KR20220017732A - 변형률 센서 기반 imu 센서 및 이를 포함한 관성 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예들은 3축 중 어느 하나의 축에 각각 평행한 표면 방향을 갖는 적어도 3개의 표면을 포함한 코어바디; 변형 가능하도록 구성된 복수의 외팔보 - 각 외팔보의 일 측면은 상기 코어바디에 각각 결합됨; 각 외팔보의 표면 상에 각각 배치된 복수의 변형률 센서 - 상기 변형률 센서는 상기 외팔보의 고정 일 측면으로부터 타 측면 방향을 따라 연장되는 IMU 센서 및 이를 포함한 관성 측정 시스템에 관련된다.

Description

변형률 센서 기반 IMU 센서 및 이를 포함한 관성 측정 시스템{STRAIN SENSOR-BASED IMU SENSOR AND SYSTEM FOR MEASURING INERTIA INCLUDING THE SAME}
실시예들은 대상의 가속도를 측정하기 위한 IMU 센서에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 FBG 센서를 포함하며 선가속도 및/또는 각가속도를 측정하도록 구성된 IMU 센서 및 이를 포함한 관성 측정 시스템에 관한 것이다.
가속도계와 회전 속도계를 측정하기 위한 센서로서 IMU(Inertia Measurement Unit) 센서가 널리 활용되고 있다. 일반적으로 IMU 센서는 MEMS(Micro Mechanical System) 기술을 이용해 제작되어 전기/자기 방식으로 가속도와 회전 속도를 측정하는 방식으로 동작한다.
그러나 MEMS 기술로 제작된 IMU 센서는 전자기장에 의한 영향이 매우 높다. 따라서, 측정 대상이 높은 세기의 전자기장에 노출되어 있는 측정 환경에서는 오차가 발생하게 되고, 시간에 따른 오차 누적인 드리프트를 크게 발생시키는 문제를 가진다.
또한, MEMS 기반 IMU에 장착된 각속도 센서(예컨대, 자이로 센서)는 기준점이 없이 각속도의 변화량만을 감지하기 때문에 오차가 많이 발생하여, 측정값이 상대적으로 부정확한 한계를 가지고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2007-0076546호 (2007.07.24.)
본 발명의 일 측면에 따르면 3축에 평행한 법선 벡터로 갖는 표면을 포함하는 복수의 외팔보와 이에 변형률 센서가 결합된 IMU 센서를 제공할 수도 있다.
이외에도, 상기 IMU 센서의 신호를 사용하여 IMU 센서가 부착된 대상의 선가속도 및/또는 각가속도를 측정하는 관성 측정 시스템을 제공할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 대상의 관성을 측정하는 IMU 센서는: 제1 방향과 제2 방향으로 이루어진 표면을 가지며, 변형 가능하도록 구성된 복수의 외팔보; 상기 복수의 외팔보와 결합한 코어 바디; 및 각 외팔보(each cantilever) 상에 각각 배치되어 해당 외팔보의 굽힘(bending) 변형을 감지하는 복수의 변형률 센서를 포함할 수도 있다.
상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나의 외팔보는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 x축을 향하도록 결합되고, 적어도 하나의 다른 외팔보는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 y축을 향하도록 결합되고, 적어도 하나의 또 다른 외팔보는 상기 표면의 상기 제1 방향이 z축을 향하도록 결합되며, 상기 복수의 변형률 센서로부터 획득된 변형률 측정 결과에 기초하여 상기 대상에 대한 선가속도 또는 각가속도를 측정한다.
일 실시예에서, 상기 IMu 센서는 6개의 외팔보를 상기 복수의 외팔보로서 포함할 수도 있다. 상기 6개의 외팔보는 상기 표면 상에 상기 제1 방향으로 정렬된 변형률 센서를 각각 포함하며, 상기 6개의 외팔보 중 2개의 외팔보는 x축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합되고, 다른 2개의 외팔보는 y축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합되고, 또 다른 2개의 외팔보는 z축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합된다.
일 실시예에서, 상기 6개의 변형률 센서는 3축 각각의 선가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서의 쌍 또는 3축 각각의 회전축을 갖는 각가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서 쌍을 형성하며, 상기 6개의 변형률 센서 각각은 상기 3축 중 어느 하나의 축의 선가속도를 측정하기 위한 변형률 센서 쌍과 동일한 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 위한 변형률 센서 쌍이 서로 공유할 수도 있다.
일 실시예에서, 선가속도 또는 각가속도의 성분을 갖는 외력이 상기 대상에 가해지면 상기 6개의 외팔보 중 적어도 2개의 외팔보 쌍이 상기 외력에 반응하여 변형되고, 상기 외팔보 쌍 중 어느 하나의 외팔보와 다른 하나의 외팔보는 길이로 연장된 축이 서로 평행하지 않을 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 대상에 선가속도가 가해져 변형된 외팔보 쌍은 상기 선가속도 방향과 마주보는 표면 방향을 갖도록 상기 코어 바디에 결합될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 대상에 각가속도가 가해져 변형된 외팔보 쌍은 상기 각가속도의 방향으로 구부러질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 3축 중 어느 하나의 선가속도를 측정하기 위한 변형률 센서의 쌍 중 어느 하나의 변형률 센서는 3축 중 다른 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용되고, 다른 하나의 변형률 센서는 3축 중 나머지 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 코어 바디는 다른 표면 보다 넓은 면적을 갖는 일 표면을 포함할 수도 있다. 상기 일 표면 상에는 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 복수의 외팔보 중 하나 이상이 상기 홈에 위치하도록 상기 코어 바디에 결합된다.
일 실시예에서, 상기 복수의 외팔보는 6개 이상의 외팔보를 포함하고,
상기 코어 바디는 3축에 평행한 방향을 법선 방향으로 갖는 6개의 표면을 포함하고, 상기 6개의 외팔보의 일 측면은 상기 코어 바디의 6개의 표면에 각각 고정될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 코어 바디는 구 형상으로 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나는 일 표면 상에 형성된 홈을 포함하고, 상기 복수의 변형률 센서 중 적어도 하나는 상기 홈 상에 배치될 수도 있다. 상기 IMU 센서는 상기 외팔보의 홈에 배치된 변형률 센서 상에 형성된 폴리머 층을 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 IMU 센서는 상기 외팔보의 고정된 일 측면의 타 측면에 고정된 질량체를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 IMU 센서는 상기 질량체를 외팔보의 표면으로 사영한(projecting) 부분과 외팔보가 코어바디와 결합하여 고정된 부분 사이에 형성된 복수의 관통홀을 더 포함할 수도 있다. 해당 외팔보의 표면 상에 배치된 변형률 센서에서 센싱 부위는 상기 복수의 관통홀 사이에 위치한다.
일 실시예에서, 상기 관통홀은 상기 관통홀이 형성된 해당 외팔보의 연장 방향과 상기 연장 방향의 직교 방향 중 하나 이상의 방향으로 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 외팔보의 평면은 해당 외팔보의 일 측면과 타 측면 사이에서 보다 좁은 간격을 갖는 부분을 포함하는 평면 구조일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 IMU 센서는 상기 코어 바디 내부에 상기 6개의 변형률 센서 중 적어도 하나의 스펙트럼 변화에서 온도에 의한 변화를 보정하기 위한 온도 센서를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 온도 센서는 FBG 센서로 구현되며, 상기 온도 센서의 FBG 센서는, 코어 바디 내부에 위치할 수도 있다. 상기 코어 바디 내부는 상기 IMU 센서가 부착된 대상의 움직임에 의해 발생한 외팔보의 변형에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화 보다 온도 변화에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 보다 크게 발생한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나는 제1 탄성층; 점탄성층; 및 제2 탄성층으로 이루어지며, 상기 변형률 센서는 상기 제2 탄성층 상에 배치될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 변형률 센서는 대상의 선가속도 또는 각가속도 발생에 따른 관성에 의해 상기 외팔보가 구부러지는 정도 또는 방향을 측정할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 변형률 센서로 광섬유 기반의 변형률 센서는 FBG 센서가 이용될 수 있으며, 상기 FBG 센서는 광섬유 중심에 굴절률이 다른 격자가 일정한 간격, 일정하지 않은 간격 및 이들의 조합 중 하나 이상으로 새겨진 센서; 격자의 간격에 따라 특정한 파장의 빛만 반사되는 센서; 길이 변화, 온도 변화에 의해 격자 간격, 파장이 변함으로써 변형률을 측정할 수도 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 관성 측정 시스템은: 상술한 실시예들에 따른 IMU 센서; 상기 FBG 센서에 빛을 조사하는 광원; 및 상기 복수의 FBG 센서로부터 파장 스펙트럼 세트를 수신하는 계측장비 - 상기 파장 스펙트럼 세트는 각각의 FBG 센서로부터 출력된 반사광의 파장 스펙트럼을 포함함 - 를 포함할 수도 있다. 상기 계측장비는, 상기 IMU 센서가 부착된 대상의 움직임에 의해 발생한 외팔보의 변형에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 대상의 움직임에 대응하는 변형률을 산출하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 대상의 움직임에 의해 변형된 외팔보를 결정하고, 변형된 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화 부호에 기초하여 해당 외팔보의 변형 방향을 결정하며, 변형 방향 및 변형률에 기초하여 상기 대상의 선가속도를 측정하도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, 변형된 외팔보가 적어도 2개이고 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향이 서로 다른 축 방향을 포함한 경우, 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향에 기초하여 회전 방향을 결정하고, 결정된 회전 방향 및 상기 선가속도에 더 기초하여 상기 대상의 각가속도를 추가로 측정하도록 더 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, 파장 스펙트럼 세트 내 각각의 파장 스펙트럼에 대응한 외팔보에 관한 정보를 저장하며, 상기 외팔보에 관한 정보는 외팔보의 식별 정보, 외팔보의 굽힘 축, 외팔보의 표면의 변형 방향 중 적어도 하나 이상을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, z축을 표면 방향으로 갖는 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화에 기초하여 중력 보정 값을 산출하고, 검출된 파장 스펙트럼 세트에서 z축을 표면 방향으로 갖는 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화에 상기 중력 보정 값을 적용하도록 더 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, 온도 보정 격자 노드의 격자 변화로 인해 발생되는 반사광 파장 스펙트럼의 변화에 기초하여 온도 보정 값을 산출하고, 검출된 파장 스펙트럼 세트에 상기 온도 보정 값을 적용하도록 더 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 계측장비는, 잔여진동을 제거하기 위한 압력 성형 필터를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 관성 측정 시스템은, 변형률(strain) 센서를 포함한 IMU 센서를 사용하기 때문에, 측정 환경에 큰 자기장이 존재하더라도 자기장에 의해 시간에 따라 누적되어 발생하는 드리프트가 발생하지 않는다.
또한, 상기 IMU 센서에서 변형률 센서는 6 자유도(DOF, degrees of freedom) 구조로 결합된 다수의 외팔보의 표면 상에 각각 배치되며, 가속도계(예컨대, 선가속도)를 측정하도록 구성된 가속도 센서만으로 회전 속도계(예컨대, 각가속도)도 측정할 수 있다.
