Drone's DIYer

파워뱅크는 캠핑 시 보조배터리로 그리고 야외에서 드론 배터리를 충전하기 위한 전원으로 요긴합니다. 

고용량, 친환경 그리고 가장 중요한 안정성이 확보된 2차 전지를 선정하기 위해서 여러가지 2차 전지의 특성과 각 전지들을 간략히 비교하였습니다.

충전하여 재사용이 가능한 2차 전지는 양극재 원료에 따라 납축전지(Lead-Acid), 리튬이온전지(Lithium-Ion) 등으로 분류할 수 있습니다. 현재 납축전지는 주로 자동차용 배터리와 산업용 예비전원 용도로 사용하며 낮은 온도에서 방전 용량이 감소하고 완전방전 시 수명이 대폭 떨어지는 맹점이 있습니다. 리튬이온전지는 스마트폰, 노트북, Tablet PC, 전기차, ESS(Energy Storage System) 등의 용도로 사용되고 있습니다.

근래에 2차 전지로 각광을 받았던 Ni-based 전지(Ni-Cd와 이를 개선한 Ni-MH)는 방전 특성이 우수(특히 Ni-Cd)하지만 충전하기 전에 전지가 완전히 방전되어 있어야 하며 그렇지 않으면 이를 기억하여 충전용량이 떨어지는 메모리 효과(memory effect)가 존재하여 수명이 단축되는 단점이 있습니다. 방전 특성은 방전율로 자동차의 시동 시처럼 전압강하 없이 얼마나 높은 전류를 공급할 수 있느냐는 정도입니다.

최근에 사용되는 리튬이온전지는 충·방전을 1,000회 이상 반복해도 메모리 효과가 발생하지 않고, 고효율, 고성능 및 우수한 충방전 특성을 가지며 Ni-based 전지 비해 2배 이상의 기전력을 나타내며, 가장 에너지 밀도가 높고 게다가 -55~85℃의 넓은 온도 범위에서 작동이 가능합니다. 또한 자가 방전율이 연간 2% 미만이므로 장기간 저장 후에도 사용이 가능합니다. 자가 방전률이란 보통의 조건에서 전지 스스로가 자연 방전하는 정도를 말합니다.

이런 리튬이온전지는 4가지 양극재(양극활물질), 음극재(음극활물질), 분리막, 전해액 등으로 구성되며, 우선 전해질에 따라, 액체 상태이면 리튬이온전지(LIB), 고체 상태이면 리튬폴리머전지(LIPB)로 구분되는데, 리튬의 치명적인 문제점인 불안정성, 즉 폭발 및 발화의 위험이 있다는 것입니다. 리튬이온전지에서 고체 상태 전해질(Polymer)을 갖는 리튬폴리며전지로 개선하였지만 여전히 안전성에 문제가 있으며 친환경적이지도 않다는 것입니다.

이 고체 상태 전해질(Polymer)을 갖는 리튬폴리머전지에서 양극재 물질을 변경한 리튬인산철(LiFePO4) 전지는 리튬이온전지 그리고 리튬폴리머전지와 비교하여 발열성이 없고, 가연성 또는 폭발 등을 일으키지 않음으로써 안전성이 탁월하다고 알려집니다. 뿐만 아니라 온도 특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위 온도에 영향을 주지 않으며 고온에서 수명저하, 저온에서 시동불량 등의 문제가 없다는 것입니다.

게다가 리튬인산철전지는 충방전 효율이 납축전지는 70% 정도인데 반해 95% 이상이고, 다른 어떤 2차 전지보다 3~5배 긴 수명특성을 가지며, 급속 충방전이 가능하고 자가 방전율이 낮으며 무엇보다도 유해 독성물질이 전혀 없는 친환경이라는 것입니다.

다음 그림은 여러가지 2차 전지를 비교하였습니다.

※ '<= ???' 표기는 Ni-based 전지와 비교해서 ???하다는 의미입니다.

다음은 SG906 Pro 3 Max 드론의 장애물 회피 비행(Obstacle Avoidance Flight) 영상입니다.

참고하시기 바랍니다.

(물론 영어권이지만 장애물 회피 기능이 무엇인지 간략히 알 수 있는 비행 영상입니다)

https://youtu.be/oP83eQhYi84

입문자에게 손색 없고 혹은 중급자에게 비행의 즐거움을 선사할 수 있는, 가성비 최고의 드론으로 요즘 회자되고 있는 ZLRC사의 4세대 드론인 SG906 Pro 3 Max 드론(소위 Beast 3)을 소개합니다.

사실 이와 같은 가성비는 근래에 생각지도 못했던 획기적인 것으로 각종 센서 기술과 비행 기술의 발달로 누구나 쉽게 익히고 조종할 수 있는 드론 취미가 대중화 되면서 대량생산이 가능했기 때문일 것입니다.

