드론에서 비행제어기(FC)와 각 암(arm)의 끝에 위치하는 모터들은 ESC(Electronic Speed Controller)를 통해서 LiPo 밧데리로부터 전원이 공급됩니다. 수신기(Rx)와 각종 센서들은 대부분 비행제어기에서 공급되는 구조를 갖습니다. 모터에 공급되는 전원은 밧데리로부터 곧바로 공급되는데 이는 하나의 모터가 수십 암페어의 전류를 소비하므로 밧데리의 셀(cell)이 증가할수록 유리하다는 것입니다.

하지만 MCU와 각종 센서들을 포함하는 비행제어기는 5V의 안정된 전원이 요구되므로 일종의 전압 레귤레이터(regulator)인 UBEC(Universal Battery Elimination Circuit)를 이용하여 밧데리로부터 정류하여 전원을 공급받게 됩니다. 사실상 대부분의 전력은 양력을 얻기 위한 모터에 의해 소비되고, 수십 암페어의 전류를 소모하기에 IR 드롭이 불가피하여, 비록 드론의 중심에 밧데리를 위치하더라도 미세한 차이는 각 암의 모터의 인가전압 차이로 나타나 기체의 안정성을 해치게 됩니다. 이를 고려하여 안정적으로 전력을 각 암에 동일하게 공급하고 저항을 최소화한 전력 재분배를 위한 보드의 기하학적 설계가 요구된다는 것입니다. 이러한 보드를 Power Distribution Board(전력 분배 보드)라 일컫습니다.

기존의 모형 헬기에서는 ESC에서 제공하는 BEC(Battery Elimination Circuit)를 그대로 사용하였지만, 멀티로터(multi-rotor)는 다수의 ESC가 존재하기 때문에 보다 안정된 ESC의 선택에 의미가 없고, 다양한 센서들과 카메라, 텔레메트리(telemetry) 등 다양한 장치들의 추가로 ESC에서 자체적으로 제공하는 BEC의 용량이 한계에 부딪쳤고, ESC의 특성상 비행제어기가 간섭에 자유롭지 못하고 동작 온도의 상승으로 양질의 전원이 되지 못한다는 것입니다.

뿐만아니라 어느 순간에 모터의 추력을 최대화하면 IR 드롭 등의 이유로 UBEC 전원에 순간적인 전압강하로 이어지고, 이는 비행제어기 내에 민감한 센서들이나 MCU에 오류를 일의킬 수도 있다는 것입니다. 따라서 이러한 전기적 간섭의 문제는, 센서 모듈간에 혹은 센서 모듈과 비행제어기, 모터나 ESC와 비행제어기 등 서로간의 EMI 현상과 함께, 향후 추가되는 센서들이나 각종 장치로 인해 Power Distribution Board의 중요성의 증가하고 있다는 것입니다.

과거 모형 헬기와 같은 전통적 RC는 메인 로터가 양력을 얻어 부양하고 메인 로터가 회전할 때 회전각에 따른 로터의 피치를 조절하여 헬기가 원하는 방향으로 나아가는데, 메인 로터로 인한 헬기 동체의 반동 토크를 상쇄시킬 목적으로 테일 로터도 함께 회전시키게 됩니다(안정성을 강조한 동축반전 헬기는 제외). 이때 헬기 동체가 정숙하게 방향성을 유지하고 호버링하거나 이동하기 위해서는 자이로(gyroscope) 센서의 도움을 받아 실시간 보상하였는데, 이것이 사실 비행 자동화의 전부였으며 나머지는 오직 조종자의 오랜 비행 경험을 토대로 한 자동 반사적인 키감에 의존하여 매우 역동적인 스포츠를 즐기게 되었습니다.

반면에 드론은 쿼드콥터를 예를 들어, 4개의 프로펠러로 양력을 얻고 원하는 방향으로 나아가기 위해서는 개별 로터의 회전속도를 정교히 제어해야 하는데 이는 컴퓨터의 도움없이는 거의 불가능하다는 것입니다. 이러한 이유로 드론의 비행제어기(FC; Flight Controller)는 사람의 심장과도 유사하여 수신모듈로 부터 수신된 명령 신호를 처리하여 각 암(ARM)의 모터를 제어하고, 게다가 가속도계/자이로 센서를 포함하는 관성측정장치(IMU), 바로미터, 컴파스/지자계 등의 센서 데이터를 기반으로 안정적인 비행이 가능하도록 한다는 것입니다.

