Drone's DIYer

가격대 성능비가 최고(약 27만\)이고, 오픈 소스인 CX-20의 구입처입니다.

오픈 소스 CX-20

패키지 포함:

1 x CX-20 자동 패스 RC 쿼드 콥터 (2시간 충전 / 15분 flying)

1 x 송신기 (2.4G ISM / 4 x AA / 300m)

1 x 충전기 (Switching Power Supply / Balance Charger)

1 x 배터리 (LiPo / 11.1V(3S) 2700MAH 25C)

1 x CD, 메뉴얼, 공구

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.

Cheerson CX-20 Auto-Pathfinder는 'Quanum NOVA'라고도 불리우며 비행제어기(flight controller)로서 APM v2.5.2가 사용되며 firmware는 ArduCopter v3.1.2입니다. APM v2.5.2는 외장 지자기(magnetometer) 센서을 사용하며 메인 마이크로컨트롤러는 ATmega2560입니다.

다음은 Cheerson CX-20 Auto-Pathfinder의 내부 구성입니다.

CX-20 Auto-Pathfinder(Quanum NOVA)의 내부 모습

외장 I2C magnetometer와 APM v2.52

Barometric sensor를 보호하기 위해서 폼(foam)을 사용

APM과 프레임 사이에 진동을 차단하기 위해서 폼(foam)을 사용

GPS 

APM은 위의 CPU 보드와 아래의 I/O 보드로 구성

I/O 보드

Brushless 모터와 ESC

CPU 보드(APM v2.5.2)

I/O 보드

Cheerson CX-20 Auto-Pathfinder의 Open Source Version의 구입처:

• Banggood

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

ESC는 Electronic Speed Controller의 약자로 우리말로 '전자변속기'라고 부릅니다. ESC는 밧데리로부터 전기를 전기모터에 공급하는 장치로 멀티콥터(Multicopter)를 비롯한 각종 RC 기체에 회전 동력을 필요로 하는 곳에 사용하여 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻거나, 멀티콥터의 짐벌(gimbal)에 응용하여 기계적 장치를 움직이게 합니다.

과거의 엔진기체에는 전기모터가 필요없지만 근래에는 밧데리 용량과 방전 특성이 크게 개선되어 전기모터를 동력원으로 하는 기체가 대중화되었습니다. 기존의 DC 모터를 사용하는 경우, 기계적 브러쉬(brush)로 회전자에 전기를 급전하기에 기계적 접점이 불가피하여 모터가 회전시 스파크나 소음이 발생하는 등 효율이 좋지 않고 모터의 수명 또한 단축되었습니다.

최근에는 이러한 기계적 접점을 없앤 브러쉬리스(brushless; BLDC) 모터가 등장하여 소음도 현저히 줄어들고, 반영구적이며, 효율이 개선되어 RC 기체의 정숙비행과 체공시간의 증대로 전동기체가 범람하게 되었습니다. 기존의 DC 모터를 구동하기 위해서는 스로틀(throttle)의 위치에 따라 트랜지스터(transistor)와 같은 액티브 스위치(active switch)를 PWM 형태로 개폐하므로 장치가 간단하지만 브러쉬리스 모터를 사용하는 경우 장치가 매우 복잡해지고 단가가 상승하게 됩니다.

BLDC 모터를 구동하는 ESC는 8-bit PIC나 AVR 시리즈 등의 마이컴(Micom)으로 정교하게 제어하는 방법을 채택하고, 상용 ESC의 제조사는 하드웨어를 제작하고 여기에 펌웨어(Firmware)를 적절히 튜닝하여 시판하게 됩니다. 최근에는 멀티콥터가 대중화되면서 이에 걸맞는 성능을 갖춘 예를 들어, 빠른 응답 특성을 가진 ESC를 필요로 하게 되었습니다.

이러한 요구는 전 세계적으로 ESC를 자작(DIY)하려는 매니아나 동호회를 등장시켰습니다. 대다수는 ESC는 동일 클럭에서 속도가 빠르고 내부에 A/D 컨버터나 비교기 등의 고기능을 지원하는 AVR를 사용하는데, 대부분 어셈블러(Assembler) 수준에서 펌웨어를 개발하기 때문에 일반인이 접근하기에는 쉽지 않다는 것입니다.

Wii-ESC는 멀티위(MultiWii) 등의 멀티콥터에 최적화된 ESC 펌웨어를 만들기 위한 오프 소스(open source) 펌웨어 개발 프로젝트로 전 세계적으로 여러 사람이 참여하고 있으며, 어셈블러가 아닌 C 언어 기반이므로 일반 매니아층도 펌웨어의 이해와 수정이 가능하여 자기만의 멀티콥터에 최적화된 펌웨어를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

다음은 Wii-ESC 프로젝트의 링크이며 소개를 간단히 번역한 것입니다.

(번역이 원문과 상이하거나 매끄럽지 못한 부분은 댓글로 남겨 주시면 감사하겠습니다)

http://code.google.com/p/wii-esc/

About

This firmware designed as a replacement for many commercially available ESC designs based on the AVR MCU. It implements scalar sensor less method to drive Brushless Motor by detecting BEMF zero-crossing instants. The goal of this project is to create firmware most suitable to use in multi-rotors, using cheap and commercially available hardware.

이 펌웨어는 AVR MCU에 기반을 둔 많은 상용 ESC를 위한 대체용으로 개발되었습니다. 이것은 역기전력(BEMF)이 '0' 레벨을 지나가는 순간(ZC point)를 감지함으로서 BLDC 모터를 구동하는 sensorless method를 구현하였습니다. 이 프로젝트의 목표는 저렴한 상용 하드웨어를 사용하여 멀티콥터에 가장 적합한 펌웨어를 만드는 것입니다.

