(실습) 센서 평가 지표 적용해 보기
1. 실습 개요 및 목표
- 목표
- 가속도 센서(Model: GEMINI-ACC-01) 분석
- “AI 에이전트 하드웨어(예: 이동형 소형 로봇 또는 웨어러블 기기)”에 탑재할 가속도 센서 선정
- 실제 데이터 시트의 형식과 유사한 스펙 표를 보고,
- 이 센서가 우리가 만들 AI 에이전트의 ‘균형 잡기 및 충격 감지’ 임무에 적합한지 판단하기
- 가속도 센서(Model: GEMINI-ACC-01) 분석
2. 실습 과정
- 1단계: 데이터 시트 분석 (Specification Table)
| Parameter | Symbol | Min | Typ | Max | Unit |
|---|---|---|---|---|---|
| Measurement Range | \(Range\) | - | \(\pm 16\) | - | \(g\) |
| Sensitivity (at 12-bit) | \(S\) | - | \(3.9\) | - | \(mg/LSB\) |
| Initial Accuracy | \(Acc\) | - | \(\pm 1.0\) | - | \(\% FS\) |
| Non-linearity | \(Lin\) | - | \(\pm 0.5\) | - | \(\% FS\) |
| Resolution | \(Res\) | - | \(12\) | - | \(bit\) |
| Zero-g Offset | \(Z_{off}\) | - | \(\pm 40\) | - | \(mg\) |
| Response Time | \(T_{resp}\) | - | \(0.5\) | - | \(ms\) |
| Hysteresis | \(Hys\) | - | \(0.1\) | - | \(\% FS\) |
- 2단계: 성능 지표 해석 및 판단
AI 에이전트의 핵심 기능별로 지표 해석
- ① 균형 유지 (기울기 감지)
- 관련 지표: Sensitivity(감도) & Zero-g Offset(오프셋)
- 판단
- 12비트에서 \(3.9mg/LSB\)의 감도를 가짐
- 이는 중력의 약 0.4% 변화까지 읽어낼 수 있다는 뜻
- AI 에이전트가 넘어지지 않게 미세하게 자세를 잡는 데 충분히 예민한 수준
- 다만, 정지 상태에서 \(40mg\)의 오프셋이 있으니 영점 보정(Calibration) 알고리즘이 필수
- ② 낙하 및 충격 감지 (안전 장치)
- 관련 지표: Measurement Range(측정 범위) & Response Time(응답 시간)
- 판단
- 범위가 \(\pm 16g\)로 매우 넓음
- 에이전트가 바닥에 떨어질 때 발생하는 큰 충격(\(10g\) 이상)도 잘리지 않고(Saturation 없이) 측정 가능
- 응답 시간이 \(0.5ms\)로 매우 빨라 충돌 즉시 AI 에이전트가 보호 모드로 전환하거나 모터를 정지시키는 피드백이 가능
- ③ 이동 거리 추정 (Dead Reckoning)
- 관련 지표: Non-linearity(선형성) & Hysteresis(히스테리시스)
- 판단
- 선형성 오차가 \(0.5%\) 로 낮음
- 가속도 데이터를 적분하여 이동 거리를 계산할 때,
- 소프트웨어 보정 부담이 적어 AI 모델이 경로를 예측하기에 유리함
- 3단계: 최종 적합성 판정 (AI 에이전트 팀 보고용)
- [판정 결과: 채택(Selected)]
- 이유
- 높은 응답 속도(\(0.5ms\))와 넓은 측정 범위(\(\pm 16g\)) 덕분에
- AI의 빠른 판단과 안전 확보에 유리함
- 보완 사항
- 초기 정확도가 \(\pm 1%\) 이므로,
- 제품 출하 전 반드시 정밀도(Precision) 확인을 위해
- 동일 조건 반복 측정을 수행하고 소프트웨어적으로 오프셋을 제거해야 함
- 이유
- [판정 결과: 채택(Selected)]
3. 심화 질문
- “만약 AI 에이전트가 ‘드론’이라면, 응답 시간이 10ms로 늘어났을 때 어떤 일이 벌어질까?”
