본 연구에서는 특수한 상황(미끄러짐 발생 및 회전관성이 부하로 작용하는 경우)에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점을 극복하기 위하여 광 변위센서(ADNS-9500)를 사용한 비접촉식 변위 측정방법을 제안하였다. 정확한 변위 측정을 위해 데이터 수집 보드와 랩뷰를 활용하여 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였으며, 반복실험을 통해 실험조건(측정방향, 속도, 가속도, 높이, 표면 재질)에 따른 광 변위센서의 성능특성을 파악하였다. 성능실험 결과, 광 변위센서를 사용하여 정확하게 평면운동을 측정하기 위해서는 광 변위센서와 지면(대상 물체의 표면)과의 높이를 2.4 mm-3.2 mm로 일정하게 유지시켜야 하며, 각각의 축 방향, 속도, 표면 재질을 고려하여 민감도를 수정하여 변위 계산식에 적용해야 하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 특수한 상황(미끄러짐 발생 및 회전관성이 부하로 작용하는 경우)에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점을 극복하기 위하여 광 변위센서(ADNS-9500)를 사용한 비접촉식 변위 측정방법을 제안하였다. 정확한 변위 측정을 위해 데이터 수집 보드와 랩뷰를 활용하여 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였으며, 반복실험을 통해 실험조건(측정방향, 속도, 가속도, 높이, 표면 재질)에 따른 광 변위센서의 성능특성을 파악하였다. 성능실험 결과, 광 변위센서를 사용하여 정확하게 평면운동을 측정하기 위해서는 광 변위센서와 지면(대상 물체의 표면)과의 높이를 2.4 mm-3.2 mm로 일정하게 유지시켜야 하며, 각각의 축 방향, 속도, 표면 재질을 고려하여 민감도를 수정하여 변위 계산식에 적용해야 하는 것을 확인하였다.
In this study, the contactless measurement method with a optical displacement sensor(ODS, ADNS 9500) was proposed to overcome flaws in a rotary encoder based measurement under particular circumstances, such as a slippage and a case of little rotational inertia. The performance tests of the optical d...
In this study, the contactless measurement method with a optical displacement sensor(ODS, ADNS 9500) was proposed to overcome flaws in a rotary encoder based measurement under particular circumstances, such as a slippage and a case of little rotational inertia. The performance tests of the optical displacement sensor using data acquisition board and National Instruments's LabVIEW program were performed to accomplish accurate displacement measurements and the performance characteristics according to measurement direction, speed, acceleration, height and surface types were discovered through the repetitive tests. The experimental results indicate that, in order to get an accurate in-plane motion, the height(distance between the ODS and the target surface) has to be maintained at the range of 2.4 mm to 3.2 mm and the sensitivity(resolution) should be modified and applied to the formulae for displacement calculation, considering its measurement direction, speed and surface type.
In this study, the contactless measurement method with a optical displacement sensor(ODS, ADNS 9500) was proposed to overcome flaws in a rotary encoder based measurement under particular circumstances, such as a slippage and a case of little rotational inertia. The performance tests of the optical displacement sensor using data acquisition board and National Instruments's LabVIEW program were performed to accomplish accurate displacement measurements and the performance characteristics according to measurement direction, speed, acceleration, height and surface types were discovered through the repetitive tests. The experimental results indicate that, in order to get an accurate in-plane motion, the height(distance between the ODS and the target surface) has to be maintained at the range of 2.4 mm to 3.2 mm and the sensitivity(resolution) should be modified and applied to the formulae for displacement calculation, considering its measurement direction, speed and surface type.
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문제 정의
광 변위센서가 일정한 가속도를 가지고 움직이거나 긴 시간에 거쳐 가속되는 환경에 적용될 수 있으므로, 본 연구에서는 가속도에 따른 광 변위센서의 성능실험을 수행하였다. 10회 반복실험을 통해 가속도에 따른 민감도를 측정한 결과는 그림 8과 같다.
