IMU 등급

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관성 측정 장치(IMU)는 각속도 ω와 비력 f를 측정하는 3개의 직교 자이로스코프와 3개의 가속도계로 구성됩니다. 제조업체들은 기계적 구조보다는 센서 오차 특성에 따라 IMU를 성능 등급으로 분류합니다. 이러한 IMU 등급에 따라 달성 가능한 항법 정확도, 표류율(drift rate) 및 작동 환경이 결정됩니다.

가장 중요한 IMU 사양으로는 바이어스 불안정성(bias instability), 각도 랜덤 워크(ARW), 속도 랜덤 워크(VRW), 스케일 팩터 오차, 비선형성, 대역폭 및 온도 감도가 있습니다. 자이로스코프 바이어스는 자세 추정에 직접적인 영향을 미치며, 가속도계 바이어스는 이중 적분 후 위치 오차를 유발합니다.

위치 오차는 대략 다음과 같습니다:

$$\delta p \approx \frac{1}{2} b_a t^2$$

여기서 ba는 가속도계 바이어스(bias)이고 t는 경과 시간입니다.

자동차용 IMU

오토모티브 IMU는 비용, 견고성 및 대량 생산을 우선시합니다. 오토모티브 IMU 센서는 일반적으로 차량 동역학, 전자식 주행 안정화 제어(ESC), 추측 항법 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)을 지원합니다. 오토모티브 등급의 IMU는 짧은 GNSS 음영 지역에서도 낮은 전력 소비를 유지하면서 충분한 정확도를 제공합니다.

산업용 등급 IMU

산업용 등급 IMU는 향상된 바이어스 안정성과 환경 저항성을 제공합니다. 산업용 등급의 의미를 이해하면 엔지니어가 로보틱스, 매핑, 해양 및 자동화 시스템을 위한 성능, 신뢰성, 비용의 균형을 맞추는 데 도움이 됩니다. 산업용 등급이란 무엇인지 물을 때, 그 답변은 일반적으로 까다로운 산업 환경에서 연속 작동하도록 설계된 센서를 의미합니다.

엔지니어들은 GNSS 수신이 어려운 환경에서 항법 시스템이 높은 정확도, 안정성, 복원력을 요구할 때 전술용 등급 IMU(Inertial Measurement Unit)를 신뢰합니다. 전술용 등급 IMU는 산업용 센서보다 현저히 낮은 바이어스 불안정성과 노이즈를 제공하여, 국방, 수로학, 지형 측량, 자율주행 차량, 철도 위치 추정, 해양 항법과 같은 까다로운 응용 분야에서 신뢰할 수 있는 자세, 속도, 위치 추정을 가능하게 합니다. 이 글에서는 전술용 등급 IMU를 차별화하는 기술적 특성과 이들이 성능, 크기, 전력 소비, 비용 간의 최적의 균형을 나타내는 이유를 설명합니다.

택티컬 등급 IMU는 현저히 낮은 바이어스 불안정성(자이로스코프의 경우 대개 1°/h 미만)을 제공하여, GNSS를 사용할 수 없는 장시간 운용 중에도 정확한 항법을 가능하게 합니다.

최신 항법용 MEMS IMU 기술은 기존의 광섬유 시스템과 MEMS 장치 간의 성능 격차를 좁혔습니다.

항법용 등급 IMU

항법 등급 IMU(navigation-grade IMU)는 정밀 센서와 고급 보정 및 보상 알고리즘을 결합하여 결정론적 및 확률적 오류를 최소화합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 자율주행 차량, 수로 측정, 항공 측량 및 국방 응용 분야를 지원합니다.

전략용 IMU

최고 성능 범주는 스트래티직 등급 IMU 또는 스트래티직 등급 관성 센서입니다. 이 시스템은 초안정 자이로스코프, 엄격한 온도 제어 및 광범위한 캘리브레이션을 통해 극도로 낮은 표류(drift)를 달성합니다. 이는 잠수함, 미사일, 우주선 및 장기 자율 항법 임무를 지원합니다.

궁극적으로 적절한 IMU의 선택은 요구되는 항법 정확도, 임무 지속 시간, 환경 조건 및 비용에 따라 달라집니다. 센서 성능을 애플리케이션에 맞추면 성능, 신뢰성 및 시스템 복잡성 간의 최적의 균형을 보장할 수 있습니다.