또한, 상기 관성 측정 시스템은 예컨대, 중력, 온도, 및/또는 외팔보의 변형에 따른 잔여 진동을 포함한, 가속도 측정의 오차 요인을 보정할 수 있어, 보다 정확한 가속도 측정이 가능하다. 특히, 상기 관성 측정 시스템은 상보필터 및/또는 칼만필터와 같이 보다 정확한 가속도 측정을 위해 사용되는 알고리즘 기술을 모두 적용할 수 있어, 높은 호환성을 가진다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 관성 측정 시스템의 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, FBG 센서의 개념도이다.
도 4는, 도 2의 IMU 센서의 외팔보 부분의 확대도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 6-DOF 외팔보 구조의 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 외팔보의 굽힘 변형의 정도에 따른 반사광의 파장 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 도 6의 구조에서 외팔보의 변형과 대상의 선가속도/각가속도 방향과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 이동 방향에 따른 파장 스펙트럼 세트를 도시한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 회전 시 각 외팔보의 변형 거동을 도시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 회전의 방향에 따른 파장 스펙트럼 변화를 도시한 도면이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도 보정 격자 노드를 포함한 IMU 센서(100)의 사시도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 슬림 평면의 외팔보의 사시도이다.
도 13a 및 도 13b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 평면 외팔보와 슬림 외팔보 간의 민감도를 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 내지 도 14d는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 슬림 외팔보의 슬림 영역의 평면도이다.
도 15는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 관통홀의 면적 및 단면 형상에 따른 다수의 관통홀의 디자인을 도시한 도면이다.
도 16a 내지 도 16d는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 관통홀 디자인을 도시한 도면이다.
도 17은, 도 15의 관통홀의 디자인에 따른 변형률과 격자 간격의 변위와의 관계를 도시한 도면이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 잔여진동 저감을 위한 EVE 샌드위치 구조를 갖는 외팔보의 단면도이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 IMU 센서를 포함한 관성 측정 시스템의 개념도이다. 도 2에서 도 1의 IMU 센서는 분해 사시도로 도시되었다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 관성 측정 시스템(1)은 IMU 센서(100); 광원(200); 및 계측장비(300)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 관성 측정 시스템(1)은 IMU 센서(100)를 사용자의 신체에 고정하는 고정구(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 고정구는 IMU 센서(100)의 고정부를 포함한 밴드 및/또는 신발 등이 될 수도 있다.
IMU 센서(100)는 대상의 관성을 측정하는 센서로서, IMU 센서(100)는 전자기 방식이 아닌 변형률 센서를 이용하도록 구성된다. 변형률 센서는 전도성 물질의 변형에 의한 저항 및/또는 정전 용량의 변화로 측정하는 센서, 또는 광섬유 기반의 변형률 센서가 이용될 수 있다.
일 실시예에서, IMU 센서(100)는 복수의 변형률 센서를 포함할 수도 있다. IMU 센서(100)는 복수의 변형률 센서로부터 획득된 변형률 측정 결과에 기초하여 상기 대상에 대한 선가속도 또는 각가속도를 측정할 수도 있다.
일 실시예에서, IMU 센서(100)는 적어도 일부가 광섬유로 이루어진 FBG 센서를 포함할 수도 있다. 이하, 설명의 명료성을 위해서, FBG 센서를 변형률 센서로 갖는 실시예들을 기초로 본 발명을 보다 상세하게 서술한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 FBG 센서의 변형률 센서에 국한되지 않으며, FBG 센서 이외의 다른 다양한 광섬유 기반의 변형률 센서, 또는 전도성 물질의 변형에 의한 저항 및/또는 정전 용량의 변화로 측정하는 센서에 대해서도 적용되는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
상기 FBG 센서는 IMU 센서(100)가 부착된 대상이 움직임에 반응하여 특정 움직임에 대응하는 외팔보(20)가 부분적으로 변형됨으로써 대상의 가속도 및/또는 각가속도 변화에 관한 정보를 측정하는데 사용될 수도 있다. IMU 센서(100)의 광섬유(미도시)는 광원(200)에 연결된다.
광원(200)은 IMU 센서(100)의 광섬유에 빛을 조사한다. IMU 센서(100)의 광섬유는 빛을 입력받고 FBG 노드가 새겨진 부근에서 반사광을 출력하도록 구성된다.
계측장비(300)는 IMU 센서(100)로부터 출력된 신호(예컨대, 반사광)을 수신하고, 수신한 신호에 기초하여 IMU 센서(100)가 부착한 대상의 물리적 정보(예컨대, 선가속도 정보, 각가속도 정보 등)를 측정할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 상기 계측장비(300)는 IMU 센서(100)의 반사광을 써큘레이터(미도시)를 통해 계측장비(300)가 수신하면 알고리즘과 적분계산을 통해 선가속도 정보, 각가속도 정보를 위치 및 각도 변화로 변환시킬 수도 있다.
계측장비(300)의 물리적 정보 측정 과정에 대해서는 아래의 도 5 내지 도 10 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
실시예들에 따른 계측장비(300)는 전적으로 하드웨어이거나, 전적으로 소프트웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 시스템은 데이터 처리 능력이 구비된 하드웨어 및 이를 구동시키기 위한 운용 소프트웨어를 통칭할 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", “모듈(module)”“장치”, 또는 "시스템" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.
특정 실시예들에서, 상기 소프트웨어는 일반적으로 사용되는 상보필터나 칼만필터가 사용되거나, 또는 본 FBG 기반 IMU의 데이터 처리를 위해 최적화된 필터가 사용될 수도 있다. 추가적으로, 각가속도와 선가속도를 분리하기 위한 고유의 알고리즘 및/또는 필터 기술이 상기 소프트웨어에 적용될 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 IMU 센서(100)는 복수의 FBG 센서(10); 복수의 외팔보(20); 및 코어바디(30)를 포함할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 상기 IMU 센서(100)는 질량체(50), 레일(60) 및/또는 캡(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 레일(60), 캡 등은 센서를 보호하는데 사용된다. FBG 센서(10)는 광섬유를 포함하며, FBG 센서(10)가 적어도 일부 변형되면 변형을 야기하는 물리적 요인(예컨대, 온도 및/또는 외력)을 검출하는 센서이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, FBG 센서의 개념도이다.
도 3을 참조하면, FBG 센서(10)는 일 축 방향으로 길게 연장된 광섬유(11)의 일부 구간에 격자 노드를 형성하도록 구성된다. 상기 격자 노드는 복수의 격자를 포함한다.
도 3에서는 편의상 격자 노드(16)를 중심으로 도시하였으며, 격자 노드(16)의 좌우로 격자를 포함하지 않는 광섬유(11)의 잔여 부분이 길게 연장될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 격자 노드(16)의 좌우로 연장되는 광섬유(11)의 잔여 부분은 광섬유(11) 내부로 빛을 전달하는 통로 역할을 하며, 그 길이 및 변위가 움직임의 감지에는 영향을 미치지 않는다. 다시 말해서, 격자 노드(16) 외의 광섬유(11)의 잔여 부분은 필요에 따라서 길이가 조절될 수 있으며, 연장 방향 등을 다양하게 조정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 광섬유(11)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(12)과, 상기 클래딩(12)의 중심에서 클래딩(12)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(13)를 포함한다. 클래딩(12)의 굴절율과 코어(13)의 굴절율은 서로 상이하다. 예를 들어, 클래딩(12)의 굴절율은 n1이고, 코어(13)의 굴절율은 n0로 서로 상이하다. 광섬유(11)의 양단에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(14)와, 코어(13)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(15)가 형성된다.
광섬유(11)의 일부 구간의 코어(13)에는 각각 n개(n≥2, 자연수)의 격자가 한 집합을 이루어 형성된, 격자 노드(16)가 형성된다. 상기 FBG 센서(10)는 하나 이상의 격자 노드(16)를 포함할 수도 있다.
격자는 광섬유(11)의 제작 과정에서 자외선 빛을 통해 코어(13)의 격자 무늬를 새긴 부분으로, 클래딩(12) 및 코어(13)와는 다른 굴절률(예를 들어, n0+△n)을 가진다.
복수 개의 격자는 격자와 다른 격자 사이의 일정한 간격(Λ) 격자와 다른 격자 사이의 일정하지 않은 간격(Λ) 및 이들의 조합 중 하나 이상으로 형성되어 배치될 수도 있다. 격자 노드 사이의 간격은 격자 노드를 형성하는 격자들의 간격(Λ)에 비하여 현저히 크다. 격자 사이의 간격(Λ)은 다양할 수 있다. 예를 들어, 격자 간격(Λ)은 동일할 수도 있다. 또는 적어도 하나의 격자 간격(Λ)은 나머지 격자 간격(Λ)중 적어도 하나와 상이할 수도 있다.
위와 같은 구성에 따르면, 광섬유(11)의 광 입구(14)로 입사된 입사광은 격자 노드들에 의한 간섭이 발생한다. 광 입구(14)로 다시 출력되는 반사광은 각 격자 노드에 대응하는 피크가 존재하는 파장 스팩트럼으로 표현될 수도 있다.
FBG 센서(10)의 광 입구(14)로 출력되는 반사광 파장의 스펙트럼에서 격자 노드의 격자 간격(Λ)과 반사광의 파장(λB)은 아래의 [수학식 1]과 같은 관계를 가진다.
Figure pat00001
여기서, neff는 코어의 유효 굴절률을 나타내는 지표이다.
상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 격자에서 반사되는 빛의 브래그 파장(λB)은 유효 굴절률(neff)과 격자 간격(Λ)의 함수이다. 그리고 유효 굴절률과 격자 주기는 온도와 변형률(strain)의 함수이다. 그러면, 격자 노드(16)에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 격자에서 반사되는 빛의 브래그 파장(λB)은 이 바뀌게 된다. 외팔보(20)는 FBG 센서(10) 내 적어도 하나의 격자 노드(16)의 변형을 유발하도록 구성된다.
외팔보(20)는 가로 방향과 세로 방향으로 이루어진 일 표면을 포함할 수도 있다. 복수의 FBG 센서(10)는 복수의 외팔보(20) 에 각각 설치될 수도 있다. 예를 들어, FBG 센서(10)는 외팔보(20)의 일 표면 상에 배치될 수도 있다. 상기 일 표면 상에 FBG 센서(10)가 안정적으로 배치될 수도 있다. 또는, FBG 센서(10)는 외팔보(20)의 내부에 배치될 수도 있다.
FBG 센서(10)가 외팔보(20)의 길이 방향의 변형률을 측정하도록 배치된다. 또한, FBG 센서(10)는 변형률이 0인 굽힘 변형의 고정 축(즉, 도 2의 코어 바디(30)와의 결합 부분)으로부터 멀리 이격 배치된다. 그러면, 동일한 굽힘 변형이 발생하더라도 굽힘 변형의 고정 축에 가까운 경우에 비해 격자 간격(Λ)의 변화가 크게 발생한다.