최근에는 GPS 센서를 탑재하여 GPS 데이터에 기반하여 사전에 입력된 경유지(waypoint)를 순차적으로 운항하거나 RTL(Return to Launch)라는 자동 회귀 기능 등의 탑재로 조종자의 명령이나 각종 기체 이상 등을 감지하여 이륙 장소로 스스로 귀환시키거나, 영상 및 소리 센서들을 활용한 충돌회피 등등 다양한 기능들이 추가되면서 FC는 날로 매우 빠른 연산을 수행하는 MCU가 필요한 추세라는 것입니다.

이를 증명하듯 수 년전에는 오픈 소스에 기반한 APM(AutoPilot Mega) 보드나 multiwii 보드는 8bit 16MHz의 ATmega328이나 ATmega2560의 MCU가 사용되었는데, 그 후로 AruPilot의 PixHawk(3DR)은 훨씬 강력한 32bit 168MHz의 STMicro사의 ARM Cortex M4를 사용하게 되었습니다. 현재의 오픈 소스의 드론 플랫폼으로 가장 인기있는 PX4는 64bit quad-core 2.26GHz의 퀄컴사 SOC(System on Chip) 기반 스냅드래곤 SOC(System on Chip)을 채용하고 있는 실정입니다.

사실 드론이 안정적인 비행으로 대중화를 선언한 그 이면에는 고성능의 MCU 채용만큼이나 FC에서 중요한 것은 센서 기술의 진화에 있다고 해도 지나치지 않다라는 것입니다. 각종 센서들로부터 드론은 비행 속도/각도, 좌표, 위치 데이타 등을 실시간으로 MCU에 제공하여 상당히 안정적인 비행을 가능하게 하지만, 최근에는 저고도에서의 정확한 고도 유지와 포지션홀드 기능을 위해 초음파센서, 옵티컬플루우(Optical Flow) 센서 등이 사용되고 있으며, 또한 충돌회피를 위해 카메라 센서 기반한 SLAM(SImultaneous Localization and Mapping)등의 알고리즘들이 활발히 연구되고 있다는 것입니다.

Telemetry radio는 드론이 MAVLink 프로토콜을 이용하여 공중으로부터 ground (control) station(지상관제국)으로 통신을 하는데 필요합니다. 여기서 ground control station은 예를 들어 Mission Planner(이하 MP로 약칭)가 설치된 지상의 PC를 의미합니다. 따라서 실시간으로 여러분의 미션과 상호작용하고 드론의 카메라나 다른 장치들로부터 데이터 스트림을 받는 것이 가능하게 됩니다. 

Telematry radio를 선택시에는 허용된 주파수인지를 확인해야 합니다. 예를 들어, 915MHz(Americas), 433MHz(Europe).

위 사진은 3DR사의 3DR Radio version 2의 모습니다. 하나는 APM 2.X 보드에 연결하고 나머지 하나는 MP가 설치된 PC의 USB 포트에 연결합니다.

모드 1과 모드 2의 비교입니다. 조종기(TX)는 스틱 조작 방식에 따라 모드 1과 모드 2가 있으며, 모드 1의 경우에는 과거 많이 쓰이던 방식이고 현재 드론의 경우에는 보다 직관적인 모드 2 방식이 대부분 사용됩니다.

※ 멀티콥터를 포함한 헬기의 기준이며 괄호안은 고정익(비행기)의 용어입니다.

The PX4 dev team is working on a brushless motor controller (ESC) with UAVCAN interface. Please contact the mailing list for further information. ESCs will be available early 2015.

PX4 dev 팀은 UAVCAN 인터페이스로 구동하는 브러시리스 모터 제어기(ESC)를 개발 중에 있습니다. 자세한 정보는 메일링 리스트로 연락주시기 바랍니다. ESC는 2015년 전반에 출시될 것입니다.

