가속도계란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

물체의 물리적 특성을 다룬 지 얼마나 오래되었는지에 따라 가속도의 SI 단위가 m/s²(즉, 초당 미터의 제곱)라는 것을 기억할 수 있습니다. 1m/s²의 값은 1초가 추가로 경과할 때마다 물체의 속도가 1m/s(즉, 초당 미터)씩 증가한다는 것을 의미합니다.

관성 내비게이션 시스템은 속도를 직접 측정하지는 않지만, 가속도의 양과 지속 시간을 추적함으로써 가속도에 시간을 곱하여 INS가 속도를 쉽게 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 가속도가 5초 동안 2.5m/s²로 가정하고 초기 속도가 0 m/s로 설정했다면 이제 INS의 속도는 12.5m/s(2.5m/s² × 5초 = 12.5m/s).

거리도 계산할 수 있습니다. 다음을 사용하여 찾을 수 있습니다. s = 0.5 × at²

어디에:

• s는 거리
• a는 가속도
• t는 시간

이 경우 관성 내비게이션 시스템이 X축의 가속도를 확인했다고 가정하면, 앞으로 이동했다고 판단할 수 있습니다. 31.25미터(0.5 × 2.5m/s² × 5s² = 31.25m).

따라서 가속도계가 세 개 있으면 특히 서로 수직으로 배열된 경우 매우 유용하며, INS가 3D 공간에서 가속도를 측정하고 현재 속도뿐만 아니라 이동 거리도 계산할 수 있기 때문입니다. 그러나 3축 가속도계에서 출력되는 데이터를 처음 볼 때 사람들이 종종 혼란스러워하는 한 가지는 왜 아래쪽을 가리키는 축이 -9.81m/s²의 가속도를 나타내는가 하는 점입니다. 이 질문에 답하기 위해서는 가속도계의 작동 방식과 실제로 측정하는 내용을 살펴볼 필요가 있습니다.

이쯤 되면 '잠깐만요! 앞서 가속도계가 가속도를 측정한다고 말씀하셨잖아요. 가속도계가 가속도를 측정하는 것은 사실이지만, 가속도계가 측정하는 것은 실제로 자유 낙하에 대한 가속도이며, 따라서 정지 상태의 수직 가속도계가 -9.81m/s²의 수치를 표시하는 이유라는 점을 알려드리고 싶었습니다. 아직 이해가 되지 않더라도 걱정하지 마세요. 다음 섹션에서 설명해 드리겠습니다.

그렇다면 가속도계는 무엇을 측정할까요? 아이작 뉴턴 경이라는 이름을 들어본 적이 있을 것이고 그가 몇 가지 운동 법칙을 만들었다는 사실도 기억하실 겁니다. 뉴턴의 첫 번째 법칙은 어떤 힘이 물체에 작용하지 않는 한 물체는 완벽하게 정지하거나 같은 속도로 계속 움직인다는 것입니다. 다시 말해, 물체를 움직이게 하거나 속도를 바꾸려면 힘을 가해야 한다는 것입니다. 두 번째 법칙은 물체의 가속도가 물체에 작용하는 힘과 물체의 질량과 어떻게 관련되어 있는지를 설명합니다. 다음과 같이 요약할 수 있습니다. 힘 = 질량 × 가속도(F = ma).

가속도계는 뉴턴의 운동 제2법칙에 설명된 원리를 사용하여 자유낙하와 관련된 가속도를 측정합니다. 즉, 가속도계는 알려진 질량에 작용하는 상대적인 힘을 측정하고 이를 사용하여 질량이 받아야 하는 가속도를 계산합니다. 이를 이해하기 위해 간단한 가속도계 센서를 그리는 것부터 시작해 보겠습니다.

이미지에서 가속도계에는 힘을 측정할 수 있는 변환기에 부착된 알려진 질량이 포함되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 질량은 가속도계의 케이스 내에 제한되어 있으며 왼쪽 또는 오른쪽으로만 움직일 수 있으며, 이것이 가속도계의 측정 축을 정의합니다.

자동차가 정적 상태인 동안에는 질량에 힘이 작용하지 않으므로(적어도 측정 축을 따라서는) 질량은 중앙 위치에 유지됩니다.

자동차가 일정한 속도로 순항하는 동안 트랜스듀서는 힘을 감지하지 못하므로 가속도계는 정차된 자동차와 마찬가지로 가속도를 기록하지 않습니다.

차량이 가속 및 제동하면 질량이 움직입니다. 가속하는 동안 질량은 센서의 뒤쪽으로 이동합니다.

제동 시 질량은 앞쪽으로 이동합니다. 자동차가 제동과 가속을 강하게 할수록 질량이 더 많이 변위됩니다.

질량이 변위될 때마다 힘을 측정하는 트랜스듀서가 값을 등록합니다. 센서가 질량과 그 질량에 작용하는 힘을 알고 있기 때문에 질량을 움직이게 하는 가속도를 쉽게 계산할 수 있습니다.

충분히 논리적으로 보이지만, 바닥에 수직으로 놓인 가속도계가 바닥이 움직이지 않는데도 9.81m/s²의 값을 생성하는 이유는 설명되지 않습니다. 그런데 하늘을 통해 떨어지면서 분명히 가속하고 있는 자유 낙하 상태의 가속도계는 왜 가속도가 0으로 표시될까요? 이에 대한 해답이 여기에 있습니다.

이 가속도계는 바닥에 놓여 있습니다. 중력은 케이스와 내부의 질량 모두에 작용하고 있지만, 지면이 케이스의 움직임을 막고 있고 케이스의 제약이 질량의 움직임도 막고 있기 때문에 둘 다 자유 낙하 상태는 아닙니다(좌우로 움직이려고 하지 않는 한).

이 경우 바닥이 중력이 가속도계의 케이스를 아래쪽으로 당기는 것을 방지하므로 케이스가 자유 낙하하지 않습니다.

그러나 가속도계에 매달린 질량은 있습니다. 가속도계가 회전하여 측정 축이 중력이 작용하는 평면과 일치하기 때문에 움직일 수 있습니다.

질량에 가해지는 힘의 양은 중력으로 인한 가속도와 같으므로 센서에서 -981m/s²가 판독됩니다. 따라서 가속도계가 가속하지 않더라도 질량과 케이스에 작용하는 힘은 분명히 다릅니다.

이 가속도계는 자유 낙하 상태입니다. 항력을 무시하고 센서의 질량과 케이스에 작용하는 유일한 힘은 중력입니다.

따라서 측정 축이 중력 가속도를 측정해야 하는 방향으로 설정되어 있어도 질량과 케이스가 모두 자유 낙하 중이므로 센서에서 0m/s²를 읽게 됩니다. 따라서 상대적인 차이는 없습니다. 또는 다른 방식으로 보면 케이스와 질량이 모두 같은 속도로 가속하고 있으므로 측정할 상대적인 차이가 없습니다.

요약하자면, 가속도계는 직선 운동을 측정하는 데는 탁월하지만 회전에는 적합하지 않습니다. 자이로 들어오세요.

모든 OXTS GNSS/INS 장치는 가속도계의 측정값을 사용하여 3D 공간에서 가속도를 측정합니다. 여기에서 두 가지 최신 GNSS/INS 장치에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. RT3000 v4 그리고 xRED3000.