또한, 상기 일 외팔보(20) 표면 상에 배치된 FBG 센서는 IMU 센서(100)가 부착된 대상의 움직임에 반응하여 외팔보(20)의 일부 또는 전부가 변형될 수도 있다. 외팔보(20)는 FBG 센서(10)를 지지하며, 외팔보(20)의 변형이 없으면 FBG 센서(10)의 변형이 발생하지 않는다. 이를 위해, 외팔보(20)는 변형 가능한 다양한 물질, 예를 들어, 가요성 물질로 이루어질 수도 있다. 상기 가요성 물질은, 예를 들어, UV 에폭시, 에틸 비닐 에테르(ethyl vinyl ether: EVE) 등과 같은 다양한 폴리머 물질을 포함할 수도 있다. 그러나, 상기 가요성 물질은 이에 제한되지 않으며, 폴리머 물질 이외에도 성형 및/또는 3D 프린팅이 가능한 폴리카보네이트(Polycarbonate: PC), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone: PEEK), 베로(Vero), 탱고(Tango) 혹은 카본 스틸, 스프링 스틸 등 다양한 비자기성 금속성 물질을 포함할 수도 있다. 즉, 가요성 물질은 세라믹 물질을 제외한 탄성을 가진 대부분의 물질을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 외팔보(20)는 IMU 센서(100)에서 굽힘 축을 기준으로 표면의 법선 방향으로 굽힘이 가능하도록 구성될 수도 있다. 여기서, 굽힘 축은 외팔보(20)와 코어바디(30)가 결합하여 형성된, 외팔보(20)의 일부분을 고정하는 부분을 나타낸다. 외팔보(20)의 변형으로 인해 FBG 센서(10)도 변형된다. 외팔보(20)가 구부러질 경우 외팔보(20)의 변형에 의해 FBG 센서(10)는 FBG 센서(10)의 축 방향으로 인장/수축된다. 이러한 FBG 센서(10)와 외팔보(20)의 상호작용에 대해서는 아래의 도 5 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
추가적으로, 외팔보(20)는 보다 높은 민감도를 IMU 센서(100)를 위한 평면 설계를 가질 수도 있다. 외팔보(20)는 보다 높은 민감도를 위해 하나 혹은 그 이상의 관통홀을 포함하거나, 또는 외팔보(20)의 일부가 다른 일부 보다 슬림한 평면 구조를 갖도록 설계될 수도 있다.
우선 설명의 명료성을 위해서, 복수의 관통홀(예컨대, 두 개)을 갖는 실시예들을 기초로 IMU 센서(100)를 부착한 대상이 움직이는 경우 IMU 센서(100)의 동작을 보다 상세하게 서술한다.
도 4는, 도 2의 IMU 센서의 외팔보 부분의 확대도이다.
도 4를 참조하면, FBG 센서(10)는 외팔보(20)의 일 표면 상에 형성된 홈 상에 설치될 수도 있다.
일 실시예에서, IMU 센서(100)의 제작 과정은: 굽힘 가능한 물질로 이루어진 외팔보(20) 구조물을 형성하는 단계; 상기 외팔보(20) 구조물의 일 표면 상에 홈을 형성하는 단계; 및 상기 홈 상에 FBG 센서(10)를 배치하는 단계;를 포함할 수도 있다. 여기서, 외팔보(20)가 굽혀지는 부분에 FBG 센서(10)의 격자 노드가 적어도 하나 위치하도록 배치한다.
또한, 상기 IMU 센서(100) 제작 과정은: 질량체(50)를 부착하는 과정을 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 질량체(50)는 상기 외팔보(20)가 상기 코어바디(30)와 결합된 측면의 반대 측, 즉 외팔보(20)의 타 측에 부착된다. 그러나, 질량체(50)은 외팔보(20)의 반대 측 끝면에만 부착할 필요는 없다. 다른 실시예들에서, 외팔보 중앙 혹은 결합된 측면 이외의 모든 측면에 부착가능하다. 상기 질량체(50)와 외팔보(20)는 하나의 진동계를 형성한다. 가속도를 야기하는 외력이 이들 진동계에 동일하게 작용할 경우, 이 진동계는 외팔보(20)만으로 이루어진 진동계와 비교하여 보다 큰 물리적 변화를 가진다. 따라서, 보다 정밀한 가속도 측정이 가능하다.
일부 실시예에서, 질량체(50)는 외팔보(20)의 홈이 형성된 표면의 반대 표면에 부착될 수도 있다. 다른 일부 실시예에서, 질량체(50)는 외팔보(20)의 홈이 형성된 표면과 반대 표면에 모두 부착할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외팔보(20)의 일 표면이 복수의 관통홀을 더 포함한 경우, 상기 관통홀은 질량체(50)와 코어바디(30) 사이의 영역에 형성될 수도 있다. 관통홀은 사다리꼴, 사각형, 원형 등 다양한 형상이 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 관통홀은 상기 질량체를 외팔보의 표면으로 사영한 부분과 외팔보(20)가 코어바디(30)와 결합하여 고정된 부분 사이에 형성된다.
또한, 센서(10)의 격자 노드(16)는 복수의 관통홀 사이에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 사다리 꼴의 관통홀 사이의 영역에 FBG 센서(10)의 격자 노드(16)가 위치하도록 FBG 센서(10)가 배치될 수도 있다.
또한, 상기 IMU 센서(100) 제작 과정은: 상기 FBG 센서(10)가 배치된 외팔보(20) 상에 폴리머를 도포하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 폴리머는 점탄성 혹은 초탄성 물질을 포함할 수도 있다. 폴리머 도포로 인해, FBG 센서(10)를 중심으로 외팔보(20)와 폴리머 층이 샌드위치 구조를 형성한다. 샌드위치 구조는 외팔보(20)의 댐핑을 향상시킬 수도 있다. 그러면, 외력이 가해져 외팔보(20)가 변형되면, 외력과는 관계 없는 잔여진동 문제를 개선할 수도 있다. 샌드위치 구조를 위한 폴리머 도포는 단지 예시적인 것으로서, 이외에도 코팅, 성형, 3D 프린팅을 이용하여 폴리머를 적층할 수도 있다.
코어바디(30)는 복수의 외팔보(20)와 결합된다. 일 실시예에서, 상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나의 외팔보(20)는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 x축을 향하도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다. 또한, 상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나의 다른 외팔보(20)는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 y축을 향하도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다. 또한, 상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나의 또 다른 외팔보(20)는 상기 표면의 상기 제1 방향이 z축을 향하도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다.
이를 위해, 일 실시예에서, 코어바디(30)는 x축, y축, z축을 표면 방향으로 갖는 적어도 3개의 표면을 갖는 형태로 형성될 수도 있다. 코어바디(30)는, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 육면체일 수도 있으나, 이에 제한되진 않으며, 팔면체와 같은, 3축 방향의 표면을 갖는 다양한 다면체일 수도 있다.
다른 일 실시예에서, 코어바디(30)는 구형일 수도 있다. 이 경우 복수의 외팔보(20)는 코어바디(30)의 중심점을 3축 기준으로 결합된다.
코어바디(30)는 외팔보(20)의 일 측을 고정하도록 구성된다. 그러면, 외팔보(20)는 코어바디(30)에 대향한, 타 측에서 상대적으로 큰 변형이 발생한다.
코어바디(30)는 광섬유를 정리할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서, 상기 코어바디(30)는 외팔보(20)의 일 측면을 고정하기 위해 상기 일 측면과 결합하는 결합 마운트(31)를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 결합 마운트(31)는 코어바디(30)의 내부와 외부를 관통하는 홈으로 형성될 수도 있다. 이 외에도, 코어바디(30)는 일체형 및/또는 조립형으로 제작될 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 결합 홈의 단면은 외팔보(20)의 일 측의 단면에 대응하도록 형성되어, 상기 결합 홈에 외팔보(20)의 일 측면이 결합되면 외팔보(20)의 일 측면이 코어바디(30)에 고정된다. 외팔보(20)와 코어바디(30)가 결합된 고정 부분은 외팔보(20)가 굽혀지는 변형의 굽힘 축으로 기능할 수도 있다.
코어바디(30)는 FBG 센서(10)가 코어바디(30) 내부를 통과하도록 구성된다. 일 실시예에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 코어바디(30)의 결합 홈을 통해 FBG 센서(10)의 일부가 코어바디(30)의 내부로 배치될 수도 있다.
다른 일부 실시예에서, 코어바디(30)는 결합 마운트(31)와 코어바디(30) 내부 사이를 관통하는 홈(32)을 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 코어바디(30)는 외팔보(20) 상에 배치된 FBG 센서(10)가 코어바디(30) 내부로 인입하게 하는 홈(32)을 더 포함할 수도 있다. 그러면, FBG 센서(10)의 광섬유 부분은 홈(32)을 통해 코어바디(30) 내부로 인입된다. 코어바디(30) 내부의 광섬유 홈(32)은 레일(60)의 광섬유 인입을 위한 홈과 대응하도록 형성되어, FBG 센서(10)는 레일(60)을 통해 외부로 배출된다.
상기 외팔보(20) 상에 배치된 FBG 센서(10)는 레일(60)의 홈(61)을 통해 계측장비(300)로 연결될 수도 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, FBG 센서(10)는 코어바디(30)의 내부를 통과하여 레일(60)로 배치되고 다시 레일(60)의 홈(61)을 통과하여 계측장비(300)로 연결될 수도 있다.
계측장비(300)는 신호를 수신하여 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 및/또는 데이터 처리부를 포함한다. 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)는 예를 들어, 광섬유로부터 출력된 반사광을 시간 영역에서 얻기 위한 아발란체 포토다이오드 (Avalanche Photo Diode: APD), 마이크로 컨트롤러 유닛 (Micro Controller Unit: MCU) 및/또는 광 스펙트럼 분석기 (Optical Spectrum Analyzer: OSA)를 포함할 수도 있다. 또한, 데이터 처리부는 프로세서를 포함한 데이터 처리 장치일 수도 있다.
상기 계측장비(300)는 IMU 센서(100)에 포함된 각 FBG 센서(10)의 반사광을 각각 수신할 수도 있다. 그러면, 계측장비(300)는 반사광에 기초한 각 FBG 센서(10)별 파장 스펙트럼을 획득할 수도 있다. 또한, 계측장비(300)는 관성 측정 시스템(1)의 가속도 측정 데이터를 실시간으로 처리할 수도 있다.
상기 계측장비(300)는 획득한 각 FBG 센서(10)별 파장 스펙트럼으로부터 반사광 변화를 검출할 수도 있다. 그러면, 계측장비(300)는 검출된 반사광의 변화(즉, 파장 스펙트럼의 변화)에 기초하여 대상의 움직임에 반응하여 변형된 (예컨대, 굽혀진) 외팔보(20)를 결정할 수도 있다. 또한, 변형된 것으로 결정된 외팔보(20)를 굽히는 변형률(strain)을 산출할 수도 있다. 또한, 외팔보(20)의 결합 구조에 따라서 대상의 움직임 방향, 대상의 선가속도 및/또는 각가속도를 측정할 수도 있다.