Hardware: The reference hardware is Pixhawk ESC v1.4. While the ESC can run with other flight controller hardware as well, the reference flight controller is Pixhawk, and hence the hardware designation.

하드웨어: 참고할 하드웨어는 Pixhawk ESC v1.4입니다. ESC는 게다가 다른 비행제어기(FC)에서도 사용될 수 있습니다. 참고할 비행제어기는 Pixhawk이고 최종 목표가 됩니다.

Firmware: The firmware is called PX4ESC and runs on all compatible ESC designs. Please refer to the PX4ESC page to learn more.

펌웨어: 펌웨어는 PX4ESC라 불리고 모든 호환가능한 ESC에서 구동가능합니다. 자세한 것은 PX4ESC를 참조하시기 바랍니다.

다음의 인터페이스를 지원합니다.

• UAVCAN

• Command line interface (CLI) over UART (see the connector pinout below)

• PWM input

Please refer to the PX4ESC firmware documentation to learn more about interfacing.

Developer Connector Pinout

다음은 AutoQuad의 오픈 소스 32 bit ESC(Electronic Speed Controller) Version2의 설명입니다.

Why the need for specialized ESCs:

왜 고급 ESC가 필요할까요:

Most standard ESCs are not designed for multirotor applications. Most ESCs are build and configured with an airplane application in mind, they are programmed to increase and decrease the throttle command towards the motor in a gentle way for obvious reasons. A motor fast accelerating and decelerating in an airplane or helicopter would either break the gears or put great stress on the prop and airframe.

대부분의 표준 ESC는 멀티로터에 사용하기 위해서 설계되지는 않았습니다. 대부분의 ESC들은 애초에 비행기에 맞도록 만들어지고 고안되었습니다. 그들은 분명한 이유 등으로 스로틀 명령으로 모터의 속도를 부드럽게 올리고 내리도록 프로그램되었습니다. 비행기나 헬리콥터에서 모터의 빠른 가속과 감속은 기어를 파괴하거나 기체의 프로펠러(Prop.)에 큰 손상을 주기 때문일 것입니다.

A multirotor is different. We would rather have a total linear curve and able to change the motor speed, and thus the thrust, as fast as possible to achieve a perfectly stable platform.

멀티로터는 다릅니다. 우리는 오히려 전체적으로 선형 커브를 갖도록 하여 모터 속도를 변화시키는 것이 가능하도록 하였기 때문에 완전하게 안정적인 비행을 성취가능한 빨리 추력을 낼 것입니다.

While the current ESCs used in most multrotor applications work considerably well, there is a lot of room for improvement. Using the same ESC but loading it with dedicated optimized firmware will increase the handling and stability of your multirotor greatly.

대부분의 멀티로터 응용에서 사용되어진 현재의 ESC들은 상당히 잘 동작하지만 여기에는 많은 개선의 여지가 있습니다. 같은 ESC를 사용하여 적용되어진 최적화된 펌웨어를 로딩하는 것은 여러분의 멀티로터의 조종성과 안정성을 크게 증가시킬 것입니다.

AutoQuad and most other flight controllers will benefit from ESCs that can operate at PWM frequencies of at least 400hz and are stripped from a controlled throttle curve.

AutoQuad와 대부분의 다른 비행제어기(FC)들은 적어도 400Hz의 PWM 주파수에서 동작가능한 ESC로부터 잇점을 누릴 것이고 기존의 스로틀 커브로부터 탈피하게 될 것입니다.

That's where the ESC32 comes in, a superior 32 bits ESC with a lot of interfaces and room for future enhancements.

이것이 ESC32가 나온 이유이며, 이 최상의 32 비트 ESC는 다양한 인터페이스를 지원하며 미래의 개선을 위해서 많은 리소스가 남아 있습니다.

