6 축 관성센서를 이용한 센서가속도 추정용 칼만필터

이정근(Jung Keun Lee) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.2

가속도계의 신호는 운동체의 가속도와 다르며, 운동체의 자세가 변화하는 경우 가속도계 단독으로 센서가속도를 계측할 수 없다. 본 논문에서는 3 축 가속도계와 3 축 자이로스코프로 구성된 6 축 관성센서 신호를 바탕으로 운동체의 자세가 지속적으로 변화하는 가운데 가속도를 정확히 추정할 수 있는 칼만필터를 제안한다. 제안하는 알고리즘은 센서의 자세뿐 아니라 센서가속도가 상태벡터의 일부로 설정되어 있는 새로운 구조의 칼만필터로써, 센서 가속도를 명시적으로 정확히 구할 수 있다. 제안된 필터는 다양한 조건하에서 광학모션캡쳐시스템을 이용하여 그 정확성이 검증되었는데, 최신 Xsens MTw 센서와 동등수준의 성능이었다. 제안된 알고리즘은 6 축 관성센서를 바탕으로 운동체의 가속도 추정이 필요한 다양한 모션센서 응용분야에 적용될 수 있다. Although an accelerometer is a sensor that measures acceleration, it cannot be used by itself to measure the acceleration when the orientation of the sensor changes. This paper introduces a Kalman filter for the estimation of a sensor acceleration based on a six-axis inertial sensor (i.e., a three-axis accelerometer and three-axis gyroscope). The novelty of the proposed Kalman filter lies in the fact that its state vector includes not only the tilt angle variable but also the sensor acceleration. Thus, the filter can explicitly estimate the latter with a high accuracy. The accuracy of acceleration estimates were validated experimentally under three different dynamic conditions, using an optical motion capture system. It could be concluded that the performance of the proposed Kalman filter was comparable to that of the state-of-the-art estimation algorithm employed by the Xsens MTw. The proposed algorithm may be more suitable than inertial/magnetic sensor-based algorithms for various applications adopting six-axis inertial sensors.

스마트폰 센서를 이용한 물리수업이 과학학습동기에 미치는 영향

문상철,홍성욱 한국물리학회 2015 새물리 Vol.65 No.1

This research aims to investigate the effect of using the acceleration sensor of a smartphone in a physics class on motivation for science learning. Students from the experimental group measured the acceleration of an object with a smartphone sensor while those from the comparison group performed the same task with a time recorder. To verify the reliability of the results obtained using the smartphone sensor, we measured the acceleration of the object on an inclined plane by using both the smartphone sensor and the time recorder. The acceleration due to gravity g was determined as 9.62 m/s2 and 9.28 m/s2 with the smartphone sensor and the time recorder, respectively. On Likert’s 5-point scale, the learning motivation of the comparison group was found to have increased from approximately 3.67 before to 3.77 after the class. Notably, on the same scale, the learning motivation of the experimental group increased from 3.67 before to 4.32 after the class. These results imply that the motivation for science learning was increased by the use of a smartphone sensor to measure the acceleration of an object in a physics class. 본 연구의 목적은 스마트폰에 내장된 가속도 센서를 활용한 과학실험수업이 과학학습동기에 미치는 영향을 알아보는 것이다. 물체의 가속도 측정실험을 스마트폰 센서를 활용하는 실험반과 시간기록계를 활용하는 비교반으로 나누어 연구를 진행하였다. 스마트폰 센서를 활용한 실험에서는 가속도 센서의 신뢰도를 확인하기 위해 경사면에서의 빗면 가속도 측정 실험을 통해 중력가속도를 측정하였다. 스마트폰의 가속도 센서를 이용하였을 때는 중력가속도 g = 9.62 m/s2나타났으며, 시간기록계를 활용하였을 때는 g = 9.28 m/s2로 나타났다. 리커르트 5단계 척도법으로 조사한 비교반의 수업 전·학습동기는 각각 3.62, 3.77로 나타난 반면에 실험반의 학습동기는 각각 3.67, 4.32로 수업 후의 학습동기가 수업 전보다 0.65 증가하였다. 이 결과로 부터 스마트폰의 가속도 센서를 이용해서 가속도 측정 수업을 하였을 때 학생들의 과학학습동기가 증가하는 것을 알 수 있었다.