일 실시예에서, 계측장비(300)는 대상의 움직임에 반응하여 변형된 외팔보(20)의 변형률에 기초하여 IMU 센서(100)가 부착된 대상의 선가속도를 산출할 수도 있다. 변형률을 이용한 선가속도 산출에 대해서는 아래의 도 6 및 도 7을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
또한, 계측장비(300)는 회전 운동하는 대상의 움직임에 반응하여 변형된 외팔보(20)의 변형률에 기초하여 대상의 회전방향(또는 각가속도)를 측정할 수도 있다. 회전방향의 결정 등에 대해서는 아래의 도 8을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
이와 같이, 계측장비(300)는 대상의 외팔보(20)의 변형 쌍을 구분하여 선가속도와 각가속도를 구분할 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 파장 스펙트럼에 대응한 외팔보(20)에 관한 정보를 미리 저장할 수도 있다. 예를 들어, 계측장비(300)는 제1 파장 스펙트럼에 대응한 외팔보가 외팔보(20A)라는 정보, 예컨대, 외팔보(20A)의 식별 정보를 특정한 파장 스펙트럼으로 저장할 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 외팔보(20)의 변형 정보를 미리 저장할 수도 있다. 예를 들어, 상기 변형 정보는 해당 외팔보(20A)의 가 굽힘 축이 x축란 정보 및 해당 외팔보(20A)의 변형 방향이 ±z 인 정보 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
이에 대해서는 아래의 도 5 내지 도 9 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
상기 관성 측정 시스템(1)은 선가속도 및/또는 각가속도를 측정하기 위해 각 외팔보(20)에 각 FBG 센서(10)가 배치된, 복수의 FBG 센서(10)-외팔보(20)의 세트를 포함한다. 상기 세트 내 복수의 외팔보(20)는 일 축 방향으로 연장되어 형성되며, 각각의 연장 축은 3축 중 어느 하나의 축과 평행한다.
IMU 센서(100)는 x축과 평행한 연장 축을 갖는 하나 이상의 제1 외팔보(20), y축과 평행한 연장 축을 갖는 하나 이상의 제2 외팔보(20), 및 z축과 평행한 하나 이상의 제3 외팔보(20)를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, IMU 센서(100)는 적어도 두 개의 제1 외팔보(20); 적어도 두 개의 제2 외팔보(20); 및 적어도 두 개의 제3 외팔보(20)를 포함할 수도 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 6-DOF 외팔보 구조의 개념도이다.
도 5에서 ±부호와 3축의 명칭(x축, y축, z축)은 단지 예시적인 것으로서, 외팔보(20)가 두 방향으로 굽혀지는 것 또는 서로 다른 3차원 축을 의미하는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 5를 참조하면, IMU 센서(100)는 각 외팔보(20)의 연장 축이 3축 중 어느 하나의 축 방향에 평행하도록 구성된 6개의 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. IMU 센서(100)는 각각 x축, y축, z축에 평행한 축을 연장 축으로 가지는 세 쌍의 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 IMU 센서(100)는 x축과 평행한 방향으로 연장된 제1 외팔보의 쌍(20B, 20E); y축과 평행한 방향으로 연장된 제2 외팔보의 쌍(20A, 20D); 및 z축과 평행한 방향으로 연장된 제3 외팔보의 쌍(20C, 20F)을 포함할 수도 있다. 이러한 외팔보(20) 쌍은 코어바디(30)에 결합된다. 여기서, 코어바디(30)는 3축 중 어느 하나에 각각 평행한 6개의 표면을 포함한다. 동일한 축 방향으로 연장된 외팔보(20) 쌍은 코어바디(30)를 중심으로 이격 배치된다.
상기 6개의 외팔보(20)는 3축 방향(orientation)과 3축 위치(position)를 측정할 수 있는 6-DOF(degrees of freedom) 구조로 코어바디(30)에 결합된다. 이를 위해, IMU 센서(100)는 3축 중 일 축 방향으로는 두 개의 외팔보(20)가 평행한 표면 방향을 가지고, 다른 일 축 방향으로는 다른 두 개의 외팔보(20)가 평행한 표면 방향을 가지고, 또 다른 일 축 향으로는 나머지 외팔보(20)가 평행한 표면 방향을 갖도록 코어바디(30)에 결합된다. 즉, 상기 6개의 외팔보 중 두 개의 제1 외팔보(20)는 x축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다. 또한, 상기 6개의 외팔보 중 다른 두 개의 제2 외팔보(20)는 y축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다. 또한, 상기 6개의 외팔보 중 또 다른 두 개의 제3 외팔보(20)는 z축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 상기 코어바디(30)에 결합될 수도 있다.
예를 들어, x축에 평행한 표면 방향은 외팔보(20C, 20D)가 가지고, y축에 평행한 표면 방향은 외팔보(20B, 20F)가 가지고, z축에 평행한 표면 방향은 외팔보(20A, 20E)가 갖도록 6개의 외팔보(20)가 코어바디(30)에 결합될 수도 있다.
그러면, 동일한 연장 축을 갖는 외팔보(20)의 쌍 중에서 하나의 외팔보는 다른 하나의 외팔보(20)와 상이한 굽힘 축을 가진다. 여기서, 하나의 외팔보(20)는 다른 하나의 외팔보(20)와 상이한 평면 벡터를 갖는 표면을 갖도록 구성된다. 이로 인해, 3축 중 어느 하나 축과 평행한, 동일한 연장 축을 갖는 외팔보(20)의 쌍 중에서 하나의 외팔보(20)는 자신의 연장 축과 평행하지 않은 3축 중 어느 하나의 축의 방향으로 표면이 굽혀지고 다른 하나의 외팔보(20)는 자신의 연장 축과 평행하지 않으면서 상기 하나의 외팔보(20)의 굽힘 방향과 상이한 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성된다.
예를 들어, x축과 평행한 축을 연장 축으로 갖는 제1 외팔보의 쌍(20B, 20E) 중에서 하나의 외팔보(20E)는 y축을 굽힘 축으로 가지며 ±z 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성되고 다른 하나의 외팔보(20B)는 z축을 굽힘 축으로 가지며 ±y 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성될 수도 있다.
y축과 평행한 축을 연장 축으로 갖는 제2 외팔보의 쌍(20A, 20D) 중에서 하나의 외팔보(20D)는 z축을 굽힘 축으로 가지며 ±x 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성되고 다른 하나의 외팔보(20A)는 x축을 굽힘 축으로 가지며 ±z 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성될 수도 있다.
z축과 평행한 축을 연장 축으로 갖는 제3 외팔보(20C), 20F의 쌍 중에서 하나의 외팔보(20C)는 y축을 굽힘 축으로 가지며 ±x 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성되고 다른 하나의 외팔보(20F)는 x축을 굽힘 축으로 가지며 ±y 방향으로 표면이 굽혀지도록 구성될 수도 있다.
이러한 복수의 외팔보(20)에는 복수의 FBG 센서(10)가 각각 배치된다.
일 실시예에서, 상기 복수의 FBG 센서(10)는: 동일한 굽힘 축으로 회전하면 동시에 굽혀지는 다수의 외팔보(20)에 대해서는 광섬유의 적어도 일부가 동일하게 인장 또는 수축하도록 배치된 FBG 센서(10)를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 외팔보(20C, 20E)는 모두 y축을 굽힘 축으로 가지며, IMU 센서(100)가 해당 굽힘 축(x축)을 기준으로 회전하면 두 외팔보(20C, 20E)는 모두 동일하게 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 굽혀진다. 그러면, 두 외팔보(20C, 20E)는 해당 굽힘 축을 기준으로 시계방향 회전하면 외팔보(20C, 20E)에 배치된 FBG 센서(10)의 광섬유는 모두 수축된다.
또한, 다수의 외팔보(20)의 변형에 반응하여 변형되는 다수의 FBG 센서(10)에서 일부 FBG 센서(10)는 인장되고, 다른 FBG 센서(10)는 수축될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 IMU 센서(100)는: 복수의 외팔보(20) 중의 표면의 동일한 법선 벡터를 갖는 두 외팔보(20)에 배치된 FBG 센서(10) 중에서 어느 하나는 해당 표면의 법선 벡터의 제1 방향의 표면 상에 배치되고, 다른 하나는 해당 표면의 법선 벡터의 제2 방향의 표면 상에 배치된 FBG 센서(10)를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 외팔보(20C, 20D)의 표면은 모두 x축을 법선 벡터로 가진다. 외팔보(20C) 상에 배치된 FBG 센서(10)는 음의 x축 방향의 표면 상에 배치되고, 외팔보(20D) 상에 배치된 FBG 센서(10)는 양의 x축 방향의 표면 상에 배치된다. 그러면, 외팔보(20C, 20D)가 동시에 변형될 경우 각 외팔보(20C, 20D)의 FBG 센서(10) 중 어느 하나는 인장이, 다른 하나는 수축이 발생할 수도 있다.
나머지 외팔보(20A, 20B, 20E, 20F)의 일부 또는 전부는 외팔보(20C, 20D)와 동일하게 배치되거나, 또는 표면의 법선 벡터에서 동일한 방향의 표면 상에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 외팔보(20A, 20E)는 모두 z축을 표면의 법선 벡터로 가지지만, 모두 -z 방향의 표면 상에 FBG 센서(10)가 배치될 수도 있다.
외팔보(20)의 굽힘 변형은 해당 외팔보(20)에 배치된 FBG 센서(10)에 의해 감지될 수도 있다. 외팔보(20)의 변형 정도 등이 감지되면, 외팔보(20)에 가해진 외력을 측정할 수도 있다. 도 5의 외팔보(20)의 결합 구조에 의해, 상기 6개의 변형률 센서는 3축 각각의 선가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서의 쌍 또는 3축 각각의 회전축을 갖는 각가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서 쌍을 형성하고, 상기 6개의 변형률 센서 각각은 상기 3축 중 어느 하나의 축의 선가속도를 측정하기 위한 변형률 센서 쌍과 동일한 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 위한 변형률 센서 쌍이 서로 공유하기 때문이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 외팔보의 굽힘 변형에 따른 반사광의 파장 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 하나의 외팔보(20) 상에 하나의 격자 노드(16)가 위치한 실시예의 파장 스펙트럼이 도시된다. 설명의 명료성을 위해, 중력은 무시되는 상황을 가정한다.
외팔보(20)에 외력이 가해지지 않으면 외팔보(20)는 기본 상태를 유지할 수도 있다. 기본 상태는, 예를 들어, 수평 구조를 유지하는 상태이다. 외팔보(20)가 굽힘 변형이 발생하지 않으면 FBG 센서(10)의 반사광의 파장 변화가 발생하지 않는다.
IMU 센서(100)가 부착된 대상이 움직이는 것과 같이, 외팔보(20)에 외력이 가해지면 외팔보(20)의 적어도 일부가 굽혀지는 변형이 발생할 수도 있다. 그러면, 반사광의 파장 변화가 발생할 수도 있다.
예를 들어, 도 6의 아래 방향인, 질량체(50)가 부착된 표면의 방향으로 외팔보(20)가 굽혀지는 변형이 발생한 경우, 외팔보(20)의 굽힘 변형으로 인해 FBG 센서(10)의 격자 간격(Λ)에 변화가 발생한다. 그 결과, 반사광의 파장이 변화하게 된다.
또는, 도 6의 위 방향인, 질량체(50)가 부착된 표면의 반대 방향으로 외팔보(20)가 굽혀지는 변형이 발생한 경우, 외팔보(20)의 굽힘 변형으로 인해 FBG 센서(10)의 격자 간격(Λ)에 변화가 발생한다. 그 결과, 반사광의 파장이 변화하게 된다.
이와 같이, 반사광의 파장 변화 유무는 외팔보(20)의 변형 발생 여부를 나타낸다. 결국 반사광의 파장 변화 유무는 외팔보(20)의 변형을 야기하는 외력의 발생 여부를 결정하는데 사용될 수도 있다.
