도 오차에 강함. 가속도센서의 값들은 정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도를 파악하거나 진동을 파악하는데 많이 사용됨 가속도 센서에서 측정되는 X,Y,Z값의 벡터합으로 중력가속도를 나타낼 수 있다. 중력가속도는 X, Y, Z축의 벡터합으로 나타낼 수 있다. 가속도 센서는 바로 이런 분할된 벡터값들을 측정한다. 다시 정리하자면, 중력가속도를 X, Y, Z축으로 성분 분해하여 각 축의 크기를 표시해내는 것. 하지만 지표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없는 단점이 있음이다 è 빨강색 중력가속도는 X,Y,Z 벡터의 합으로 나타낼 수 있다. 이 때의 X, Y, Z 벡터가 가속도 센서의 OUTPUT이 되는 것이다. 이 X, Y, Z 세 개의 벡터를 가지고 각각을 축으로 한 오일러 각을 구할 수 있다. 오일러 각이란 특별한 3축에 대한 회전각으로 정의. 롤, 피치, 요 roll: x축에 대한 회전 (머리 갸웃갸웃) φ pitch: y축에 대한 회전 (머리 끄덕끄덕) θ yaw: z축에 대한 회전 (머리 도리도리) 3축 가속도 센서를 x축을 중심으로 기울여, 바닥과 이루는 θ각을 측정하기 위해, y와 z 벡터값을 tan 적용하였다. Arctan를 이용하여 θ값을 쉽게 구할 수 있다. 이러한 원리를 적용하면 roll = arctan(y/z) pitch = arctan(x/z) 이런 식이다. 그러나 yaw는 구할 수 없다. 왜냐하면 중력가속도 방향과 일치하는 z축에 대한 회전은 감지할 수 없기 때문이다. z축에 대한 회전을 구하기 위해서는 자이로 센서 값이나 자기장 센서 값이 추가로 필요하다. 이 원리를 3차원 좌표계에 적용시켜보면 이러한 식이 나온다. 가속도 센서는 시간이 지나도 오차에 강한 특징을 가지고 있다. 구할 수 없는 Yaw 값을 자이로 센서로 보충할 수 있다. 위치 추정에서 방위각인 Yaw각을 알 수 없으면 ‘위치’가 아닌 ‘이동거리’만을 측정하는 것과 다를 바 없다. 위치 측정에서는 얼마만큼을 이동했느냐도 중요하지만 어느 방향으로 이동했느냐도 필수적인 요인이다. 자이로 센서 : 자이로센서는 각속도 ( 1초에 몇번 움직이는가)를 검출하는 센서. 운동하고 있는, 즉 어떤 속도를 가지고 있는 물건이 회전하면 그 속도 방향과 수직으로 코리올리의 힘이 일한다는 물리현상을 이용하여 각속도를 검출하는 원리이다. 코리올리의 힘: =전향력. 물체가 회전 좌표계에서 운동할 때 나타나는 관성력, 운동 방향과 직각 방향으로 질량과 속도에 비례한 크기의 힘 전향력이라고 불리는 코리올리의 힘은 회전하는 물체에 나타나는 힘을 그 강도는 물체의 속도에 비례하며 힘의 방향은 물체가 움직이는 방향에 수직으로 작용한다. 질량 m에 작용하는 코리올리의 힘 F는 속도 v, 각속도 ω의 벡터곱에 의해서, Fc = 2mv* ω MEMS 자이로 센서는 그 힘(코리올리의 힘)을 측정하여 전기적인 신호로 변환, 각속도를 산출한다. 물체각 V 방향과 반대방향으로 진행하면 각속도 측정이 불가하니 어떤 방향으로 회전력이 가해져도 측정이 가능하도록 반대 방향으로 끊임없이 진동하는 2개의 추를 배치하여 사용하는 방식을 튜닝포크 방식이라 한다. 자이로스코프는 가속도 센서로 측정할 수 없는 방위각과 모든 축에 대한 회전각 정보를 제공한다. 각도의 변화를 측정한다는 것은 어떤 의미일까? 가속 운동을 하는 물체는 항상 직선운동을 한다고 보장할 수 없다. 오르막, 내리막길에서 이동하거나, 코너링을 하며 좌.우로 기울어졌을 때, 그리고 걷거나 뛸 때 진동과 같은 여러가지 요소를 고려해야 한다. 다시 말해서 가속도 센서로 측정할 수 없는 회전운동 요소인 각도(자이로스코프로 각도의 변화(각속도)를 측정하여 적분하고 각도를 산출한다.) 