센서
MechaShip의 자율주행을 위해 사용하는 센서들을 설명합니다.
LiDAR
LiDAR(라이다)는 "Light Detection And Ranging" 또는 "Laser Imaging, Detection, and Ranging"의 줄임말로, 센서 주위 물체의 표면까지의 거리를 측정하는 센서입니다. 일반적인 거리 센서는 어느 한 점의 거리만을 측정하는 반면, LiDAR는 공간을 측정할 수 있습니다. 어느 한 높이에서 센서로부터 수평 방향의 모든 물체의 거리를 측정하는 2D LiDAR와 주위 공간을 측정하는 3D LiDAR로 나뉩니다.
LiDAR의 내부는 크게 한 점의 거리를 측정하는 거리 센서와 센서를 회전시키는 모터로 구성되어 있으며, 센서를 회전시키며 점들의 집합인 Point Cloud(점구름)를 생성합니다. Point Cloud의 노이즈를 제거하고 알고리즘을 활용해 주위 물체를 구별할 수 있습니다. 카메라와 달리 물체까지의 거리를 정확하게 파악할 수 있기 때문에 주로 장애물 회피 용도로 사용합니다.
LiDAR(라이다)와 Radar(레이더, 레이다)는 서로 발음이 비슷하다 보니 가끔 헷갈리기도 합니다.
- LiDAR: Light Detection And Ranging - 빛 기반 물체 감지 및 거리 측정
- 정밀도, 정확도 높음
- 수 m(모델에 따라 km)의 단거리 측정
- 악천후 영향 크게 받음
- Radar: Radio Detection And Ranging - 전파 기반 물체 감지 및 거리 측정
- 정밀도, 정확도 낮음
- 수 km의 장거리 측정
- 악천후 영향 적게 받음
뜻 그대로 LiDAR의 Li는 빛인 Light를, Radar의 Ra는 전파인 Radio를 의미합니다.
LiDAR는 레이저를 사용하기 때문에 높은 해상도와 정밀도를 가지고 있습니다. 해상도가 높다는 것은 주위 360도를 측정할 때 더 많은 점을 측정해 점과 점 사이의 거리가 좁아지는 것을 의미합니다. 하지만 비가 오거나 안개가 끼면 멀리 볼 수 없듯이 악천후에 영향을 많이 받고 측정할 수 있는 거리에 제한이 있습니다.
반면 Radar는 전파를 사용합니다. 스마트폰이 안테나로부터 수 km 떨어진 곳에서도, 벽을 뚫고도 작동하듯이 Radar는 먼 거리의 물체를 감지할 수 있습니다. 또한 악천후에 영향을 적게 받아 안정적입니다. 정밀한 LiDAR와 다르게 Radar는 파장이 긴 전파를 사용하기 때문에 정밀도가 떨어져 물체를 구분하기는 어렵습니다.
YDLIDAR T-mini Plus
YDLIDAR T-mini Plus는 주위 360도를 스캔하는 2D LiDAR 센서입니다. 센서가 회전하며 주변 물체까지의 거리를 연속적으로 측정하고, 이를 Point Cloud 형태의 데이터로 생성해 실시간으로 주변 환경을 파악할 수 있습니다. 측정 거리는 0.05~12m이며, 모터 회전 주파수는 6~12Hz 범위에서 설정할 수 있어 주행 환경에 맞춰 스캔 속도를 조절할 수 있습니다. USB로 비교적 간단하게 연결할 수 있어 온보드 컴퓨터와 함께 사용하기 좋으며, 제조사인 YDLIDAR에서 공식 ROS2 드라이버도 제공합니다.
