Home [데브코스] 4주차 - ROS Sensor devices
Post
Cancel

[데브코스] 4주차 - ROS Sensor devices

Posted Mar 9, 2022 Updated May 2, 2022 13 min read


  • 센서장치
    • 카메라 센서
    • IMU 센서
    • 라이다 센서
    • 초음파 센서
    • Depth 카메라 센서



카메라 센서

1080P USB 카메라

  • 170도 어안렌즈 -> 화면이 휘어지지만 openCV 툴을 사용하여 펼 수 있다.
  • CMOS OV2710 Sensor (CCD 카메라가 더 좋긴 하나 비싸고, 전기를 많이 먹는다)
  • 120fps (640x480), 30fps (1920x1080) (일반 영화관같은 곳이 24~30fps)
  • 빛의 3원색인 RGB를 통해 색을 표현
    • 그림/동영상 데이터는 각 1byte(8bit)로 표현
    • 3개 bytes를 통해 색을 표현 가능
    • full-HD(1920x1080) 화면을 가득 채우는 그림의 크기는 1920x1080 x 3bytes = 6Mytes

    • 흔히 색이 있는 사진을 볼 때, 데이터적으로 보면 흑백으로 표현된 사진이 R/G/B 색을 각가 입혀 이를 다 융합한 것이다.

    • 해상도, PPI, 화소수
      • 해상도 이름 : 640x480=SD, 1280x720=HD, 1920x1080=FHD, 2560x1640=QHD, 3840x2160=UHD
      • PPI: 같은 크기안에 몇개의 화소가 들어있는지
      • 화소: 해상도의 가로x세로를 곱한 것으로 rgb 한 묶음의 갯수를 말한다.

카메라 센서의 기능

  1. 영상 촬영
    • 연속된 사진을 찍어 이미지파일로 전송하는 것
    • 최대 해상도 : 1920x1080
    추가 정보 640x480 사진을 초당 30장이라 가정할 때 1. 파일 크기 : 화소수 (640x480 = 30만 화소) x 3bytes = 사진 1장의 파일 크기는 90만 = 0.9Mbytes = 7.2Mbits 2. 전송속도: 초당 30장 사진찍으므로 1초 동안의 전송 데이터는 0.9M x 30장 = 27Mbytes 3. 전송 속도는 216Mbps, USB 2.0의 최대 속도는 480Mbps, 실제는 그 절반인 240Mbps가 된다. 따라서 전송에 과부하는 없다. 하지만 실제로는 사진을 압축해서 보내기 때문에 더 높은 해상도와 더 많은 프레임 전송이 가능하다. > 그러나 요즘에는 압축 시에는 압축을 또 풀어야 하기 때문에 압축을 하지 않는 추세라고 한다. 테슬라와 같은 회사가 이를 연구하고 있다.
  2. 노출도 (exposure)
    • 노출도: 주변 밝기에 따른 이미지 밝기 변화
    • 환경에 따라 노출도를 조절하여 사진을 적절하게 찍을 수 있다.
    • 자율주행의 경우 사람이 적절하다고 하는 것보다 더 낮게, 어둡게 하는 것이 더 잘 인식한다.
  3. 자동초점조정 (auto-focus)
    • 자율주행 차량에서는 이 자동초점을 하는 시간이 걸리면 위험하므로 안쓰는 것이 좋다. 광폭으로 사용한다.



IMU 센서 (lnertial Measurement Unit sensor)

관성 측정 장치: 가속도계와 회전속도계, 자력계의 조합을 사용하여 어떤 물체(질량)에 가해지는 힘, 회전 각속도 등을 측정하는 장치다.

센서 종류

  • 6축 IMU 센서
    1. 가속도 센서 (Accelerometer) : 직선방향 가속도 감지, 중력가속도 감지
      • MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술로 만들어지는 센서
      • 반도체 칩 안에 입체적인 구조물을 만듦
      • 이 구조물이 외부의 힘에 따라 움직이는 것을 전기적 신호로 바꾸어 출력
      • X,Y,Z축 방향의 직선 움직임과 기울어짐의 자세 파악
    2. 자이로 센서 (Guroscope) : 회전속도인 각속도를 감지
      • MEMS 기술 기반으로 만들어짐
      • X,Y,Z축을 기준으로 한 회전 움직임 감지
        • x축을 기준으로 회전 -> rolling
          • 이동방향에 대해 평행한 축 주위의 회전각을 나타낸다. 차량이 코너링할 때 옆으로 기울어지는 것을 감지
        • y축 기준 회전 -> pitching
          • 이동 방향에 대해 수직을 이루는 축 주위의 회전각을 나타낸다. 차량이 언덕을 올라가거나 내려가오는 것을 감지할 수 있다.
        • z축 기준 회전 -> yawing
          • 이동방향에 대해 수직을 이루는 축 주위의 회전각을 나타낸다. 차량의 좌회전/우회전 회전하는 것을 알 수 있다.
  • 9축 IMU 센서
    1. 가속도 센서 (Accelerometer)
    2. 자이로 센서 (Guroscope)
    3. 지자계 센서 (Magnetometer) : N,S극 방향 감지, 동서남북 방위각 감지
      • 3축 나침반과 같이 방위를 알려주는 디지털 나침반 기능을 한다.



