[항공우주] 드론의 반고리관, 자세 센서 관성측정장치(IMU)

사람의 귀에는 반고리관이라는 기관이 있습니다.
3개의 반고리형태의 관 형태인데,
이 기관이 제기능을 하기 때문에
우리는 자세와 속도를 느낄 수 있습니다.

드론에도 반고리관 역할을 하는
센서들이 몇가지 있는데요.
오늘은 드론의 자세와 속도 등을
감지할 수 있는 IMU에 다하 알아보겠습니다.

<관성측정장치, IMU>
(Inertial Measurement Unit)

관성측정장치는 무인비행장치의
자세각, 자세각속도, 가속도를
측정/추정하는 센서의 집합입니다.
무인기의 자세를 안정화하고
이를 제어하기 위해 사용하는 장치입니다.

보통 우리가 쉽게 접하는 드론(쿼드콥터)의 경우
소형 무인비행장치에 속하며
MEMS(Micro-Electromechanical System)를
주로 사용하는데요.

이 시스템은 일반적으로
- 3축 가속도계,
- 3축 자이로스코프 또는 3축 지자기 센서
를 탑재하고 있습니다.

1. 가속도 센서

병진 운동역학을 이용해 가속도를 측정하는 원리로
드론의 경우에는 중력가속도를 이용하여
비행체의 3축 자세와 속도변화를 감지합니다.

2. 자이로스코프

코리올리 가속도를 통해 각속도를 측정합니다.
이때 측정된 각속도를 이용하여
드론의 자세 변화를 계산하고,
현재 드론의 자세에 대해 계산합니다.

하지만 자세각의 변화량을 측정하기 때문에
오차가 누적되어 표류(Drift)하기도 하므로
이를 방지하기 위해 가속도 센서와 지자계 센서 등을
병행으로 보정, 활용합니다.

3. 지자계 센서

이 센서는 IMU에 탑재되지 않는 경우도 있는데요.
지구의 자기장을 통해 자북 방향을 측정하여
비행체의 기수 방향을 감지합니다.
보통 자이로스코프의 요각(z축 회전)을
보정하기 위해 보조로 사용됩니다.

하지만 센서 특성 상,
롤(y축 회전)과 피치(x축 회전)에 대한 제한적 센싱과
주위의 전자기장에 민감하게 반응하므로
용도가 한정적이며 오차 발생 확률이 상대적으로 높습니다.

그리고 위 모든 센서는
진동에 의해 자세 오차가 발생할 수 있습니다.
기술의 한계로 어쩔 수 없이
센서의 응답속도를 넘어서는 진동들은
측정하지 못하기 때문입니다.

---

오늘은 드론의 자세제어 센서의 종류에 대해
함께 알아보았습니다.
드론이 어떻게 회전을 하고
어떤 방향으로 속도를 내는지 측정하기가
생각보다 쉽지 않았는데요.

이와는 상대적으로
동물들이 가지고 있는 놀라운 성능의 센서들에
하염없는 경이로움을 느낍니다.
이를 만드신 조물주의 지혜에 감탄하며
오늘 포스팅을 마칩니다.