IMU(Inertial Measurement Unit) 센서란?

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IMU(Inertial Measuement Unit, 관성측정장치)

= 가속도계(Accelerometer) + 각속도계(Gyroscope) + 지자계(Magnetometer)

 

IMU센서는 일반적으로 가속도계(Accelerometer) 3개와 각속도계(Gyroscope) 3개로 구성하여 6DoF(Degree of Freedom, 자유도)를 제공한다. 일부 모델은 지자계(Magnetometer) 3개를 포함하여 9DoF를 제공하며, 기압계를 포함하여 10DoF를 제공하는 모델도 있다.

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가속도 센서 (Accelerometer)

이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서

 

가속도센서는 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는 것이다. 물체의 운동상태를 상세하게 감지할 수 있으므로 활용 분야가 아주 넓고, 갖가지 용도로 사용되고 있다. 자동차, 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송수단, 공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어서는 필수적인 센서이다. 통신기기 등에 내장하는 가속도센서는 해마다 얇아지며 소형화되는 추세이다.

드론의 경우에는 중력가속도를 이용하여 비챙체의 3축 자세와 속도변화를 감지한다.

가속도계를 통해 얻은 거리정보는 오차를 포함하고 있다. 그러나 오차가 정규분포를 가진다면 상보필터나 칼만필터를 사용하여 신뢰할만한 이동거리를 얻을 수 있다.

가속도센서는 그 형식도 여러 가지가 있다. 검출 방식으로 크게 분류하면 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식이 있는데, 진도계나 경사계 등도 가속도센서의 한 종류로 볼 수 있다.

 

"정전용량식 가속도계"

고정된 구조물과 외력에 의해 움직이는 구조물 사이의 정전용량 변화를 감지하여 가속도를 측정

 

"압전형 가속도계"

크리스탈 혹은 세라믹 압전 물질을 이용하여 압력이 가해질 때 발생하는 전압을 감지하여 측정

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각속도 센서 (Gyroscope)

코리올리 가속도를 통해 각속도를 측정한다. 이때 측정된 각속도를 이용하여 드론의 자세 변화를 계산하고 현재 드론의 자세애 대해 계산합니다. 하지만 자세각의 변화량을 측정하기 때문에 오차가 누적되어 표류(Drift)하기도 하므로 이를 방지하기 위해 가속도 센서와 지자계 센서 등을 병행으로 보정 활용한다.

 

"기계식 자이로스코프"

짐벌 두개와 지지대 위에 고정된 돌림판이나 회전자를 사용한다. 돌림판의 각 운동량에 의해 지지대의 방향이 변하더라도 휠은 원래 방향을 유지하는데 이를 관성 좌표계를 기준으로 두 짐벌 사이의 각도 차이를 측정하는 방식으로 방향의 변화량을 측정한다.

 

"광학 자이로스코프"

사냑 효과라는 물린 이론을 이용한다. 빛을 원형 경로에서 양방향에 동시에 빛을 쏘면 같은 시간에 돌아올 것이다. 하지만 Δt만큼 회전이 발생하면 빛의 도달시간은 달라지는데, 이 차이를 이용하여 각속도를 계산한다.

 

"MEMS 자이로스코프"

참조 : How do MEMS gyroscopes work ? - YouTube

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지자계 센서 (Magnetometer)

이 센서는 IMU에 포함되지 않는 경우도 있다. 지구의 자기장을 통해 자북 방향을 측정하여 비행체의 기수 방향을 감지합니다. 보통 자이로스코프의 Yaw각(z축 회전)을 보정하기 위해 보조로 사용한다. 하지만 센서 특성 상 Roll(y축 회전)과 Pitch(x축 회전)에 대한 제한적 센싱과 주위의 전자기장에 민감하게 반응하므로 용도가 한정적이며 오차 발생 확률이 상대적으로 높다. 로봇에 지자계 센서를 사용한다면 자기장이 발생할 수 있는 위치(철 파트, Actuator, 고전류 라인)에 멀리 떨어뜨려놓아야 한다.

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