- 응답 시간이 기존(예: \(0.5\text{ms}\))에서 \(10\text{ms}\)로 늘어났을 때 드론에게 벌어지는 일
- 제어 루프의 붕괴 (Stability Issue)
- 드론은 매 순간 수백, 수천 번 가속도와 자이로 센서값을 읽어 모터 속도를 조절하며 수평을 잡음
- 현상
- 센서 데이터가 \(10\text{ms}\) 전의 과거 데이터를 보고하게 되면,
- 비행 컨트롤러(FC)는 ‘이미 지나간 기울기’를 바로잡으려고 모터를 가동
- 결과
- 보정 시점이 항상 늦어지면서 드론이 미세하게 떨리기 시작하다가,
- 결국 진폭이 커지는 발산(Divergence) 현상이 발생하여 뒤집히거나 추락하게 됨
- 장애물 회피 불능 (Safety Issue)
- AI 에이전트가 시속 \(36\text{km/h}\) (\(10\text{m/s}\))로 비행 중이라고 가정
- 계산
- \(10\text{ms}\)의 지연 시간 동안
- 드론은 이미 \(10\text{cm}\)를 더 이동한 상태
- 결과
- 센서가 장애물을 감지하고 AI가 “멈춰!”라고 명령을 내렸을 때는
- 이미 기체가 장애물 쪽으로 \(10\text{cm}\) 더 깊숙이 들어간 뒤
- 초정밀 비행이 필요한 협소 공간이나 고속 비행 시에는 이 한 끗 차이로 충돌 사고가 발생함
- ‘젤로 현상’ 및 위치 추정 오차 (Data Quality)
- 드론의 카메라는 짐벌을 통해 수평을 유지하는데 센서 응답이 느리면 짐벌 제어에 시차가 생김
- 현상
- 기체의 진동을 센서가 실시간으로 상쇄하지 못해
- 영상이 물결치듯 일렁이는 젤로 현상(Jello Effect) 발생
- 결과
- AI 에이전트의 ‘눈’에 해당하는 비전 알고리즘이 왜곡된 영상을 분석하게 되어,
- 객체 인식률이 떨어지고 자신의 현재 위치를 오판하는 연쇄 오류가 발생
- 제어 루프의 붕괴 (Stability Issue)
- 결론
- 드론에게 응답 시간은 ‘반사 신경’
- 응답 시간이 $10\text{ms}$로 느려진다는 것은 사람으로 치면
- 눈을 감고 \(10\text{cm}\)를 이동한 뒤에야 앞을 확인하는 것과 같음
- 이 지연(Latency)은 제어 시스템의 위상 지연(Phase Lag)을 야기해
- 드론을 제어 불능 상태인 ‘진동’과 ‘추락’으로 몰아넣는 결정적 원인이 됨
- “정밀도를 높이기 위해 16-bit ADC를 외부에 추가로 달면 분해능은 어떻게 변할까?”
- 시스템의 디지털 분해능은 비약적으로 좋아지지만, 그것이 반드시 센서의 실제 정밀도 향상으로 이어지지는 않음
- 12-bit ADC (기존)
- 범위를 \(2^{12} = 4,096\)단계로 쪼갬
- 감도 예시: \(3.9\text{ mg/LSB}\)
- 16-bit ADC (추가)
- 범위를 \(2^{16} = 65,536\)단계로 쪼갬
- 감도 계산: \(16\text{ bit}\)는 \(12\text{ bit}\)보다 16배 더 촘촘한 눈금을 가짐
- 결과
- 최종 감도: \(3.9 / 16 \approx 0.24\text{ mg/LSB}\)
- 즉, 디지털적으로 데이터를 읽는 ‘눈금의 촘촘함’은 16배나 정교해짐
- 12-bit ADC (기존)
- ‘엔지니어링의 함정’
- 돋보기를 크게 본다고 해서 흐릿한 사진이 선명해지지 않는 것과 같은 이치
- 센서 자체의 노이즈 플로어 (Noise Floor)
- 센서 소자 자체가 가진 고유의 노이즈가 \(1\text{ mg}\) 수준이라면,
- ADC가 \(0.24\text{ mg}\) 단위로 쪼개서 읽어봐야 의미가 없음
- 결과적으로 하위 비트들은 실제 신호가 아니라 ‘노이즈’ 때문에 계속 출렁거리는 값이 될 것
- 유효 비트수 (ENOB, Effective Number of Bits)
- 사양서에는 16-bit라고 적혀 있어도,
- 실제 회로의 노이즈 환경 때문에 의미 있는 데이터는 상위 13~14비트 정도일 수 있음
- 이를 ENOB라고 부름
- 실무 설계 시 반드시 체크해야 할 항목
- 하드웨어 배선의 한계
- 외부 ADC를 달기 위해 연결한 점퍼 와이어나 PCB 패턴이 외부 전자기 노이즈(EMI)를 타게 되면,
- 높아진 분해능이 오히려 독이 되어 데이터가 더 불안정해질 수 있음
- 결론
- 16-bit ADC를 달면 수치상의 분해능은 16배 좋아짐
- 하지만 이는 ‘눈금’이 촘촘해진 것일 뿐, 센서가 가진 노이즈보다 더 작은 단위로 쪼개는 것은 의미가 없음
- 따라서 ADC 업그레이드와 함께 아날로그 전단부(AFE)의 노이즈 억제 설계가 병행되어야만
- 비로소 정밀도가 향상되었다고 말할 수 있음