Specifications for Version 2

• STM32F103 72MHz 32bit ARM

• All N-FET design with gate drivers

• 2S through 5S battery voltage

• Option to power logic side via UART or PWM IN +5v

• CAN transceiver hardware support onboard

• Firmware written completely in C

• Cortex SWD connector pads for real-time debugging

• Communications ports: PWM IN / UART / I2C / CAN Bus

• Communications protocols: PWM IN / CLI / binary / 1-wire / CAN / I2C**

• 4KHz to 64KHz PWM out

• Current sensing / limiting with real shunt resistor

• Virtual current limiter

• Regenerative braking (experimental)

• Closed loop control modes

• Lot of available RAM / FLASH for experimentation and development

• ** I2C drivers have not yet been written

AutoQuad 6 Flight Controller

What makes the AutoQuad flight controllers special?

무엇이 AutoQuad 비행제어기(FC)를 특별하게 만들까요?

Besides using top quality sensors and MCU, AutoQuad differs in its approach of using sensor calibration techniques and calculating the magnetic profile of the entire multirotor creating the ultimate stable flying and navigation experience.

최고 양질의 센서들과 MCU를 사용한 것 외에도 AutoQuad는 센서 보정 기술을 사용하는 그리고 최고의 안정된 비행과 조종 경험을 갖게 하는 전체 멀티로터의 자기 프로파일을 계산하는 접근 방식에서부터 차이가 납니다.

Summary of specifications of the AQ 6.x flightcontroller hardware

• 2″ x 2.5″ main board with 4.5×4.5cm mounting hole pattern

• Input voltage: 6.5v => 18v

• 2 High efficiency DC/DC converters, separate power to flight controller logics and accessories.

• STM32F407 32bit Cortex M4 microcontroller (1MB flash)

• Standard Arm 10 pin 0.05″ pitch SWD connector

• 14 general purpose PWM controllers / receivers (powered or un-powered)

• Dedicated Spektrum satellite (remote receiver) 2.4Ghz R/C radio connector

• uSD card slot driven by 4bit SDIO capable of 100Mb/s transfer (up to 32GB storage)

• onboard uBlox LEA-6T GPS module with battery backup and time pulse capture

• u.FL active GPS antenna connector

• optional external bi-directional telemetry radio via standard 6 pin FTDI connector – powered up to 1A

• I2C bus connector for I2C ESC’s (or other I2C devices)

• X, Y Mag: HMC6042

• Z Mag: HMC1041Z

• X, Y Gyro: IDG500

• Z Gyro: ISZ500

• Accel: ADXL325

• Pressure Sensor: MP3H6115A (optional 2. tube sensor)

• Battery voltage monitor

Onboard IMU options:

• 9 DOF analog sensors (3x RATE, 3x ACC, 3x MAG) w/EMI hardening

• Optional DIMU (digital IMU w/ CAN Bus, new pressure sensor) – go to WIKI page for more information – http://autoquad.org/wiki/wiki/autoquad-hardware-connections/dimu-and-can-bus-upgrade/

• Optional CAN bob as daughter board extension

Summary of capabilities of the AQ 6.x firmware

• Fly extremely stable yet offer full dynamic control to the pilot.

• Limit flying angles.

• Mavlink 1.0x compatible protocol, Ground Stations for Win, Mac, Linux & Android

• Very accurate position hold, depending on GPS reception a hold within 15-30 cm is possible.

• Altitude override (ascend / descend) during position hold with controlled vertical speed.

• Full mission flight, speed, heading and 'loiter time' is settable.

• Return to home position, altitude is also recorded during home position set.

• POI (point of interest), autonomous circling around given coordinates

• Heading Free flight mode, Follow Me, Click & Go (needs exp. firmware)

• Radio loss detection and event triggering.

• Low battery detection and event triggering.

• 2 axis gimbal control with pitch angle override on transmitter.

• Gimbal working angle and response time is settable.

• Gimbal servos can use 50Hz (analog) to 400+ Hz (digital) settable.

• Radio options: Spektrum satellite (10 & 11bit), S-bus receiver, (C)PPM input, SUMD (Graupner) M-Link (Multiplex)

• User Addon Waypoint recording and playback using transmitter switch.