ZLRC사의 SG906 시리즈는 꾸준히 업데이트 되면서 고성능의 카메라를 장착하였고 날고 있는 드론에게 손짓으로 사진을 찍게 하 'Hand gesture shooting' 기능 등을 포함하며, 브러시리스 모터와 고용량의 배터리를 채택하면서도 26~28분 비행시간을 기록하면서도, 접이식 드론 형태를 유지하며 DJI사 매빅(Mavic) 드론과 같이 고급스럽고 트렌디하게 진화되어 왔습니다.

가장 새로운 SG906 Pro 3 Max 드론은 이미 잘 알려진 SG906 Pro 2의 업그레이드 버전으로, 전자식 손떨림 보정(EIS) 기능을 갖춰 이전 버전보다 2배 성능이 개선된 3축 기계식 짐벌과 우수한 듀얼 4K 카메라(Sony IMX179 기반)를 장착하고, 레이저 기반 장애물 회피(laser obstacle avoidance)라는 기술을 채용하여 비행 도중에 장애물을 자동적으로 회피하는 것이 가능하게 하였습니다. 특히 이 기술은 [Fail safe] Return To Home(RTH) 또는 Follow me 기능 수행 시 유용하게 사용되며, 게다가 가성비의 최고왕(현재 약 175,000원 정도) 답게 겨우 30g의 무게 증가에 더욱 비행 시간을 연장을 위해 구입 시 배터리를 1개 이상 주문할 수 있도록 하였습니다.

SG906 Pro 3 Max 스펙입니다.

Drone Features:

• Motor 1700/KV Brushless Motor
• Camera Support 4K
• Remote Control Remote Distance: About 1200m
• Video 2048 x 1080p
• Material Plastic, Metal
• Battery Capacity 7.6V 3400mAh
• Charging Time 4 hours

More Features:

• WiFi Distance: 800m
• 3-Axis Gimbal
• Intelligent Return
• Laser Obstacle Avoidance
• GPS
• UHD + EVO
• Dimensions: 28.3 x 25.3x 7cm

Package content:

• 1x ZLRC SG906 Pro 3 Max GPS Drone
• 1x Remote Controller
• 1x Bag (option)
• 1x/2x/3x 3400mAh Batteries (option)

이전 버전의 SG906 Pro 2 스펙입니다.

Drone Features:

• Motor 1806 1700/KV
• Camera Support 2048*1080(TF)
• Remote Control Remote control battery: 4x1.5V
• Video Resolution: 1280*720p
• Battery Capacity 3400mAh
• Charging Time About 6 hours

More Features:

• Pressure sensor: Height setting
• Brushless Motor: 1806
• Motor power:1700/KV
• Electric power adjustment: 30A
• Image Transmission: 5G
• Three - axis mechanical self - stabilizing head: yes
• Self-Stabilizing Anti-Shake: yes
• Max. Phone Size: 5.5 inch
• Remote control battery: 4x1.5V "AA" battery
• Drone Battery: 7.4V 3400mAh
• Control Distance: 1200m (Free interference and no occlusion)
• Flight Time: About 26 mins
• Charging Time: About 6 hours
• USB Charging: 5V
• App Name: HFun Plus
• Lens: Adjustable camera by transmitter, 110°
• 5G Wifi Image Transmission distance: 800m (Free interference and no occlusion)
• GPS follow me: About 30m
• Image Follow Me:1~5m
• Hand gesture shooting:1~5m
• Focal Length: 50X
• Frame rate: 25 fps
• Front Camera Video Resolution: 2048*1080(TF)
• SD mode: 1208*720(APP)
• HD mode: 2048*1080(APP)
• Front Camera Photo Resolution:
• 4096*3072P(TF)
• 4096*3072P(APP)
• Down-looking Camera Video Resolution: 1280*720p
• Down-looking Camera Photo Resolution: 1280*720p

Dimensions and Weight:

• Package Size 28.3 x 25.3 x 7cm
• Package weight 551.8g
• Package content
• 1 x RC Quadcopter
• 1 x Remote Controller
• 1 x Remote joystick(pair)
• 1 x Screwdriver
• 1 x Body Battery
• 1 x USB Charger Cable
• 2 x Spare propellers (pair)
• 8 x Spare Screws (piece)
• 1 x Instruction Manual

SG906 시리즈의 비교:

1. 오픈 소스 소프트웨어

오픈소스 플랫폼은 결국 크게는 두 가지로 분류 해볼 수 있다. Non-OS 기반의 펌웨어로 구성된 소프트웨어와 그에 맞는 FC 보드가 있고, OS(Embedded Linux, RTOS) 기반의 소프트웨어와 그에 맞는 FC 보드가 있습니다.

