KR20150143076A - 진동 감쇠 장치 및 이를 구비한 관성 측정 장치 - Google Patents

진동 감쇠 장치 및 이를 구비한 관성 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성 측정 장치의 데이터의 신뢰성을 확보하기 위하여, 관성 측정 센서에 연결된 적어도 하나의 기계적 진동 감쇠 필터를 포함하되, 상기 기계적 진동 감쇠 필터는 외부로부터 입력된 신호 중 평행 운동 신호를 필터링하고 회전 운동 신호를 상기 관성 측정 센서로 전달하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치를 제공한다.

Description

진동 감쇠 장치 및 이를 구비한 관성 측정 장치{Device of damping vibration and Inertial measurement unit with device of damping vibration}
본 발명은 진동 감쇠 장치 및 이를 구비한 관성 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 관성 측정 장치(inertial measurement unit)는 항공기, 우주선, 선박, 유도미사일에 이용되는 핵심 부품으로 가속도 및 회전운동을 측정하여 속도, 방향, 중력을 측정하고 기록하는 장치이다.
관성 측정 장치에 사용되는 주요 센서로는 가속도 센서, 각속도 센서 및 지자기 센서가 있으며, 물제의 가속도, 충격 등 동적인 힘을 측정하고, 그 외에도 피치(pitch), (roll), (yaw) 의 3개의 축이 어떻게 움직이는 지 등을 측정하여, 다양한 항법 정보를 제공한다.
이와 같이 관성 장치에서 사용하는 센서들 중 가속도 센서는 중력 가속도를 측정하여 중력의 방향을 예측하는데 이용되어진다. 따라서 센서시스템이 가속하는 상황에서는 중력의 방향을 정확히 알 수 없으며, 특히 외부에서 충격(impulsive force)등의 외란이 작용하는 환경에서는 이러한 오차값이 매우 커지게 된다.
이를 해결하기 위해 종래 기술은 관성 측정 장치의 오차 보정시스템을 이용하여 있으며, 관성 측정 장치의 출력값을 분석하고, 오차 특성을 찾아내어 보정하여 소프트웨어적인 필터 알고리즘을 이용하였다.
하지만, 오차 보정시스템의 연산 처리 과정 또한 오차값 누적으로 문제를 제거하는 것에는 한계가 있어 데이터 신뢰성을 확보하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 이러한 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로 관성 측정 센서에 기계적 진동 감쇠 장치를 장착하여 데이터의 신뢰를 확보할 수 있는 관성 측정 장치 및 진동 감쇠 장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 관성 측정 센서에 연결된 적어도 하나의 기계적 진동 감쇠 필터를 포함하되, 상기 기계적 진동 감쇠 필터는 외부로부터 입력된 신호 중 평행 운동 신호를 필터링하고 회전 운동 신호를 상기 관성 측정 센서로 전달하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치를 제공한다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 기계적 진동 감쇠 필터는 관성 측정 장치의 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향에 복수로 구비되며, 제1방향, 제2방향 및 제3방향은 3차원 공간에서 서로 직교하는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 기계적 진동 감쇠 필터는 탄성체 또는 제진체 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 하나의 기계적 진동 감쇠 필터 내의 탄성체 및 제진체는 지지체를 기준으로 하여 상호 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 기계적 진동 감쇠 필터들이 z축, y축, z축 방향으로 순차적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면,관성 측정 센서에 연결되며, 각기 탄성체 또는 제진체를 가지는 복수의 기계적 진동 감쇠 필터들을 포함하되, 상기 기계적 진동 감쇠 필터들 중 제 1 기계적 진동 감쇠 필터는 제 2 기계적 진동 감쇠 필터에 연결되며, 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터는 상기 관성 측정 센서에 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치를 제공한다.
관성 측정 장치에 있어서, 제 3 기계적 진동 감쇠 필터를 더 포함하되, 상기 제 3 기계적 진동 감쇠 필터는 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 기계적 진동 감쇠 필터 내의 탄성체 및 제진체는 지지체를 기준으로 하여 상호 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 제 1 기계적 진동 감쇠 필터의 탄성체 및 제진체가 상기 제 2 기계적 진동 필터의 지지체에 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
관성 측정 장치에 있어서, 상기 제 1 기계적 진동 감쇠 필터는 x축 상에 구비되고, 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터는 y축 상에 구비되며, 상기 제 3 기계적 진동 감쇠 필터는 z축 상에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 관성 특정 장치에 사용되는 기계적 진동 감쇠 필터에 있어서, 지지체, 상기 지지체에 연결된 탄성체 및 상기 지지체를 기준으로 하여 상기 탄성체에 병렬로 연결된 제진체를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 감쇠 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 관성 측정 장치의 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 일부를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치를 구비한 관성 측정 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
관성 측정 장치에서 사용하는 센서들 중 가속도 센서는 중력 가속도를 측정하여 중력의 방향을 예측하는데 이용되어진다. 따라서 센서시스템이 가속하는 상황에서는 중력의 방향을 정확히 알 수 없으며, 특히 외부에서 충격(impulsive force)등의 외란이 작용하는 환경에서는 이러한 오차값이 매우 커지게 된다.
