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기타공학/다른 공학들

네가 향한 방향이 어딘지 알려주마 - 자이로란 무엇일까

드론, RC 헬기에 붙는 자이로는 도대체 뭐에요



 자이로스코프는 물체의 기울어진 각도, 방향성을 측정하는 장치입니다. 항상 수평을 유지하려는 특성을 이용해서 물체가 얼마나 기울어져 있는지 알려주는 역할을 하지요.




네가 향한 방향이 어딘지 알려주마 - 소형화로 보급이 늘고 있는 자이로에 대하여 1commons.wikimedia.org




 보통 팽이를 예로 드는데요. 팽이는 한번 돌리면, 회전 방향과 수직한 축을 벗어나지 않고 회전합니다. 판자 위에 올리고 기울여도 팽이는 항상 수평상태로 회전합니다. 축은 수직을 유지하지요. (아래로 떨어지긴 하겠군요.) 




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 이를 항공기에 이용하면, 비행기가 수평을 기준으로 얼마나 기울여 졌는지 알 수 있습니다. 지표면이 잘 보이지 않는 야간비행이나, 안개, 혹은 구름속에서 기체의 자세를 제어하는데 무척 유용합니다.



 그런데, 최근 드론들, 아니 심지어 장난감 RC 헬기만 봐도, 6축 자이로가 탑재되어 있다고 적혀 있습니다. 그렇다면 이들 장치에는 모두 팽이가 하나씩 달려 있는 건가요?




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 그럴 리가 없겠지요. 전자부품의 눈부신 발전으로 인해 지금은 자이로스코프가 아닌 자이로센서가 이들 역할을 대신하고 있습니다. 작은 칩에 내부에 여러 방향으로 배열된 떨림 판들을 만들어 놓고, 이들의 진동을 전기신호로 전환하여 각도를 측정합니다. 만약 각속도 변화로 각도를 측정을 한다면 자이로센서, 가속도 변화로 각도를 측정한다면 가속도센서가 될 뿐입니다.



 와…찾아보다 보니 능력자 분들 많습니다. 글을 위해 이런저런 자료를 찾아보고 있었는데요. 자작 드론 붐이 일어서인지 상대적으로 한글 자료, 그것도 매우 자세하게 서술된 포스팅이 제법 있습니다.





 조금 어려운 내용인데, 각각의 센서 측정 원리에 대해 자세히 나와 있습니다. 이렇게 자세하게 나와 있으니 제가 굳이 포스팅 할 필요가 없어 보이기 까지 하네요. 




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 위의 내용을 요약하면 이렇습니다. 두 센서는 모두 칩셋 내부에 큰 철판 하나가 있습니다. 이 철판은 네 귀퉁이가 줄로 연결되어 있지요. 만약 이 칩셋을 기울인 상태에서 가속, 감속을 하면 관성에 의해 철판이 이동 방향의 반대로 움직이게 됩니다. 이때의 변위 량을 전기신호로 바꾸어 이동 방향을 확인합니다. 



 여기에 만약 각속도 값을 연산한다면 각도를 계산하는 자이로 센서가, 가속도 값을 연산한다면 가속도량을 검출하는 센서가 됩니다. 기준점을 셋팅하고 여기에 변화하는 각속도, 가속도 값을 대입하면 결국 기체가 얼마나 기울어졌는지를 알 수 있는 것이지요. 



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 이해를 위해 큼지막하게 설명했지만 이들 칩셋은 실제로는 너무 작아서 눈에 잘 보이지 않는 크기입니다. 그래서 이를 MEMS (Microelectromechanical) 방식이라고 부릅니다. 기술 발달로 인해 불과 손가락 몇 개 되지 않는 크기의 센서로도 자이로스코프를 대쳐할 수 있게 되었습니다. 



 처음에는 조금 복잡해 보였지만, 이해해 보니 원리 자체는 그렇게 어렵지 않은 듯 합니다. 그렇게 대단해 보이지도 않고요.




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 하지만 이들 센서의 정확도를 높인다면, 센서의 정밀도에 알고리즘 등등 이야기가 달라집니다. 장난감에도 붙는 자이로지만, 이들 기술은 불과 20-30년 전만 하더라도 보안 난이도가 높은 핵심 군수물품이었거든요. 기체가 얼마나 기울어져서 어떤 가속으로 이동했는지, 이들 데이터를 정리하면 출발지점과 이동경로 그리고 현재위치를 계산해 낼 수 있습니다. INS (Inertial Navigation System)라 불리우는 관성 항법장치입니다. 



 지금이야 GPS가 있어 내 위치를 정확하게 알 수 있지만, GPS가 없던 시절에는 비행기가 한번 이륙하고 나면, 자기 위치가 어디인지 판단할 길이 없었습니다. 민항기야 지상 전파를 수신하면 된다 치더라고, 비밀스럽게 운용되는 군사무기는 교신 자체가 불가능하지요. 결국 스스로 위치를 판독해 내는 수 밖에 없는데, INS가 사실상 유일한 수단이었습니다. (별자리를 보고 판단 할 순 없지 않겠습니까) 




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 때문에 자이로 스코프, 오늘날엔 자이로 센서를 얼마나 정밀하게 만들어 내는지에 따라 무기의 정확도가 달라집니다. 수만km를 날아와 불과 100m의 오차 (CEP, circular error probable) 를 갖는 미국의 ICBM과, 불과 수백km를 날라와서 km 단위의 오차를 갖는 북한의 스커드미사일의 차이는 바로 이런 INS의 성능에 달린 것이지요. 



 (요새는 GPS로 보정도 같이 해서, 아스트랄한 탄착오차를 가집니다)



 이야기가 여기저기 샜네요. 자이로의 원리, 그리고 MEMS 타입의 자이로 센서에 대해 간단히 알아보았습니다. 이번 포스팅의 세 줄 결론은 이렇습니다.



자이로센서는 내부의 소형 진동판을 이용하여 물체의 방향성을 측정하는 장치이다.


기술발전에 의해 소형화가 가능했고, 핸드폰, RC등의 소형 기기에 탑재되어있다.


자이로가 탑재된 정밀도가 높은 INS 시스템은 군사 무기로 활용된다.



막짤은 생체 자이로입니다 ^^;;;




http://imgur.com/gallery/V9qvk




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