1. ArduPilot(https://ardupilot.org/)

ArduPilot은 세계 최대 아마추어 자작 드론 커뮤니티 DIY Drones(http://diydrones.com)에서 2007년부터 시작된 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 드론 프로젝트이다. 하드웨어로는 APM(ArduPilot Mega), pixhawk, pixhawk2이라 하여 Arduino 기반의 하드웨어를 자체 개발하여 사용하고 있습니다. 3D Robotics와는 자작 드론 커뮤니티 설립부터 함께 해왔기 때문에 3D Robotics 제품에 ArduPilot 기술이 포함되어 커뮤니티와 함께 성장하고 있다. ArduPilot은 드론용 제어 펌웨어는 물론 APM 미션 플래너(APM Mission Planner)라고 하는 그라운드 스테이션용 프로그램도 오픈 소스로 개발/제공하고 있습니다. 뿐만 아니라 ArduPilot은 드론 외에도 일반적인 헬리콥터, 고정익 비행기, 자동차 형태의 로버도 제어할 수 있게 제작되었습니다.

소스코드 https://github.com/diydrones/ardupilot

B. 드론코드(https://www.dronecode.org)

3D Robotics, 퀄컴, Walkera, 패럿, 바이두, Intel, 유닉 등등의 1,200개 이상의 업체가 참여하며 산업용 드론을 포함한 드론 코드로 발전하였습니다. 리눅스 재단이 2014년 Ardupilot, Pixhawk를 체계화 하여 독립적인 오픈 소스, 오픈 하드웨어를 갖는 Dronecode 프로젝트의 하나로서 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich) 출신의 Lorenz Meier가 중심이 되어 진행 중인 자동항법 시스템으로 학계와 마니아 커뮤니티에 표준화된 자동 조종 장치를 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 2007년부터 DIY Drones(http://diydrones.com)에서 오픈 소스로 진행 중인 프로젝트인 Ardupilot과 양대 산맥을 이루는 오픈 소스 프로젝트라고 볼 수 있습니다. 대표적인 하드웨어로는 Pixhawk와 같은 제어기가 있으며 거의 모든 종류의 비행기 뿐만 아니라 고급 기술이라고도 할 수 있는 수직이착륙형(VTOL) 기체에도 사용할 수 있도록 개발되었습니다.

DroneCode에서는 APM과 더불어, PX4 프로젝트도 통합할 예정으로 알려지며, Pixhawk3 이하 버전에서는 Ardupilot과 PX4가 모두 지원되었지만 Pixhawk4에서는 Ardupilot가 완벽하게 지원할지 모릅니다.

C. PX4 Autopilot(http://px4.io/)

Pixhawk 이후에 하드웨어 소프트웨어적으로 완전한 오픈 소스를 제공하는 Platform으로 다른 오픈 소스와의 가장 큰 차이점은 BSD 3-clause라는 라이선스를 사용하고 있다는 것인데, 이는 GNU GPL 류의 라이선스와는 달리 상업적으로 사용하고 수정하여도 공개할 의무가 없어 예를 들어, 퀄컴(Qualcomm)의 경우 스마트폰용 스냅드래곤 칩을 내장한 Snapdragon Flight를 내놓았으며, 강아지 목줄과 비슷한 형태의 Fotokite, 3DR사의 신제품 Solo drone, 액션 스포츠 촬영용 무인 항공기로 유명세를 치르고 있는 하늘을 나는 개 에어도그(Airdog), 연구용으로 많이 사용되는 AR. Drone 등의 보조 제어기로 사용되어집니다.

민간용 드론에는 각 사가 개발한 Embedded OS가 사용되었습니다. Embedded OS는 한정된 임무만 수행할 수 있었으며, 소프트웨어가 제각각이기 때문에 다른 드론 여러 대를 한번에 조종하는 데 한계가 있었습니다. 최근 드론이 수행하는 역할의 범위가 확대되고 소프트웨어가 관리할 센서와 부품수가 많아지면서 전용 OS의 필요성이 절실해진 상황이 되었고 개발을 진행 중에 있습니다.

소스코드 https://github.com/PX4/Firmware

D. MultiWii(http://www.multiwii.com)

MultiWii는 Multi-rotor RC 모델을 제어하기 위한 범용의 소프트웨어으로 초기에는 Nitendo Wii 콘솔의 자이로와 가속도 센서를 이용하는 것으로부터 시작되었으며 Arduino 환경에서 개발 가능한 8-bit 기반의 AVR 시리즈 마이크로컨트롤러를 사용하는 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 FC가 탄생하였습니다.