본 연구에서는 광 변위센서를 사용하여 보다 정확하게 평면운동을 측정하기 위하여 기존의 연구들[1-12]을 참고하여 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였다. 반복실험을 통해 실험조건[측정 방향, 속도, 가속도, 높이(대상표면과의 거리), 표면 재질]에 따른 광 변위센서의 상대변위 측정 성능을 분석하였으며, 최종적으로 실험 결과를 바탕으로 광 변위센서 적용환경에 따른 성능특성을 반영하여 보다 정확한 변위측정이 이루어 질 수 있는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 특수한 상황(미끄러짐 발생, 회전관성이 거의 없어야 하는 경우)에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점을 극복하기 위하여 광 변위센서를 사용한 비접촉식 변위 측정방법을 제안하였다. 더불어, 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였으며, 반복실험을 통해 실험조건(측정방향, 속도, 가속도, 높이, 표면 재질)에 따른 광 변위센서의 성능특성을 파악하였다.
또한, 회전 엔코더 자체 형상과 무게로 인해 회전관성(rotational inertia)이 존재하므로 아주 작은 구동 토크(torque)를 갖는 초소형 전동기의 회전속도(rpm)측정 시 엔코더 자체가 전동기에 부하(load)로 작용할 수 있다는 단점이 있다. 이와 같은 특수한 상황에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점(미끄러짐 및 회전관성 부하)을 극복하기 위하여 본 연구에서는 광 변위센서를 사용한 비접촉식 측정 방법을 제안하였다.
제안 방법
축 방향의 상대 변위로 표현하기 때문에 각각의 축 방향에 대한 성능특성을 알아야 정확한 평면운동 측정이 가능하다. 그러므로 본 연구에서는 축 방향에 대한 성능을 실험하였으며, 그림 6은 각각의 축 방향에 대해 100 mm/s의 일정한 속도로 10회씩 반복실험을 수행한 결과를 나타낸다.
본 연구에서는 특수한 상황(미끄러짐 발생, 회전관성이 거의 없어야 하는 경우)에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점을 극복하기 위하여 광 변위센서를 사용한 비접촉식 변위 측정방법을 제안하였다. 더불어, 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였으며, 반복실험을 통해 실험조건(측정방향, 속도, 가속도, 높이, 표면 재질)에 따른 광 변위센서의 성능특성을 파악하였다.
광 변위센서는 프레임 위에 단단히 고정되어 있으며, 리니어 스테이지를 이동시켜 원하는 조건(속도, 가속도)의 상대변위를 만들어 낸다. 또한, 광 변위센서의 측정방향과 높이(대상표면과의 거리)는 프레임에 고정된 광 변위센서의 방향과 높이를 변화시켜 조절하였다. 광 변위센서가 측정하는 대상의 표면 재질은 리니어 스테이지의 구동부의 재질을 달리 함으로써 조절하였다.
본 연구에서는 광 변위센서를 사용하여 보다 정확하게 평면운동을 측정하기 위하여 기존의 연구들[1-12]을 참고하여 실험적으로 광 변위센서의 성능을 분석하였다. 반복실험을 통해 실험조건[측정 방향, 속도, 가속도, 높이(대상표면과의 거리), 표면 재질]에 따른 광 변위센서의 상대변위 측정 성능을 분석하였으며, 최종적으로 실험 결과를 바탕으로 광 변위센서 적용환경에 따른 성능특성을 반영하여 보다 정확한 변위측정이 이루어 질 수 있는 방법을 제안하였다.
성능실험에서 광 변위센서의 해상도(또는 민감도)는 1,620 cpi (=63.78 counts/mm)로 설정하였으며, 성능분석을 위하여 측정방향(XO,YO축 방향), 속도(mm/s), 가속도(mm/s2), 높이(mm), 표면 재질(white paper) 중 하나의 조건을 변화시켜 가면서 상대변위 데이터를 측정하였다. 더불어, 실험의 정확도를 높이기 위해 매 실험마다 광 변위센서를 초기화하여 광 변위센서 내부의 레지스터에 어떠한 데이터도 남아있지 않게 하였다.
