자이로 가속도 센서 설명

자이로 센서

• 회전하는 물체의 각속도를 측정하기 위한 센서

물체가 회전할 때 각도가 얼마나 변했는지 측정하기 위한 것으로 자이로 센서는 X, Y, Z 축으로 회전하는 정도를 알 수 있는 것입니다. 

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가속도 센서

• 가속도를 측정하는 센서

x, y, z 3축으로 물체가 얼마나 빠르게 이동하는지 확인하는 센서

 

즉 자이로 센서는 회전 속도를, 가속도 센서는 직선 가속도를 측정하며, 두 센서 모두 x, y, z 축의 3차원의 데이터를 수집해 물체의 정확한 움직임을 파악할 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 

 

 

자이로센서

자이로센서는 각속도를 측정합니다. 

각속도 : 시간당 회전하는 각도

 

각속도를 계산하는 공식은 전체 시간동안 각속도를 적분해서 기울어진 각도를 구하는 방식입니다. 그렇기에 각속도 센서라고도 불립니다.

이건 matlab을 통해서 자이로센서를 임의의 랜덤값으로 지정한 다음 시각화한 것인데 자이로스코프가 측정한 각속도를 시간에 따라 나타내면 이런 식으로 나타납니다.

 

그래프에서 x축은 시간에 해당하며 y축은 가속도에 해당합니다. 시간에 따라 x, y, z축에 따라 물체가 어떻게 회전했는지 이런 식으로 알 수 있습니다.

 

이걸 3D 그래프로 표현을 하면

 

가소이렇게 3차원 데이터에 해당하는 값을 시각화 정보로 얻을 수 있습니다. 

 

가속도 센서

앞서 말한 가속도센서는 물체의 가속도를 직선가속도를 구하는 센서입니다.

해당 2D, 3D그래프는 가속도 데이터를 시간에 따라 표시한 것으로 만약 값이 일정하게 유지될 경우 해당 방향으로 가속도가 일정하다는 것을 의미하며 만약 가속도계에서 그래프가 급격한 변화를 보일 경우 물체가 특정 방향으로 힘을 받거나 가속됨을 의미합니다. 

 

밑의 3차원 그래프는 가속도값을 3D 공간에서 시각화한 데이터입니다.

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가속도계에서 3차원 데이터를 만들 수 있는 이유는 가속도계가 x, y, z축 을 방향으로 얼마나 빠르게 가속, 감속하는지 파악할 때 가속도 값을 시간에 대해 적분을 하면 속도를 얻을 수 있습니다. 

즉 변위(두 점 사이의 최단거리)를 미분하면 속도가 되고 속도를 미분하면 가속도가 됩니다. 가속도를 적분하면 속도가 되고 속도를 적분하면 변위가 됩니다. 

 

그렇기에 가속도 값을 시간에 대해 적분하면 속도를 얻을 수 있고 속도값을 다시 시간에 대해 적분하면 물체의 위치를 얻을 수 있어서 해당 가속도계를 바탕으로 x, y, z의 위치 값을 사용하여 3D 데이터를 생성할 수 있는 것입니다.

 

가속도센서, 자이로센서 단점

가속도센서는 지표면을 중심으로 기울기, 가속도를 측정하지만 수직 방향의 가속도를 측정할 수 없다는 단점이 있습니다. 따라서 직선운동하지 않는 물체에 대해서 측정이 어렵습니다.

 

또한 가속도센서는 정적인 상황에서 중력 가속도를 포함하고 있습니다. 그래서 가속도센서만으로 데이터를 추출할 경우 정확한 방향 정보의 설정이 어렵습니다. 

 

자이로스코프는 이 가속도센서가 측정할 수 없는 방위각을 측정할 수 있습니다. 따라서 자이로스코프와 가속도센서의 기능을 합치면 물체의 정확한 운동 방향 및 위치를 알 수 있게 됩니다.

 

하지만 자이로센서 또한 단점이 있다면 드리프트 현상을 겪을 수 있는 것입니다. 기체는 가만히 있는데 출력값은 처음 0도에서 시작해 무한대로 발산해 가는 오류 등을 겪을 수 있습니다. 자이로 센서에 약간의 (Bias 치우침)이 포함되어 있는 경우 이걸 같이 누적하다 보니 각도값이 발산해가며 이는 물리적인 오차가 생길 수 있는 것입니다. 

 

그래서 자이로센서로 이동거리를 측정하고 싶다거나 이동 변화량을 예측할 때는 해당 드리프트 문제를 해결해주어야 합니다. (수화변역에선 크게 상관 없을 것으로 생각)