가속도센서
단위시간당 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 구조
과거에는 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 원리
중력 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 검출감도
가속도 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 저항식
소자 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) 정전용량식
proof 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 문제점
간단히 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.
- 정지하지 않은 움직임 상태에서는 가속도 센서만으로 기울기 값을 측정할 수가 없다.
자이로 센서
자이로센서는 각속도를 측정한다. 각속도는 시간당 회전하는 각도를 의미하는데 다음의 순서로 측정한다.
- 수평한 자세를 유지하고 있는 상태를 가정. 이 때, 정지 상태이니 당연히 각속도도 0도/sec로 나타낸다.
- 이 물체가 10초동안 50도만큼 기울어진다고 하자. 이 10초동안은 0이 아닌 각속도 값을 가지게 된다. 10초동안의 평균 각속도는 5도/sec가 된다.
- 기울어지는 동작을 한 후 다시 멈춰서 50도를 유지한다고 하자. 이 때는 다시 각속도가 0도/sec가 된다.
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.
- 자이로 센서에서 측정되는 각속도를 이용하면 시간이 지날수록 각도는 오차가 생겨 기울기 값이 변하게 된다.
정리
앞서 가속도센서와 자이로 센서를 이용해서 물체가 기울어진 각도를 측정하는 방법에 대해서 알아보았다. 하지만 각각 문제점이 존재하는데 다음과 같다.
- 정지한 물체가 움직이기 시작한 후 다시 정지하는 동작을 한다면...
정지상태의 긴 시간의 관점에서 보면 가속도센서에 의해 계산된 기울어진 각도는 올바른 값을 보여주지만, 자이로 센서에서는 시간이 지날수록 틀린 값을 나타낸다.
- 움직이는 짧은 시간의 관점에서 보자면...
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
-가속도센서 및 자이로센서원리 (https://mechaworld.tistory.com/11)
-과학백과사전선가속도(https://www.scienceall.com/선가속도linear-acceleration/)
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