정보를 구할 수 있는 자이로스코프와 직선 운동에서 발생하는 가속도(동적 가속도)를 측정하여 조합하면 이동한 거리와 방향을 알 수 있어 정확한 위치 측정이 가능하다. 특히 자이로스코프는 팽이의 물리적 특성을 가져왔다. 팽이는 외부의 힘이 작용하지 않으면 지표면의 기울기와 상관없이 회전력을 유지하려는 성질(관성)을 지니고 있다. 자이로스코프의 3가지 성질. 방향안정. : 고속으로 회전하는 로터(팽이)에 어떠한 외부적인 힘도 작용하지 않는 경우, 로터의 각 운동량 벡터는 항상 일정하여 최초의 각 운동량 벡터의 방향과 크기는 시간의 흐름과 관계 없이 일정하게 된다. 뉴턴의 운동 제 1법칙에 따라 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 최초의 운동 상태를 유지하려는 성질이 있으며, 회전축의 방향을 바꾸려는 어떤 시도에 대해서도 저항하려는 특성을 갖고 있다. 세차운동 : 로터의 수직축 방향으로 외부의 힘이 작용할 경우에 발생하는 회전반발력. 로터에 수직한 제 3의 수직축 방향에 대해 로터가 회전운동을 한다. 자이로가 탑재된 물체가 회전운동을 하여 세차운동이 나타나면 그 자이로에는 회전 반발력이 생기고, 그 힘을 측정하여 그 값에 비례하는 전기신호를 발생시키는 장치를 추가하여 자이로 센서로 사용한다. 자이로스코프 센서값 이용하여 회전각도 구하기 속력 공식을 이용하여 자이로센서값에서 측정된 각속도로 거리를 구할 수 있다. 속력 = 거리/시간 -> 각속도 = 회전한 각도/시간 속력 * 시간 = 거리 -> 각속도 * 시간 = 회전한 각도 따라서 단위 시간 동안 측정되는 각속도를 이용하여 회전한 각도를 누적하여 더하게 되면 (적분) 회전한 각도를 구할 수 있게 된다. 결론. Gyro는 운동을 유지하고자 하는 성격을 이용하여 물체의 회전감도를 감지하는 센서. 가속도센서단위시간당 속도의 변화를 검출하는 소자. 스마트폰의 가속도센서는 피에조 저항방식(Piezoresistive resistance accelerometer)과 정전용량방식(capacitive accelerometer)의 특징을 가지고 있다.  로봇의 자세를 의미하는 롤, 피치, 요(Roll, Pitch, Yaw)로 나타낸다. 요는 z축의 방향 회전을 의미하고, 롤은 좌우로 회전하는 것을 의미한다. 피치는 앞으로 쏠릴 때, 기울어지는 방향을 의미한다. 이러한 자세측정에는 기준이 있다. 즉 중력방향을 기준으로 얼마나 기울어져있는지 나타내는 값이 롤과 피치 이다. 롤과 피치를 측정하기 위해 사용하는 센서가 가속도센서와 자이로 센서이다. MEMS기술을 통해 칩형태의 센서가 스마트폰에도 많이 장착되어 있다. 가속도 센서 원리 및 구조과거에는 기계식의 센서가 이용되었으나, 현재는 반도체식을 이용한 제품이 주류를 이루고 있다. 기계식 원리 (a)proof mass, 스프링 및 damper로 구성된다. proof mass의 위치 변화로부터 아래식에 따라서 가속도가 구해지는 방법이다. 기계식 가속도 센서는 적은 가속도 범위만을 요구하며, 소형 형상에서는 적절치 못하다. 반도체식 원리(b)물체에 가해지는 가속도의 크기를 출력하는 것으로 축, 2축, 3축 등 축수에 의해서 타입이 나뉘어지며, 검지될 수 있는 범위가 3축 가속도 센서 에서는 x,y,z축 3축 방향의 3차원 공간에서 가속도를 측정할 수 있다. 즉 중력가속도를 기준으로 기울어진 각도와 각 방향의 가속도로부터 물체의 움직임을 검출할 수 있다. 스마트폰의 경사도를 검출하는 것에는 3축 센서가 이용된다. 가속도 검출 원리중력 가속도를 기준으로 물체의 기울어진 각도는 **지구 중력은 수직방향으로 중력가속도 1G**이고, **수평으로 있던 가속도 센서가 기울어지면서 중력에 반응하여 90도, 즉 수직을 이루었을 때 1G가 검출된다**. 