또한, 반사광의 파장 변화 방향에 따라 외팔보(20)의 변형 방향을 결정할 수도 있다.
도 6의 아래 방향으로 외팔보(20)가 구부러질 경우 격자 간격(Λ)은 수축된다. 반면, 도 6의 위 방향으로 외팔보(20)가 구부러질 경우 간격 격자(Λ)은 확장된다. 격자 간격(Λ)의 변화 방향이 서로 반대이므로, 파장 변화의 방향이 반대로 나타난다. 예를 들어, 도 6의 아래 방향으로 외팔보(20)가 구부러질 경우 파장 변화량은 음(negative)의 값을 가지고, 도 6의 위 방향으로 외팔보(20)가 구부러질 경우 파장 변화량은 양(positive)의 값을 가질 수도 있다.
이와 같이 IMU 센서(100)를 이용하면, IMU 센서(100)에 외력이 가해지는지 여부, 외력의 세기, 및/또는 외력의 방향에 관한 정보를 획득할 수도 있다.
예를 들어, 반사광의 파장 변화량을 상기 수학식 1에 적용하면, 외팔보(20)의 변형을 야기한 외력에서 3축별 물리적 변화(예컨대, 변형률(strain))을 산출할 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 외팔보(20)의 변형률에 기초하여 해당 외팔보(20)의 선가속도를 산출할 수도 있다.
외팔보(20)에, 도 6에 도시된 바와 같이 굽힘(bending)이 발생할 경우, 외팔보의 중앙은 변형률이 0이 되고 중앙으로부터 멀리 떨어질수록 변형률의 세기는 증가한다. 여기서, 변형률은 외팔보(20)의 길이 방향의 변형률을 지칭한다.
윗 표면에 FBG 센서(10)를 배치시킨 경우, 중력 가속도에 의한 변형 시 계측장비(300)는 인장방향에 의한 (+)방향의 변형률을 측정할 수 있다. 반면, 아랫 표면에 FBG 센서(10)를 배치시킨 경우 계측장비(300)는 중력 가속도에 의한 변형 시 수축방향에 의한 (-)방향의 변형률을 측정할 수 있다.
중력가속도보다 더 높은 가속도가 발생할 경우 외팔보(20)의 굽힘 변형의 정도가 더 증가하기 때문에, FBG 센서(10)의 신호의 변화는 더 커지게 된다. 계측장비(300)는 FBG 센서(10)의 신호 변화의 정도에 기초하여 가속도 값을 산출할 수도 있다.
외팔보(20)에 가해지는 외부 가속도는 외팔보(20)에 굽힘 변형을 야기한다. 고정 축(즉, 코어바디(30)와의 결합 부분)을 기준으로 갖는 외팔보(20)의 굽힘 변형에 의해서 FBG 센서(10)의 파장 스펙트럼의 피크 값이 이동하게 된다. 일 실시예에서, 계측장비(300)는 IMU 센서(10)의 사양 하에서 획득된 변형률에 대응하는 선가속도 값을 미리 저장할 수도 있다. 상기 값은 FBG 센서(10)의 피크의 변화량을 정량화하여 결정될 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 외팔보(20)의 변형률에 기초하여 해당 외팔보(20)의 각가속도를 측정할 수도 있다. 각가속도도 접선 가속도이므로, 선형 가속도와 유사한 방식으로 측정된다. 이 때, 구심 가속도 보상 값이 적용되어야 한다. 선가속도로부터 각가속도를 산출하는 과정은 당업자들에게 이미 공지 기술인바 자세한 설명은 생략한다.
이 외팔보(20)의 굽힘 변형이 대상의 회전 운동에 의한 경우, 계측 결과 회전 방향이 획득된다.
6-DOF 구조에서 외팔보(20)의 FBG 센서(10)는 3축 중 어느 하나의 축 방향의 변형률 또는 동일한 방향의 선가속도를 측정하는데 사용된다. 여기서, 변형률의 축 방향은 굽힘 방향을 나타낸다. 도 6에서 FBG 센서(10D)는 x축의 굽힘 방향(즉, 변형률 방향)을 측정하는데 사용된다. 또한, FBG 센서(10D)는 x축 방향의 대상의 선가속도를 측정하는데 사용된다.
3축 방향으로 대상이 움직일 경우 움직이는 축방향의 외력에 대항하는 표면을 갖는 두 개의 외팔보(20)가 동시에 굽혀지도록 구성된다. 상기 두 개의 외팔보(20)의 표면은 축방향을 향해 바라보도록 구성된다.
대상의 선가속도를 측정하는데 3개의 FBG 센서 쌍이 사용된다. 또한, 대상의 각가속도를 측정하는데 3개의 FBG 센서 쌍이 사용된다. 상기 선가속도를 위한 3개의 FBG 센서 쌍과 각가속도를 위한 3개의 FBG 센서 쌍은 서로 상이하다.
외력이 IMU 센서(100)에 가해지면 상기 3쌍의 외팔보(20) 중 적어도 두 개의 외팔보(20)가 구부러질 수도 있다. 굽힘 변형된 적어도 두 개의 외팔보(20)의 FBG 센서(10)의 파장 스펙트럼을 포함한, 외팔보(20)의 파장 스펙트럼 세트를 계측장비(300)는 수신할 수도 있다. 그러면, 계측장비(300)는 외팔보(20)의 파장 스펙트럼 세트에 기초하여 파장 변화를 야기한 외력의 3축 성분에 관한 정보(크기, 방향 등)를 산출할 수도 있다.
도 7은, 도 6의 구조에서 외팔보의 변형과 대상의 선가속도/각가속도 방향과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 대상의 x축 선가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10C, 10D)이다. 대상의 y축 선가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10B, 10F)이다. 대상의 z축 선가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10A, 10E)이다.
반면, x축을 회전 축으로 갖는 대상의 각가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10A, 10F)이다. y축을 회전 축으로 갖는 대상의 각가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10C, 10E)이다. z축을 회전 축으로 갖는 대상의 각가속도를 측정하는데 주로 사용되는 메인 센서는 FBG 센서(10B, 10D)이다.
이와 같이, 선가속도를 위한 3개의 FBG 센서 쌍은 각각 x축, y축, z축 방향의 선가속도를 측정하는데 각각 사용된다. 또한, 각가속도를 위한 3개의 FBG 센서 쌍은 각각 x축, y축, z축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용된다.
3축 중 어느 하나의 선가속도를 측정하는데 주로 사용되는 외팔보 쌍의 두 개의 FBG 센서(10) 중 어느 하나의 FBG 센서(10)는 3축 중 다른 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 주로 사용되고, 다른 하나의 FBG 센서(10)는 3축 중 나머지 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 주로 사용된다.
예를 들어, x축 선가속도를 측정하는데 사용되는 메인 센서(10C, 10D) 중에서 어느 하나(예컨대, 메인 센서(10C)는 y축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용되고 다른 하나(예컨대, 메인 센서(10D)는 나머지 축인 z축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용된다.
선가속도를 위한 FBG 센서 쌍과 각가속도를 위한 FBG 센서 쌍은 동일한 FBG 센서를 공유할 수도 있다. 공유하는 센서는 종속 센서로 지칭되고, 공유하지 않는 센서는 독립 센서로 지칭된다. 특정 축에 대한 종속 센서는 특정 축 방향으로 변형된 변형률을 측정하거나, 또는 동일한 특정 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용된다.
예를 들어, x축 선가속도를 위한 FBG 센서 쌍(10C, 10D)와z 회전축의 각가속도를 위한 FBG 센서 쌍(10B, 10D)에서 종속 센서는 FBG 센서(10D)를 지칭하고, 독립 센서는 종속 센서를 제외한 나머지 센서들, FBG 센서(10B, 10C)를 지칭한다.
이와 같이, IMU 센서(100)는 특정 축을 향한 대상의 선가속도 또는 특정 축을 회전 축으로 갖는 대상의 각가속도를 측정하는데 있어 상호 간에 독립적으로 사용되는 적어도 하나의 FBG 센서(10)를 가진다. 계측장비(300)는 상기 독립적인 적어도 하나의 FBG 센서(10)의 데이터를 이용하여 대상의 선가속도와 각가속도를 각각 구분한다.
계측장비(300)는 종속 센서의 데이터 값이 0이면, 종속 및 독립 센서의 값을 적분하여 각속도 및/또는 회전 각도를 측정한다. 종속 센서의 데이터 값이 존재하면, 계측장비(300)는 선가속도가 발생한 것으로 결정한다. 그리고, 독립 센서의 데이터 값만을 적분하여 각속도 및/또는 회전 각도를 측정한다.
도 8a 내지 도 8c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 이동 방향에 따른 파장 스펙트럼 세트를 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c에서, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 은 각각 외팔보(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)에 설치된 센서(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)에 대응하는 파장 스펙트럼을 나타낸다. 도 8a 내지 도 8c의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)은 각 외팔보 상에 배치된, 각 격자 노드의 격자들의 간격(Λ)1, Λ2, Λ3, Λ4, Λ5, Λ6)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)은 각각 하나의 격자 노드들에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다. 도 8에서 온도에 의한 파장 변화는 없는 것으로 가정한다.
외력에 따른 외팔보(20)의 변형이 전혀 없는 평형 상태에서 (예컨대, 중력이 외팔보(20)의 변형을 야기하지 않으면서 IMU 센서(100)가 부착된 대상이 정지한 상태에서) 파장 스펙트럼 세트에 포함된 복수의 파장 스펙트럼 전부가 변화하지 않는다.
중력만이 외팔보(20)에 가해지고 대상이 정지한 상태(예컨대, 대상의 휴식 상태)에서 변화된 파장 스펙트럼은 중력 방향, 예컨대, z축에 평행한 축을 표면의 법선 벡터로 갖는 외팔보(20)에 대응하는 파장 스펙트럼을 포함한다. 대상의 휴식 상태에서는 파장 스펙트럼 세트 중 중력 방향을 향하는 표면을 갖는 외팔보(20)가 변형된다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 외팔보(20E)와 외팔보(20A)가 중력 방향으로 굽혀진다. 그러면, 외팔보(20A, 20E)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ1, λ5)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20A, 20E)의 굽힘 변형에 따른 격자 간격의 변화가 모두 증가하므로 굽힘 방향이 동일하므로, 파장 변화 부호 또한 동일하다. 한편, FBG 센서(10)의 배치에 따라 파장 변화의 부호는 달라질 수도 있다.
대상이 x축의 양의 방향으로 이동하는 상태에서 변화된 파장 스펙트럼은 이동 방향(도 8a의 x축)에 평행한 축을 표면의 법선 벡터로 갖는 외팔보(20)에 대응하는 파장 스펙트럼을 포함한다. x축의 양의 방향으로 대상이 걷는 경우 대상이 걷는 방향을 향하는 표면을 갖는 외팔보(20)가 변형된다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 바와 같이, 외팔보(20C, 20D)가 변형된다. 그러면, 외팔보(20C, 20D)에 대응하는 파장 스펙트럼 (λ1, λ5)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20C)의 굽힘 변형에 의해서는 격자 간격(Λ)이 수축되고 외팔보(20D)의 굽힘 변형에 따른 격자 간격은 증가되므로, 파장 변화의 부호는 서로 반대이다. 한편, 외팔보(20A, 20E)가 중력가속도에 의해서 변형될 수도 있으나, 외팔보(20C, 20D) 보다 덜 변형될 수도 있거나, 더 변형될 수도 있다.
