[논문]가속도계와 자이로스코프를 이용한 평면의 경사각 추정

강민식

doi:10.5050/ksnve.2013.23.11.966

가속도계와 자이로스코프를 이용한 평면의 경사각 추정
Tilt Angle Estimation of Plane with a Pair of Accelerometers and a Gyroscope 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.11, 2013년, pp.966 - 972

강민식 (Department of Mechanical Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Measurement or estimation of tilt angle is necessary for balancing robot such as Segway which is considered as a next generation transportation vehicle. However, it requires high-cost accurate sensors to hold balancing during stationary and moving situations. In this paper, a tilt angle estimation of a plane rotating in a vertical plane using low-cost sensors. Estimation using a set of 2-axis orthogonal accelerometers along with an inaccurate rate gyro has been considered. Feasibility and performance of the proposed technique has been verified through some experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

밸런싱 로봇의 제어를 위해서는 관성좌표계 기준 몸체의 경사각이 필요하며, 이를 위해 고가의 정밀한 가속도계와 자이로 센서가 이용되고 있다. 이 연구에서는 저가의 2-축 가속도계와 저가의 단일 자이로를 이용하여 평면의 경사각을 추정하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 간단한 삼각함수 계산과 PI-제어 루프 계산을 통해 자이로의 편류 추정과 동시에 경사각을 추정하는 방법으로 구조적으로 단순한 장점을 갖는다.

제안 방법

4와 같이 수평 평판에 엔코더가 내장된 모터를 장착하고, 모터축에 수직한 평면을 만든 다음 이 평면에 2-축 가속도계와 자이로를 설치하였다. 수평 평판은 수평방향 이동 기구인 리니어스테이지에 부착하였으며, 수평평판의 가속도는 가속도계를 이용하여 측정하였다.
실험에서는 수평평판을 리니어스테이지의 가이드를 따라 모터축의 수직방향으로 크기 약 ±0.3 g 범위 내에서 임의로 이동시키면서, 모터를 이용하여 센서장착부를 주파수 약 0.5 Hz, 크기 ±65˚ 범위 내의 정현파 형태로 회전시키면서 가속도계, 엔코더, 자이로 신호를 0.01초 간격으로 획득하였다.
이 연구에서는 Segway와 같이 이동방향의 가속도를 갖고 평면운동하는 로봇에서 두 개의 가속도계와 상용 자이로 신호를 융합하여 쉽고 정밀하게 경사각을 추정하는 방법을 제시하였으며, 그 적용성과 성능을 실험적으로 검증하였다.
이 연구에서는 식 (8)에서 계산된 두 추정치에서 자이로 측정값을 이용하여 참값을 추정하고, 이를 이용하여 자이로 편류를 보상한 후 적분을 통해 경사각을 결정하는 방법을 제안코자 한다.

데이터처리

실제 실험결과 분석을 통해 제안한 방법의 타당성과 성능을 검증하였다.

성능/효과

10은 앞에서 제안한 알고리즘을 적용하여 편류보상된 자이로 신호를 적분하여 구한 경사각과 엔코더로 측정한 실제 경사각을 보인다. 알고리즘 적용 초기의 천이구간에서 큰 오차가 존재하지만, 정상상태에 도달하면서 적분으로 구한 경사각이 엔코더 신호에 근접됨을 확인할 수 있다. Fig.
이상의 결과에서 이 연구에서 제안한 상용의 2-축 가속도계와 편류를 갖는 자이로를 이용하여 수평방향의 직선 가속도가 존재하는 경우 평면의 경사각을 추정하는 방법의 타당성을 실험적으로 검증하였다. 단, 추정각도는 천이 구간에서는 정밀도가 보장되지 못하므로, 정상상태 도달 이후 제어에 이용하는 것이 바람직하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밸런싱 로봇의 제어를 위해 필요한 것과 이용되고 있는 것은 무엇인가?	밸런싱 로봇의 제어를 위해서는 관성좌표계 기준 몸체의 경사각이 필요하며, 이를 위해 고가의 정밀한 가속도계와 자이로 센서가 이용되고 있다. 이 연구에서는 저가의 2-축 가속도계와 저가의 단일 자이로를 이용하여 평면의 경사각을 추정하는 방법을 제안하였다.
	경사각 측정오차의 문제점 해결방법으로 제시되는 것은 무엇인가?	이러한 문제를 해결하기 위해 틸트센서와 자이로 센서, 또는 가속도 센서와 자이로 센서의 융합이 제시되고 있다(8). 융합된 센서의 신호 처리에는 상보필터(complementary filter)나 확장된 칼만필터를 사용하여 측정 신호의 잡음과 자이로 편류를 동시에 제거하는 방법이 사용되고 있다(9~11).
	Segway의 구성과 구동방법은 무엇인가?	최근 차세대 이동수단으로 Segway가 많은 주목을 받고 있다. Segway는 밸런싱 로봇(balancing robot) 의 한 종류로 진행 방향에 수직인 두 바퀴로 구성되어 있으며, 각 바퀴는 독립적인 전기 모터로 구동된다. Segway는 사용자의 질량을 포함한 전체 몸체 부분의 중력방향 기준 기울어진 각도와 각속도를 측정하여 몸체가 앞뒤로 넘어지지 않도록 균형을 유지하면서, 기울어진 방향으로 이동하도록 바퀴를 구동하는 개념을 갖는다(1~3).

참고문헌 (11)

http://www.degway.com/
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상세보기
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원문보기 상세보기
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Lee, J. H., Kim, K. J. and Jang, H. K., 2008, Estimation of Sensitivity Axis Offset of an Accelerometer for Accurate measurement of the 6-Dof Human Head Motion, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18. No. 9, pp. 905-912.

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Grewal, M. S. and Andews, A. P., 2008, Kalman Filtering: Theory and Practice Using Matlab, 3rd Ed., John Wiely & Sons Inc. New York.

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