하지만, 본 발명에서는 관성 측정 센서의 각각의 축에 기계적 진동 감쇠 장치 필터를 장착하여 평행 운동으로 들어오는 진동 신호를 제거하여 보다 직접적으로 관성 측정 센서의 데이터 신뢰를 확보하는 것을 목적으로 하는 기술이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명이 데이터의 잡음을 제거하기 위해 각 축으로 들어오는 회전 운동 신호만을 측정하고, 평행 방향으로 들어오는 신호를 필터링하여 관성 측정 장치의 데이터의 신뢰성을 확보하는 방안을 알아본다.
이하, 평행 신호를 제거하면서 회전 운동 신호를 수신하는 관성 측정 장치의 다양한 실시예들을 살펴보겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 감쇠 장치의 일부를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 진동 감쇠 장치의 일부 구성 요소인 기계적 진동 감쇠 필터(101)는 탄성체(105)와 제진체(101)를 포함할 수 있다.
탄성체(105)와 제진체(110)가 관성 측정 장치에 연결된 구조를 설명하면, 지지체 (120)에 탄성체(105)와 제진체(110)는 병렬로 구비되어 있으며, 관성 측정 장치(100)에 연결되어 있다.
탄성체(105)는 외력에 의해 변형이 일어난 물체가 외력이 제거되었을 경우 원래의 모양으로 되돌아가려는 성질을 가진 물체이다.
탄성체(105)는 고무나 용수철이 있으며, 탄성체의 변형은 외력을 탄성체가 흡수하여 충격이나 진동으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에서 탄성체(105)는 관성 측정 장치의 일측에 구비되어 관성 측정 장치가 평행 운동으로 들어오는 신호를 흡수할 수 있다. 물론, 하나 이상의 다른 탄성체(105)가 관성 측정 장치의 타측에 구비될 수 있다.
탄성체(105)가 평행 운동으로 들어오는 신호를 흡수하기 위해서 동일 축에 복수의 탄성체가 직렬 또는 병렬로 구비될 수 있다. 이 경우, 탄성체(105)의 이음 설계 시에는 축과 축의 중심인 센터의 맞춤이 완전히 이루어지도록 하고, 탄성체들(105)의 회전 균형이 실현되도록 탄성체들(105)이 설치될 수 있다.
또한, 탄성체(105)는 설치 분해가 용이하고 진동에 의해 용이하게 이완되지 않으며 토크 전달에 충분한 강도를 가지며, 회전부에 돌기물이 없는 것 등이 바람직하다.
특히, 탄성체(105)는 충분한 강도 이외에 처짐이나 비틀림의 작용에 견딜 수 있는 강성도와 축 회전 시 진동으로 인해 파괴가 되지 않도록 축 이음, 예컨대 플렉시블 커플링’(flexible coupling) 방식 등을 사용될 수 있다.
탄성체(105)로 이용되는 스프링은 물체의 탄성 변형을 이용해 에너지를 흡수, 축적시켜 완충 등의 작용을 하며, 관성 측정 장치가 받는 스트레스를 줄이고 외부로부터 들어오는 진동을 흡수하여, 노이즈를 최소화할 수 있다.
반면, 관성 측정 장치(100)의 일측에는 제진체(110)가 구비될 수 있다.
제진체(110)는 진동 에너지를 흡수하는 장치로, 제진기(制振器), 흡진기(吸振器), 댐퍼(damper)라고도 한다.
완충기가 주로 최초의 1행정에 대한 힘을 대상으로 하여 급격한 충격을 완화하는 장치인 반면, 제진체(110)는 그 뒤의 진동 경과 및 정상 상태에서의 진동을 그 대상으로 하여, 탄성체(105)와 함께 장치에 구비되는 경우 보다 효과적으로 진동을 흡수할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의할 때 탄성체(105)와 제진체(110)는 관성 측정 장치의 같은 축상에 병렬로 구비됨으로써 관성 측정 장치에 평행 방향으로 들어오는 진동을 제거하여 관성 측정 장치의 데이터 오류의 원인이 되는 평행 방향 신호를 제거할 수 있다.