* Sensorless method

BLDC 모터는 센서(sensor)의 유무에 따라 크게 두 가지 구분하는데, CD-ROM 모터로 대표되는 센서를 가진 BLDC 모터는 제어기가 간편해질 수는 있으나 모터에 센서가 장착되어 단가가 올라가고, 혹한 환경에서 센서의 정밀도가 떨어지며, 모터 외부로 추가적인 배선이 요구되는 등 고장이 쉽다는 것입니다. 하지만 센서 없는 BLDC 모터는 이를 구동하는 제어기가 복잡해지는 단점은 있지만, MCU의 지속적인 성능 개선으로 얼마든지 이를 극복할 수 있으므로 근래에 보다 선호하게 되었다는 것입니다.

Features:

• Fastest possible power response.

• Up to 4000 steps of resolution.

• Low noise with comparatively high efficiency. (Sigma-delta modulator, instead of fixed frequency PWM)

• Linear power response. (completely no "bump" at 100%)

• Jitter-free input PWM measurement without harware assisted input capture.

• Accepts any PWM update rate.

• Sync recovery.

• Safe stall detection.

• Complimentary PWM support. (AKA: active freewheeling, active rectification)

• Fixed throttle end-points. No need to calibrate. (since version 2.0.9 it is also possible to calibrate end-points using stick programming procedure)

• Automatic oscillator calibration.

• Enhanced PPM filter, preventing accidental motor startup. (when FC is rebooted, for example)

• Configurable. The configuration parameters are stored in EEPROM. The Wii-ESC flash tool has visual parameters editor. No more stick programming.

• Modularity. The high-level implementation is separated from actual hardware with HAL layer.

• Portability. The firmware is written in C++, which means it can be easilly ported to different platform.

APM(Autopilot-Mega) v2.5는 매우 진보된 비행제어기(flight controller)이지만 비싼것이 흠입니다. 그러나 근래에는 APM v2.5에 필적하는 성능의 저렴한 Multiwii 비행제어기가 등장하였습니다. 성능면에서 APM v2.5는 v2.0과 크게 다르지 않으며 단지 몇가지 문제점이 개선되었으며 많은 착탈식 센서들을 설치가능하다는 것입니다. 최근에 APM v2.5를 대체할만한 비행제어기 중에 하나로 많은 매니아들이 Crius AIOP(All in one Pro)를 뽑고 있다고 알려집니다.

이러한 Crius AIOP 보드의 전 세계적인 보급은 Crius AIOP의 하드웨어에 MegaPirates를 탑재하여 APM v2.5 만큼이나 강력함에도 불구하고 가격이 훨씬 저렴하다는 장점 때문일 것입니다. MegaPirates는 우리말로 '메가해적'이라 부르는 국내 사용자들이 계시며, Autopilot 펌웨어로 Arducopter로부터 다양한 보드에 사용하기 위해 포트되었다고 전해집니다.

이러한 MegaPirates은 'position hold' 기능 등이 없었던 기존의 Multiwii 보드에서는 ATMega 328과 같은 메인 프로세서의 EEPROM 사이즈의 제약으로 Crius AIO 보드(ATMega 2560 processor) 이상의 버젼에서 구동가능한 프로그램입니다.

다음의 링크는 MegaPirates 사이트와 공개 코드를 다운로드 받을 수 있는 곳입니다.

(MegaPirateNG(MPNG)는 MegaPirates Next Generaion의 약자입니다) 

• http://www.megapirateng.com/

• http://code.google.com/p/megapirateng/downloads/list

APM v2.5와 Crius AIOP 보드를 간단히 비교하면 다음과 같습니다.

- APM v2.5와 달리 Crius AIOP 보드는 정사각형의 형태로 Multicopter에 부착이 용이합니다.

- Crius AIOP 보드는 설정을 변경하여 Spectrum Satellite을, SBUS의 경우에는 추가적인 어댑터를 사용하여 가능하지만, APM v2.5 보드는 펌웨어 자체의 변경이 필요하다는 것입니다.

- Crius AIOP 보드는 APM v2.5 보다 저렴한 표준 GPS 모듈을 지원합니다.

- Crius AIOP 보드는 펌웨어로 오픈 소스 형태의 Multiwii나 MegaPirateNG(MPNG) 그리고 AeroQuad 등이 가능하지만 APM v2.5의 경우에는 APM 시리즈에만 국한됩니다.

- APM v2.5 보드는 제조사로부터 메뉴얼이 자세히 제공되지만 Crius AIOP 보드는 단지 전 세계의 일부 사용자들에 의해 작성되고 웹상에서 이들을 서로 공유하는 정도입니다.

- APM v2.5와 Crius AIOP 보드 모두는 Mission Planner를 이용하여 파라미터나 비행 계획 등을 설정할 수 있습니다.

다음은 MegaPirateNG(MPNG)의 특징입니다.

- MPNG는 DYP-ME007와 같은 저렴한 Sonar 센서들을 지원합니다.

- MPNG는 RemzibiOSD, MinimOSD, E-OSD(Syberian’s)와 같은 서로 다른 OSD를 지원합니다.

- MPNG는 사용자 층이 없어 OpticalFlow와 Maxbotix sonar를 지원하지 않습니다.

(그 밖의 다른 특성은 ArduCopter와 동일합니다)