소스코드 https://code.google.com/p/multiwii

E. Afroflight32(https://github.com/multiwii/baseflight)

BaseFlight로 불리는 Multiwii에 STM32 시리즈 MCU를 채용한 32비트 펌웨어 버전입니다.

F. Cleanflight(http://cleanflight.com)

Cleanflight는 오리지날 8비트 MultiWii 코드의 32비트 버전인 BaseFlight가 이후에 다시 정리된 오픈 소스 비행제어 소프트웨어이고 레이싱 드론을 위한 소프트웨어로 자리매김 하였습니다. 그 이후 더 나아가 자이로센서의 정보를 동기화하는 기술을 접목시켜 BetaFlight를 완성하게 됩니다. 애시당초 CleanFlight에도 GPS 기능이나 RTH(Return to Home) 기능, Waypoint 기능이 있었지만 레이싱 드론의 특성상 진화의 수순이라는 것입니다. 이와 같은 기능들을 유지하고 강화한 iNav는 고정익 드론에서 널리 사용하게 되었습니다. 이외에도 연장선에서 변속기(ESC)도 32-bit STM32 시리즈를 이용한 FC 내부에 포함하는 RaceFlight가 탄생하였고 Kiss와 같은 완성도가 높은 유료 FC가 예입니다.

G. OpenPilot(http://www.openpilot.org)

OpenPilot은 일반 민간인과 연구용으로 사용할 목적으로 OpenPilot 커뮤니티에서 생성된 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 UAV Autopilot입니다. 멀티 콥터, 헬리콥터, 고정익 항공기 및 기타 차량을 위한 고성능 플랫폼입니다. 전세계 6,000여 명의 개발자가 모인 드론 OS 개발을 위한 큰 축 중 하나로 관련 기업들 중심인 드론코드와 달리 개발자 중심의 드론 OS 프로젝트입니다. 개발자들 중심으로 운영돼 커뮤니티 성격이 강하며, OS 뿐 아니라 드론 관련 하드웨어를 함께 개발하고 있습니다.

OpenPilot은 2009년에 시작된 FC 펌웨어(On-board firmware)와 지상 조종 스테이션(Ground Control Station)으로 구분해서 개발된 FC입니다. BaseFlight보다 더 다양한 확장성을 가진 LibrePilot을 탄생시켰고 로보틱스까지 다양한 하드웨어를 지원하였지만 2015년 사라지게 되었습니다. 이후 드론 연구와 드론을 이용한 연구에 적합한 소프트웨어인 TauLabs로 발전하였고 비행 본연를 즐기기 위해 오픈 소스인 dRonin이 개발되기도 하였는데, 손쉬운 설정과 함께 골치 아픈 PID 설정을 위한 자동 튜닝(Auto Tune) 기능을 자랑합니다.

H. AeroQuad(http://aeroquad.com)

AeroQuad는 GNU GPLv3 라이선스의 오픈 소스 하드웨어와 소프트웨어 프로젝트입니다. STM32 기반의 AeroQuad32 FC 보드와 AVR Arduino 기반의 보드로 구성되어 있다. 최신 버전은 2013년 1월 이후 개발이 중지된 상태입니다.

소스코드 https://github.com/AeroQuad/AeroQuad

I. Emlid(https://emlid.com)

RaspberryPi 보드에 확장보드 형태로 연결하여 Linux 기반으로 드론을 제어할 수 있도록 한 것입니다.

소스코드 https://github.com/emlid

J. Crazyflie(http://www.bitcraze.io)

GNU GPL v3 라이선스로 다른 오픈 소스 프로젝트들이 대부분 30cm 이상의 중/대형을 목적으로 만들고 있으나, Crazyfly의 경우는 Parrot의 나라 프랑스에서 2003년에 시작된 Paparazzi 등, 작은 소형 기체를 목적으로 하고 있습니다.

소스코드 https://github.com/bitcraze

2. 비 오픈 소스 소프트웨어

A. KK 보드

ATmega644PA MCU를 사용합니다.

B. NAZA

DJI사의 제품입니다.

나. Airware 드론 OS(https://www.airware.com)

Airware 비행제어 시스템은 가상의 어떤 상용 비행체에도 설치가 가능하게 하는 유연하고 확장가능한 모듈라 아키텍처 구조를 지향하는 드론 OS의 개념입니다. 그리고, 안전 민감한 비행 제어부분과는 별도로 어플리케이션 개발이 분리되어 있습니다. 구글벤처스, 인텔캐피탈, GE로부터 자금을 투자받았습니다.

4. 오픈 소스 하드웨어

가. Ardupilot 계열 콘트롤러

오픈 소스 FC 보드의 계열 중에 많이 사용하는 것 중에 하나로서, Arduino기반의 APM(ArduPilot Mega) 계열이 있고, 32비트 ARM 프로세서를 사용하는 Pixhawk 계열이 있습니다. 이들의 확장 버전으로 Dronecode가 있습니다.