가속도센서와 자이로센서를 이용한 스마트폰 실시간 모션 분석 시스템에 관한 연구

박주만(Ju-Man Park),박구락(Koo-Rack Park) 한국컴퓨터정보학회 2013 한국컴퓨터정보학회 학술발표논문집 Vol.21 No.1

본 논문에서는 가속도센서와 자이로센서를 통해 측정된 값을 무선 통신을 이용하여 스마트폰으로 전달하여 실시간으로 모션을 분석하는 스마트폰 실시간 모션 분석 알고리즘을 제안한다. 3축 가속도 센서의 실시간 모션 분석과 중력가속도를 사용한 모션 분석의 경우에는 장소나 높이 또는 주변의 자력에 따라 정확한 값을 획득하여 분석하기 어려운 점이 있다. 이에 본 논문에서는 가속도 센서와 자이로 센서를 통하여 보다 정밀한 모션 분석을 하였으며, 이를 이용하여 모션을 실시간으로 분석하여 활용하면 스포츠와 의학 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것이다.

가속도 센서를 활용한 도로포장의 주행쾌적성 평가 기초연구

배성호,손덕수,전태현,문형철 한국도로학회 2017 한국도로학회 학술대회 발표논문 초록집 Vol.2017 No.10

국내의 기후변화에 따른 국지성 호우가 빈번히 발생하면서 도로 포장 파손이 증가함에 따라 사고발생 저감 및 사용자 안전성을 확보하기 위한 신속한 유지관리 시스템이 요구되는 실정이다. 고속도로의 경우, 포장의 유지관리를 위해 도로포장 유지관리 시스템(PMS, Pavement Maintenance System)을 운영하고 있으나 조사 주기가 최소 2년 이상이며 고가의 자동화 장비를 이용하기 때문에 신속한 노면 조사 및 대응에 어려움이 있으며 도로 포장의 국부적인 표면손상 및 포트홀, 단차 등의 평탄성 불량구간이 발생할 경우 신속한 유지보수가 어려운 실정이다. 본 연구는 일반 차량에 쉽게 장착 할 수 있는 가속도 센서 및 전방 영상센서 등을 활용하여 노면의 이상 유무를 감지하고 도로 관리자에게 전송함으로써 신속한 보수 및 대응이 가능한 시스템을 개발하였다. 본 연구의 목적은 개발된 노면 측정 시스템을 이용하여 콘크리트 포장과 아스팔트의 차종 및 주행 속도별 가속도 데이터를 활용하여 포장형식별 특성을 파악하고, 도로의 주행쾌적성 평가를 위한 적용 가능성을 검증하는데 있다. 가속도 센서를 활용한 노면 상태 조사 시스템의 검증을 위해 본 연구에서는 포장 형식별로 가속도 데이터의 결과를 비교하고자 한국도로공사에서 보유하고 있는 시험도로에서 차종별, 속도별 주행시험을 실시하여 가속도 데이터의 RMS(Root Mean Square)값을 비교 검토하였다. 주행 속도에 따른 포장형식별 RMS값을 분석한 결과, 콘크리트 포장구간에서는 화물차를 제외한 차종들에서 속도에 따른 가속도 값의 변화가 최대 0.05g정도로 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 하지만 화물차는 속도가 증가할수록 RMS값도 증가하였으며 이는 화물차의 차체 및 서스펜션 등의 영향으로 화물차에서 발생하는 가속도 값이 승용차에 비해 커지는 것을 확인할 수 있었다. 아스팔트 포장구간의 경우는 SUV와 승합을 제외하고 소형, 중형, 대형, 화물차 등에서 모두 속도에 따라 RMS값이 점차적으로 증가하는 것으로 나타났으나 증가폭은 0.02g 미만으로 실제 노면의 이상 상태를 감지하기 위한 가속도 값에는 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났다. 콘크리트 포장구간이 아스팔트 포장구간에 비해 같은 속도일 경우 가속도 값이 약 2배정도 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

