저중력(Low-g) 센서를 사용한 동작 인식 기술

저중력(Low-g) 센서를 사용한 동작 인식 기술
저자: 루디 렌젠(Ludi Lenzen), 프리스케일 반도체
차세대 저중력(Low-g) 관성 센서와 저전력 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)를 결합하여 조이스틱, 전자책, 휴대 전화 등의 분야에 적용하면 손의 움직임 인식, 물체 위치 또는 방향 확인 기능을 통해 보다 지능적인 사용자 중심 환경을 제공할 수 있다. 센서가 제공하는 풍부한 정보를 MCU에서 분석하여 감지된 동작을 나타내는 전용 패턴을 전송하게 된다.
적용 하드웨어 설명
3축 관성 센서: MMA7260Q는 저중력(Low-g) 신호 특성이 필요한 분야에 대응할 수 있도록 개발된 저전력 3축(X-Y-Z)장치이다.
G-Cell 작동 원리G-cell은 XYZ축 방향 감지를 위해 X-Y축에 교차 연결된(inter-digitated) 핑거 형태의 단일 질량 변환기와 축에 장착되어 Z축 가속이 감지되면 비틀림 효과를 제공하는 Teeter Totter(시소) 중량을 사용한다. 가속력이 진자를 움직이면 그 결과로 정전용량이 변화하게 된다. X축 및 Y축 방향의 가속력은 이동 경로에 따라 이동하는 감지 핑거를 통해 감지되며, Z축 가속력은 시험 대상의 회전에 의해 감지된다. G-cell은 금형 단계에서 밀봉되므로 입자가 유입되지 않으며, 기계적 충격으로부터 보호할 수 있는 댐퍼와 측정 한계 초과 방지 장치가 내장되어 있다.
전기적 특성 이 디바이스가 제공하는 특성으로는 감도 선택 가능(1.5g/2g/4g/6g), 낮은 소비 전류: 500 µA, 디지털 방식의 절전 모드(5 µA), 2.2 V ~ 3.6 V의 작동 전압 등을 들 수 있다. 통상 잡음 수준은 0.1 ~ 1 KHz 대역폭에서 4.2mVrms이다. 이 디바이스에는 저역 통과 Bessel 필터를 통한 전대역 신호 조절 기능, 선형 출력, 온도 보상, 비율 측정(Ratio-metric) 기능도 포함되어 있다.Zero–g 오프셋 전대역 스팬 기능과 필터 차단 기능이 출고 시 설정되어 있으므로 추가 장치가 필요하지 않다. 이 제품은 6mm x 6mm x 1.45mm QFN 패키지로 제공되므로 공간이 제한적인 분야에서 높은 수준의 집적도를 구현할 수 있다.
적용 소프트웨어 설명
캘리브레이션 절차응용 보드는 MC9S08GB60 MCU를 기반으로 설계되었으며, 아래에 설명하는 기능을 제공하는 관련 부품이 보드에 배치되어 있다. 센서마다 감도와 오프셋 값이 다르므로 센서의 데이터 수집을 시작하기 전에 캘리브레이션을 실행해야 한다. 8비트 A/D 변환이라 가정하고, 전체 온도 범위에서 데이터시트 MMA7260Q 시리즈의 한계를 고려하면(Voffset = 0.5Vdd +/- 0.05Vdd, 감도 = 242.4+/-18.2mV/g/V, 25°C), 최악의 경우 오프셋의 변환값(10진수)은 g당 115 ~ 141 비트, 감도는 g당 57 ~ 67 비트로 변화한다. 따라서 적용 분야에서 센서별 고유 한계를 방지하려면 일부 사전 캘리브레이션이 필요하다. 지구의 중력인 1g를 기준으로 센서를 세 가지 다른 위치에 배치하면 아래와 같은 값을 수집하여 MCU 메모리에 저장할 수 있다.