나. MultiWii 계열 콘트롤러

가장 많은 사용자들이 사용하고 있는 오픈 소스 프로젝트 중의 하나입니다. 8비트 AVR MCU 기반의 CRIUS나 Flexbot이 있으며, 32비트 ARM 기반의 NAZE32가 있고, 그중 Cleanflight 펌웨어는 상당히 작고 안정된 펌웨어로 알려집니다.

다. OpenPilot 계열 콘트롤러

OpenPilot 계열은 32비트 ARM 기반의 CC3D가 있습니다.

라. Crazyflie 계열 콘트롤러

비트크레이즈사의 Crazyfly는 32비트 ARM 계열의 콘트롤러입니다.

가격대별 드론을 총 정리한 사이트가 있어 소개합니다.

https://www.anadronestarting.com/drone-price-map/

가격대별로 한눈에 알기 쉽게 정리하였을 뿐만 아니라, 각 드론에 관한 기사와 구매를 위한 링크도 포함합니다. 글이 게재된 이후에 제조된 드론이 있기 때문에 글의 상단에 업데이트 날짜를 확인하세요!

각종 센서들이 측정한 상태측정치들은 각 센서들 고유의 오차 및 잡음이 포함되기 때문에 비행제어기에서 바로 사용할 수 없습니다. 센서융합기는 자이로 센서, 가속도 센서 및 지자기 센서가 측정한 드론의 회전운동 상태측정치와 GPS 수신기 및 기압 센서가 측정한 드론의 병진운동 상태측정치들을 적절히 융합하여 각종 오차 및 잡음이 최소화 된 상태추정치를 계산합니다.

자이로 센서(Gyroscope)

관성측정장치(IMU) 내부에 있는 3축 자이로 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축이 지구관성좌표에 대하여 회전하는 각속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값$\left(W_{{\mathrm{x.gyro,}}^{}}{W}_{{\mathrm{x.gyro,}}^{}}{W}_{{\mathrm{x.gyro}}^{}}\right)$을 계산합니다. 자이로 센서 측정치는 선형 미분방정식을 이용해 오일러 각도 $\left({\Phi }_{{\mathrm{gyro,}}^{}}{ϴ}_{{\mathrm{gyro,}}^{}}{\psi }_{{\mathrm{gyro}}^{}}\right)$로 변환될 수 있다. 자이로 센서 측정치는 저주파수 대역에서 바이어스(bias) 오차를 포함하기 때문에(즉, 드론이 정지해 있을 때에도 자이로 센서의 측정치가 '0'이 되지 않음) x, y, z 세 축에 대한 자이로 센서의 바이어스 오차가 제거되어야 합니다.

가속도 센서(Accelerometer)

자이로 센서의 스코프의 오차를 제거하기 위해 가속도 센서가 이용됩니다. 관성측정장치(IMU) 내부에 있는 가속도 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축의 지구관성좌표에 대한 가속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값 (fx,acc, fy,acc, fz,acc)을 계산합니다. 가속도센서 측정치 역시 오일러 각도의 '롤(Φacc)'과 '피치(ϴacc)'로 변환될 수 있으며, 이 값들은 자이로 센서의 측정치를 이용해 계산한 '롤(Φgyro)'과 '피치(ϴgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거하는데 이용됩니다. 하지만, 가속도 센서는 '요(yaw)'를 측정할 수 없기 때문에 자이로 센서를 이용해 측정한 '요(ψgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거할 수 없습니다.

지자기 센서(Magetometer or Compass)

지자기 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축의 자북점에 대한 방향을 측정합니다. 이 값을 이용해 기체좌표의 NED 좌표에 대한 '요' 값을 계산할 수 있으며, 센서융합기는 지자기 센서로 측정한 '요(ψmag)'를 이용해 자이로 센서 측정치 '요(ψgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거합니다. 고정날개 드론의 경우 몸체 전면에 피토관(Pitot Tube)을 부착해 좀 더 정확한 '요' 값을 측정할 수 있으나, 드론의 경우 몸체가 회전하면서 날아가기 때문에 피토관을 이용하기가 어렵다는 것입니다.

GPS 수신기 

GPS 수신기는 GPS 위성들로부터 수신한 신호를 이용해 NED 좌표 상에서 드론의 병진운동상태, 즉 위도(Pn.GPS), 경도(Pe.GPS), 고도(hMSL.GPS), 위도상의 속도(Vn.GPS), 경도상의 속도(Ve.GPS) 및 고도상의 속도(Vd.GPS)를 계산합니다. 여기서 첨자 MSL은 해수면(MSL: Mean Sea Level)을 의미합니다.

