Drone's DIYer

MPU6050 센서는 가속도계(Accelerometer)와 자이로(Gyroscope)가 1개의 칩에 모두 포함하고 있는 6DOF(Degrees of Freedom) MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 센서로, I2C(Inter Integrated Circuit) 통신 프로토콜을 통해서 데이터를 가져올 수 있습니다. 다음은 MPU6050의 메뉴얼입니다.

http://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf

MPU6050의 특징입니다.

• 3-axis Accel + 3-axis Gyroscope DMP(Digital Motion Processor)

• ±1% Temperature Sensor( Digital output )

• 7개의 16bit ADC를 내장하여 16bit 정교한 기울기 출력

• ±250,±500,±1000,±2000(˚/sec) dps 자이로, ±2,±4,±8,±16g 가속도 (User programable)

• 1024byte fifo buffer

• I2C 400KHz

• Programable Interrupts

• High-G Interrupts

• VDD: 2.375V ~ 3.46V

• Gyroscope Operating current 3.6mA( Standby 5uA )

• Accelerometer Operating current 500uA( Low Power mode 10uA~ )

• Programable Low-Pass Filter

• -40℃ ~ +85℃ (TA 25℃ )

• StartUp time 30msec

• Self Test

• I2C Address : 0x68 ( except R/W 0x1 )

• I2C Master or Slave

• Auxiliary I2C bus for communicating to an off-chip 3-Axis digital output magnetometer(지자계 센서) or other sensors.

MPU6050은 24pin QFN 패키지로 내부 timing generator를 사용하지 않는 경우 외장 32.768kHz 혹은 19.2MHz 클럭이 필요합니다. 따라서 사용이 용이하도록 주변 소자를 내장한 MPU6050의 Breakout 보드가 있으며 GY-521의 그 중의 하나입니다.

GY-521의 회로도

GY-521 모듈

(가속도계와 자이로의 방향은 MPU6050 칩의 1번 핀을 기준으로 3차원 축이 결정되며 MPU6050과 동일함을 알 수 있습니다)

MPU6050(GY-521)은 가속도계를 포함하므로 가속도를 측정하는 센서는 아닙니다. 단지 가속도를 이용하여 3차원 공간상 X, Y 그리고 Z 축을 중심으로 기울어진 각도(기울기)를 얻는 센서입니다. 가속도는 중력 방향과의 반대 방향일 때 양(+)이고 아래에서 각 축에 곡선 화살표는 자이로의 회전방향을 나타냅니다. 가속도계와 자이로 외에도 온도도 측정할 수 있는데 이는 이와같은 센서가 온도에 따라 약간 변화하기 때문에 이를 보정하는 목적으로 제공합니다.

만일 MPU6050을 비행기에 탑재하고 진행방향이 Y축 방향과 같다면 가속도계 출력 AccX는 롤(Roll), AccY는 피치(Pitch)그리고 AccZ는 요(Yaw)가 됩니다. 즉 AccX는 X축을 기준으로 기울어진 각도를 의미합니다. 가속도계는 X, Y축에 대해서 기울어진 정도를 중력가속도[g]의 단위로 출력합니다. 이때 기준 방향은 중력방향입니다. 그러나 Z축이 중력방향이 일치하는 경우 요를 구할 수 없다는 것입니다.

만일 움직이지 않고 이동하는 경우 진행 방향의 가속도의 영향으로 중력 방향이 변하게 되어 부정확하게 된다는 것입니다. 이러한 이유로 자이로의 측정 결과를 참조하게 되는데, 자이로는 짧은 시간은 정확하기 때문입니다. 하지만 긴 시간에 대해서는 자이로 센서가 측정시 함유하는 잡음 등을 각속도를 적분하여 기울기를 얻기 때문에 적분하는데, 이 과정에서 오차(적분상수)는 누적되고 시간에 따라 자이로 측정값은 드리프트하게 됩니다. 이때 변화분을 bias라고도 부릅니다.

위 그림에서 X축을 중심으로 회전한 각도 φ와 Y축을 중심으로 회전한 각도 ρ의 계산식입니다. 만일 X축 자체가 기울어지지 않았다면, 중력이 X축 상에 기여도는 없어 φ는 arctan(Ay/Az)으로 간략하게 됩니다. 여기서 Ax, Ay, Az는 AccX, AccY, AccZ입니다. ρ에서 음의 부호는 X축 중심으로 회전각도는 Y축이 위쪽으로 기울어져야 양이지만, Y축 중심으로 회전각도는 X축이 아래로 기울어져야 양이기 때문입니다.

MPU6050을 사용해 실시간으로 기울기를 요구하는 시스템은 가속도계의 측정값과 자이로의 측정값을 적절히 잡음을 고려하여 융합하고 최적의 가장 정확한 기울기를 얻어냅니다. 이때 사용하는 필터는 보상필터(Complementary filter; 혹은 상보필터)와 칼만필터(Kalman filter)로 알려집니다.