초고층 건축물 대상 MEMS 가속도계 SHM 실증사례 연구

김형도 ( Kim¸ Hyung-do ),박금성 ( Park¸ Keum-sung ) 한국구조물진단유지관리공학회 2023 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.27 No.2

본 연구는 MEMS 가속도 센서를 활용한 SHM을 초고층 건축물에 실증하고, 실제 지진파 계측값을 바탕으로 MEMS 가속도 센서의 계측 성능을 검증한다. 연구방법은 MEMS 센서 모듈 기획, 계측 위치 선정, 계측 및 모니터링, 데이터 분석으로 구성된다. 실증 결과, MEMS 가속도 센서로 2022년 10월 충북 괴산 지진의 지진파형을 취득하였다. 계측 가속도는 수정 메르칼리 진도등급(MMI)체계 진도 1에 해당되고 구조물 파손에는 영향을 미치지 않았다. 본 연구의 MEMS 가속도 센서모듈을 활용한 SHM 실증을 통해 고가의 가속도 센서와 광섬유 통신선 매설 비용을 절감할 수 있었다. 이를 통해 MEMS 가속도 센서를 활용한 SHM시스템 적용확대를 기대할 수 있다.

보행 패턴 검출을 위한 동작센서 데이터 정규화 알고리즘

김남진,이태수,홍주현 한국콘텐츠학회 2005 한국콘텐츠학회논문지 Vol.5 No.4

In this paper, three axial accelerometer was used to develop a small sensor module, which was attached to human body to calculate the acceleration in gravity direction by human motion, when it was positioned in any direction. To measure its wearer's walking or running motion using the sensor module, the acquired sensor data was pre-processed to enable its quantitative analysis. The acquired digital data was transformed to orthogonal coordinate value in three dimension and calculated to be single scalar acceleration data in gravity direction and normalized to be physical unit value. The normalized sensor data was used to detect walking pattern and calculate their step counts. Developed algorithm was implemented in the form of PDA application. The accuracy of the developed sensor to detect step count was about 97% in laboratory experiment. 본 연구는 3축 가속도센서를 소형 센서모듈로 구성하고 이를 사람의 신체 부위에 부착하여 센서의 3차원적 방향에 구애되지 않고 동작에 의한 중력방향의 가속도를 계산할 수 있는 장치와 알고리즘을 개발하였다. 센서모듈을 이용하여 컴퓨터 시스템에 의해 사람의 보행 및 동작을 측정하기 위해서는 정량적인 처리가 가능 하도록 데이터를 가공 하여야 한다. 센서모듈로부터 데이터의 획득, 가능한 범위의 직교 좌표계로 변환, 중력방향의 단일 스칼라 값 변환의 과정으로 센서 출력 데이터를 정규화 하였다. 정규화된 센서 데이터를 사용하여 보행 패턴 중에서 걷기 횟수를 구분할 수 있는 알고리즘을 적용한 개인휴대정보단말용 응용 프로그램을 작성하였다. 연구실 환경에서의 실험에서 개발된 알고리즘 및 장치의 보행수 측정 정확도는 약 97%이었다.

멀티 신호를 이용한 환경 인식 성능 개선

박준규(Jun-Qyu Park),백성준(Seong-Joon Baek) 한국콘텐츠학회 2010 한국콘텐츠학회논문지 Vol.10 No.12

본 연구에서는 9가지 환경에서 마이크로폰과 자이로센서, 가속도센서를 이용하여 얻은 데이터를 특징 추출한 후 각 특징들을 조합하여 GMM (Gaussian Mixture Model)을 이용한 분류실험을 수행하였다. 기존의 환경 인식에 관한 연구들에서는 주로 마이크로폰을 이용한 환경음 데이터를 통해 인식주체의 환경 상황을 인식하고자 하였으나, 여러 노이즈들이 결합한 형태로 좋은 특징을 얻기 어려운 환경음의 구조적 특성으로 인해 그 인식 성능에 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 환경상황을 인식하기 위한 또 다른 방법으로 인식주체의 움직임 특성을 반영하기 위해 자이로센서와 가속도센서의 데이터를 특징에 추가 적용하는 방식을 제안하였다. 실험결과 따르면 마이크로폰을 통해 얻은 환경음의 특징만을 이용하는 기존의 방식들에 비해 가속도센서를 통해 얻은 데이터를 기존의 환경음 특징벡터와 조합한 경우에서 5% 이상 평균 인식률이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. In this study, we conducted the classification experiments with GMM (Gaussian Mixture Model) from combining the extracted features by using microphone, Gyro sensor and Acceleration sensor in 9 different environment types. Existing studies of Context Aware wanted to recognize the Environment situation mainly using the Environment sound data with microphone, but there was limitation of reflecting recognition owing to structural characteristics of Environment sound which are composed of various noises combination. Hence we proposed the additional application methods which added Gyro sensor and Acceleration sensor data in order to reflect recognition agent's movement feature. According to the experimental results, the method combining Acceleration sensor data with the data of existing Environment sound feature improves the recognition performance by more than 5%, when compared with existing methods of getting only Environment sound feature data from the Microphone.