기압 센서(Barometer)

GPS 수신기를 통해 수신한 위치 좌표에는 항상 5~10m의 오차가 존재합니다. 민수용 GPS 수신기는 L1 주파수밴드(1.5GHz)의 C/A(Coarse-Acquisition) 코드 혹은 L2 주파수밴드(1.2GHz)의 C/A 코드 둘 중의 하나만을 수신할 수 있습니다. 하지만 군사용 GPS 수신기는 L1 C/A와 L2 C/A를 동시에 수신할 수 있어 Diversity로 인한 이득을 얻을 수 있으며, 추가로 암호화 신호(Encrypted Signal) P(Y)를 수신할 수 있어 GPS 신호가 지구의 이온층을 통과할 때 교란되는 것을 보정할 수 있습니다. 이를 이온층 보정(Ionospheric Correction라 일컫습니다. 5~10m의 GPS 고도 오차는 주로 저공비행을 하는 드론의 지상시설물들과의 충돌 위험을 야기시킵니다. 따라서 별도의 기압 센서를 이용하여 고도(hALP.baro)를 측정하기도 한다는 것입니다. 여기서, 첨자 ALP는 기압(Air-Level Pressor)를 의미하며 드론의 이륙시 기압과 현재 비행고도에서의 기압을 비교해 이륙 지점으로부터의 현재 고도를 계산합니다.

센서융합기는 회전운동상태(ΦE, ϴE, ψE)만을 추정하거나, 회전운동 상태와 병진운동상태(Plon.E, Plat.E, hE)를 동시에 추정할 수 있습니다. 회전운동상태 만을 추정하는 센서융합기를 AHRS(Attitude & Heading Reference System)라고 부르고, 회전운동상태와 병진운동상태를 동시에 추정하는 센서융합기를 관성항법기(INS; Inertial Navigation System)라고 부릅니다.

AHRS를 이용한 센서융합기

AHRS 센서융합기는 보상필터(Complimentary Filter; 상보필터)를 이용하거나 확장 칼만 필터(EKF: Extended Kalman Filter)를 이용합니다. AHRS 보상필터는 고주파 대역 특성이 좋은 자이로 센서의 상태측정치(Φgyro, ϴgyro)를 고주파 대역 필터로 추출하고, 저주파 대역 특성이 좋은 가속도 센서의 상태측정치(Φacc, ϴacc)를 저주파 대역 필터로 추출한 후 합쳐서 자이로 센서의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, ϴE)를 비행제어기(FC)로 전달해 줍니다.

AHRS 확장칼만필더(AHRS-EKF)는 드론의 비행역학(Flight Dynamics)을 이용해 각종 오차를 제거하는 방법입니다. 자이로 센서를 이용한 측정치(Φgyro, ϴgyro, ψgyro), 가속도 센서를 이용한 측정치(Φacc, ϴacc), 지자기 센서를 이용한 측정치(ψmag) 및 GPS 수신기를 이용한 측정치(Vn.GPS, Ve.GPS, Vd.GPS)를 이용해 실시간으로 드론의 회전운동역학(Rotational Dynamics)을 확장 칼만 필터를 이용해 모델링하면서 자이로 센서 및 가속도 센서의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, ϴE, ψE)를 계산해 비행제어기로 전달해 줍니다. GPS 수신기로 측정한 병진운동상태 측정치(Pn.GPS, Pe.GPS) 및 기압 센서로 측정한 고도측정치(hALP.baro)는 융합과정을 거치지 않고 그대로 비행제어기로 전달된다.

쿼드콥터(Quadcopter)는 다음 그림에서와 같이 모터 4개의 상대적인 회전속도에 의해 비행이 제어됩니다. 시계방향(CW)으로 회전하는 모터들에 장착되는 프로펠러를 '푸셔(Pusher) 프로펠러'라 부르고 반시계방향(CCW)으로 회전하는 모터들에 장착되는 프로펠러를 '트랙터(Tractor) 프로펠러'라 부릅니다.

• Yaw Left - 시계방향으로 회전하는 모터 ①, ③의 회전속도의 합 > 반시계방향으로 회전하는 모터 ②, ④의 회전속도의 합

• Yaw Right - 시계방향으로 회전하는 모터 ①, ③의 회전속도의 합 < 반시계방향으로 회전하는 모터 ②, ④의 회전속도의 합

• Hovering - 시계방향으로 회전하는 모터 ①, ③의 회전속도의 합 = 반시계방향으로 회전하는 모터 ②, ④의 회전속도의 합

소위 Hovering(정지 비행)은 전체 토크(Torque)가 상쇄되어 드론이 공중에서 정지하는 것이며, 이러한 상황에서 모든 프로펠러들이 발생시키는 추력의 합이 드론의 무게보다 크거나 작을 경우, 드론은 수직으로 상승(Throttle Up) 혹은 하강(Throttle Down)을 합니다.

