Drone's DIYer

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.

드론(Drone)의 쓰임새가 날로 다각화되고 있습니다. 최근에 국가 재난안전통신망에 '드론' 기지국을 도입한다는 것입니다. 이는 재난 상황 발생 시 부족한 통신 커버리지를 확보하기 위해서 임시로 중계기를 장착한 드론을 띄워 복구되기까지 사용하는 신개념 재난안전통신망 솔루션이라는 것입니다.

이외에도 KT는 평창 알펜시아 스키점프센터에서 재난안전통신망 시범사업 추진방향 발표와 함께 재난 상황에 대비한 '드론 LTE' 등 통신서비스를 선보였는데, 드론 LTE는 초경화된 기지국으로 15kg 무게 일반 기지국 통신장비를 800g까지 줄여 150m 상공에서 기지국 역할을 담당한다는 아이디어입니다. 

기존 기지국을 운영할 수 없거나 통신이 불가능한 지역에 사용되어 5대 드론을 편대로 운용하면 여의도 규모 지역 커버리지가 가능하다는 것인데, 이에 KT는 2018년까지 최장 비행시간 40분, 운영반경 20km, 탑재 중량 5kg 고성능 드론을 상용화할거라는 것입니다.

전 세계 드론 시장은 2020년에 20조원 규모로 성장할 것으로 예측되는데, 현재의 주요 관건은 비행거리와 체공시간이라는 것입니다. 밧데리 기술의 개발로 적은 무게의 밧데리가 순간적으로 많은 전류를 공급할 수 있어 엔진기에서 전동모터를 동력으로 하는 드론의 출현은 엄청난 변화였지만, 짧은 비행거리와 20여분 밖에 되지 않는 체공시간은 여전히 아킬레스건이라는 것입니다.

한편 KT의 드론 LTE에 국내 처음으로 재난 통신망에 의한 원격 제어 시험을 성공적으로 마친 한 국내 기업이 자동항법 기능을 갖춘 100만원대 상업용 드론 개발에 성공하였다고 알려집니다. 이는 가격 경쟁력을 무기로 개인 취미용 소형 드론 시장을 석권하고 있는 중국을 따라잡을 수 있는 혁신적인 제품으로 평가받고 있다는 것입니다.

이는 전파항법 전문기업으로 알려진 두시텍(DusiTech)이라는 기업으로 신개념 상업용 드론인 '케이엔드론(KnDrone)'을 개발하였고 곧 본격 양산한다고 밝히고 있습니다. 이 케이엔드론은 스스로 목적지까지 찾아가 임무를 수행할 수 있는 자동항법 기능을 내장하여 수동 조종기 필요 없이 중앙통제시스템이 원격 비행명령으로 임무를 수행할 수 있도록 해준다는 것입니다.

현재 3D 지형정보 등 정밀 좌표 촬영 임무를 수행하거나 무인수송 등 자동이착륙이 가능한 무인 비행기는 모두 자동항법 기능을 갖춰야 하며, 전 세계적으로 자동항법 기능을 갖춘 드론은 대당 가격이 수천만원을 호가하여 민간에서 상업용으로 활용하기에는 가격이 너무 비싸 일부 군수용으로만 활용되어 왔다고 전해집니다.

실제로 민간에서 사용되는 드론은 사람이 수동조작기로 드론이 해당 목적지에 도착할 때까지 일일이 수동으로 조작하는 방식으로 대당 가격은 자동항법 기능을 갖춘 고가 제품보다 적지만 수백만원으로 가격 경쟁력이 뛰어나다는 중국산 드론도 300만원대에 판매되고 있는 실정이라는 것입니다.

이에 케이엔드론은 자동항법 기능을 갖추고 중국산 드론과 견줘도 가격은 1/3 수준으로 가격 경쟁력까지 모두 잡은 혁신적인 제품으로, 제조사인 두시텍은 드론 핵심기술인 위성항법, 관성항법 원천기술을 보유하고 있으며, 그동안 항공, 우주, 해양, 철도 등 공공서비스 및 국방시장에서 다양한 프로젝트 수행 경험과 풍부한 노하우로 기술력을 인정받았다는 것입니다.

게다가 드론 생산에 필수적인 센서 품질을 고가 센서 수준으로 필터링할 수 있는 기술도 두시텍만의 경쟁력으로 꼽을 수 있는데, 필터 기술은 전파를 노이즈 없이 깨끗하게 찾아내는 기술로, 신호 품질을 좌우한다는 것입니다. 뿐만아니라 위성항법장치(GPS), 자이로, 지자기센서, 온도센서, 고도센서 등 핵심 센서 7~8개를 융합할 수 있는 기술력도 갖추고 있는데, 이들 센서 간 융합은 드론의 안정적 비행에 없어서는 안 될 핵심 기술이라 알려집니다.