IMU를 이용한 각도 측정 원리(Inertial Measurement Unit, Sensor)

 

목차

 

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IMU를 이용한 각도이 어려운 이유

 

IMU는 Inertial Measurement Unit의 약자로, 한국어로는 관성측정장치라고 부릅니다. 로봇, 드론, 스마트폰, 자동차, 웨어러블 기기처럼 움직임을 인식해야 하는 시스템에서 매우 자주 사용됩니다. 많은 분들이 IMU를 처음 접할 때 “기울기나 각도를 측정하는 센서”라고 생각하시지만, 정확히 말하면 IMU는 각도를 직접 측정하지 않습니다. IMU가 직접 측정하는 것은 가속도와 각속도입니다. 가속도계는 센서가 받는 힘의 방향과 크기를 측정하고, 자이로스코프는 물체가 얼마나 빠르게 회전하고 있는지를 측정합니다. 경우에 따라 자기계가 함께 포함되어 주변 자기장 방향을 측정하기도 합니다. 즉, IMU 안에는 “현재 기울기가 몇 도입니다”라고 직접 알려주는 센서가 들어 있는 것이 아니라, 각도를 추정하는 데 필요한 원천 데이터를 측정하는 센서들이 들어 있다고 이해하시는 것이 정확합니다.

 

센서 종류	관측할 수 있는 물리량	직접 관측할 수 없는 것
가속도계	비중력 가속도 또는 센서가 받는 힘 (m/s²)	자세 또는 회전
자이로스코프	각속도 (°/s, rad/s)	절대 각도
자기계	주변 자기장 벡터	교란 없는 정확한 방위각

 

가속도계는 정지 상태에서 기울기를 추정하는 데 유용합니다. 물체가 움직이지 않고 있다면 가속도계에는 주로 중력의 영향이 나타나기 때문입니다. 중력은 항상 아래쪽을 향하므로, 중력 성분이 센서의 x축, y축, z축에 어떻게 나뉘어 나타나는지를 보면 물체가 어느 방향으로 기울어져 있는지 어느 정도 계산할 수 있습니다. 하지만 물체가 움직이기 시작하면 이야기가 달라집니다. 드론이 앞으로 가속하거나 자동차가 급출발하거나 로봇 팔이 빠르게 움직이면, 가속도계에는 중력뿐 아니라 실제 운동에 의한 선형 가속도도 함께 측정됩니다. 이때 센서는 그 힘이 중력 때문에 생긴 것인지, 물체가 실제로 움직여서 생긴 것인지 스스로 구분하지 못합니다. 따라서 가속도계는 “아래쪽이 어디인지”를 항상 정확히 아는 센서가 아니라, “현재 센서가 받고 있는 힘의 방향”을 측정하는 센서라고 보셔야 합니다.

 

자이로스코프도 마찬가지입니다. 자이로스코프는 각도를 직접 측정하는 것이 아니라 각속도를 측정합니다. 각속도는 물체가 얼마나 빠르게 회전하고 있는지를 나타내는 값입니다. 예를 들어 어떤 물체가 초당 10도씩 회전하고 있다면, 자이로스코프는 “현재 초당 10도만큼 회전하고 있습니다”라는 정보를 제공합니다. 이 값을 시간에 따라 누적하면 회전한 각도를 계산할 수 있습니다. 하지만 실제 센서에는 항상 작은 오차가 존재합니다. 센서가 멈춰 있어도 아주 작은 값이 출력될 수 있고, 온도 변화나 노이즈로 인해 측정값이 조금씩 흔들릴 수 있습니다. 이 작은 오차를 계속 누적하면 시간이 지날수록 각도 오차가 커지는데, 이를 드리프트라고 부릅니다. 그래서 자이로스코프는 짧은 시간 동안의 회전 변화는 잘 따라가지만, 장시간 사용하면 보정 없이 정확한 각도를 유지하기 어렵습니다.

 

IMU의 각도는 측정값이 아니라 추정값!

Roll, Pitch, Yaw 방향, 팜테크

 

IMU에서 roll, pitch, yaw 같은 자세각을 얻기 위해서는 센서 퓨전이 필요합니다. 센서 퓨전은 여러 센서의 장점을 조합해 더 신뢰할 수 있는 값을 추정하는 과정입니다. 가속도계는 정지 상태나 느린 움직임에서 중력 방향을 기준으로 기울기를 보정하는 데 유리하지만, 동적인 움직임에서는 선형 가속도의 영향을 크게 받습니다. 반대로 자이로스코프는 빠른 회전 변화에는 잘 반응하지만, 시간이 지나면 오차가 누적됩니다. 따라서 실제 시스템에서는 자이로스코프로 짧은 시간 동안의 자세 변화를 추적하고, 가속도계로 장기적인 기울기 오차를 보정하는 방식으로 두 센서를 함께 사용합니다. 여기에 자기계가 추가되면 지구 자기장을 기준으로 방위각, 즉 yaw를 보정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