따라서 중력가속도는 sin(기울어진 각도)의 관계로 아래 그람과 같이 나타 낼 수 있고, 예를 들어 0.5G 의 중력가속도가 측정되면 기울어진 각도는 30도로 환산될 수 있다. 가속도센서의 검출감도가속도 센서의 검출감도[V/g]는 가속도당 전압변화에 의한 가속도 검출의 감도를 나타내는 것으로 클수록 우수한 가속도 센서를 의미한다. 이들 가속도 센서는 가속도 검출 방식에 따라서 피에조 저항식, 정전용량식, 열분포 검출식, 자기센서 방식 등으로 분류될 수 있으며, 스마트폰의 경우 낮은 중력 가속도 검지가 필요함으로 피에조 저항식과 정전용량식이 주목 받고 있다. 가속도센서의 종류(1)피에조 저항식소자 중앙에 설치된 피에조 저항의 변동을 브릿지 회로로 검출하게 된다. 아래그림과 같이 구성되며 가속도 검출에 필요한 반도체 피에조 저항효과를 이용하고 있다. 피에조 저항효과는 결정에 기계적 외력이 가해지면 결정 격다의 변형을 발생하고, 반도체 중에 캐리어 수와 이동도의 변화를 가져와, 저항 변화를 가져오게 되는 원리를 이용하고 있다. 피에조 저항 소자는 브릿지에 가장 높은 응력 집중 위치에 1축당 4개의 소자, 3축으로 모두 12개의 소자로 구성된다. 가속도에 비례한 신호는 각 축과 4소자로 브릿지 회로를 구성하여 응력에 의한 저항변화를 전압 변화로 검출한다. 가속도 센서에 가속도가 가해지면 아래그림과 같은 proof mass 변화가 발생된다. 즉 x축 및 y축 방향의 가속도에 대하여 브릿지의 피에조 소자 R1,R3에는 인장응력으로 저항은 증가하고 R2,R4에는 압축응력으로 저항이 감소한다. 서로 상반된 저항 변화가 발생된다. Z축으로 변형의 경우는 추가 상하 방향으로 이동하여 R1,R4와 R2,R3가 상반된 저항변화로 읽게 된다. 피에조 저항방식은 구조가 간단하게 제조될 수 있으나, 온도 의존성이 크기 때문에 온도 보상회로가 필요하다. (2) 정전용량식proof mass가 전극들 사이 중앙에 위치하고 있고**, 가속도가 없으면 proof mass 는 중앙에 위치하고 있다가 만일 가속도가 가해자면 중앙의 위치에서 반대편의 전극으로 이동하게 되어 정전용량의 차이를 발생**하게 된다. 정전용량식의 민감도는 정전용량의 변화를 가져오게 되는 면적에 의존함으로 부품의 소형화에 장애가 될 수 있다. 온도특성 낮은 노이즈 특성의 장점을 지니고 있다. proof mass가 가속도가 가해짐에 따라서 전극사이 변화로 정전용량의 변호로부터 가속도를 검지한다. 일반적으로 정전용량 방식으 ㅣ경우 SOI기판을 사용하면 공정수를 피에조 방식보다 줄일 수 있는 이점이 있다. 칩 내부에 가동부분이 있고 전기적 특성의 변화로부터 어떤 방향에서 어떤 가속도가 가해지는가를 검출하게 된다. 가속도 센서 칩이 수평상태의 경우 아래방향으로 1G의 중력이 가해지고있고, 선세가 45도 경사를 갖게되면 0.707G가 된다. 이와 같이 방향에 대하여 미세한 가속도 변화를 검출하게 된다. 가속도 센서로 각도 측정시의 문제점간단히 가속도 센서를 이용해서 각도를 측정하는 방법은 위와 같은데, 간단한 만큼 문제점이 있다. 정지된 상태에서 물체가 움직이기 시작하면, 그 때 측정되는 값은 기울기를 나타내지 않을 수 있다. 예를들어 45도 기울어진 위와 같은 상태에서 오른쪽으로 가속을 해본다고 하면, x축과 z축에서 측정되는 가속도는 변하게 된다. 한쪽값이 커지게 된다. 그러면 이 상태에서 atan에 대입한다고 하더라도 45도 값은 나오지 않게 된다. 즉 움직임이 생겨서 어느 한쪽 방향으로 가속도가 생기게되면 결과적으로 이 값이 중력에 의해 측정되는 가속도 값과 구분이 안되게 된다.