MPU6050은 7개의 채널에 대해서 16bit 크기의 값을 출력해주는 고성능 ADC를 내장하므로 각 축의 센서 출력값에 대해서 int16_t(-32768~32767)의 자료형으로 접근해야 합니다. 또한 MPU6050은 update rate(sampling time)이 가속도, 자이로에 대해서 각각 4~1000Hz, 4~8000Hz으로 출력값을 제공합니다.

MPU6050은 내부 레지스터를 이용해서 출력 값의 범위를 조정할 수 있습니다. 예를 들어 가속도계에서 AFS_SEL=0으로 설정함으로써 출력은 ±2[g]까지 나타낼 수 있으며 이를 2byte 크기로 나타내게 됩니다. 만일 AFS_SEL=0과 FS_SEL=0을 설정하였다면 다음과 같습니다.

가속도계에서는 최대 ±2[g]이고(-2g에서 +2g까지 측정하여 -32768에서 +32767까지 매핑) Scale Factor가 1g당 16,384로 출력에 이를 나누어주면 실제 [g] 단위를 얻을 수 있습니다. 그러나 우리가 원하는 것은 기울어지 각도이므로 arctan에서는 비율(ratio)만을 사용하므로 단위는 의미가 없게 됩니다. 자이로에서는 최대 ±250[deg/s]이고(-250에서 +250까지 측정하여 -32768에서 32767까지 매핑) Scale Factor가 131(32767/250)로 출력에 이를 나누어주면 실제 [deg/s] 단위의 각가속도를 얻을 수 있습니다. 각 센서는 감도(Sensitivity)를 증가시킬수록 미세하게 측정 가능하지만 정확도는 떨어집니다.

다음은 아두이노(Arduino) 보드와 GY-521(MPU6050) 모듈과의 연결 방법과 Wire 라이브러리를 이용하여 실행한 MPU6050의 데이터 출력의 예제입니다.

아두이노 보드와 연결 방법

3축 가속도와 3축 자이로 센서를 조합한 후 각각의 센서 출력을 내보내는 장치를 관성측정장치(IMU; Inertial Measurement Unit)이라고 부릅니다. 스마트폰에도 탑재되어 있을 정도로 그 용도가 근래에 흔하며, 비행기의 항법 장치에 필수적인 요소입니다. 기체의 자세 제어에 요구되는 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)의 기울어진 각도를 알기 위함으로, 롤은 좌우로 기울어짐, 피치는 앞뒤로 기울어짐, 요는 z축 방향으로 기울어짐(회전각)을 의미합니다. 여기서 롤과 피치는 중력방향을 기준으로 얼마나 기울어져 있는지를 나타냅니다.

이처럼 롤과 피치 그리고 요와 같은 자세 측정을 위해서는 필요한 장치가 자이로와 가속도 센서입니다.

MEMS 기반의 3축 가속도 센서(Accelerometer)는 x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있으며 단위는 [g]입니다. 가속도 센서는 정지한 상태에서 중력 가속도를 감지하기 때문에 z축 방향으로 -g 만큼의 값을 출력합니다. 센서의 초기 출력은 모두 '0'이라고 가정하고 센서를 y축 기준으로 45도 기울여 보면, 기울어진 상태에서 z축 방향과 x축 방향으로 동일한 값의 가속도가 측정되며 중력방향으로 g가 측정되어야 하므로 0.707g 만큼 z축과 x축 방향으로 값이 출력됩니다. 결과적으로는 z축과 x축 값의 비율을 arctan으로 계산하여 기울어진 값을 구할 수 있습니다.

그러나 정지 상태가 아닌 움직이는 가속 상태의 경우, 또다른 힘의 영향으로 중력 방향이 변한 것처럼 올바른 값을 얻을 수가 없습니다. 즉, 정지하지 않은 움직임 상태에서는 가속도 센서만으로 기울기 값을 측정할 수는 없습니다. 뿐만 아니라 z축상에 회전각인 요는 중력 방향(중력가속도)이 전혀 변하지 않으므로 측정이 불가능합니다.

3축 자이로 센서(Gyroscope)는 가속도를 측정하는 가속도 센서와 달리 각속도를 측정하므로 단위는 [degree/sec]입니다. 자이로는 각속도를 재는 장치이기에 이를 이용해서 각도를 알려면 전체 시간에 대하여 적분을 하여 얻게 됩니다. 그러나 센서에서 측정되는 각속도는 노이즈나 어떠한 이유에 의해 측정값에 에러가 계속 생기는데, 이 오차가 적분시에는 누적이 되어서 최종 값이 드리프트 되는 현상이 발생합니다. 게다가 시간이 지날수록 이 오차는 커져 각도가 변하게 된다는 것입이다.

결과적으로 정지상태의 긴 시간의 관점에서 보면 가속도 센서에 의해 계산된 각도는 올바른 값을 보여주지만, 자이로 센서에서는 시간이 지날 수록 틀린 값을 내보내게 됩니다. 반대로 움직이는 짧은 시간의 관점에서 보면 자이로 센서는 올바른 값을 보여주지만 가속도 센서는 다른 값을 내보내게 됩니다.