대상이 y축의 양의 방향으로 이동하는 상태에서 변화된 파장 스펙트럼은 이동 방향(도 8a의 y축)에 평행한 축을 표면의 법선 벡터로 갖는 외팔보(20)에 대응하는 파장 스펙트럼을 포함한다. y축의 양의 방향으로 대상이 걷는 경우 대상이 걷는 방향을 향하는 표면을 갖는 외팔보(20)가 변형된다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 바와 같이, 외팔보(20B, 20F)가 변형된다. 그러면, 외팔보(20B, 20F)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ2, λ6)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20B, 20F)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)이 모두 증가하므로, 파장 변화의 부호 또한 동일하다.
대상이 z축의 음의 방향으로 이동하는 상태에서 변화된 파장 스펙트럼은 이동 방향(도 8c의 z축)에 평행한 축을 표면의 법선 벡터로 갖는 외팔보(20)에 대응하는 파장 스펙트럼을 포함한다. Z축의 음의 방향으로 대상이 움직이는 경우 (예컨대, 아래로 떨어지는 경우) 대상이 움직이는 방향의 표면을 갖는 외팔보(20)가 변형된다. 예를 들어, 도 8c에 도시된 바와 같이, 외팔보(20A, 20E)가 변형된다. 그러면, 외팔보(20A, 20E)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ1, λ5)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20A, 20E)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)이 모두 증가하므로, 파장 변화의 부호 또한 동일하다. 상기 파장 스펙트럼(λ1, λ5)의 변화량은 중력에 의한 변화량을 포함한다.
또한, 계측장비(300)는 파장 스펙트럼 세트에 기초하여 각가속도를 산출할 수도 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 회전 상황을 도시한 도면이고, 도 10a 내지 도 10c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, IMU 센서(100)의 회전의 방향에 따른 파장 스펙트럼 변화를 도시한 도면이다. 6개의 FBG 센서(10)로부터 6개의 파장 스펙트럼으로 이루어진 스펙트럼 세트가 획득된다.
도 9에서 +Ω는 회전 축을 기준으로 반시계 방향의 회전을 나타낸다. 3축을 따라서 각 외팔보(20)가 연장되고, 각 외팔보(20)의 표면은 3축 중 어느 하나의 축을 법선 벡터로 가진다. 따라서, 도 8과 같이 IMU 센서(100)는 6개의 회전 상태를 가질 수도 있다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, IMU 센서(100)가 3축 중 어느 하나의 축을 기준으로 회전하면, 적어도 2개의 외팔보가 구부러질 수도 있다.
IMU 센서(100)가 x축을 기준으로 회전할 경우 변형되는 외팔보(20)는 x축을 굽힘 축으로 갖는 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 외팔보(20A, 20F)가 구부러질 수도 있다. 그러면, 외팔보(20A, 20F)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ1, λ6)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20A)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)은 수축되고 외팔보(20F)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)은 증가하므로, 파장 변화의 부호는 서로 반대이다. 한편, 외팔보(20E)가 중력 가속도에 의해 변형될 수도 있으나, 외팔보(20A, 20F) 보다 덜 변형될 수도 있다.
IMU 센서(100)가 y축을 기준으로 회전할 경우 변형되는 외팔보(20)는 y축을 굽힘 축으로 갖는 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 10b에 도시된 바와 같이, 외팔보(20C, 20E)가 구부러질 수도 있다. 그러면, 외팔보(20C, 20E)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ3, λ5)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20F)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)은 수축되고 외팔보(20C)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)은 증가하므로, 파장 변화의 부호는 서로 반대이다. 상기 파장 스펙트럼(λ1)의 변화량은 중력에 의한 변화량을 포함한다. 한편, 중력에 의해 외팔보(20A)가 변형될 수도 있으나, 외팔보(20C, 20F) 보다 덜 변형될 수도 있다.
IMU 센서(100)가 z축을 기준으로 회전할 경우 변형되는 외팔보(20)는 z축을 굽힘 축으로 갖는 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 10c에 도시된 바와 같이, 외팔보(20B, 20D)가 구부러질 수도 있다. 그러면, 외팔보(20B, 20D)에 대응하는 파장 스펙트럼(λ2, λ4)에서 변화가 발생한다. 외팔보(20B, 20D)의 굽힘 변형에 의해 격자 간격(Λ)은 수축되고, 파장 변화의 부호는 서로 동일하다. 한편, 중력에 의해 외팔보(20A, 20E)가 변형될 수도 있으나, 외팔보(20B, 20D) 보다 덜 변형될 수도 있다.
계측장비(300)는 이러한 파장 스펙트럼 세트에 포함된, 각 FBG 센서(10)별 파장 스펙트럼의 변화량에 기초하여 선가속도의 크기를 산출할 수도 있다.
일 실시예에서, 계측장비(300)는 중력에 의해 굽혀지는 외팔보(20)에 대해서는 검출된 변화량에서 중력에 의한 변화량을 차감하여 실제 선가속도를 측정하기 위한 변화량을 산출할 수도 있다. 선가속도의 방향이 중력 방향과 평행한 경우, 검출된 변화량은 중력에 의한 변화량을 포함하기 때문이다. 그러면, 중력에 의한 추가 변형의 결과가 보정된다.
이를 위해, 계측장비(300)는 위의 도 8a에 도시된 바와 같이, 중력만이 가해지는 상황에서 검출된 파장 스펙트럼의 변화량을 중력 보정 값으로 미리 산출할 수도 있다. 또한, 미리 산출된 중력 보정 값을 미리 저장할 수도 있다.
중력에 대한 보정 결과에서 파장의 변화량이 없는 경우, 굽힘 변형이 발생하지 않는 것으로 결정될 수도 있다. 계측장비(300)는 중력에 의한 변화량을 사용하여 중력 보정을 수행한 이후, 대상의 움직임에 반응한 변형이 발생하는 외팔보(20)를 선택할 수도 있다. 예를 들어, 도 6b의 하단에 도시된 바와 같이 4개의 파장 스펙트럼의 변화가 발생할 경우, 파장 스펙트럼(λ2, λ6)에 대응한 외팔보(20B, 20F)를 대상의 움직임에 반응한 변형이 발생하는 외팔보(20)로 선택할 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 IMU 센서(100)로부터 수신한 파장 스펙트럼 세트에 포함된 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 대상의 움직임에 의해 변형된 외팔보를 결정하고, 각 FBG 센서(10)별 파장 스펙트럼의 변화 부호에 기초하여 외팔보의 변형 방향을 결정하며, 변형 방향에 기초하여 선가속도의 방향을 결정할 수도 있다. 즉, 계측장비(300)는 대상의 움직임에 반응한 변형이 발생한, 선택된 외팔보(20)에 대응한 파장 스펙트럼에 기초하여 대상의 선가속도의 방향을 결정할 수도 있다.
계측장비(300)는 아래의 표와 같이 대상의 선가속도의 방향을 결정할 수도 있다.
Figure pat00002
또한, 계측장비(300)는 변형된 외팔보가 적어도 2개이고 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향이 서로 다른 축 방향을 포함한 경우, 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향에 기초하여 회전 방향을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 아래의 표와 같이 대상의 각가속도의 방향을 결정할 수도 있다.
Figure pat00003
계측장비(300)는 파장 스펙트럼 세트의 분석 결과 표 2에 기재된 바와 같이, 외팔보(20A)가 +z 방향으로 굽혀지고 외팔보(20F)가 -y 방향으로 굽혀진 것으로 결정되면, IMU 센서(100)가 +Ωx의 회전을 한 것으로 결정할 수도 있다. 또는 계측장비(300)는 -Ωx의 회전에서는 외팔보(20A)가 -z 방향으로 굽혀지고 외팔보(20F)가 +y 방향으로 굽혀진 것으로 회전의 방향을 결정할 수도 있다. 상기 표 2의 부호는 단지 예시적인 것으로서, 계측장비(300)가 회전 방향(또는 각가속도 방향)을 결정하는데 사용되는 외팔보(20)의 변형 방향은 FBG 센서(10)가 외팔보(20)의 앞면 또는 뒷면에 배치되는 지에 의존하여 설정된다. 예를 들어, 도 8에서 FBG 센서(10)가 반대 표면에 배치될 경우, 표 2의 부호는 반대로 설정될 수도 있다.
또한, 계측장비(300)는 산출된 선가속도 및 회전 방향에 기초하여 각가속도를 산출할 수도 있다. 계측장비(300)는 특정 방향의 회전 시 변형되는 다수의 외팔보(20)의 변형률을 이용하여 특정 방향의 회전 정보를 산출한다.
예를 들어, 계측장비(300)는 요(Yaw) 방향의 회전 정보를 얻기 위해 +Ωz의 회전에 해당하는 외팔보(20B, 20D)에서 발생한 선가속도를 적분처리하여 요(Yaw) 방향의 회전 변화 정보를 산출할 수도 있다. 상기 외팔보(20B, 20D)의 선가속도는 외팔보(20B, 20D)의 변형률에 의해 산출된 것이다.
이 외에도, 피치(pitch) 방향의 회전 정보를 얻기 위해 +Ωx의 회전에 해당하는 외팔보(20A, 20E)에서 발생한 선가속도를 전분처리하여 피치(pitch) 방향의 회전 변화 정보를 산출할 수도 있다. 또한 롤(Roll)의 회전 정보를 얻기 위해서도 마찬가지이다.
추가적으로, 상기 관성 측정 시스템(1)은 온도의 영향을 제거하는, 온도 보정 동작을 수행하도록 더 구성될 수도 있다. 이를 위해, 상기 IMU 센서(100)는 온도 보정을 위한 온도 센서를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 온도 센서는 FBG 센서(10)일 수도 있다. 상기 온도 센서로서 FBG 센서(10)는 온도 보정 격자 노드를 포함한다. 특정 실시예들에서, 도 6의 6개의 FBG 센서(10) 중 적어도 하나가 상기 온도 보정 격자 노드를 더 포함할 수도 있따. 그러면, 해당 FBG 센서(10)는 외팔보(20)의 변형을 위한 격자 노드(16) 및 온도 보정 격자 노드를 포함한다.
브래그 조건에서 브래그 파장을 전미분한 뒤 온도, 변형률과 격자 간격, 유효 굴절률의 식을 대입하면, 아래의 수학식으로 정리된다.
Figure pat00004
여기서, αf는 광섬유의 열팽창계수이고, ξf는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학계수이다. Pe는 광탄성 상수로서, 일반적으로 0.22의 값을 가진다.
FBG 센서(10)의 광 입구(14)로 출력되는 반사광의 파장(λB)의 변화는 FBG 센서(10)의 광섬유의 변형률 및/또는 온도에 의존한다. 따라서, 정확한 변형률을 산출하기 위해서는 온도에 의한 파장(λB)의 변화가 보정되어야 한다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도 보정 격자 노드를 포함한 IMU 센서(100)의 사시도이다.