자이로 센서자이로센서는 각속도를 측정한다. 각속도는 시간당 회전하는 각도를 의미하는데 다음의 순서로 측정한다.
1번 2번 3번의 과정을 거치면서, 각속도는 0 → 5 → 0 으로 바뀌었다. 하지만 각도는? 0도에서 점차 증가해서 50도가 되었다. 각속도에서 각도를 구하려면 전체 시간에 해당하는 만큼 적분을 해야한다. 자이로 센서는 이와같이 각속도를 출력으로 내보내기 때문에 전체 시간동안 이 각속도를 적분하면 기울어진 각도를 계산할 수 있다. 그런데 자이로 선세도 문제가 있다. 적분의 문제점이다. 센서에서 측정되는 각속도는 노이즈가 생기든 어떠한 이유에 의해 측정값에 에러가 계속 생기는데, 이 오차가 적분시에는 누적이 되어서 최종값이 드리프트 되는 현상이 생긴다.
정리앞서 가속도센서와 자이로 센서를 이용해서 물체가 기울어진 각도를 측정하는 방법에 대해서 알아보았다. 하지만 각각 문제점이 존재하는데 다음과 같다.
정지상태의 긴 시간의 관점에서 보면 가속도센서에 의해 계산된 기울어진 각도는 올바른 값을 보여주지만, 자이로 센서에서는 시간이 지날수록 틀린 값을 나타낸다.
자이로 센서는 올바른 값을 보여줍니다. 하지만 가속도센서는 기울어진 각도와는 영 다른 계산 값이 나올 것이다. 결론적으로 가속도센서와 자이로센서를 모두 사용해서 각각의 단점을 보상할 수 있는 알고리즘을 적용해서 롤 또는 피치 값을 계산하게 되는 것이다. 많이 적용하는 보상방법 및 필터링으로는 칼만필터를 사용하는 경우가 많이 있다. *부가적인내용 1) Yaw 값 측정은 회전축 z방향, 즉 중력방향과 같다. 따라서 가속도 보다는 자이로 센서의 z축 값을 측정해서 이 값을 이용해서 yaw값을 계산하고, 드리프트되는 오차를 보상하는 센서를 추가적으로 사용한다. 바로 마그네토미터(지자기센서)이다. 3축 지자기 센서를 적용해서 yaw 방향을 측정하는 것이다. 2) 자이로는 온도가 변하면 그 값이 같이 변하는 특성이 있다. 그래서 정확한 출력을 계산해야 할 경우 온도센서도 함께 사용해서 오차를 보상해야한다. 그래서 각도측정 센서를 찾아보면 보통 가속도센서, 자이로센서, 지자기센서, 온도센서를 내장한 9축 자세 측정 센서라고 한다. 3) 선가속도 측정은 중력가속도에서 x축,y축,z축방향으로의 성분을 말한다. 즉 그림2에서 0.5g 의 중력가속도를 갖는 x축방향으로의 선가속도 Vx는 Vx = 0.5g * cos30 이다. 출처 휴대전화기기의 가속도센서기술.pdf 0.66MB -가속도센서 및 자이로센서원리 (https://mechaworld.tistory.com/11) -과학백과사전선가속도(https://www.scienceall.com/선가속도linear-acceleration/) |
3축 가속도 센서 원리 - 3chug gasogdo senseo wonli
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