• Pitch Up(후진) - 전면에 위치한 모터 ①, ②의 회전속도의 합 > 후면에 위치한 모터 ③, ④의 회전속도의 합

• Pitch Down(전진) - 전면에 위치한 모터 ①, ②의 회전속도의 합 < 후면에 위치한 모터 ③, ④의 회전속도의 합

• Roll Left - 우측에 위치한 모터 ①, ④의 회전속도의 합 > 좌측에 위치한 모터 ②, ③의 회전속도의 합

• Roll Right - 우측에 위치한 모터 ①, ④의 회전속도의 합 < 좌측에 위치한 모터 ②, ③의 회전속도의 합

전체 프로펠러들의 중력방향 추력의 합이 드론의 무게와 동일 할 경우, 드론은 좌측 혹은 우측으로 수평비행을 하게 됩니다.

모터 ①, ②, ③, ④의 회전속도를 각각 , , , 라 하고 모터들에 장착된 프로펠러들이 발생시키는 전체 추력을 라 할 때, 각 모터들의 회전속도와 오일러 각도의 변화량  및 추력의 변화량 과의 관계는 다음 수식으로 표현할 수 있습니다.

위 식을 행렬식으로 나타내면 다음과 같습니다.

그러므로 각 모터의 회전속도 관점에서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

위 식을 시간 에서 오일러 각도 및 추력의 변화량을 시간 증분을 이용해 표시하면 다음과 같습니다.

위 식에서 는 시간 에서 Tx(송신기)로부터 수신한 비행명령어이고, 는 시간 에서 각종 센서들을 이용하여 추정한 드론의 상태추정치이며, 는 드론의 비행제어기가 수행하는 함수로 볼 수 있습니다. 이 경우, 첨자 ''는 desired(Tx가 원하는)의 ''로 대체할 수 있고, 첨자 ''은 Estimated(센서융합기가 추정한)의 ''로 대체할 수 있습니다.

Tx에 조정키들을 움직여 오일러 각도 및 추력으로 구성된 비행명령어 를 드론에 송신하고, 드론의 Rx(수신기)는 이 비행명령어를 받아서 비행제어기(FC)에 전달합니다. 센서융합기는 자이로 센서, 가속도 센서 및 지자기 센서를 이용해 측정한 회전운동 상태측정치 와 기압 센서를 이용해 측정한 고도측정치 을 적절히 융합해 각 센서들의 오차가 최대한 제거된 상태추정치 를 계산해 비행제어기에 전달합니다. 비행제어기는 Rx로부터 받은 비행명령어를 센서융합기가 보내온 상태추정치와 비교해 그 차이 값을 이용해 각 모터들의 회전속도를 계산합니다. 여기서 첨자 'M'은 Measured(각종 센서들이 측정한)을 의미합니다.

드론은 Tx를 이용하지 않고 GPS 경로비행을 할 수도 있습니다. 한편으로, 센서융합기는 드론의 회전운동 상태측정치 와 GPS 수신기와 기압 센서를 이용해 측정한 병진운동 상태측정치 를 함께 융합하여 센서 오차들을 좀 더 줄일 수 있습니다. 여기서 는 위치벡터, 는 속도 벡터, 는 고도를 의미한다. 아래 그림에서 센서융합기는 드론의 회전운동 및 병진운동 상태측정치를 융합하여 자이로 센서와 가속도 센서의 오차가 최대한 제거된 상태추정치 를 비행제어기에 전달하고, 비행제어기는 Rx로부터 전달 받은 비행명령어 혹은 GPS 비행경로 좌표와 상태추정치를 비교해 그 차이 값을 이용하여 각 모터들의 회전속도를 계산합니다. 여기서 'lon'은 longitude(경도), 'lat'는 latitude(위도)의 약자입니다.

국내에서 RC 무선조종기에 사용하던 주파수는 1980년대에 27MHz 주파수 대역이었는데 저주파이기 때문에 도달거리가 길고 장애물에 영향이 적었지만, AM(Amplitude Modulation) 통신 방식으로 해상도(Resolution)가 좋지 않았습니다. 1990년대에 FM(Frequency Modulation) 방식으로 40MHz 주파수가 사용되었으며 FM 방식이기 때문에 노이즈에 강해 개선된 해상도를 얻게 되었으며 통상 도달거리는 1.6km~2km 정도로, 이후에는 40MHz 대역이 포화상태로 FM 72MHz 방식이 출현하게 되었습니다.