라이다 센서

라이다 센서 종류

1채널 2D 라이다 (0.9 degree, 4000 sampling,0.15m~18m)

  • 1채널 : 광선이 1개 나가는 것, 1채널이라는 것은 높이가 1개로만 된다는 것, 위나 아래에 대해서는 인식이 안될 수 있다.
  • 0.9 degree : 0.9도씩 광선을 쏜다.
  • 0.15m~18m 범위 : 광선의 거리가 0.15cm부터 18m까지 인식이 된다.

1채널 2D 라이다 (0.504 degree, 5000 sampling, 0.12m~12m)

  • 1채널
  • 0.504 degree : 0.504도씩 광선을 쏜다.
  • 0.12~18m :
  • 5000Hz : 초당 5000개의 데이터를 받는다.
  • motor frequency : 1초에 몇 바퀴 도는지
  • resolution : 회전속도에 따라 각도를 정하고, 이 두 개를 곱해서 1초당 얼마나 데이터를 나오는지 알 수 있다.

멀티 채널 라이다

  • 위아래로 스캔 가능
  • 사람, 차량, 벽, 기둥 인식 가능


라이다와 레이다의 차이

  • 레이다(RADAR)
    • 전파 신호의 반사파를 이용
    • 속도 감지 가능
    • 구름 많은 날씨 환경 및 야간에도 손쉽게 작동
    • LIDAR보다 더 긴 작동거리를 제공
  • 라이다(LIDAR)
    • 레이저 신호의 반사파를 이용
    • 짧은 주파수로 작은 물체도 감지 가능
    • 정확한 3D 단색 이미지 구성
    • 라이다로 장애물을 감지할 수 있다.
      • x,y 좌표로 변환하여 장애물 위치를 판단하고 진행방향에 장애물이 있으면 정지한다.
      • 360도를 1도씩 한다고 하면 360개의 거리값을 array데이터로 만들어 사용하는 것이다.
      • 라이다는 극좌표로 값을 받기 때문에 이를 직교좌표계로 바꿔야 한다.



초음파 센서

초음파 (Ultrasonic Wave)

  • 인간의 귀가 들을 수 있는 주파수 대역을 가청이라 하는데, 이 가청 주파수 대역보다 높은 진동수로 발생하는 파동을 말한다.

  • 가청 주파수는 사람마다 다르지만, 대체로 20Hz ~ 20kHz

  • 초음파 센서는 초음파를 이용하여 센서로부터 사물까지의 직선거리를 측정한다.

  • 초음파센서는 차량에서 전방은 라이다 센서를 사용하기 때문에 전방이 아닌 측/후방에 장착된다.

초음파 센서 동작

  • 시그널
    • Vcc : 센서 부품에 전력을 공급 (DC 5V) (전기의 +극과 같음)
    • GND : 회로의 그라운드에 연결 (전기의 -극과 같음)
    • Trig(신호값) : 센서를 동작시키기 위한 트리거 시그널 (입력)
    • Echo(신호값) : 거리 츩정 결과를 전달하기 위한 시그널 (출력)

동작 순서

  1. 송신부에서 초음파를 발사한다.
  2. 초음파가 물체에서 반사된다.
  3. 반사된 초음파가 수신부에서 감지된다.
  4. 송신과 수신 사이의 시간 간격을 기준으로 물체까지의 거리를 계산한다.

구체적인 동작 시나리오 (시작 -> 초음파 발사 및 수신 -> 시간차 출력)

  1. TRIG 핀에 10us(1x10^-6)동안 5V의 전기 신호를 보낸다.
  2. 초음파센서가 40kHz 초음파를 여덟 개 만들어서 물체로 보낸다.
  3. 물체에 반사된 초음파가 되돌아와서 초음파센서에 수신된다.
  4. 센서는 송신과 수신의 시간차에 비례하는 길이를 echo핀으로 출력한다.

거리 측정

  • 소리의 속도는 초당 340m -> 1cm 이동하는데 약 29us 소요
  • 송신과 수신의 시간차 = 초음파가 왕복이므로 2를 나누어야 한다.
  • 물체까지의 거리 = [(송신과 수신의 시간차 / 2) / 29us ]cm

초음파 센서의 문제점

  • 쏜 신호가 흠수되면 수신이 불가능해진다.
  • 비스듬하게 쏴서 다른 곳으로 튕겨 나가면 수신이 블가능하다.
  • 물체가 너무 작을 때
  • 물체가 너무 부드러울 때



DEPTH 카메라

depth 카메라는 stereo 카메라고도 한다.

구성 : 왼쪽 적외선 카메라, 적외선 방출기, 오른쪽 적외선 카메라, RGB컬러 카메라

적외선은 흑백으로 출력되기 때문에 RGB컬러를 입힐 카메라가 더 있다.

거리 측정

적외선 카메라를 2개 사용해서 깊이 즉 거리를 측정한다.


적외선을 통해 얻은 depth 정보와 RGB 정보와 융합해서 3차원 공간에 칼라 이미지를 표시할 수 있다.

Classlog, devcourse
sensor ros devcourse
This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.
Recently Updated
Contents