탄성체(105)와 제진체(110)는 관성 측정 장치의 각 축에 평행하도록 구비되어 관성 측정 장치의 센서의 축과 일치시키는 것이 바람직하다.
관성 측정 장치(100)가 각 축의 오일러 각(롤, 피치, 요) 값의 명확한 데이터를 획득하기 위해서는 회전 방향의 신호만 얻을 것이 요구되므로 평행 신호를 필터링하기 위해서 탄성체(105)와 제진체(110)는 관성 측정 장치(100) 센서의 축에 평행하게 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 지지체(120)는 관성 측정 장치 센서의 일축과 평행하게 구비하고 탄성체(105)와 제진체(110)를 고정시켜 관성 측정 장치 센서에 평행 방향으로 들어오는 신호를 보다 효과적으로 흡수할 수 있도록 할 수 있다.
진동 감쇠 장치는 탄성체(105)와 제진체(110)가 슬라이딩 될 수 있는 구조를 포함할 수 있다.
슬라이딩 구조는 슬래브나 보가 평활한 받침면으로 지지될 때 자유롭게 미끄러질 수 있도록 된 받침 구조로 탄성체(105)와 제진체(110)가 슬라이딩 구조 내에서 진동을 흡수하도록 설계되면, 진동 흡수 과정에서 마찰력을 줄이고, 외란으로 인하여 관성 측정 장치에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있다.
각 축이 슬라이딩 구조를 통해 정해진 선상에서 탄성체(105)와 제진체(110)가 움직임으로써, 축 방향 이외의 다른 방향으로의 장치가 흔들리는 것을 제거하고, 용이하게 평행 신호를 흡수할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성체와 제진체가 제1방향, 제2 방향, 제3방향에 구비되어 있는 진동 감쇠 장치를 구비한 관성 측정 장치(100)를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 진동 감쇠 장치(100)는 제1방향, 제2방향 및 제3방향으로 각기 배열된 제 1 기계적 진동 감쇠 필터(101a), 제 2 기계적 진동 감쇠 필터(101b), 제 3 기계적 진동 감쇠 필터(101c), 및 지지체(120a,120b, 120c)를 포함할 수 있다.
또한, 기계적 진동 감쇠 필터(101a, 102b, 103c)는 탄성체(105a, 105b, 105c)와 제진체(110a, 110b, 110c)를 포함할 수 있다.
이와 같이 3방향에서 구비된 탄성체(105a, 105b, 105c)와 제진체(110a, 110b, 110c)는 병렬로 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향에 각각 구비되어 관성 측정 장치(100)의 3차원 공간에서 들어오는 진동을 모두 감쇠할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 제1 방향과 제2 방향이 90도의 각도를 이루며, 제2 방향과 제3 방향이 90도의 각도, 제1 방향과 제3 방향이 90도의 각도를 이루어 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향이 x, y, z 축 상 직교하도록 구비될 수 있으며, 관성 측정 장치의 각 센서가 장착된 축 방향과 일치하도록 구비하는 것이 바람직하다.
다만, x축, y축, z축의 진동 감쇠 필터는 탄성체와 제진체 중 적어도 하나 이상 사용될 수 있으며, 도 3에서는, z축, y축, x축으로 필터들이 순차적으로 배열되었으나, 배열 순서는 이에 한정하지 않고 다양한 순서로 형성될 수 있다.
본 발명은 관성 측정 장치가 공간 상에서 이루는 각으로 x축과 y축, y축과 z축이 직교하여 플로팅 구조체(floating body)로 이루어 진 것이 바람직하여, 각 축이 서로 균형을 유지하도록 할 수 있다.
더 나아가, 플로팅 구조체(floating body)로 구비된 본 발명의 진동 감쇠 장치는 다양한 외력에 의해서도 균형을 유지할 수 있어, 진동 감쇠 장치의 무게 중심을 유지하는데 유리하다.
또한, 관성 측정 장치의 각 센서도 각각 90도의 각도로 공간의 설치되어 있으므로, 본 발명에 따른 세 쌍의 탄성체(105a, 105b, 105c)와 제진체(110a, 110b, 110c)의 공간에서 서로 90도의 각도로 설치되는 것이 바람직하다.
반면, 각각의 복수의 지지체(120a,120b,120c)에는 각각의 탄성체(105a, 105b, 105c)와 제진체(110a, 110b, 110c)가 수직하게 구비될 수 있으며, 복수의 지지체(120a,120b,120c)들은 지지체(120a)는 x축, 지지체(120b)는 y축, 지지체(120c)는 z축에 형성되어 3차원 공간에서 직교하여 구비되는 것이 바람직하다.