도 11을 참조하면, IMU 센서(100)에 포함된 복수의 FBG 센서(10) 중 적어도 하나의 FBG 센서(10)는 온도 보정 격자 노드(16T)를 포함할 수도 있다. 상기 온도 보정 격자 노드(16T)는 온도에 따른 파장 변화량을 검출하는데 사용된다.
상기 온도 보정 격자 노드(16T)를 포함한 적어도 하나의 FBG 센서(10)는 대상의 움직임에 의해 격자 간격(Λ)이 변화하지 않도록 배치된다.
일 실시예에서, 상기 온도 보정 격자 노드(16T)는 코어바디(30) 내부의, 외팔보(20)와 코어바디(30)가 결합된 부분으로부터 연장된 광섬유 부분에 위치할 수도 있다. 해당 위치는 상기 온도 보정 격자 노드는 상기 IMU 센서가 부착된 대상의 움직임에 의해 발생한 외팔보의 변형에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화 보다 온도 변화에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 보다 크게 발생하는 위치다. 그러면, 온도 보정 격자 노드(16T)를 포함한 광섬유 부분은 외팔보(20)의 굽힘 변형으로 인한 인장/수축이 상대적으로 거의 발생하지 않거나, 또는 단지 온도에 의한 인장/수축만이 발생한다.
다른 일 실시예에서, 온도 보정 격자 노드(16T)는 코어 바디(30) 외부에 임의의 지점에 부착된다. 여기서, 임의의 지점은 외팔보(20)의 굽힘 변형으로 인한 영향이 미치지 않는 지점이다. 외부에 부착된 온도 보정 격자 노드(16T)는 변형률에 의한 영향 없이 온도를 검출하기 위해 사용 될 수도 있다.
계측장비(300)는 온도 보정 격자 노드(16T)에 대응한 파장 스펙트럼을 수신할 수도 있다. 도 2 등의 IMU 센서(100)에 연결된 계측장비(300)는 6개의 파장 스펙트럼 및 온도 보정 격자 노드(16T)에 대응한 파장 스펙트럼을 포함한 파장 스펙트럼 세트를 수신할 수도 있다. 계측장비(300)는 온도 보정 격자 노드(16T)에 대응한 파장 스펙트럼의 변화량을 온도 보정 값을 산출할 수도 있다. 계측장비(300)는 상기 온도 보정 값을 외팔보(20)에 대응한 파장 스펙트럼의 변화량에 적용하여, 외팔보(20)에 대응한 파장 스펙트럼의 변화량에 포함된 온도에 따른 변화량을 제거하고 오직 변형률에 따른 변화량만을 검출할 수도 있다. 계측장비(300)는 온도에 따른 변화량이 제거된, 변형률에 따른 변화량에 기초하여 선가속도 및/또는 각가속도에 관한 정보를 보다 정확하게 측정할 수도 있다.
추가적으로, 외팔보(20)의 평면 설계에 따라 IMU 센서(100)의 민감도를 개선할 수도 있다. 보다 높은 민감도를 갖는 IMU 센서(100)는 동일한 외팔보(20)의 변형에도 불구하고 보다 낮은 민감도를 갖는 IMU 센서(100)에 비해 보다 큰 격자 간격(Λ)의 변화를 가진다.
특정 실시예들에서, IMU 센서(100)는 보다 높은 민감도를 갖는 외팔보(20)의 표면 형태를 적어도 하나의 외팔보(20)가 가질 수도 있다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 슬림 평면의 외팔보의 사시도이다.
도 12를 참조하면, 상기 IMU 센서(100)의 복수의 (예컨대, 6개의) 외팔보(20) 중 적어도 하나는 슬림 구조의 평면 형상으로 형성된 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 상기 슬림 구조는 외팔보(20)의 일부분이 다른 일 부분 보다 좁은 너비를 갖는 구조를 나타낸다. 상기 좁은 너비 부분은 슬림 영역으로 지칭된다.
FBG 센서(10)의 외팔보(20) 변형을 감지하기 위한 격자 노드(16)가 상기 슬림 영역 상에 배치되면, 논-슬림 평면의 외팔보(20) 상에 배치된 격자 노드(16)와 비교하여 동일한 하중이 가해지는 상황에서도 보다 높은 변형률을 유도할 수도 있다. 여기서, 논-슬림 평면은 슬림 영역을 포함하지 않는 평면으로서, 예를 들어 외팔보(20)의 일 측면으로부터 타 측면으로의 너비가 일정하게 유지되는 평면을 포함한다. 보다 높은 변형률이 획득될수록 IMU 센서(100)의 민감도는 높아진다.
일 실시예에서, 외팔보(20)는 코어바디(30)에 결합되지 않은 일 측면의 너비가 코어바디(30)에 결합된 타 측면의 너비 보다 좁도록 구성될 수도 있다. 특정 실시예들에서, 외팔보(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 타 측으로부터 상기 일 측과 타측 사이의 일 지점까지 특정 각도로 형성되고, 상기 일 지점으로부터 상기 일 측까지는 평행한 평면을 가질 수도 있다.
동일한 하중이 가해져 외팔보(20)가 동일한 변형 상태로 굽혀짐에도 불구하고, 슬림 외팔보(20)의 격자 간격(Λ)의 변화가 보다 크게 발생하여, 슬림 구조가 보다 큰 변형률을 산출하는 결과를 야기한다. 결국, 슬림 외팔보(20)를 갖는 IMU 센서(100)는 그렇지 않은 IMU 센서(100)보다 높은 민감도를 가진다. 슬림 외팔보(20)의 슬림 구조는 사각형, 사다리꼴형, 원형, 테이퍼형 등 여러가지 구조를 가질 수도 있다. 또한 구조의 파라미터를 변경함으로써 FBG 센서(10)의 민감도를 조절할 수도 있다.
도 13a 및 도 13b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 평면 외팔보와 슬림 외팔보 간의 민감도를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a의 평면 외팔보(20)와 슬림형 외팔보(20)에 동일한 힘으로 동일한 변형 정도를 가질 때, 격자 노드(16)의 간격 변화가 도 13b에 도시되었다. 도 13a에서 격자 노드(16)는 슬림 영역에 배치된다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 슬림형 외팔보(20)에서 보다 많은 간격 변화가 발생한다. 따라서, 슬림형 외팔보(20)를 이용하여 보다 높은 민감도를 갖는 IMU 센서를 제작할 수도 있다.
한편, 슬림 외팔보(20)에서 슬림 영역은 다양한 평면 형상을 가질 수도 있다.
도 14a 내지 도 14d는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 슬림 외팔보의 슬림 영역의 평면도이다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 슬림 영역은 외측면으로부터의 홈 너비(W) 및 홈 길이(L0)로 이루어질 수도 있다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 슬림 영역은 홈의 제1 너비 길이(W0)와 제2 너비 길이(W1)가 상이할 수도 있다.
도 14c에 도시된 바와 같이, 슬림 영역은 반지름(Ro)을 이루는 홈으로 형성될 수도 있다.
도 14d에 도시된 바와 같이, 슬림 영역은 외측 홈의 길이(L0)와 내측 홈의 길이(L1)가 상이할 수도 있다.
도 15는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 관통홀의 면적 및 단면 형상에 따른 다수의 관통홀의 디자인을 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 외팔보(20)는 관통홀을 포함하지 않는 층 구조를 가질 수도 있다. 또는 외팔보(20)는 외팔보(20)의 크기(size) 및/또는 형태에 따라서 사각형, 사다리꼴, 부채꼴 등 다양한 형상의 관통홀을 가질 수도 있다. 상기 관통홀은 외팔보(20)의 연장 축 방향 및/또는 연장 축에 수직한 방향으로 확장될 수도 있다. 격자 노드(16)를 사이에 두고 형성된 두 관통홀의 단면은 서로 대칭일 수도 있다.
도 16a 내지 도 16d는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 관통홀 디자인을 도시한 도면이다.
도 16a에 도시된 바와 같이, 관통홀의 일 측면의 너비(W1)와 다른 일 측면의 너비(W0)는 상이할 수도 있다. 또한, 격자 노드(16)를 사이에 두고 형성된 두 관통홀의 길이(L)는 동일할 수도 있다.
도 16b에 도시된 바와 같이, 관통홀은 내부 측면의 길이가 외부 측면의 길이 보다 작을 수도 있다.
도 16c에 도시된 바와 같이 격자 노드(16)를 사이에 두고 형성된 두 관통홀 사이의 일 측면의 간격(WTL)과 타 측면의 간격(WTO)이 서로 상이할 수도 있다.
도 16d에 도시된 바와 같이, 관통홀의 내부의 일 측면은 반지름(Ro)을 이루는 곡선으로 형성될 수도 있다.
도 17은, 도 15의 관통홀의 디자인에 따른 변형률과 격자 간격의 변위와의 관계를 도시한 도면이다.
도 17에서는 도 15의 다양한 관통홀 디자인을 갖는 외팔보(20)에 동일한 외력이 가해지는 결과를 도시한다.
도 17을 참조하면, 외팔보(20)가 외팔보(20)의 연장 축 방향으로 확장되고 연장 축에 수직한 방향으로 확장된 관통홀을 갖는 경우 가장 큰 응력(V.M.S, von Mises stress) 및 격자 간격(Λ)의 변위를 야기하므로, 가장 좋은 성능을 가진다.
추가적으로, 상기 관성 측정 시스템(1)은 잔여 진동을 보정하도록 더 구성된다.
단일 외력이 외팔보(20)에 가해지고 변형이 된 이후에 외력이 더 이상 가해지지 않음에도 외팔보(20)가 계속 변형하는 현상이 발생한다. 통상적으로 이러한 현상은 잔여 진동으로 지칭된다. 잔여 진동의 진폭 및 감쇠율은 외력의 크기(또는 대상의 가속도의 크기) 혹은 외팔보의 질량과 강성에 의존한다.
계측장비(300)의 소프트웨어가 대상의 가속도의 크기에 따라서 잔여 진동 마다 컷 오프를 일일이 적용할 경우 대상의 움직임이 다이나믹(dynamic)한 상황에서는 IMU 센서(100)가 대상의 움직임을 정확하게 검출하지 못하는 문제가 발생한다.
상기 관성 측정 시스템(1)은 IMU 센서(100)의 구조적 측면에서 잔여진동을 저감시킬 수도 있다.
도 18는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 잔여진동 저감을 위한 EVE 샌드위치 구조를 갖는 외팔보의 단면도이다.
도 18를 참조하면, IMU 센서(100)는 EVE 샌드위치 구조를 갖는 외팔보(20)를 적어도 하나 포함할 수도 있다. 상기 EVE 샌드위치 구조는 제1 탄성층(21), 점탄성층(visco-elastics layer)(23) 및 제2 탄성층(25)으로 이루어진다. FBG 센서(10)는 제2 탄성층(205) 상에 배치된다.
상기 점탄성층은 점성과 탄성을 갖는 점탄성 물질로 이루어진다. 상기 점탄성 물질은, 예를 들어, 다양한 점탄성 및/또는 초탄성의 고분자 물질, 탱고 물질, 고무(Rubber) 재료, 열가소성 폴리우레탄 (Thermoplastic Poly Urethane: TPU), 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloan: PDMS) 등을 포함할 수도 있다.
