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사진 1. VR 센서 외관 

서론

당사는 1990년 무렵부터 자이로, 가속도계를 이용하여 3차원 각도를 검출하는 각도 유닛을 개발 및 판매 해오고 있다. 그중에서도 인체 계측(특히 머리의 움직임 계측)에 사용하는 VR 센서는 다양한 분야에서 이용되어 왔다.

여기에서는 VR 센서의 기본 개념 및 개요와 응용 예에 관하여 소개한다.

원리

일반적으로 자유운동을 하는 물체에는 고정 축이 없기 때문에 3차원의 각도를 구하려면 어떤 정해진 축에 대한 각도로 나타낸다. 이 각도를 오일러 각이라고 하며 자세 제어, 관성 항법 등에서 사용된다. VR 센서는 지구 수평면을 기준으로 한 좌표축 수평면을 X축, Y축이라고 하고 이것에 수직하는 지구의 질량점으로 향하는 축을 Z축이라고 한 좌표계를 기준으로 한다. 이 기준 좌표계의 각 축 방향의 오일러 각, Pitch 각(θ), Yaw 각(φ), Roll 각(ψ)을 연산하였다.

VR 센서는 오일러 각을 연산하기 위하여 3개의 수직 축 각각에 가속도계와 자일로를 탑재하고 각 축의 움직임을 검출하였다.(그림 1)

이 수직의 3축 좌표계에서 검출되는 다음의 정보를 바탕으로 기준 좌표계의 각 축 방향 각속도를 구하여 오일러 각을 연산한다.

X축 방향 가속도: Ax

Y축 방향 가속도: Ay

Z축 방향 가속도: Az

X축 방향 각속도: Roll Rate (p)

Y축 방향 각속도: Pitch Rate (q)

Z축 방향 각속도: Yaw Rate (r)

상기 감지 데이터를 기초로 오일러 각을 연산하였다.(그림 2, 그림 3 참조)

또한 가속도 Ax와 Ay는 지구의 중력을 검출하기 때문에 초기값을 주는 역할 외에 수평면에 대한 기울기를 저주파로 검출할 수 있다.

그림 3.

VR 센서의 구성은 <그림 4>와 같다.

가속도 센서 3축, 자이로 3축으로 이루어진 센서부와 센서부에서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 동기식 A/D 변환부와 오일러 각을 연산하는 연산부로 이루어진 제어부로 구성되어 있다.

연산 결과(오일러 각)와 센서값을 시리얼 통신으로 출력한다.

VR 센서의 주요 사양은 <표 1>과 같다.

특징

VR 센서는 저비용 센서(가속도계, 자이로 모두 MEMS)를 사용하여 3차원 각도 검출을 우위점으로 하여 개발하였다. 따라서 센서의 스펙을 보완하는 처리가 필요해졌다.

(1) 드리프트 보정

센서는 전원 투입 직후와 정상 작동 시에서의 드리프트가 발생한다. 특히 자이로 드리프트는 오일러 각 연산에 큰 영향을 주기 때문에 보정이 필요하다. 다음의 두 가지 보드로 보정을 한다.

1) 전원 투입 후 안정 모드

전원을 켠 후 센서 데이터를 감시하여 설정한 기준값 범위에 들어갈 때까지 정지 상태로 만드는 안정 모드를 확보하였다. 안정 모드의 주기에 얻은 데이터는 드리프트양의 기준값으로서 유지한다. 센서부(계측 대상물)는 정지 상태를 이어갈 필요가 있다.

2) 상시 보정 모드

센서 데이터로부터 계측 대상물이 정지 상태에 있는지 판단하고 정지 상태이면 안정 모드로 유지에서 유지한 드리프트 양과 비교하여 드리프트 양을 보정한다.

(2) 게인 보정

센서에는 직선성의 오차가 있기 때문에 풀 스케일 범위에서 동일한 게인이라는 말은 아니다.

이 때문에 풀 스테일 내에서의 게인을 보정하는 파라메터를 설정하여 취득 데이터에 대하여 보정을 가하였다. 보정은 센서 각각에 보정할 수 있도록 하였다. 보정하는 파라미터는 출하 전에 전용 검사 장비에서 얻은 데이터를 통해 산출하였다.

(3) 다른 축 감도 보정

수직하는 3축에 센서를 배치하였으며, 설치 오차 등에 의해 다른 축의 회전이나 가속도에 의해 자축에서 검출한 데이터에 오차를 주는 경우가 있다.

이 영향을 보정하기 위해 다른 축의 영향을 미리 파라미터로 설정하여 보정을 가하였다. 보정하는 파라미터는 게인 보정과 동일하게 출하 전에 전용 검출 장치로 취득한 데이터를 통해 산출하였다.

(4) 노이즈 제거

센서에는 노이즈가 따라다닌다. 특히 범위가 낮은 영역에서는 그 영향이 크다. 노이즈를 제거하기 위해서 당사의 독자적인 필터 처리를 더하여 노이즈를 제거하고 있다.

..(후략) 

宮坂 力 / ㈜데이터테크

본 기사는 2023년 1월호에 게재되었습니다.  

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→본 기사는 월간지[計側技術] (일본, 일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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