드론의 센서 : 지자기 센서
STUDY
자신의 위치를 찾을 때 기본 도구인 나침반은 지구가 거대한 자석의 성질을 감지합니다.
초대형 자석인 지구 위에 소형 자석인 나침반은 항상 일정한 방향을 가리킵니다. from http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1397.aspx
멀티 콥터의 지자기 센서는 나침반처럼 지구의 자력을 감지하여 멀티 콥터가 어느 곳을 향하고 있는지 감지하는 센서입니다.
Three Axis Magnetic Field Electronic Compass Sensor Module for Arduino
이것을 지자기 센서(Geomagnetic Sensor)라고 부르는데 크게 홀 이펙트 (Hall Effect)나 MR (Magnetoresistive Effect, 자기 저항 효과) 효과를 이용하여 만들어집니다.
판(2) 위로 흐르는 전자는 자석의 영향을 받습니다. 자석의 힘이 강할수록 전자가 한쪽으로 더 많이 모이게 됩니다. 그만큼 판의 위쪽과 아래쪽의 전압의 차이가 발생하게 됩니다.
from https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hall_effect_A.png
판에 전기를 흘리면 전자들이 아무런 저항 없이 흘러갑니다. 하지만 자석을 주변에 가져가면 흐르던 전자들이 자석의 영향으로 한쪽으로 움직이게 됩니다. 이렇게 전자들이 치우치면 그만큼 전압의 차이가 발생하기 때문에 그 값으로 자기력을 측정할 수 있습니다. 정밀하다면 지구가 가진 자기력도 감지할 수 있습니다.
자석의 성질이 강한 금속은 자석에 반응합니다. 반응한 원자들이 전기가 흐르는 것을 막아서 저항을 만들게 됩니다.
from https://youtu.be/xEOsdlIf_cw
니켈(Ni)이나 철(Fe) 같이 자석을 문지르면 자석의 성질을 가지는 금속은 자기력에 의해 전기가 잘 흐르지 못하는 현상이 발생합니다. 이런 현상은 원자를 중심으로 모여 있는 전자가 자기력에 영향을 받으면서 다른 궤도에 전자들이 간섭을 해서 생기는 현상인데 이렇게 자기력에 의해 전기가 흐르는 것을 방해하는 자기 저항 효과를 이용하면 지구가 가진 자기력을 감지할 수 있습니다.
지구의 자력은 주변에 존재하는 수많은 자력에 영향을 받기 때문에 어떤 자력이 지구가 가진 자력인지 판단해야 합니다. 이 과정을 지자기 센서 캘리브레이션이라고 하는데 지자기 센서를 회전시켜 주변의 지구 자력이 아닌 자력을 검출한 뒤 그 힘 들을 제거하여 지구 자력만 남기는 과정입니다. 스마트폰에 나침판 앱을 동작시키면 스마트폰을 8자 모양으로 회전시켜야 하는 경우가 있는데 이것은 스마트폰의 내장된 지자기 센서 캘리브레이션 과정과 같습니다.
멀티콥터의 경우 이미 모터에 강한 자력을 가진 모터뿐 아니라 자력에 영향을 미치는 부품들이 센서 가까이 있을 수 있습니다. 또한 비행 장소 주변에도 철조망, 철골 구조물 등 자력에 영향을 미치는 것들이 많이 있기 때문에 비행 전 항상 캘리브레이션을 실시하는 것이 좋습니다.
태양에서 발생한 태양풍은 지구의 자기를 헝클어 트립니다.
우리 주변에 자기력은 주변 사물에만 영향을 받는 것은 아닙니다. 외부에 자력 값을 상쇄시켜 지구의 자력만 감지한다고 해도 태양의 활동에 의해서도 큰 영향을 받습니다. 강한 태양풍은 지구 자기 자체를 뒤흔들기 때문입니다. 지자기 센서가 정상적으로 동작하지 않습니다. 비행 전에 지자기 폭풍 정보를 확인해야 하는 이유도 이것 때문입니다.
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