이와 같은 3차원 공간에서의 복수의 지지체(120a,120b,120c)는 복수의 탄성체(105a, 105b, 105c) 및 제진체(110a, 110b, 110c)를 고정시키는 수단으로 이용되어 센서축에 평행하게 형성되어 각 축의 회전 운동 값을 보다 정확하게 획득할 수 있는 장점이 있다.
다만, x축, y축, z축의 진동 감쇠 필터는 탄성체와 제진체 중 적어도 하나 또는 그 이상 사용될 수 있으며, 도 3에서는, z축, y축, x축으로 탄성체(105a, 105b, 105c), 제진체(110a, 110b, 110c) 및 지지체(120a,120b,120c)들이 순차적으로 배열되었으나, 배열 순서는 이에 한정하지 않고 다양한 배열 순서로 형성될 수 있다.
관성 측정 장치는 전자기기로 항공기의 속도, 방향, 중력을 측정하고 기록하는 데 이용되며, 또한, 관절형 로봇의 균형을 잡는 기술에 이용되어 로봇의 움직임일 경우 스스로를 보호할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.
이외에도, 관성 측정 장치가 이용되는 분야는 로봇 자동차, 항공기, 자세보정, 핸드폰, 일반 가전 등 움직임 센서가 이용되는 다양한 분야에 이용되는 기술이다.
하지만, 상기에 검토한 바와 같이 관성 측정 장치의 데이터의 누적 에러로 인한 문제는 장치의 기능을 발휘하지 못하며, 오차가 커져 관성 측정 장치의 기능을 상실하는 문제점이 있으며, 더 나아가, 이용되는 다양한 장치의 기능도 상실하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 진동 감쇠 장치가 구비된 경우 장치로부터 들어오는 평행 운동에 대한 신호를 보다 직접적으로 필터링 함으로써 관성 측정 장치의 컴퓨터에 입력되는 로우 데이터(raw data)에 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 기존 데이터를 이용한 연산 과정에서의 오차 발생을 최소화 할 수 있고, 다양한 분야의 장치들의 핵심 부품으로 이용되는 관성 측정 장치의 오차 발생을 최소함으로써, 결과적으로 장치가 그 고유한 기능을 발휘하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 진동 감쇠 장치는 용이하게 적용될 수 있는 구조의 특성 상 본 발명의 관성 측정 장치 이외의 진동의 감쇠가 요구되거나, 평행 신호를 필터링 하기 위한 다양한 장치에 용이하게 적용될 수 있는 장점이 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 관성 측정 장치 105: 탄성체
110: 제진체

Claims (11)

  1. 관성 측정 센서에 연결된 적어도 하나의 기계적 진동 감쇠 필터를 포함하되,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터는 외부로부터 입력된 신호 중 평행 운동 신호를 필터링하고 회전 운동 신호를 상기 관성 측정 센서로 전달하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터는 관성 측정 장치의 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향에 복수로 구비되며,
    제1방향, 제2방향 및 제3방향은 3차원 공간에서 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터는 탄성체 또는 제진체 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하나의 기계적 진동 감쇠 필터 내의 탄성체 및 제진체는 지지체를 기준으로 하여 상호 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터들이 z축, y축, z축 방향으로 순차적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  6. 관성 측정 센서에 연결되며, 각기 탄성체 또는 제진체를 가지는 복수의 기계적 진동 감쇠 필터들을 포함하되,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터들 중 제 1 기계적 진동 감쇠 필터는 제 2 기계적 진동 감쇠 필터에 연결되며, 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터는 상기 관성 측정 센서에 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제 3 기계적 진동 감쇠 필터를 더 포함하되,
    상기 제 3 기계적 진동 감쇠 필터는 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터와 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기계적 진동 감쇠 필터 내의 탄성체 및 제진체는 지지체를 기준으로 하여 상호 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 기계적 진동 감쇠 필터의 탄성체 및 제진체가 상기 제 2 기계적 진동 필터의 지지체에 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 기계적 진동 감쇠 필터는 x축 상에 구비되고, 상기 제 2 기계적 진동 감쇠 필터는 y축 상에 구비되며, 상기 제 3 기계적 진동 감쇠 필터는 z축 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 장치.
  11. 관성 특정 장치에 사용되는 기계적 진동 감쇠 필터에 있어서,
    지지체;
    상기 지지체에 연결된 탄성체; 및
    상기 지지체를 기준으로 하여 상기 탄성체에 병렬로 연결된 제진체를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 감쇠 장치.
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