Long-term 측정 시 발생 오차 감쇠 알고리즘

3DS 시스템

 3차원 변위 시스템의 핵심 기술인 배열 연산을 통한 변위측정 기술을 기반으로 스마트 재난 안전 대응시스템 구축을 위해 요구되는 재난/재해 시 지반과 구조물의 안전진단 관리를 통한 선제적 대응기술의 고도화 개발로서 온도·진동 센서 보상 기술, 변위 데이터 시각화 기술을 통해 실시간으로 변위를 측정하여 시각화할 수 있는 고분해능 및 고정밀도의 3차원 변위 시스템

(가) 오차 원인분석

① 온도 변화

장기간 현장 변위 측정 시 오차 발생 원인의 대부분은 온도에 의한 변화이다. Array 변위센서는 시작단부터 센서가 측정한 변위를 계산해 나가는 방식이다. 계산해 나간다는 것은 각 센서 관절의 변위값을 더해 나간다는 것이다. 각 관절에 있는 센서는 오차를 가지고 있는데 이 오차도 같이 누적이 된다. 아래 그림은 누적 에러에 대해 선진 국가의 제품에 설명되어 있는 것이다.

Measurand 社의 누적 에러 자료

 

n개의 관절로 이루어진 Array 변위센서의 에러 누적

 

n개의 관절로 이루어진 Array 변위센서는 시작#1부터 변위를 측정하여 더해 나가는 방식인데, 각 관절의 에러도 더해져서 오차가 누적된다.

기존 제품의 온도에 의한 누적에러 실제 사례(철도 레일 변위 측정 현장)

 

위 사례의 경우 80개의 관절로 이루어진 Array 변위센서로 각 관절의 오차는 0.6mm정도 이지만 80개가 누적되어 최종 48mm의 변위가 아래 방향으로 나타난 것으로 측정 되었다.

② 진동가속도에 의한 오차

 센서의 기본 원리는 센서가 가속도 센서로 각 관절이 기울어지면 코어센서는 중력가속도의 변화를 변위로 환산하는 것이다. 외부 진동이 발행하게 되면 진동가속도가 중력 가속도와 섞이게 되어 오차가 발생한다. 본 과제의 기술 적용은 구조물이나 토목 안전용으로 장기간 측정하기 때문에 서서히 변화되는 것을 측정하기 위한 목적이므로 LPF, 이동평균, 칼만 필터 등으로 외부 진동과 같은 급작스런 변화를 필터링 하면 오차를 줄일 수 있다.

외부 진동에 의한 오차

(나) 오차 감쇠 알고리즘 개발

① 오차 제거 개념

Array 변위센서의 시작점에서 변위를 계산해 나가는 방식이므로 왕복하여 제자리로 돌아오면 원점에 왔으므로 변위는 0이 되어야 한다. 그런데 변위값이 0이 아니라면 이는 어딘가에서 오차가 누적된 것이라고 할 수 있다. 따라서 원점까지 왕복으로 계산된 누적 변위값을 각 관절에 분배함으로써 오차를 감쇠시킨다.

왕복 폐합의 경우 측정값 오차

 

∑△ = △ * n * 2 (여기서, △은 개별오차, n은 관절 수, 2는 왕복)

센서의 구조는 아래 그림과 같이 PCB 상하부에 센서가 설치되는데 상부의 센서는 +방향과 –방향으로 설치하고 PCB 하부에도 +방향과 –방향으로 설치한다. +방향 센서들은 원점에서 측정 진행방향이고 –방향 센서들은 다시 원점으로 되돌아 오는 방향으로 측정되는 것이다. 이를 왕복 폐합이라고 하는데, 이렇게 되면 끝점은 실제 위치가 시작점(원점)과 같으므로 0이 된다. 만약 어레이 방식 연산에서 변위 값이 0이 아닌 값이 나왔다면 이는 각각 센서 관절의 오차가 누적된 것이다. 이를 각 센서 관절에 분배하여 오차 보정을 함으로써 오차를 제거 한다.

② 오차 감쇠 알고리즘

누적 연산에 따른 오차를 줄이기에 앞서 코어 센서로 부터 Rawdata를 획득하고 이를 설치 방향에 따라 축변환을 한 후에 각도 변환을 한다. 1개의 센서 관절에는 총8개의 코어센서가 설치되어 있는데, 이 중 4개는 +방향, 나머지 4개는 –방향으로 설치되어 있다. 따라서 각도 변환된 센서값을 +방향과 –방향으로 각각 평균을 낸다. 이후 시작점부터 끝점을 돌아 다시 시작점까지 왕복 폐합으로 누적연산을 한다. 이렇게 되면 최종값의 변화는 누적에러가 된다. 시작점은 고정점으로 변하지 않기 때문이다. 누적 에러값이 산출되었으므로 이를 각 관절에 분배하여 누적 에러값을 제거한다. 아래 플로차트는 이러한 알고리즘을 나타낸 것이다.

오차 감쇠 알고리즘

 

③ 오차 감쇠 알고리즘 검증

오차 감쇠 알고리즘 검증을 위해 KORAS 인증 기관인 한국산업기술시험원(KTL)에 소프트웨어 검증을 의뢰하였다. 이를 위해 알고리즘 검증용 프로그램을 개발하여 제공하였다.

알고리즘 검증을 위해 선정된 코어센서 MMA8451의 datasheet를 기준으로 데이터를 생성하여 알고리즘 미적용과 적용 시 감쇠율을 계산할 수 있도록 하였다.

오차 감쇠 알고리즘 검증용 프로그램(ERMSA)

 위 조건에서 보듯이 개발 과제의 테스트 밴치(김제 설치 현장)와 같게 관절길이 300mm에 코어센서의 노이즈와 온도계수, 온도계수 편차를 적용하여 Rawdata를 생성하였고, 현재온도를 –30℃~60℃까지 변화를 주고 오차 감쇠 알고리즘을 미적용한 데이터와 적용한 데이터를 비교하여 감쇠율을 산출하였다.

결과값에서 보듯이 ±200mm의 오차값이 ±1.0mm의 오차로 상당히 많이 줄어든 것을 알 수 있다.

오차 감쇠 알고리즘 검증을 위해 KORAS 인증 기관인 한국산업기술시험원(KTL)에 소프트웨어 검증을 의뢰하였다. 이를 위해 알고리즘 검증용 프로그램을 개발하여 제공하였다.

 알고리즘 검증을 위해 선정된 코어센서 MMA8451의 datasheet를 기준으로 데이터를 생성하여 알고리즘 미적용과 적용 시 감쇠율을 계산할 수 있도록 하였다.

 

위 조건에서 보듯이 개발 과제의 테스트 밴치(김제 설치 현장)와 같게 관절길이 300mm에 코어센서의 노이즈와 온도계수, 온도계수 편차를 적용하여 Rawdata를 생성하였고, 현재온도를 –30℃~60℃까지 변화를 주고 오차 감쇠 알고리즘을 미적용한 데이터와 적용한 데이터를 비교하여 감쇠율을 산출하였다.

결과값에서 보듯이 ±200mm의 오차값이 ±1.0mm의 오차로 상당히 많이 줄어든 것을 알 수 있다.