소개글
"자세계측"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
1.2. 자이로 센서의 원리와 활용
2. 이론적 배경
2.1. 오일러 각과 회전운동
2.2. 등가속도 운동 이론
3. 실험 장치 및 방법
3.1. 실험 장비
3.2. 실험 과정
3.3. LabVIEW 프로그램 구성
4. 실험 결과 분석
4.1. 센서 출력을 통한 Pitching과 Yawing 분석
4.2. 이론값, Pitching, Pitching+Yawing에 따른 높이 변화 분석
4.3. 자세 계측 결과 분석
4.4. 실제 선로와의 비교 및 오차 분석
5. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
실험 목적은 자이로 센서의 원리와 활용방법을 익히는 것이다.
자이로 센서는 아래 그림과 같이 3축의 고리가 회전하며 생기는 각도 변화를 측정하는 기구이다. 자세제어에서 매우 광범위하게 사용하는 센서이기 때문에 기계공학 연구에서도 무수히 많이 쓰이는 센서이다. 따라서 이러한 자이로센서의 원리와 활용방법을 익히는 것은 매우 중요하다.
이 실험에서는 자이로센서를 이용하여 운동하는 물체의 자세를 계측하고, 이론값과 실험값의 차이를 분석하여 앞으로 엔지니어로서 사용할 자이로센서 사용에 대하여 학습하는 것을 목적으로 한다.
1.2. 자이로 센서의 원리와 활용
자이로 센서의 원리와 활용은 다음과 같다.
자이로 센서란 지구의 회전과 관계없이 높은 정확도로 처음에 설정한 방향을 유지하는 성질을 이용하여 물체의 방위 변화를 측정하는 센서이다. 자이로 센서는 3개의 고리가 회전하며 생기는 각도 변화를 측정하여 물체의 자세 정보를 제공한다. 이러한 자세 정보는 로봇, 드론, 자동차, 항공기 등 다양한 기계 시스템에서 자세 제어 및 항법 용도로 광범위하게 활용된다.
자이로 센서는 관성력을 이용하여 작동한다. 센서 내부에는 회전체가 있으며, 이 회전체가 외부의 회전력에 의해 각도가 변화하면 이를 측정하여 각도 변화량을 출력한다. 예를 들어 물체가 회전하면 회전체도 함께 회전하게 되며, 이로 인해 발생하는 각도 변화량을 감지하여 물체의 자세 변화를 알 수 있다.
자이로 센서는 회전 운동에 대한 정보를 제공하므로, 주로 Roll, Pitch, Yaw와 같은 회전 방향에 대한 자세 측정에 활용된다. Roll은 x축 방향으로의 회전, Pitch는 y축 방향으로의 회전, Yaw는 z축 방향으로의 회전을 의미한다. 이러한 3개의 회전 운동 정보를 종합하면 물체의 정확한 3차원 자세를 파악할 수 있다.
특히 자이로 센서는 가속도계와 함께 사용되어 보다 정확한 자세 측정이 가능하다. 가속도계는 선형 운동에 대한 정보를 제공하기 때문에, 자이로 센서와 가속도계의 데이터를 융합하면 물체의 6자유도 운동(x, y, z 방향 병진 운동 및 Roll, Pitch, Yaw 회전 운동) 정보를 종합적으로 확인할 수 있다.
이처럼 자이로 센서는 항공기, 드론, 자동차, 로봇 등 다양한 기계 시스템에서 자세 제어 및 항법 용도로 활용되고 있으며, 최근에는 스마트폰, 게임 컨트롤러 등 소비자 전자 기기에서도 널리 사용되고 있다. 향후 자이로 센서 기술의 발전과 함께 더욱 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
2. 이론적 배경
2.1. 오일러 각과 회전운동
오일러 각은 강체의 방향을 3차원 공간에 나타내기 위해 오일러가 도입한 세 개의 각도이다. 즉, 강체가 놓인 방향을 3차원 직교좌표계로 표현하기 위해 사용되는 개념이다.
오일러 각은 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)로 구성된다. 롤은 x축 방향으로 일어나는 회전운동, 피치는 y축 방향으로 일어나는 회전운동, 요는 z축 방향으로 일어나는 회전운동을 나타낸다.
이를 수식으로 표현하면 다음과 같다:
α (요) : z축을 기준으로 한 회전
β (피치) : 회전된 x축을 기준으로 한 회전
γ (롤) : 회전된 z축을 기준으로 한 회전
따라서 오일러 각은 강체의 3차원 회전 운동을 표현하는 방법이며, 이를 통해 강체의 방향을 정의할 수 있다.
이번 실험에서는 롤링(Rolling)은 무시하고, 피칭(Pitching)과 요잉(Yawing)만을 관측하였다.
2.2. 등가속도 운동 이론
등가속도...
참고 자료
Figliola, Beasley, 강보선, 곽문규, 박익근, 박희재, 송명호, 정상화, Figliola, R. S, and Beasley, Donald E. 기계계측공학 / Richard S. Figliola, Donald E. Beasley 지음 ; 강보선 [외] 옮김 (2016) ~p125
[네이버 지식백과] 자이로 센서 [Gyro Sensor] (국방과학기술용어사전, 2011.)
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3475335&cid=58439&categoryId=58439
[기계공학실험 매뉴얼], 『2019 실험8_운동하는 물체의 자세 계측_실험매뉴얼 』, 김정환
[ 강의자료], 『실험8_강의영상 』, 유한필
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3405053&cid=47324&categoryId=47324
Kreyszig, Norminton, 서진헌, Kreyszig, Erwin, Kreyszig, Herbert, and Norminton, E. J. (Kreyszig) 공업수학 / Erwin Kreyszig 저 ; 서진헌 [외] 공역 (2012).
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