3-2. 자기 감지 센서

- 자기 자신에 대한 물리적인 현상을 감지하는 센서

ex) 휠 인코더(Wheel encoder), IMU(Inertial Measurement Unit, 관성 측정 장비)

 

💡 휠 인코더 (Wheel encoder)

• 모터의 회전량을 측정하는 센서
• Brush, Optical, Magnetic, Inductive, Capacitative와 같은 다양한 내부 동작 방식이 있으며, 이에 따라 정확도와 정밀도 및 가격의 차이가 남.
• 주로 모터의 회전량을 이용해 로봇의 이동치를 추정하는 용도로 사용됨.
• 가장 간단한 방법으로는 모터에 둘레를 알고있는 바퀴를 장착하여, 둘레 값에 모터의 회전량을 곱해 전체 이동량을 측정할 수 있음.
• 좀 더 개선된 방법으로는 다양한 차량 동특성 모델을 적용하여 보다 정확한 이동치를 구할 수 있음.

- 장점 : 로봇용 모터 및 자동차에는 기본적으로 탑재되어 있어, SLAM을 수행할 시 자기 감지 센서를 쉽게 확보할 수 있음.

- 단점 : 휠 인코더만 사용해 이동량을 추정할 시, 바퀴가 헛돌거나 사전 상정한 차량 도특성 모델에서 벗어날 경우, 오차가 누적될 수 있음. 적재물의 위치가 달라지거나, 강한 회전을 하는 경우 로봇 및 차량의 무게중심이 바뀌어 하중이 골고루 분산되지 못하는 경우 오차가 발생할 수 있음.

 

💡 IMU

• 가속도계, 회전속도계 센서가 혼합된 센서로써, 선형가속도와 회전각속도를 측정할 수 있는 센서
• 종종 자력계도 함께 조합되어 센서를 둘러싼 자기장도 측정할 수 있음.
• 자기 자신에게 가해지는 선형관성 및 회전관성을 측정할 수 있음.

✔️ 현대적인 IMU 시스템 : Spring-Damper 시스템의 원리를 기반으로, 소형 칩의 형태로 이를 구현한 MEMS IMU와 광학적인 특성을 이용한 Optical 시스템으로 분류됨.

- MEMS 시스템 : 스마트폰 및 드론에 탑재되는 소형 IMU에 주로 사용됨

- Optical 시스템 : 좀 더 안정성을 추구하는 차량용 IMU에 사용되는 경우가 많음

 

✔️ 물리적인 변화에 아주 민감한 센서로써, 고성능 IMU는 지구의 자전으로 인한 관성 및 자성 변화도 측정할 수 있음. 센서 주기는 기본적으로 100Hz부터 시작해 빠른 경우 4,000~8,000Hz 정도의 주기를 가지는데 이는 카메라의 30Hz나 라이다의 10-15Hz에 비해 훨씬 빠름. (스마트폰과 같은 일반 소비자용 장치에 사용되는 IMU 센서는 개당 몇백원 단위로 저렴한 편이나, 자동차와 같이 높은 신뢰성을 요구하는 경우 보다 높은 가격의 IMU가 사용될 수 있음)

 

- 단점 : 빠른 센서 주기만큼 센서 노이즈가 빠르게 누적됨. IMU의 노이즈는 기본적인 화이트 노이즈와 함께 Bias라는 노이즈도 포함되어 있음. 이론상 IMU가 측정한 선형가속도를 2번 적분하고 (선형가속도 →선형속도 →선형위치변화량) 각속도를 1번 적분함으로써 (각속도 →회전량) IMU 자세가 어떻게 변화했는지 알 수 있을 것임. 하지만, 선형가속도와 각속도 값에 포함되는 노이즈와 Bias가 빠르게 적분되어 누적되기 때문에 이런 방법 사용할 수 ❌. Woodman의 실험에서는 IMU 센서를 어떠한 힘도 가하지 않은 상태에서 위와 같은 방법을 사용해 1분 정도 이동량을 추정했는데, 실제로는 전혀 이동하지 않았음에도 약 150m 정도 위치가 발산한 것을 알 수 있음.

✅ 발산하는 IMU 값을 이용해 정확한 자세 변화를 추정하기 위해서는 카메라, 라이다, GNSS와 같은 외부 감지 센서를 이용해 IMU 값을 보정해 사용함.