본 문서의 목적은 IMU에서 진동 모니터링의 필요성에 대한 근거와 내장형 진동 모니터링 기능 개발의 이점을 제공하는 것입니다.
IMU에서 진동을 모니터링해야 하는 이유는 무엇인가요?
가혹한 환경에서 IMU(미세전자기계 관성 측정 장치)를 사용해 본 경험이 있는 분들은 진동과 음향을 세심하게 고려해야 한다는 것을 잘 알고 계실 것입니다. MEMS 센서는 내부적으로 진동하는 기계적 요소를 기반으로 합니다. 이로 인해 주로 두 가지 결과가 발생합니다.
- 진동에 따른 성능 저하: 진동에 노출되면 진동 정류 오차(VRE) 또는 진동 정류 계수(VRC)로 알려진 현상으로 인해 IMU 정확도가 저하될 수 있습니다. 측량이나 추측 항법과 같은 고정밀 응용 분야에서는 이러한 오차가 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
- 공진 효과: 센서 자체가 진동하기 때문에 차량의 진동 주파수가 센서의 내부 공진 주파수와 일치하면 IMU 측정값이 교란될 수 있습니다.
이러한 영향은 초기 설계 시 핵심 고려 사항인 경우가 많습니다. 팀은 일반적으로 복잡한 시뮬레이션에 상당한 노력을 기울입니다. 이러한 시뮬레이션은 실제 동작을 부분적으로만 예측합니다.
모니터링 장비를 사용하여 비용이 많이 드는 테스트 캠페인을 실행해야 합니다. 이러한 테스트는 시뮬레이션을 검증합니다. 철저한 시뮬레이션조차도 실제 조건을 완전히 재현할 수 없다는 것을 확인했습니다. 일부 고객은 설계된 것보다 더 가혹한 환경에 당사의 IMU를 통합했습니다. 최대 30 g RMS 진동과 150 dB 음향을 견뎌냅니다.
외부 모니터링 장치를 추가하는 것은 좋은 개발 관행입니다. 하지만 완벽하지는 않습니다. IMU가 실제로 겪는 상황을 완벽하게 반영할 수는 없습니다.
- 측정 위치가 어긋나 있습니다
- 외부 모니터링 장치에 의해 강제된 질량/설정 변경은 결과에 영향을 미칩니다.
내장형 진동 모니터링 기능을 소개합니다
이를 해결하기 위해 당사는 혁신적인 진동 모니터링 기능을 통합했습니다. 이는 당사의 IMU와 GNSS/INS에 직접 내장되어 있습니다. 당사의 시스템은 이제 전체 스펙트럼 보고서 및 합성 보고서를 포함한 실시간 진동 분석을 제공합니다.
전체 스펙트럼 보고서
완전한 FFT(고속 푸리에 변환)는 모든 주파수에 걸친 진동 진폭을 보여줍니다. 다음 이미지는 이 전체 스펙트럼 뷰에 해당합니다. 시간 경과에 따라 각 주파수별로 측정된 진동의 강도를 보여줍니다.
간소화된 진동 보고서
스펙트럼을 4개의 주파수 대역으로 나누어 정리한, 이해하기 쉬운 요약 자료입니다. 각 대역에 대해 이 보고서는 전체 진동 강도(g RMS 단위), 주파수(피크) 및 그 크기를 제공합니다. 다음 이미지는 당사의 sbgCenter 도구에서 표시되는 합성 진동 보고서의 화면 캡처입니다.
기술 사양
내장형 진동 모니터링 모듈은 IMU/INS 내부에 완전히 임베디드되어 작동하므로 추가 하드웨어 없이 실시간 성능을 보장합니다. 주요 사양은 다음과 같습니다.
- 대역폭: 최대 8 kHz (IMU 모델에 따라 다름).
- 동적 범위: 최대 40 g RMS (IMU 모델에 따라 다름).
- 시간 동기화: 손쉬운 분석을 위해 진동 보고서에 IMU 클록을 사용하여 타임스탬프가 지정됩니다.
- 완전 내장형: 모든 FFT 연산이 온보드에서 수행됩니다.
- 업데이트 주기 및 해상도: 진동 보고서는 0.25초마다 생성되며 4Hz의 해상도를 가집니다.
- 창(Window) 구성: 사용자는 진폭, 정확도, 주파수 누설 간의 다양한 절충안을 제공하는 플랫톱(Flat Top), 해닝(Hanning), 직사각형(Rectangular) 등 여러 FFT 창 모드 중에서 선택할 수 있습니다.
