내장된 진동 모니터링 기능

이 문서의 목적은 IMU에서 진동 모니터링의 필요성에 대한 근거와 내장형 진동 모니터링 기능 개발의 이점을 제공하는 것입니다.

IMU에 진동 모니터링이 필요한 이유는 무엇입니까?

가혹한 환경에서 IMU(Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit)를 사용해 본 경험이 있는 사람들은 진동과 음향에 대한 신중한 고려의 필요성을 잘 알고 있습니다. MEMS 센서는 내부적으로 진동하는 기계적 요소에 기반합니다. 이는 두 가지 주요 결과를 초래합니다:

진동으로 인한 성능 저하: 진동에 노출되면 진동 정류 오차(VRE) 또는 진동 정류 계수(VRC)로 알려진 현상을 통해 IMU 정확도가 저하될 수 있습니다. 측량 또는 추측 항법과 같은 고정밀 애플리케이션의 경우 이러한 오차는 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
공진 효과: 센서 자체가 진동하므로, 차량의 진동 주파수가 센서의 내부 공진 주파수와 일치하면 IMU 판독값이 교란될 수 있습니다.

이러한 영향은 초기 설계 단계에서 핵심 고려 사항인 경우가 많습니다. 팀은 일반적으로 복잡한 시뮬레이션에 상당한 노력을 기울입니다. 이러한 시뮬레이션은 실제 동작을 부분적으로만 예측합니다.

모니터링 장비를 사용하여 고비용 테스트 캠페인을 실행해야 합니다. 이러한 테스트는 시뮬레이션을 검증합니다. 우리는 아무리 철저한 시뮬레이션도 실제 조건을 완전히 재현할 수 없다는 것을 확인했습니다. 일부 고객은 설계된 것보다 더 가혹한 환경에 당사의 IMU를 통합했습니다. 이들은 최대 30g RMS 진동 및 150dB 음향을 견딥니다.

외부 모니터링 장치를 추가하는 것은 좋은 개발 관행입니다. 하지만 완벽하지는 않습니다. 이는 IMU의 실제 경험을 완전히 반영하지 못할 것입니다:

측정 위치가 오프셋되었습니다
외부 모니터링 장치에 의해 강제된 질량/설정 변경은 결과에 영향을 미칠 것입니다.

내장형 진동 모니터링 기능을 소개합니다.

이를 해결하기 위해 당사는 혁신적인 진동 모니터링 기능을 통합했습니다. 이 기능은 당사의 IMU 및 GNSS/INS에 직접 탑재되어 있습니다. 당사의 시스템은 이제 전체 스펙트럼 보고서와 종합 보고서를 포함한 실시간 진동 분석을 제공합니다.

전체 스펙트럼 보고서

완전한 FFT(고속 푸리에 변환)는 모든 주파수에 걸쳐 진동 진폭을 보여줍니다. 다음 이미지는 이 전체 스펙트럼 보기에 해당합니다. 이는 시간 경과에 따라 각 주파수에서 측정된 진동 강도를 보여줍니다.

진동 모니터링의 전체 스펙트럼 보기를 위해 생성된 그래프 | SBG Systems

간소화된 진동 보고서

스펙트럼을 네 가지 주파수 대역으로 나누는 사용자 친화적인 요약입니다. 각 대역에 대해 보고서는 전체 진동 강도(g RMS 단위), 지배적인(피크) 주파수 및 그 크기를 제공합니다. 다음 이미지는 sbgCenter 도구에 표시된 합성 진동 보고서의 화면 캡처입니다.

sbgCenter의 합성 진동 보고서. | SBG Systems

기술적 특성

내장 진동 모니터링 모듈은 IMU/INS 내부에 완전히 내장되어 작동하며, 추가 하드웨어 없이 실시간 성능을 보장합니다. 주요 사양은 다음과 같습니다.

대역폭: 최대 8 kHz (IMU 모델에 따라 다름).
동적 범위: IMU 모델에 따라 최대 40 g RMS.
시간 동기화: 진동 보고서는 쉬운 분석을 위해 IMU 클록을 사용하여 타임스탬프가 지정됩니다.
완전 내장형: 모든 FFT 계산은 온보드에서 수행됩니다.
업데이트율 및 해상도: 진동 보고서는 0.25초마다 4Hz 해상도로 생성됩니다.
윈도우 구성: 사용자는 진폭, 정확도 및 주파수 누설 사이의 다양한 절충점을 고려하여 Flat Top, Hanning 또는 Rectangular와 같은 여러 FFT 윈도우 모드 중에서 선택할 수 있습니다.

이를 통해 IMU 위치에서 상세한 진동 분석을 수행할 수 있습니다. 사용자는 관성 노이즈와 IMU 성능을 실제 기계적 여기(excitation)와 연관시킬 수 있습니다. 예를 들어, 실시간 FFT 데이터는 추가적인 측정 기준을 제공합니다. 이는 IMU의 연속 내장 테스트(CBIT)를 보완하며, 장착 공진 또는 고조파 여기를 나타냅니다. 이러한 현상은 가속도계 노이즈 또는 자이로스코프 바이어스의 변화와 일치합니다.