사양
- 거리 측정 주파수: 4kHz
- 모터 회전 주파수: 6~12Hz, 기본값 6Hz
- 측정 거리: 0.05~12m
- 측정 범위: 360°
- 각 정밀도: 0.54°
- 거리 정확도: 20mm (0.5~12m)
- 작동 전압: 4.8~5.2V (USB)
- 소비 전류
- 초기 구동 시: ~840mA
- 작동 중: ~480mA
- 정지 중: ~45mA
- 통신: UART, USB 2.0 (CP2102, USB Type-C)
자료
카메라
선박 주행 중 부표의 색상을 인식하거나 로봇보다 훨씬 높은 위치에 있는 물체를 감지해야 하는 상황이 발생할 수 있습니다. 그러나 LiDAR는 동일한 높이의 물체 표면을 중심으로 거리를 측정하는 센서이기 때문에, 물체의 색상을 구분하거나 구체적인 형상을 인식하는 데에는 한계가 있습니다. 이와 같은 경우 카메라를 활용하면 인공지능 모델과 결합하여 물체의 종류를 효과적으로 파악할 수 있습니다. 예를 들어, LiDAR를 통해 선박 주변의 근접 물체를 우선적으로 감지한 뒤, 해당 물체를 카메라로 촬영하여 인공지능 기반 영상 인식을 통해 부표, 장애물 등 물체의 종류를 판단하는 방식으로 활용할 수 있습니다.
Logitech C920 HD PRO
Logitech C920 카메라는 1080p30fps를 지원하는 USB 카메라입니다.
라즈베리 파이나 젯슨 등에서 자주 사용하는 MIPI CSI와 달리 USB 인터페이스를 사용하기 때문에 편하게 사용할 수 있습니다.
Linux를 지원하며, ROS의 공식 usb_cam 드라이버와 호환됩니다.
사양
- 인터페이스: USB 2.0
- FOV
- Diagonal: 78°
- Horizontal: 70.42°
- Vertical: 43.3°
- 초점 거리: 3.67mm
- 프레임: 1080p30
- 기타: 스테레오 마이크, 오토포커스, Linux 지원
자료
GPS(GNSS) 수신기
LiDAR만으로도 벽이나 주변 장애물과의 상대적인 위치 관계를 통해 어느 정도의 위치 추정은 가능하지만, 주변에 장애물이 없는 바다 한가운데와 같은 환경에서는 로봇의 위치를 정확하게 파악하기가 어렵습니다. 이러한 한계를 보완하기 위해 GPS를 활용하여 로봇의 절대적인 위치를 파악합니다. 일반적으로 GPS는 수 m에서 수십 m 수준의 오차가 발생할 수 있지만, 넓은 수면 환경에서 로봇의 대략적인 위치와 이동 경로를 파악하는 데에는 충분히 유용합니다.
- GPS: Global Positioning System, 미국의 위성 항법 장치
- GNSS: Global Navigation Satellite System, 위성 항법 장치
일반적으로 이야기하는 GPS는 GNSS의 일종입니다. GNSS에는 GPS 이외에도 러시아의 GLONASS, 유럽의 GALILEO, 중국의 BeiDou 등이 있습니다.
일반적으로 이야기하는 GPS 수신기는 최대한 많은 위성에서 데이터를 가져오기 위해 미국의 GPS 이외에도 앞에서 언급한 여러 국가의 GNSS를 함께 사용합니다. 이런 이유로 "GNSS 수신기"가 정확하지만, 교육 자료에서는 편의를 위해 "GPS 수신기"로 이야기합니다.
MG-G01
MG-G01은 USB로 연결해 사용하는 GPS 수신 안테나입니다. U-BLOX 8 칩셋을 기반으로 위치 정보를 수신하며, NMEA-0183 프로토콜로 데이터를 출력해 온보드 컴퓨터나 제어 보드에서 비교적 쉽게 활용할 수 있습니다.
USB 2.0 A Type 커넥터를 사용하고 통신 속도는 9600bps입니다. 별도의 복잡한 인터페이스 없이 연결할 수 있어 자율주행 선박의 현재 위치를 확인하거나 주행 경로를 기록하는 용도로 사용하기 적합합니다.
크기가 작고 소비 전력이 크지 않아 설치 부담이 적으며, 1.5m 케이블을 통해 선체 위에서 수신 상태가 좋은 위치로 비교적 유연하게 배치할 수 있습니다.