그러므로 가속도 센서와 자이로 센서를 모두 사용해서 각각의 단점을 보상할 수 있는 알고리즘을 적용하여 롤 또는 피치 값을 계산하여야 한다는 것입니다. 많이 사용하는 보상 방법 및 필터링으로는 칼만 필터(Kalman filter)의 적용입니다.

요의 회전축은 z축방향, 즉 중력방향과 같으므로 가속도 센서가 아닌 자이로 센서의 z축 값을 측정해서 이 값을 이용해 요값을 계산하여야 하고 드리프트되는 오차를 보상하는 다른 센서를 추가적으로 사용하는데, 이것이 지자기 센서(magnetometer or compass)입니다. 자이로는 온도가 변하면 그 값이 같이 변하는 특성이 있어 정교한 측정을 위해서는 온도 센서도 함께 사용해서 오차를 보상하기도 합니다. 이를 모두 고려하면 3축 가속도 센서, 3축 자이로 센서, 3축 지자기 센서를 내장한 IMU 센서를 9축 센서라 부르는 이유에서 입니다.

위 그림의 칩은 Invensense사의 9DOF IMU인 MPU-9150입니다. 이는 3축 자이로 센서와 3축 가속도 센서인 MPU-6050과 3축 지자기 센서(digital compass)를 One Pakage(SiP)하였으며, I2C(TWI)를 지원합니다. 여기서 DOF는 'Degree Of Freedom'의 약자로 '축(Axis)'을 의미합니다.

과거 전통적인 RC 헬기는 역동적인 비행이나 실기에서 보지 못했던 배면 비행이나 곡예 비행 등으로 매니아를 사로잡았다면 최근의 쿼드콥터(Quadcopter)와 같은 드론은 안정된 기체의 자세 제어을 통해서 매우 정숙한 호버링이나 자동 이착륙 혹은 소위 'mission planner'와 같은 툴로 사용자가 미리 경유지점을 정해놓고 자동 비행하는 waypoint 비행 등으로 더욱 매력을 느끼게 할 것입니다.

전자의 경우 RC 헬기의 테일 움직임을 감지하여 메인 로터에 대한 반동 토크를 상쇄시켜 기체의 회전으로부터 안정성을 꾀하기 위한 최소한의 센서만을 사용하였고, 나머지 비행은 사용자 조종기의 사이클릭 제어에 절대 의지할 수 밖에 없기 때문에 입문자의 접근이 쉽지 않았다는 것입니다.

반면에 후자의 경우에는 갖가지 센서들을 탑재하여 비행 안정성이 확보되었기 때문에 드론이 단순한 취미나 레포츠를 떠나 항공촬영이나 방재, 택배 등의 임무에 적용이 용이하게 되었고, 그 만큼 비행자동화의 덕택으로 쉽게 배울 수 있어 사용자 층이 훨씬 두터워지고 급기야는 드론의 대중화가 현실화 되었다는 것입니다.

이와 같이 드론이 비행 안정화 및 자동화가 가능했던 이유는 우선 각종 첨단 센서들을 탑재한 시너지 효과라는 것입니다.

Accelerometer(가속도계):

직선 가속도를 측정하는 센서로 최근에는 x,y 그리고 z에 대한 3축(공간) 자이로(Gyro; Gyroscope)를 이용한 센서가 주류를 이루게 되었습니다. 과거 RC 헬기가 단방향의 자이로 센서를 채용한 것과 달리, 이는 공간상에서 어느 방향이든 기체의 기울어짐을 감지하여 펌웨어로 하여금 즉시 자세 제어를 가능하게끔 하여 매우 정교한 호버링(정지비행)이 가능하게 되었다는 것입니다.

Barometer(공기압계): 

고도 센서의 용도로서 공기압이 지표면으로터 고도에 따라 감소함을 이용하여 공기압을 측정함으로서 현재 기체의 고도를 역으로 알 수 있게 되었다는 것입니다. 따라서 사용자는 정확이 얼마의 고도에서 기체가 비행할 수 있도록 명령할 수 있고 기체는 이 센서를 통하여 자동으로 고도를 조정할 수 있게 되었다는 것입니다.

Magnetometer(지자기계):

지자기 센서는 '전자 나침판(Electronic compass)'으로 지구의 자기(지자기)를 검출하여 동서남북 방향을 알려주는 센서로, 이를 이용하여 드론은 기체의 방향을 정확히 돌리거나 정해진 방향으로 자동으로 비행이 가능할 수 있게 되었다는 것입니다.

GPS(위치 센서):

익숙한 내용인 Global Positioning System으로 드론은 GPS 센서를 이용하여 인공위성으로부터 자신의 절대 위치를 알 수 있고 따라서 비행 좌표를 설정하거나 혹은 사용자가 시야에 보이지 않아도 안전하게 원래 위치로 되돌아 오는 등의 기능이 가능하게 되었다는 것입니다.