더불어 광 변위센서는 빛이 투과하는 투명한 물체와 빛을 대부분 반사하는 거울과 같은 표면의 이미지는 측정할 수 없으므로 불투명한 표면 재질의 상대변위 측정에만 적용 가능하다. 이전의 연구[2]에서는 다양한 종류의 표면 재질에 따른 광 변위센서의 성능특성을 보여주고 있지만, 본 연구에서는 일반적인 표면 재질에 대한 성능을 실험하였으며, 그 결과는 표 3과 같다. 실험결과로부터, 광 변위센서는 코팅 및 열처리와 같이 표면 처리된 물체보다는 철판과 같이 표면이 매끄럽지 않은(rough surface) 대상물체에서 더 높은 민감도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
광 변위센서에서 측정한 2축 상대변위 데이터는 광 마우스 센서 내부의 레지스터(register)에 저장되고, 데이터는 오직 SPI 통신을 통해서만 접근할 수 있다. 하지만 SPI 통신은 근거리에 적합한 동기통신이고 PC로 데이터를 직접 취득하기 어렵기 때문에, 본 연구에서는 자체 개발한 DAQ Board를 광 변위센서 가까이에 설치(그림 1-(a))하여 SPI 통신으로 2축 상대변위 데이터를 취득한 이후에 이를 RS-232 통신으로 변환하여 PC에서 데이터를 수신할 수 있도록 하였다. 따라서 DAQ Board에는 SPI 통신과 RS-232 통신을 모두 할 수 있는 MCU(Micro Controller Unit, PIC18F2580)가 포함되어 있고, MCU 내부에는 SPI 통신으로부터 취득한 상대변위 데이터를 RS-232 통신으로 변환하는 알고리즘이 프로그래밍 되어 있다.
대상 데이터
광 변위센서가 적용되는 환경(측정방향, 속도, 가속도, 대상표면과의 거리(높이), 표면 재질)에 따른 성능 특성을 파악하기 위하여 그림 4와 같이 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 리니어 스테이지(linear stage), 광 변위센서 및 DAQ Board, 모니터링을 위한 PC로 구성되어 있다. 여기서, 리니어 스테이지는 표 2와 같이 서보 모터(servo motor)를 사용하여 이동변위, 속도, 가속도를 정밀하게 조절할 수 있는 장치이며, 전용 서보 드라이브(servo drive)를 통해 제어된다.
데이터처리
광 변위센서로부터 출력된 상대변위 값은 SPI 통신을 통해 DAQ Board에 전송되고, MCU에서 RS-232통신으로 변환되어 PC에 전달된다. PC에서 수집한 데이터는 LabVIEW로 작성된 데이터 수집 프로그램을 통해 그림 5-(a)와 같이 화면에 디스플레이 되고, 텍스트 파일로 저장되어 광 변위센서의 성능분석에 사용되었다.
성능/효과
따라서 광 변위센서를 특정 속도구간에서 사용 할 경우 이러한 성능변화를 반드시 고려해야 한다. 또한, 측정방향에 따른 성능실험과 동일하게 XO축 방향보다 YO축 방향의 변위를 측정할 때 더 높은 민감도를 나타내는 것을 확인하였다.
성능실험 결과, 광 변위센서는 XO축 방향의 움직임보다 YO축 방향 움직임에 대해 더 높은 민감도 나타냈다. 따라서 식 (1)-(2)과 같이 각각의 축 방향에 대해 동일한 민감도(해상도)를 적용하는 것 보다 서로 다른 민감도를 적용하는 것이 바람직하다.
실험결과, 광 변위센서는 XO축 방향의 움직임보다 YO축 방향의 움직임에 대해 더 높은 민감도(sensitivity)를 가지는 것을 알 수 있다. 여기서, 민감도는 단위 길이(1 mm)의 상대변위에 대해 광 변위센서가 출력하는 카운트 수(counts)이며, 이는 얼마나 정밀하게 상대변위를 측정할 수 있는가를 나타내는 일종의 성능지표이다.
10회 반복실험을 통해 가속도에 따른 민감도를 측정한 결과는 그림 8과 같다. 실험결과는 250 mm/s2 이하의 가속도영역에서는 가속도에 따라 광 변위센서의 민감도가 조금씩 변동하지만 300 mm/s2 이상의 가속도 영역에서는 거의 동일한 민감도를 가지는 것을 알 수 있다. 이는 광 변위센서에 사용된 광 마우스 센서 자체가 측정할 수 있는 가속도가 표 1에 나타난 것과 같이 30G(=294 m/s2 )로 매우 크기 때문에 그 이하의 가속도 영역에서는 가속도 변화에 따른 영향을 거의 받지 않는 것으로 판단된다.