 

하지만 자기계가 있다고 해서 yaw가 항상 정확해지는 것은 아닙니다. 자기계는 주변 자기장을 측정하는 센서이기 때문에 철 구조물, 전기 모터, 배터리, 케이블, 차량 차체 같은 환경 요소에 쉽게 영향을 받습니다. 특히 실내나 산업 환경에서는 자기장이 왜곡되는 경우가 많습니다. 따라서 자기계 값도 무조건 신뢰하기보다는 상황에 따라 적절히 판단해서 사용해야 합니다. 고급 자세 추정 시스템에서는 가속도계, 자이로스코프, 자기계뿐만 아니라 GNSS, 카메라, 바퀴 오도메트리, 외부 마커 같은 추가 정보를 함께 사용하기도 합니다. 결국 자세를 안정적으로 추정하려면 단일 센서의 값만 보는 것이 아니라, 여러 기준을 조합해 오차를 줄여야 합니다.

 

이때 중요한 점은 자세각이 센서가 직접 측정한 물리량이 아니라는 것입니다. 온도 센서는 온도를 직접 측정하고, 압력 센서는 압력을 직접 측정하지만, IMU의 roll, pitch, yaw는 그런 직접 측정값이 아닙니다. 자세란 물체의 좌표계가 기준 좌표계에 대해 어떻게 회전해 있는지를 나타내는 상태입니다. 예를 들어 드론의 앞쪽, 오른쪽, 아래쪽 방향은 드론 자체의 좌표계이고, 북쪽, 동쪽, 아래쪽 방향은 지구 기준 좌표계입니다. 드론의 자세란 이 두 좌표계가 서로 어떤 관계를 갖는지를 의미합니다. IMU는 자기 몸체 기준으로 가속도와 각속도를 측정할 뿐, 이 좌표계 사이의 관계를 직접 측정하지는 않습니다. 따라서 자세각은 측정값이라기보다 여러 센서 데이터를 바탕으로 계산된 추정값이라고 이해하셔야 합니다.

 

결국 IMU를 제대로 이해하려면 “측정”과 “추정”을 구분하는 것이 중요합니다. 가속도계는 힘을 측정하고, 자이로스코프는 각속도를 측정하며, 자기계는 자기장을 측정합니다. 하지만 우리가 최종적으로 사용하고 싶은 roll, pitch, yaw 같은 각도는 이 값들을 조합해 얻은 결과입니다. 그래서 IMU는 각도를 재는 장치라기보다, 각도를 추정하기 위한 데이터를 제공하는 장치라고 표현하는 것이 더 정확합니다. 이 관점을 가지고 IMU를 바라보면 센서 값이 왜 흔들리는지, 시간이 지나면 왜 자세각이 틀어지는지, 왜 필터와 보정이 필요한지를 훨씬 명확하게 이해할 수 있습니다.

 

 

다이나랩 IMU 센서 라인

 

팜테크 다이나랩 IMU 센서 라인

 

다이나랩(Dynalabs)의 IMU 제품군은 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 하나의 하우징에 통합한 6-DOF 관성측정장치로, 선형 가속도와 각속도를 동시에 측정해 장비의 진동, 움직임, 자세 변화, 회전 거동을 분석하는 데 활용할 수 있습니다.

 

대표 제품인 8000 Series MEMS IMU는 MEMS Capacitive–Vibrating Ring 기술 기반의 아날로그 전압 출력형 IMU로, 가속도 측정 범위 ±2~±200 g, 자이로 측정 범위 ±75~±900 °/s, IP68 보호 등급, -40°C~+100°C 동작 온도, 6~35 VDC 여자 전압, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 하우징을 지원합니다.

 

9000 Series MEMS IMU는 동일하게 6-DOF 아날로그 전압 출력을 제공하면서 가속도 측정 범위가 ±2~±500 g까지 확장되어 더 높은 가속도 환경의 시험·계측에 대응할 수 있으며, 자이로 측정 범위는 ±75~±900 °/s입니다. 또한 8000T Series Tactical Grade MEMS IMU는 전술급 응용을 겨냥한 제품으로, 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 단일 하우징에 통합하고, ±2~±100 g의 가속도 범위와 ±75~±900 °/s의 각속도 범위를 제공하며, 고충격 및 진동 환경에서 안정적인 측정을 목표로 설계되었습니다. 이러한 특성으로 다이나랩 IMU는 차량 내비게이션 보조, UAV·ROV 유도, yaw·pitch·roll rate 측정, 안테나 안정화, 모션 제어, 철도 엔지니어링 및 다양한 동적 시험 환경에 적용하기 적합한 관성 계측 솔루션입니다.

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)