센서 번역(한국어 원본)1차 Complementary filter 설계 시 보정용 센서로 tilt sensor와 accelerometer의 성능 비교
두 센서를 융합하여 각도를 측정하는 Complementary filter 중에서 Gyroscope와 Tilt Sensor를 이용하는 연구와 Gyroscope와 accelerometer를 이용하는 연구가 많이 소개되고 있다. 본 논문은 Gyroscope-tilt sensor를 융합한 Complementary filter와 Gyroscope-accelerometer를 융합한 Complementary filter를 least square을 이용해 설계하였을 때 어떠한 필터가 좋은 성능을 보이는지 확인하고자 한다.
최근 선박, 우주항공, 로봇 등 다양한 분야의 과학기술이 발달함에 따라 위치와 자세를 측정하는 센서의 역할이 중요해 지고 있다. 그 중 기울기를 측정하는 tilt sensor와 가속도를 측정하는 accelerometer, 회전 각속도를 측정하는 Gyroscope 가 많이 사용되고 있다. 그러나 tilt sensor를 이용한 각도 검출은 응답속도가 느린 단점을 가지고 있고, Gyroscope를 이용한 각도 검출은 적분에 따른 누적 오차를 가지며, accelerometer를 이용한 각도 검출은 병진 운동 성분이 포함되면 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 사용하는 방법으로 Complementary filter를 이용한 방법이 있다. 이 방법은 응답 특성이 다른 두 센서의 장점을 결합하는 것이다. 일반적으로 tilt sensor와 Gyroscope, accelerometer와 Gyroscope를 융합하여 사용한다. 기존의 tilt-Gyroscope를 융합한 Complementary filter는 tilt sensor에서 얻은 각도에 low pass filter를 Gyroscope에서 얻은 각도에 high pass filter를 설계하였다. accelerometer-Gyroscope를 융합한 Complementary filter는 기존의 tilt-Gyroscope를 융합한 Complementary filter에서 tilt sensor 대신 accelerometer를 사용하여 Complementary filter를 설계한다. 본 논문에서는 설계된 두 Complementary filter의 오차를 최소화 하기 위해 least square을 이용해 두 Complementary filter의 최적화된 성능을 확인하고, 설계된 두 Complementary filter를 pendulum system에 적용하여 결과를 비교 확인한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 가속도-Gyroscope를 융합한 1차 Complementary filter를 소개하고, 필터 계수를 least square을 이용하여 구한다. 3장에서 진자 운동을 통한 실험과정을 보여주고 그 결과를 확인한다. 그리고 4장에서 결론을 맺는다.
그림 4는 encoder에서 얻은 각도와 accelerometer에서 얻은 각도를 비교한 그래프이다. 병진 운동이 포함된 각도 측정에서는 accelerometer에서 제대로 된 각도를 얻지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그림 5는 encoder에서 얻은 각도와 tilt sensor에서 얻은 각도를 비교한 그래프이다. 이 결과 역시 병진 운동이 포함되어 제대로 된 각도를 얻지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그림 6은 Gyroscope의 적분을 통해 얻은 각도와 encoder에서 얻은 각도를 비교한 그래프 이다. 시간이 지남에 따라 적분 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그림 7은 accelerometer와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter의 결과이고, 그림 8은 tilt sensor와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter의 결과이다. 그때 오차의 RMS J는 식 (8)에 따라 tilt sensor와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter가 0.0412, accelerometer와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter가 0.0300이 됨을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 accelerometer와 Gyroscope를 융합하여 Complementary filter를 설계함에 있어 1차 Complementary filter를 대상으로 하였다. 그리고 필터의 계수는 least square을 이용하여 구하였고, 그 성능을 확인하기 위해 rotary pendulum system에 적용하여 tilt sensor와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter와 비교하였다. 비교 결과 accelerometer와 Gyroscope를 융합한 Complementary filter의 결과가 조금 더 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. |
센서 번역(영어 번역본)Comparison between tilt sensor and accelerometer as an adjustment sensor when designing the Complementary filter
There have been many studies that either use Gyroscope with Tilt Sensor or that uses Gyroscope with accelerometer amongst the complementary filters that measure the angles by fusing the two sensors. In this study, the two complementary filters that either fuses with the gyroscope-tilt sensor or the gyroscope-accelerometer were compared to find out which has better performance when the filter is designed by the least square.
In recent times, the use of sensors had become very important with the progress in shipping, space travel, robots and many other technologies. And tilt sensor (for measuring the tilt), accelerometer (for measuring acceleration) and Gyroscope (for measuring rotational acceleration) are in much use. However, there are known issues with the use of these devices. Response is slow when measuring the tilt by the tilt sensor, there are accrued margin for error when using Gyroscope and there are difficulties in using accelerometer when translational motion is involved.
In order to resolve these issues, one possible way is to use Complementary filter. This method integrates the strengths of two sensors with difference response characteristics. In general, tilt sensor, Gyroscope and accelerometer are usually integrated.
The traditional complementary filters that were fused with the tilt-gyroscope – designed the low pass filter from the angles obtained from the tilt sensor, and the high pass filter from the angles obtained from the Gyroscope. The complementary filter fused with the accelerometer-Gyroscope instead uses the accelerometer at the complementary filter fused with the traditional tilt-gyroscope rather than the tilt sensor to design the complementary filter. In this study, in order to minimize the error for the two complementary filters, the least square was used to find out the optimized performance of the two filters. The pendulum system was applied on these two filters and their results were compared.
The makeup of this study is as the following. In chapter 2, the 1st complementary filter fused with the accelerometer-Gyroscope is introduced and the filter coefficient is obtained by using the least square. In chapter3, the experiment process of pendulum movement is demonstrated and its results are verified. Chapter 4 is the conclusion of this study.
The figure 4 is the graph that compares the angles obtained from the encoder and the accelerometer. It can be seen that the accelerometer does not produce appropriate angles when measuring the angle that contains pendulum movements. Figure 5 is the graph that compares the angles obtained by the encoder and the tilt sensor. Also in this case, it can be seen that the appropriate angle is not obtained due to pendulum movement. The figure 6 is the graph that compares the angles obtained from the encoder and that obtained by the integration of the gyroscope. It can be seen that integral error is generated with time.
The figure 7 shows the results for the complementary filter that fused the accelerometer and the gyroscope, and the figure 8 shows the results of complementary filter that fused the tilt filter and the gyroscope. RMS J of the error according to the equation (8) was 0.0412 for the complementary filter fused with tilt sensor and gyroscope, and 0.0300 for the complementary filter fused with accelerometer gyroscope.
In this study, the 1st complementary filter was the main object for the filter design by the fusion of accelerometer and gyroscope. And the filter coefficient was obtained by the least square. And in order to verify its performance, it was compared with the complementary filter that was fused with the tilt sensor and the gyroscope – the fusion of which was applied to the rotary pendulum system. The comparison showed that the complementary filter which was fused with the accelerometer and the gyroscope had better performance. |