무선 가속도센서 시스템을 이용한 건축물의 실시간 피드백 진동제어 : 시스템 구축 및 기초성능 평가

전준용,박기태,이진옥,허광희,이우상 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.2

본 논문에서는 건축물의 실시간 피드백 진동제어를 위한 기초연구로써, 자체 기술력을 바탕으로 개발된 무선 가속도센서 시스템 및 프로토타입 (Prototype) AMD 시스템을 결합하여 피드백 진동제어 시스템을 구성하고, 모형 건축물을 대상으로 구성된 제어시스템의 기초성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 본 논문에서는 우선 MEMS 센서 소자 및 블루투스 통신 모듈 기반의 무선 가속도 센서 유닛, 실시간 가속도 응답획득 및 제어법칙에 근거한 제어출력을 구현하도록 구성한 운영프로그램 등을 개발하였다. 또한 AC 서보모터를 이용해 기동되도록 설계한 프로토타입 AMD 및 모터 드라이버 시스템을 구성하였다. 마지막으로 이를 이용해 실시간 피드백 진동제어 시스템을 구성하였고, 2층 모형 건축물을 대상으로 실험실 규모의 진동제어 실험을 수행하여 목적된 구조물의 진동저감 효과를 정량적으로 분석하였다. 실험의 결과, 모형 구조물의 1차 및 2차 공진주파수 그리고 랜덤주파수 등의 실험조건에서 명확한 진동저감의 효과를 확인할 수 있었으며, 종국적으로 본 논문에서 개발한 무선 가속도센서 시스템 및 AMD 시스템이 향후 여타 구조물의 진동제어를 위한 효과적인 수단으로 응용될 수 있는 가능성을 확인하였다. This is a preliminary study for the real-time feedback vibration control of building structures. The study developed a wireless acceleration sensor system based on authentic technology capacities, to integrate with the Prototype AMD system and ultimately construct the feedback vibration control system. These systems were used to evaluate the basic performance levels of the control systems within model building structures. For this purpose, the study first developed a wireless acceleration sensor unit that integrates an MEMS sensor device and bluetooth communication module. Also, the study developed an operating program that enables control output based on real-time acceleration response measurement and control law. Furthermore, the Prototype AMD and motor driver system were constructed to be maneuvered by the AC servo-motor. Eventually, all these compositions were used to evaluate the real-time feedback vibration control system of a 2-story model building, and qualitatively measure the extent of vibrational reduction of the target structure within the laboratory validation tests. As a result of the tests, there was a definite vibrational reduction effect within the laboratory validation tests. As a result of the tests, there was a definite vibrational reduction effect within 1st and 2nd resonance frequency as well as the random frequency of the model building structure. Ultimately, this study confirmed the potential of its wireless acceleration sensor system and AMD system as an effective tool that can be applied to the active vibration control of other structures.