그러므로 본 연구에서는 500mm/s 이하의 속도에 대한 광 변위센서의 성능을 실험하였으며, 10회 반복 실험한 결과는 그림 7과 같다. 실험결과는 300 mm/s 근처의 속도영역에서 광 변위센서의 민감도가 급격히 저하되고, 400 mm/s 이상의 속도에서도 속도가 증가함에 따라 민감도가 점차 저하됨을 보여준다. 따라서 광 변위센서를 특정 속도구간에서 사용 할 경우 이러한 성능변화를 반드시 고려해야 한다.
이전의 연구[2]에서는 다양한 종류의 표면 재질에 따른 광 변위센서의 성능특성을 보여주고 있지만, 본 연구에서는 일반적인 표면 재질에 대한 성능을 실험하였으며, 그 결과는 표 3과 같다. 실험결과로부터, 광 변위센서는 코팅 및 열처리와 같이 표면 처리된 물체보다는 철판과 같이 표면이 매끄럽지 않은(rough surface) 대상물체에서 더 높은 민감도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광 마우스 센서가 로봇의 위치추정 및 주행거리 측정 등의 분야에 응용되어 온 이유는 무엇인가?
광 변위센서는 일반적인 광 마우스 센서를 사용하여 개발된 센서 모듈로, 평면상의 2축 직선 상대변위를 측정할 수 있다. 광 마우스 센서는 마우스의 평면상의 움직임을 측정하여 모니터 상에 포인터 위치를 결정하는 장치이기 때문에, 로봇의 위치추정 및 주행거리 측정 등의 분야에 응용되어 왔다[1-12]. Palacin, Tunawattana 등은 로봇의 위치추정 혹은 물체의 주행거리를 측정하기 위하여 광마우스 센서를 사용하였으며[1, 2, 9-11], Tresanchez 등은 광 마우스 센서의 기능(상대변위 측정 및 이미지 촬영)을 사용하여 absolute와 incremental 타입 엔코더를 개발하였다[4, 5].
SPI 통신의 단점은 무엇인가?
광 변위센서에서 측정한 2축 상대변위 데이터는 광 마우스 센서 내부의 레지스터(register)에 저장되고, 데이터는 오직 SPI 통신을 통해서만 접근할 수 있다. 하지만 SPI 통신은 근거리에 적합한 동기통신이고 PC로 데이터를 직접 취득하기 어렵기 때문에, 본 연구에서는 자체 개발한 DAQ Board를 광 변위센서 가까이에 설치(그림 1-(a))하여 SPI 통신으로 2축 상대변위 데이터를 취득한 이후에 이를 RS-232 통신으로 변환하여 PC에서 데이터를 수신할 수 있도록 하였다. 따라서 DAQ Board에는 SPI 통신과 RS-232 통신을 모두 할 수 있는 MCU(Micro Controller Unit, PIC18F2580)가 포함되어 있고, MCU 내부에는 SPI 통신으로부터 취득한 상대변위 데이터를 RS-232 통신으로 변환하는 알고리즘이 프로그래밍 되어 있다.
회전 엔코더 기반의 측정방법을 이용할 때 단점은 무엇인가?
하지만, 회전 엔코더 기반의 측정방법은 측정대상과 엔코더 연결부 사이에 미끄러짐(slippage)이 발생할 경우 정확한 측정이 불가능하다는 단점이 있다. 예를 들어, 회전 엔코더가 연결된 차륜(wheel)과 바닥 사이에 미끄러짐이 발생하면 차륜의 회전수와 실제 이동 거리가 비례하지 않아 정확한 위치추정을 할 수 없다. 또한, 회전 엔코더 자체 형상과 무게로 인해 회전관성(rotational inertia)이 존재하므로 아주 작은 구동 토크(torque)를 갖는 초소형 전동기의 회전속도(rpm)측정 시 엔코더 자체가 전동기에 부하(load)로 작용할 수 있다는 단점이 있다. 이와 같은 특수한 상황에서의 회전 엔코더 기반 측정방법의 단점(미끄러짐 및 회전관성 부하)을 극복하기 위하여 본 연구에서는 광 변위센서를 사용한 비접촉식 측정 방법을 제안하였다.
참고문헌 (12)
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M. Tresanchez, T. Palleja, M. Teixido, and J. Palacin, "Using the image acquisition capabilities of the optical mouse sensor to build an absolute rotary encoder," Sensors and Actuators-A Physical, vol. 158, no. 1, pp. 161-167, Nov. 2010.
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