이를 통해 사용자는 IMU 위치에서 상세한 진동 분석을 수행할 수 있습니다. 사용자는 관성 노이즈 및 IMU 성능을 실제 기계적 여자와 연관시킬 수 있습니다. 예를 들어, 실시간 FFT 데이터는 추가적인 측정항목을 제공합니다. 이는 IMU의 지속적 내장형 자체 테스트(CBIT)를 보완합니다. 이는 가속도계 노이즈 또는 자이로스코프 바이어스의 변화와 일치하는 마운팅 공진 또는 고조파 여자를 드러냅니다.
내장된 진동 모니터링 기능의 활용 사례
내장된 진동 모니터링 기능은 다양한 방식으로 활용할 수 있으며, 고객 여러분께서 더 많은 활용 방법을 발견하시리라 기대합니다. 다음은 몇 가지 예시입니다:
- 설계 단계 진동 분석: 차량 설계 과정에서 이 기능은 IMU 장착을 최적화하는 데 도움을 줍니다. IMU에서 직접 진동을 측정하면 무겁고 비싼 외장 센서를 추가하지 않고도 엔지니어가 최적의 위치를 선택하고, 댐퍼를 튜닝하며, 음향 보호 설계를 할 수 있습니다.
- 진동 시험기(Shaker)에서의 IMU 적격성 평가: 진동 모니터링은 IMU 또는 INS에 진동(무작위 또는 스윕)을 가하여 적격성을 평가하는 동안 사용할 수 있으며, 이를 통해 측정된 진동이 주입된 진동(전달 함수)과 일치하는지 확인할 수 있습니다. 또한 공진이 진동 시험기, 설정 중 어느 것과 연관되어 있는지 또는 IMU와 관련된 것인지 판별하는 도구로 사용할 수 있습니다.
- UAV 및 항공우주 시스템: 진동 모니터링은 회전익기 또는 터빈 엔진의 공진 모드를 감지하고, IMU가 짐벌이나 안정화된 플랫폼에 장착될 때 페이로드 격리를 검증하는 데 사용할 수 있습니다.
- 지상 차량: 당사의 INS는 지오레퍼런싱(모바일 매핑)을 위해 지상 차량에 자주 사용됩니다. 이 맥락에서 FFT는 혁신적인 방식으로 사용될 수 있습니다. 진동 데이터를 사용하여 도로 조건을 분석하거나 지형 유형을 분류할 수 있습니다.
- 임무 관련 자체 내장 테스트(BIT): 가혹한 운용 환경에서 과도한 진동은 종종 엔진 고장, 이득 제어 문제, 공기역학적 불안정성과 같은 결함을 나타냅니다. 내장된 모니터는 추가 센서 없이 이러한 이상 징후를 실시간으로 감지할 수 있습니다.
- 구조 건전성 및 모달 분석: FFT 진동 데이터는 모달 분석을 정밀화하는 데 사용될 수 있으며, 시간 경과에 따른 잠재적인 구조 피로, 풀림 또는 재료 열화를 나타내는 공진 주파수의 변화를 감지합니다. 이는 IMU를 모션 트래커이자 장기 구조 모니터링 장비인 이중 목적 센서로 변환시킵니다.
진동 모니터링 기능 이용하기
장치가 호환되는 경우, 최신 펌웨어로 업데이트하기만 하면 됩니다. 그런 다음 출력 구성에서 진동 모니터링 메시지를 활성화하십시오. 데이터 처리 방법:
1 – sbgCenter – 진동 보고서를 손쉽게 시각화합니다.
2 – sbgBasicLogger – 데이터를 ASCII 형식으로 내보냅니다.
3 – sbgECom 라이브러리 – 바이너리 데이터를 빠르고 효율적으로 구문 분석합니다.
이 기능을 최대한 활용하는 데 도움이 될 추가 문서와 예제 코드가 곧 공개될 예정이니 계속 지켜봐 주시기 바랍니다.
제품 호환성
이 섹션에서는 내장 진동 모니터링 기능을 현재 지원하는 특정 제품에 대해 자세히 설명합니다. 호환성은 하드웨어 리비전과 설치된 펌웨어 버전 모두에 따라 달라집니다. 이 기능을 활용할 수 있도록 현재 요구 사항을 아래에 정리해 두었습니다.
진동 모니터링 기능은 현재 다음 제품에서 사용할 수 있습니다:
- Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus 및 Quanta Extra (INS)를 위한 최신 하드웨어 리비전 — 펌웨어 버전 5.5 이상 실행
- Pulse-80 및 Pulse-40 (IMU) — 펌웨어 버전 2.0 이상 실행
사용 중인 제품의 펌웨어 버전이 이전 버전인 경우, 당사 지원팀에 문의해 주시기 바랍니다. 지원팀에서 호환성 및 업그레이드 방법에 대해 안내해 드립니다. 이 기능은 조만간 다른 제품에도 적용될 예정입니다.