스마트폰 가속도센서를 이용한 대구도시철도 주행진동평가

권동희,장성현,문형진,Chey, Min Ho 한국융합학회 2019 한국융합학회논문지 Vol.10 No.6

Recently, various problems have arisen due to the popularization and aging of urban railway transit, which is the key transportation of large cities. In this study, the vibrational accelerations for the Daegu Metropolitan City Urban Railway(Line 1) were measured and evaluated using the smartphone built–in acceleration sensor and the approved application. For this purpose, the three axes running accelerations were measured according to the domestic standard (KS R 9160), and the acceleration data along the 32 stations (3 directions) were analyzed and compared. In addition, the increasing of acceleration values caused by the change of vibrational environment was monitored along the main stations between the time in 1997 and 2017. It was found that there are considerable increase of lateral and vertical directional accelerations due to the aging of railway facility environment for the last 20 years. The results of this study have valuable means for evaluating the ride quality of urban railway and the vibration influence on surrounding structures. 최근 대도시 핵심 교통수단인 도시철도의 대중화와 노후화에 따른 다양한 문제점이 발생되고 있다. 본 연구에서는 이의 해결을 위해 스마트폰 내장형 가속도센서와 이를 활용한 애플리케이션을 사용하여 대구광역시 도시철도 1호선 전 구간에 대한 진동가속도를 측정하고 열차진동 특성을 평가하였다. 이를 위해 국내 철도차량 진동 측정 방법(KS R 9160)을 따라 주행 시 발생하는 3축 방향 가속도를 기반으로, 32개 역사 구간 및 방향 별 진동가속도 특성을 분석하였다. 또한, 1997년 개통 당시 측정된 주요 구간 진동가속도와의 비교를 통해 열차 진동환경 변화에 따른 진동증폭 양상을 모니터링하였다. 진동가속도 분석 결과, 20년에 걸친 철도시설 환경의 노후화에 따른 수평 및 수직 방향 진동가속도 증가 특성을 확인하였다. 본 연구의 결과는 추후 도시철도 승차감 평가와 주변 구조물에 대한 진동영향성 평가를 위한 주요한 자료로서의 가치가 있을 것으로 판단된다.

농용 무인 헬리콥터의 자세추정을 위한 관성센서의 성능 평가

배영환,오민석,구영모,Bae, Yeonghwan,Oh, Minseok,Koo, Young Mo 경북대학교 농업과학기술연구소 2014 慶北大農學誌 Vol. No.

본 논문에서는 저가, 저전력 및 소형의 IMU를 구성하기 위한 MEMS 관성 센서를 이용하여 자세 정보를 제공받는 ARHES에 위의 센서를 사용하기 위해 자이로 센서 및 가속도센서의 데이터 출력 특성을 검증하여 오차 및 정확도를 분석하였다. 센서 실험을 위하여 진자 실험 장치를 제작하였고, 진자 운동에 대한 센서 데이터를 수집하였다. 이론적인 수식을 유추하여 센서 데이터의 정확성 분석을 위한 기준 값으로 설정하였다. 센서값과 이론값을 비교하면 각속도에서 4.32~5.72%, 가속도에서 x-, z-축 방향에 대하여 각각 3.53~6.74% 및 3.91~4.16%의 오차율을 나타냈다. 진자실험 장치를 이용한 센서 검증에서 무인헬리콥터에 사용될 센서로서 적합한 것으로 평가되었으며 이는 짐벌장치 등을 이용한 자세추정 알고리즘을 구성하는데 기초가 되었다. 또한, 더욱 정밀한 실험을 위해서는 온도 등 주변 환경 요인에 대한 보정이 요구된다. The precision aerial application of agricultural unmanned helicopters has become a new paradigm for small farms with orchards, paddy, and upland fields. The needs of agricultural applications require easy and affordable control systems. Recent developments of MEMS technology based on inertial sensors and high speed DSP have enabled the fabrication of low-cost attitude system. Therefore, this study evaluates inertial MEMS sensors for estimating the attitude of an agricultural unmanned helicopter. The accuracies and errors of gyro and acceleration sensors were verified using a pendulum system. The true motion values were calculated using a theoretical estimation and absolute encoder measurement of the pendulum, and then the sensor output was compared with reference values. When comparing the sensor measurements and true values, the errors were determined to be 4.32~5.72%, 3.53~6.74%, and 3.91~4.16% for the gyro rate and x-, z- accelerations, respectively. Thus, the measurement results confirmed that the inertial sensors are effective for establishing an attitude and heading reference system (AHRES). The sensors would be constructed in gimbals for the estimating and proving attitude measurements in the following paper.