사양
- 제품명: Mgears USB GPS 안테나
- 모델명: MG-G01
- 커넥터: USB 2.0 A Type
- 프로토콜: NMEA-0183
- 칩셋: U-BLOX 8
- 위성 채널: 72 channels
- 통신 속도: 9600bps
- 제품 크기: 31 x 31 x 11.5mm
- 케이블 길이: 1.5m
- 정격 전압/소비 전력: DC 5V / 55mA
IMU
IMU(Inertial Measurement Unit)는 가속도를 측정하는 가속도 센서, 각속도를 측정하는 자이로 센서, 그리고 지구의 자기장을 감지하는 지자기 센서로 구성되며, 로봇의 자세와 움직임을 지속적으로 모니터링하는 데 사용됩니다.
자이로 센서에서 얻은 각속도 데이터를 적분하면 로봇의 yaw 축(Z축 방향) 회전을 추정할 수 있으나, 시간이 지남에 따라 오차가 누적되는 단점이 있습니다. 이를 보완하기 위해 자이로 센서의 결과를 지자기 센서 데이터와 함께 필터에 적용하면, 누적 오차가 보정된 보다 정확한 회전 각도를 얻을 수 있습니다. 또한 가속도 센서를 이용해 중력 가속도 방향을 측정하고, 자이로 센서 데이터를 함께 적분하여 필터에 입력하면 roll 축(X축 방향)과 pitch 축(Y축 방향)에 대한 회전 각도 역시 안정적으로 추정할 수 있습니다.
교육에서 사용하는 AHRS 센서는 칼만 필터가 내장되어 있기 때문에 별도의 계산 과정 없이 센서에서 회전 데이터인 쿼터니언(quaternion)을 바로 얻을 수 있습니다.
wit-motion WT901C
WT901C는 3축 가속도, 3축 각속도, 3축 지자기 데이터를 함께 측정하는 9축 AHRS 센서입니다. 센서 내부에서 자세 연산을 수행해 X, Y, Z축 각도와 쿼터니언(quaternion) 데이터를 함께 출력할 수 있어, 로봇의 기울기와 방향 변화를 비교적 쉽게 확인할 수 있습니다.
또한 가속도, 각속도, 자기장, 시간 정보까지 함께 제공하므로 자세 추정뿐 아니라 주행 중 움직임 변화를 기록하고 분석하는 데에도 활용할 수 있습니다. 출력 주파수는 0.2Hz부터 200Hz까지 설정할 수 있고, 기본 통신 속도는 9600bps입니다.
사양
- 동작 전압: TTL 5V
- 소비 전류: 40mA 미만
- 크기: 51.3 x 36 x 15mm
- 출력 데이터
- 각도: X, Y, Z 3축
- 가속도: X, Y, Z 3축
- 각속도: X, Y, Z 3축
- 지자기: X, Y, Z 3축
- 시간, Quaternion
- 출력 주파수: 0.2Hz~200Hz
- 인터페이스: Serial TTL level
- 통신 속도: 9600bps (기본값, 변경 가능)
- 자이로스코프 측정 범위: ±2000 dps
- 가속도 센서 측정 범위: ±16 g
- 지자기 센서 측정 범위: ±4900 µT
- 자세각 측정 범위
- X축, Z축: ±180°
- Y축: ±90°
자료
메인보드 내장 배터리 잔량 센서
선박에서 사용하는 리튬 폴리머 배터리는 잔량에 따라 출력 전압이 변화하며, 완전 충전 상태(100%)에서는 약 12.6V, 완전 방전 상태(0%)에서는 약 8.4V까지 전압이 감소합니다.
메인보드 전원부에 통합된 배터리 전압 측정 센서를 통해 현재 배터리 전압을 지속적으로 모니터링하고, 이를 기반으로 배터리 잔량을 산출합니다. 또한 배터리 잔량이 일정 수준 이하로 떨어질 경우 사전에 경고를 제공하여 안정적인 선박 운용이 가능하도록 합니다.