• User Addon External LED / Piezo signaling for status and events, MAVLink telemetry for Graupner HOTT radios

AutoQuad는 오픈 소스 펨웨어 프로젝트입니다. 따라서 누구나 프로젝트를 다운로드 받아 수정하거나 개선하여 자신의 드론(Drone)에 업데이트 할 수 있고 자신의 구미에 맞게 비행을 즐길 수 있습니다.

[ AutoQuad 홈페이지에서 Source Code를 확인하는 법 ]

1) 메뉴에서 'Forum'를 클릭합니다. 

AutoQuad Forum

2) 메뉴에서 'AQ Downloads'를 클릭합니다.

AutoQuad and ESC32 Downloads

• AutoQuad FC

• ESC32

• Ground Control & Utilities

4) 모든 Source Code를 'Find file'을 클릭하여 확인하거나 다운로드 할 수 있습니다.

ARM 기반에 32 비트 MCU(STM32 계열)을 사용하여 비행제어기 보드(Flight Control Board)와 ESC를 만든 AutoQuad 프로젝트를 소개합니다. MCU가 갖는 빠르고 강력한 이점 외에도 C언어 기반의 ESC를 포함한 완전한 오프 소스 프로젝트라는 것입니다.

AutoQuad is an Open Source firmware project with closed source hardware. It is aimed at providing a flight controller board with stabilization, dynamic flight and autopilot features. The community can enhance the AutoQuad code. The powerful hardware with a 32 bits MCU and a selection of the best IMU sensors form the base for the AutoQuad flight controller, the possibilities are endless and only limited by the imagination and skills of the coders.

AutoQuad는 비공개 하드웨어를 사용한 오픈 소스 펨웨어 프로젝트입니다. 이는 안정성과 역동적인 비행 그리고 자동 항법 특징을 갖는 비행 제어 보드를 공급하는데 목적이 있습니다. 이 커뮤니티는 AutoQuad 코드를 진보시킬 수 있습니다. 32 비트 MCU와 가장 훌륭한 IMU 센서들의 장착한 강력한 하드웨어로 AutoQuad 비행제어기의 기본을 갖추었습니다. 그 가능성은 무한하고 단지 코드를 프로그램하는 사람의 상상력에 의해서 제한될 뿐입니다.

The current code base is targeting multicopters up to 14 motors. However the platform is flexible and can be adapted to fixed wing or single rotor applications.

현재의 코드는 14 모터까지 장착한 멀티콥터를 목표로 합니다. 그러나 개발환경은 유연하고 고정익 혹은 단일 로터를 갖는 기체에도 적용될 수 있습니다.

AutoQuad has recognized the need for specially adapted speed controllers or ESC’s. During the initial project setup, an 32bit ESC is developed: the ESC32. As with AutoQuad, the ESC32 is based on open source code, but closed source hardware.

AutoQuad는 특별한 속도 제어기 혹은 ESC를 요구해왔습니다. 초기 프로젝트 착수 동안에 32 비트 ESC가 개발되었습니다: ESC32. AutoQuad와 함께 사용되어지기 때문에 ESC32는 오픈 소스 코드 기반이지만 비공개 하드웨어에 사용되어집니다.

다음은 실제 프로젝트의 로드맵(Actual Project Timeline)니다.

Actual Project Timeline

사람마다 멀티콥터(Multicopter)를 즐기는 방법은 크게 2가지가 있습니다.

● 레저활동으로 다이나믹한 조종비행과 고공촬영을 즐기는 매니아 층

● 멀티콥터를 직접 제작부터 비행까지 취미생활을 영위하는 매니아 층

자신이 단순히 레저활동으로 비행을 즐기고 촬영을 감상하는 매니아 층이라면 Flight Controller(FC)를 포함한 상업용 완전한 기체(RTF)를 구입하여 바로 비행에 나서는 것이 시간을 단축시키는 길입니다. 그러나 Flight Controller의 구성(GPS 등) 및 펌웨어(Firmware) 등을 수정하며 조립과정에서부터 비행까지 직접 관여하며, 프론티어 정신에 비중을 두는 매니아 층이라면 완전한 기체(RTF)보다는 반조립 기체(ARF)에 자신이 직접 제작한 Flight Controller 등을 탑재하길 원할 것입니다.

