(IMU) 9축 IMU 센서 데이터 다루기

개요

• 9축 IMU 센서로부터 수집되는 데이터를 정의하고, 각 데이터를 융합하여 이동 및 회전행렬 변환을 통해 물체의 자세(pose)를 추정하는 방법에 대한 정리.

필요 지식

IMU 센서

• IMU(Inertial Measurement Unit)는 관성 측정 장치로써 관성을 측정하여 최종적으로 구하고자 하는 값은 물체가 기울어진 각도를 정확하게 측정하는 것. 또한 자이로스코프/가속도계/지자기센서로 구성된 센서를 뜻함.

가속도 센서

• 움직임 변화에 따른 가속도의 변화($m/s^2$)를 감지함.
• 가속도는 속도의 미분이므로, 가속도를 적분하여 속도를 구할 수 있음.
• 지면 방향으로 작용하는 중력으로 인해 중력가속도($9.8m/s^2$)가 항상 영향을 주고 있으므로, 정확한 가속도 값을 구하기 위해서 중력가속도를 제거해야함.

자이로스코프(각속도 센서)

• 물체의 회전 변화량인 각속도($rad/s$)를 측정함.
• x, y, z 축을 각 기준으로 하는 회전을 roll, pitch, yaw라 부르며, 샘플링 시간($\Delta t$)마다 회전 각속도를 측정한다면 (회전각 = 각속도 x 샘플링 시간) 으로 회전각을 구할 수 있음.
• 각속도를 전체 시간에 걸쳐 적분하여 최종적으로 물체가 기울어진 각도를 구할 수 있음.

지자기 센서

• 지자기 센서는 지구 자기장의 세기(자기선속)와 방향(자북을 기준으로 틀어진 각도)을 측정하는 센서.
• 물체가 바라보는 방향이 북쪽 방향과 정렬되어 지구의 자기력선과 일치할 때 센서의 측정값이 최댓값·최솟값을 가진다.
• 지자기 센서는 주변 전기장, 자기장의 유무에 따라 측정값이 달라질 수도 있으므로 주의해야함.
• 지자기 센서의 측정값을 이용하여 각속도를 이용한 회전각의 누적 오차를 보완할 수 있다.

센서 측정값 상호보완

• 자이로스코프(각속도 센서)는 빠른 시간 내에 변위값을 측정하기 유리하나 적분 오차가 발생하고, 가속도 센서와 지자기 센서는 느리지만 절대각을 구할 수 있다.
• 따라서 각 센서 값은 서로 보완(Complementary) 관계라 할 수 있으며, 센서 값의 융합 과정에서 칼만 필터(Kalman Filter) 혹은 상호보완필터(상보필터, Complementary Filter)를 사용한다.

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참고

• [IMU] IMU의 개념 및 활용법
• 자이로센서 roll, pitch, yaw 데이터 처리 구조 (AHRS) : 네이버 블로그

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