이와 같이 가요성의 폴리머층과 점탄성 물질(예컨대, 탱고 물질)이 복합된 EVE 샌드위치 구조를 가지면, 구조적 측면에서 댐핑을 향상시키고 잔여진동을 저감시킬 수도 있다. 탱고 물질을 적층 시키면 외팔보의 등가 강성이 낮아지기 때문이다. 결국, 센서의 민감도를 높이는 데에도 기여할 수도 있다.또한, 상기 관성 측정 시스템(1)은 계측장비(300)에 의해 잔여진동을 저감시킬 수도 있다.
일 실시예에서, 계측장비(300)는 입력 성형 필터를 통해 잔여진동을 제거할 수도 있다. 입력 성형 필터(input shape filter)는 임펄스 응답에 기초한 필터로서, 기준 명령(reference command)의 변경에 의해 잔여진동을 최소화하거나 제거할 수도 있다. 측정 시스템(1)에서 진동계의 진동모드에 대한 정보가 알려져 있으면, 해당 모드에 따라 진동을 최소화하기 위한 임펄스의 집함을 입력 성형자(input shaper)로 설정한다. 상기 진동계의 진동 모드는 외팔보(20)의 물질, 형상 등에 결정된다. 계측장비(300)는 외팔보(20)의 물질, 형상 등에 기초한 진동계의 진동 모드를 입력받고, 진동 모드에 대응하는 입력 성형자를 미리 설정할 수도 있다.
입력 성형자는 시간차를 갖는 두 개의 임펄스를 포함할 수도 있다. 계측장비(300)는 IMU 센서(100)로부터 파장 스펙트럼 세트를 수신하고, 수신한 파장 스펙트럼 세트에 입력 성형자를 적용하여 잔여진동에 따른 파장 변화를 제거할 수도 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 IMU 센서(100)는 적어도 3개의 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 여기서, IMU 센서(100)는 각각 x축, y축, z축에 평행한 축을 연장 축으로 가진 3개의 외팔보(20)를 포함할 수도 있다. 이 경우 관성 측정 시스템(1)은 선가속도를 측정하거나, 및/또는 보정 동작을 수행할 수도 있다. 선가속도 측정 및/또는 보정 동작에 대해서는 위에서 이미 서술하였는바 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 계측장비(300)는 중력, 온도 및/또는 잔여진동에 따른 오차를 보정하는 동작을 수행함으로써, 보다 정확한 대상의 가속도를 측정할 수도 있다.
상기 관성 측정 시스템(1)이 본 명세서에 서술되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 상기 환자진단 지원 시스템(1)은 네트워크 인터페이스, 데이터 엔트리를 위한 입력 장치, 및 디스플레이, 인쇄 또는 다른 데이터 표시를 위한 출력 장치를 포함하는, 본 명세서에 서술된 동작에 필요한 다른 하드웨어 요소를 포함할 수도 있다. 또는, 상기 시스템(1)은 광원(200)과 IMU 센서(100)의 광섬유를 연결하는 커넥터(미도시) 및/또는 IMU 센서(100)의 광섬유의 반사광을 계측장비(300)로 분배하는 분배기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 관성 측정 시스템
10: 변형률 센서
20: 외팔보
30: 코어바디
50: 질량체
60: 레일
100: IMU 센서
200: 광원
300: 계측장비

Claims (27)

  1. 대상의 관성을 측정하는 IMU 센서에 있어서,
    제1 방향과 제2 방향으로 이루어진 표면을 가지며, 변형 가능하도록 구성된 복수의 외팔보;
    상기 복수의 외팔보와 결합한 코어 바디; 및
    각 외팔보(each cantilever) 상에 각각 배치되어 해당 외팔보의 굽힘(bending) 변형을 감지하는 복수의 변형률 센서를 포함하고,
    상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나의 외팔보는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 x축을 향하도록 결합되고, 적어도 하나의 다른 외팔보는 해당 외팔보의 상기 표면의 상기 제1 방향이 y축을 향하도록 결합되고, 적어도 하나의 또 다른 외팔보는 상기 표면의 상기 제1 방향이 z축을 향하도록 결합되며,
    상기 복수의 변형률 센서로부터 획득된 변형률 측정 결과에 기초하여 상기 대상에 대한 선가속도 또는 각가속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    6개의 외팔보를 상기 복수의 외팔보로서 포함하고,
    상기 6개의 외팔보는 상기 표면 상에 상기 제1 방향으로 정렬된 변형률 센서를 각각 포함하며,
    상기 6개의 외팔보 중 2개의 외팔보는 x축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합되고, 다른 2개의 외팔보는 y축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합되고, 또 다른 2개의 외팔보는 z축과 평행한 축을 상기 표면의 법선 방향으로 갖도록 결합되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 6개의 변형률 센서는 3축 각각의 선가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서의 쌍 또는 3축 각각의 회전축을 갖는 각가속도를 측정하기 위한 3개의 변형률 센서 쌍을 형성하며,
    상기 6개의 변형률 센서 각각은 상기 3축 중 어느 하나의 축의 선가속도를 측정하기 위한 변형률 센서 쌍과 동일한 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 위한 변형률 센서 쌍이 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    선가속도 또는 각가속도의 성분을 갖는 외력이 상기 대상에 가해지면 상기 6개의 외팔보 중 적어도 2개의 외팔보 쌍이 상기 외력에 반응하여 변형되고,
    상기 외팔보 쌍 중 어느 하나의 외팔보와 다른 하나의 외팔보는 길이로 연장된 축이 서로 평행하지 않는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 대상에 선가속도가 가해져 변형된 외팔보 쌍은 상기 선가속도 방향과 마주보는 표면 방향을 갖도록 상기 코어 바디에 결합되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 대상에 각가속도가 가해져 변형된 외팔보 쌍은 상기 각가속도의 방향으로 구부러지는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 3축 중 어느 하나의 선가속도를 측정하기 위한 변형률 센서의 쌍 중 어느 하나의 변형률 센서는 3축 중 다른 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용되고, 다른 하나의 변형률 센서는 3축 중 나머지 하나의 축을 회전 축으로 갖는 각가속도를 측정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코어 바디는 다른 표면 보다 넓은 면적을 갖는 일 표면을 포함하고,
    상기 일 표면 상에는 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 복수의 외팔보 중 하나 이상이 상기 홈에 위치하도록 상기 코어 바디에 결합되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 외팔보는 6개 이상의 외팔보를 포함하고,
    상기 코어 바디는 3축에 평행한 방향을 법선 방향으로 갖는 6개의 표면을 포함하고, 상기 6개의 외팔보의 일 측면은 상기 코어 바디의 6개의 표면에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코어 바디는 구 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나는 일 표면 상에 형성된 홈을 포함하고,
    상기 복수의 변형률 센서 중 적어도 하나는 상기 홈 상에 배치되며,
    상기 외팔보의 홈에 배치된 변형률 센서 상에 형성된 폴리머 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외팔보의 고정된 일 측면의 타 측면에 고정된 질량체를 더 포함하는 IMU 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 질량체를 외팔보의 표면으로 사영한(projecting) 부분과 외팔보가 코어바디와 결합하여 고정된 부분 사이에 형성된 복수의 관통홀을 더 포함하며,
    해당 외팔보의 표면 상에 배치된 변형률 센서에서 센싱 부위는 상기 복수의 관통홀 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 관통홀이 형성된 해당 외팔보의 연장 방향과 상기 연장 방향의 직교 방향 중 하나 이상의 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 외팔보의 평면은 해당 외팔보의 일 측면과 타 측면 사이에서 보다 좁은 간격을 갖는 부분을 포함하는 평면 구조인 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 코어 바디 내부에 상기 6개의 변형률 센서 중 적어도 하나의 스펙트럼 변화에서 온도에 의한 변화를 보정하기 위한 온도 센서를 더 포함하는 IMU 센서.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 온도 센서는 FBG 센서로 구현되며,
    상기 온도 센서의 FBG 센서는, 상기 IMU 센서가 부착된 대상의 움직임에 의해 발생한 외팔보의 변형에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화 보다 온도 변화에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 보다 크게 발생하는, 코어 바디 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 외팔보 중 적어도 하나는 제1 탄성층; 점탄성층; 및 제2 탄성층으로 이루어지며,
    상기 변형률 센서는 상기 제2 탄성층 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 변형률 센서는 대상의 선가속도 또는 각가속도 발생에 따른 관성에 의해 상기 외팔보가 구부러지는 정도 또는 방향을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 IMU 센서.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 변형률 센서로 광섬유 기반의 변형률 센서는 FBG 센서가 이용될 수 있으며, 상기 FBG 센서는 광섬유 중심에 굴절률이 다른 격자가 일정한 간격, 일정하지 않은 간격 및 이들의 조합 중 하나 이상으로 새겨진 센서; 격자의 간격에 따라 특정한 파장의 빛만 반사되는 센서; 길이 변화, 온도 변화에 의해 격자 간격, 파장이 변함으로써 변형률을 측정할 수 있는 IMU 센서.
  21. 제17항 또는 제20항에 따른 IMU 센서;
    상기 FBG 센서에 빛을 조사하는 광원; 및
    상기 복수의 FBG 센서로부터 파장 스펙트럼 세트를 수신하는 계측장비 - 상기 파장 스펙트럼 세트는 각각의 FBG 센서로부터 출력된 반사광의 파장 스펙트럼을 포함함 - 를 포함하고,
    상기 계측장비는,
    상기 IMU 센서가 부착된 대상의 움직임에 의해 발생한 외팔보의 변형에 따른 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 대상의 움직임에 대응하는 변형률을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 계측장비는,
    반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 대상의 움직임에 의해 변형된 외팔보를 결정하고,
    변형된 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화 부호에 기초하여 해당 외팔보의 변형 방향을 결정하며,
    변형 방향 및 변형률에 기초하여 상기 대상의 선가속도를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 계측장비는,
    변형된 외팔보가 적어도 2개이고 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향이 서로 다른 축 방향을 포함한 경우, 상기 적어도 2개의 변형된 외팔보의 변형 방향에 기초하여 회전 방향을 결정하고,
    결정된 회전 방향 및 상기 선가속도에 더 기초하여 상기 대상의 각가속도를 추가로 측정하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 상기 계측장비는,
    파장 스펙트럼 세트 내 각각의 파장 스펙트럼에 대응한 외팔보에 관한 정보를 저장하며,
    상기 외팔보에 관한 정보는 외팔보의 식별 정보, 외팔보의 굽힘 축, 외팔보의 표면의 변형 방향 중 적어도 하나 이상을 포함하는 관성 측정 시스템.
  25. 제21항에 있어서, 상기 계측장비는,
    z축을 표면 방향으로 갖는 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화에 기초하여 중력 보정 값을 산출하고,
    검출된 파장 스펙트럼 세트에서 z축을 표면 방향으로 갖는 외팔보에 대응한 파장 스펙트럼의 변화에 상기 중력 보정 값을 적용하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
  26. 제21항에 있어서, 상기 계측장비는,
    온도 보정 격자 노드의 격자 변화로 인해 발생되는 반사광 파장 스펙트럼의 변화에 기초하여 온도 보정 값을 산출하고,
    검출된 파장 스펙트럼 세트에 상기 온도 보정 값을 적용하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
  27. 제21항에 있어서, 상기 계측장비는,
    잔여진동을 제거하기 위한 압력 성형 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성 측정 시스템.
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