만일 후자의 경우라면 전자와 다르게 고려해야 될 것이 많이 있습니다. 대부분의 상업용 기체는 Rock solid한 반면에 자작용 기체는 유연하지만 안정성이 떨어질 수 밖에 없다는 것입니다. 'Rock soild'라 함은 제조사에서 무수한 시행착오로 고도로 최적화되어 있어 안정한 비행이 가능하다는 것이고, 후자는 하드웨어적 유연성으로 인해 혹은 여러 부품과의 호환성으로 인해 안정성은 결국 유저 자신의 몫이라는 것입니다.

하지만 후자의 경우 여러 장점도 있습니다. 상업용 기체는 안정성을 담보로 로열티에 대한 댓가를 치루어야 합니다. 즉 비싸다는 것입니다. 그러나 후자는 기체만을 구입하고 Flight Controller 등은 Open source 이기에 저렴하다보니 조립하는 것이 [반드시 그렇지는 않지만] 싸질 수 있다는 것입니다. 자신의 드론(Drone) 제작에 앞서 드론을 정복하기 위해서는 많은 관련지식과 시행착오를 겪어야 하며 때론 추가의 비용과 많은 시간이 걸릴 수도 있다는 것을 기억해야 합니다.

멀티콥터를 제작하려면 우선 Flight Controller를 선택해야 합니다. Open source로는 크게 Multiwill와 APM 시리즈가 있는데 두터운 사용자 층을 고려한다면 Multiwill가 추천되는 추세입니다. 이는 Community가 보다 활성화되어 있어 조립과정 중에 혹은 기체 셋팅 중에 발생할 수 있는 문제를 쉽게 해결할 수 있다는 것입니다. 기타 Open source를 골라야 한다면 원론적으로 메인 칩셋부터 확인해야 할 것입니다. 왜냐면 단적으로 STM시리즈의 마이크로컨트롤러(Microcontroller)에 익숙하지 않다면 수정은 고사하고 코드를 읽기조차 힘들기 때문입니다.

Multiwill은 Community에서 지속적으로 업데이트되고 있으며 포럼에서 많은 도움을 받을 수 있으며 코드의 수정과 업로드하는 과정을 간단화시킨 근래의 아두이노(Arduino) 환경에서 쉽게 개발할 수 있기 때문입니다. 게다가 메인 칩셋은 Atmel사의 칩으로 C언어로 최적화가 잘되는 마이크로컨트롤러로 알려지며 폭넓게 사용되고 사용자 층이 넓기 때문입니다.

어떤 매니아는 ESC조차도 자작을 시도하는데 이 경우를 제외하면 기체는 Brushless 모터를 포함한 프롭과 ESC, 프레임을 모두 갖춘 보급형 퀴드콥터 기체가 입문자로서 적당할 것입니다. F450 ARF 기체는 중국 DJI사(http://www.dji.com) 제작한 쿼드콥터 기체로 그래도 저렴한 편이며, 최근에 많이 보급되어 프레임이 견적으로 이어지면 쉽게 교환할 수 있는 장점이 있습니다.

Phantom 3

또한 F550 ARF는 헥사콥터(엄밀하게 6개의 Arm을 가짐) 기체용이며 DJI사는 자사의 Naza 시리즈 Flight Controller를 탑재하여 Phantom 시리즈로 조립, 발매하고 있습니다. F450 ARF 기체는 Flight Controller와 송/수신기, 밧데리 등은 제외하고 있으며 스펙은 다음과 같습니다.

• Frame Weight(기체 무게) : 282g

• Diagonal Wheelbase(대각선 기체 길이) : 450mm

• Takeoff Weight(이륙 중량) : 800g ~ 1200g

• Propeller : 10 x 4.5inch

• Battery : LiPo(3S 1500mAh ~ 2600mAh)

• Motor : 2212 ~ 2216(stator size)

• ESC : 15A ~ 25A

F450 ARF 기체의 외형

F450 ARF 기체의 구성