• 보드가 수평 상태일 때 X/Y축(Voffx, Voffy)에서 얻은 오프셋 값과 Z축(V1gz)에서 얻은 1g 기준의 감도• 보드가 수평에서 90° 방향일 때 X 또는 Y축에서 얻은 1g 기준의 감도와 Z축(Voffz)의 오프셋 값
위 값은 각 보드의 위치와 관련 동작 특성을 구별하는 데 필요한 모든 한계값 계산에 사용된다.
적용 분야별 한계 계산:이 애플리케이션 소프트웨어에는 손에 든 휴대 전화의 움직임을 인식하는 기능이 포함되어 있다. 손의 위치도 인체공학을 고려하여 감지되는 항목 중 일부이다. 이 제품의 목표는 간단한 손 동작으로 새로운 기능(예: 스크롤 메뉴, 전화번호 선택, 게임, 위치 인식 등)을 사용할 수 있도록 하는 것이다.
휴대 전화를 손에 들었을 때 수평에서 수직까지 다양한 팔의 위치를 기준으로, 다음과 같은 위치를 손쉽게 구분할 수 있다. 수평(0°), 수직(90°), 왼쪽 - 오른쪽 - 뒤쪽 - 앞쪽 손 기울기 구별을 포함한 동작 인식 영역(30° ~ 60°)
동작을 구별하는 한계와 함께 캘리브레이션 매개변수의 사용을 통해 직접 제공되는 위치가 아래에 나와있다(오프셋 및 1g 값 아래 설명 참조).따라서 위 한계에 센서별 변동 값이 고려되며, 적용 분야에 따라 자동으로 변경된다.
감도:Sx = abs (V1gx - Voffx), Sy = abs (V1gy - Voffy), Sz = abs (V1gz - Voffz)
위치:위치 특성의 단위는 십진수 값(부호 없는 문자)이다.P0 (0°) = Voffx 또는 VoffyP1Y (30°) = Voffy + Sy * sin 30°P2Y (60°) = Voffy + Sy * sin 60°P1Z (30°) = Voffz + Sz * cos 30°P2Z (60°) = Voffz + Sz * cos 60°P3 (90°) = Voffy + Sy * sin 90°
P1 및 P2 위치의 위 아래 이동을 각각 고려하면 다음 공식에 따라 한계를 계산할 수 있다.
M1D (20°) = Voffy + Sy * sin 20°M1U (40°) = Voffy + Sy * sin 40°M2D (50°) = Voffy + Sy * sin 50°M2U (70°) = Voffy + Sy * sin 70°
1 및 2 위치(P1 및 P2)에서 왼쪽 및 오른쪽 이동 인식 한계는 다음 값에 대응한다.M12L (45°) = Voffx - Sx * sin 30°M12R (135°) = Voffx + Sx * sin 30°
이러한 방식의 장점은 캘리브레이션 도중에 수집한 센서 고유의 값을 사용하여 각각의 적용 분야에 고유한 한계를 제공한다는 점이다. 그림 4와 그림 5에 캘리브레이션 및 계산 후에 얻은 한계와 값이 나와있다.
3축 센서 기술을 활용하면 단순한 알고리즘으로 이동/위치 인식을 간단히 처리할 수 있다. MCU는 각 축마다 250가지의 감도 값을 변환하여 해당 값을 3개의 표에 저장한다. 그 다음 평균, 최소, 최대 등 통계적 계산과 감도 축 간의 슬루프와 같은 수학적 계산을 수행한다. 분석할 이벤트를 정확히 포착하려면 이동 속도에 따라 일부 지연이 필요할 수도 있다.
결론이 적용 사례는 경사 위치 조정, 동작 인식, 낙하 감지 등의 기능이 필요한 분야에서 3축 관성 센서의 추가된 가치를 보여주는 것이다. 이는 특히 로봇 공학, 조이스틱, 전자책, 휴대 전화 및 다양한 분야에서 활용 가능하다.관성 센서 기술을 MCU와 함께 사용할 경우 광범위한 최신 기능을 추가하는 동시에 개발 시간을 단축할 수 있다.