한편, 사용할 수 있는 대역이 40MHz 대역에서 15개, 72MHz 대역에서 19개로, 총 34개로 제한되는데, 이는 같은 장소에서 동시에 34명 이상은 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 만일 사용자 간에 주파수가 겹치면 둘 다 조종이 안되거나 혹은 더 출력이 우수한 조종기를 사용하는 사람만 살아남는 노콘(No control) 현상을 초래한다는 것입니다. 그리고 FM 통신 방식 자체가 이후에 디지털 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 포함하여 주변으로부터 간섭에 강하지만 동시 사용자가 제한되는 등 여전히 한계가 있다는 것입니다.

따라서 이를 근본적으로 개선하기 위해서 2008년부터 세계 각국의 RC 회사들이 새로운 방식을 개발하기 시작하였고, 2009년부터 본격적으로 '2.4GHz 초고주파 채널 방식'이 사용되기 시작하였습니다. 외관상으로는 송수신기의 안테나 길이가 매우 짧아졌다는 것입니다. 왜냐하면 안테나는 사용 주파수의 반파장의 길이를 사용해야 하기 때문이며 이로 인해 당연히 조종기의 안테나 길이는 10cm 이하가 되어 사용이 편리해졌다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 차이는 기존의 송수신기에 탑재된 크리스탈(Crystal)의 고유 주파수로 사용자를 구별했던 것과는 달리, 2.4GHz 방식은 주파수가 지정되어 있지 않았다는 것입니다. 즉 후술하겠지만 주파수가 고정되지 않고 변화하는 '채널 방식'으로, 처음 조종기의 전원을 켜면 수천개의 채널 중 비어있는 채널을 자동으로 검색하여 고정하고 이 채널로 수신기도 고정하게 되어, 향후 이 수신기는 채널을 변경하기 전까지 이 채널로만 작동하게 된다는 것입니다.

주변에서 다른 2.4GHz 조종기를 사용한다면, 자신의 조종기 전원을 켜는 순간, 비어있는 채널을 자동으로 찾아가기 때문에 절대 채널이 중복되지 않는다는 것입니다. 또한 사용 중 다른 원인으로 인해 채널에 간섭 현상이 일어날 경우, 재빨리 자동으로 사용자도 모르게 다른 채널로 변경된다는 것입니다. 그러므로 2.4GHz의 채널 방식은 아무리 많은 사람이 동시에 비행을 하더라도 절대 주파수가 겹치지 않는다는 장점이 있다는 것입니다.

근래에 2.4GHz의 ISM 주파수 대역은 Wi-Fi(Wireless LAN), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 주파수 대역과 겹치므로, 요즈음 사람이 많이 모이는 공원 등의 지역에서는 드론의 비행에 여전히 각별한 주의가 요구된다는 것입니다. 게다가 드론의 통신 방식은 상공에서 항공 사진이나 영상 데이터를 텔레메트리(telemtry)를 통해서 지상에서 받고자 하는 사용자의 수요 때문에 변화가 일어나는 실정입니다.

무선 조종기에서 비행 명령을 드론으로 전달하는 것을 '상향링크'라 부르고, 반대로 드론에서 비행정보나 항공 사진이나 영상 등의 정보를 지상으로 전달하는 것을 '하향링크'라 부르는데, 정보량이 많아지다 보니 최근의 드론들은 5.8GHz 주파수 대역을 상향링크를 사용하고 비디오 전송 등은 2.4GHz 주파수 대역의 하향링크를 사용하게 된다는 것입니다.

2.4GHz ISM 주파수 대역은 주파수 관리법에 의하여 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum) 방식을 사용해야 합니다(5.8GHz는 스프레드 스팩트럼 방식이 법으로 요구되지 않음). 스프레드 스펙트럼은 주파수 도메인에서 넓게 퍼진 형태로 피크치가 확연히 드러나는 기존의 주파수 방식에 비해서 EMI 현상(혹은 간섭 현상)이 적고 보안에 우수하다는 장점이 있습니다. 스프레드 스펙트럼 방식은 직접신호를 이용하거나(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS) 주파수 호핑을 이용해(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 신호의 주파수 대역을 확장시켜 송신하는 방법인데, 송신신호 출력을 약하게 할 수 있어서 특히 다른 통신기기들로의 신호 간섭을 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

위와 같은 스프레드 스펙트럼 방식은 서로 혼용할 수도 있으며 제조사에 따라 Spectrum의 DSM(Digital Spectrum Modulation), Futaba의 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology), Hitec의 AFHSS(Adaptive Frequency Hoping Spread Spectrum) 등 다양하며, 특히 AFHSS는 세계 최초로 양방향 수신이 가능하여 비행기의 정보를 조종기로 받아오기도 한다고 알려집니다.

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.