Drone's DIYer

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

AVR은 C 언어로 개발하는 경우에도 assembler 못지 않게 최적화된 코드를 생성하기에 다양한 장점이 있습니다. 그 중에서도 avr-gcc라는 컴파일러를 사용하는 것으로 avr-gcc는 전 세계 다양한 사용자(소위 Hacker)들에 의해 개발되어 공유하는 것으로 시행착오를 통하여 결점이 최소화되었다는 것입니다.

AVR을 C 언어로 개발시에는 일반적인 O/S 환경에서가 아닌 AVR 하드웨어에 기반을 두기 때문에 몇 가지 유의사항들이 있습니다.

1) 일반적인 C 언어와는 달리 이진수(binary)를 사용할 수 있으며, Boolean 타입의 변수는 사용할 수 없습니다. 

이진수는 예를 들어 0b0100 식으로 표현하며 Boolean 타입 변수 대신에 int형의 0과 1로 대체하여 사용하면 됩니다.

2) 인터럽트 서비스 루틴은 가능한 한 간결하게 작성합니다.

일반적인 C 언어와는 달리 AVR 하드웨어는 외부 인터럽트나 Timer, USART, ADC 등의 주변장치들로부터의 인터럽트를 처리하기 위한 ISR() 함수로 반환값이 없으며 특별히 호출하지도 않습니다. 이러한 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine, ISR)은 다음과 같은 이유로 최대한 간결하게 작성해야 합니다.

첫째는 인터럽트 함수 내에서는 지역변수가 Register가 아닌 Stack에 저장되므로 처리가 느리기 때문이며, 

둘째는 하나의 인터럽트 처리가 길어지면 이어서 발생하는 다른 인터럽트 처리를 실행하지 못하기 때문입니다.

대부분의 인터럽트는 Timer의 overflow를 처리하기 위한 것으로 만일 인터럽트를 제때에 처리하지 못한다면 AVR 칩이 외부 시스템과 실시간으로 작동하는 경우에는 치명적인 오류가 생길 수 있게 됩니다. 그러므로 인터럽트 발생시 많은 작업을 요구하는 경우에는 인터럽트 루틴에서 Flag를 간단히 설정하여 개시하고 메인 루틴에서 이를 처리하게 해야 합니다.

3) 인터럽트 서비스 루틴 내에서 전역변수들은 volatile로 선언합니다.

컴파일시 최적화를 위해 컴파일러는 나름데로 그 상황에 맞는 상수값으로 처리하도록 하는 경우가 있는데, 이것이 인터럽트 서비스 루틴에서는 의도하지 않은 오류를 초래하기 때문입니다. 그러므로 인터럽트 서비스 루틴에서는 전역변수들은 volatile로 선언하여 컴파일러가 임의로 해석하지 못하게 방지합니다.

ex) volatile char k; 

4) 외부 메모리가 있는 경우가 아니라면 재귀호출(Recursive call)을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 

연속되는 재귀호출은 한정된 메모리에 Stack을 쌓이게 하며 결국에는 Stack overflow를 발생시킬 수 있기 때문입니다.

5) 대용량을 갖는 상수 배열(array)은 const 키워드를 사용하여 프로그램 메모리(Flash Memory)에 저장합니다.

AVR에서 변수는 SRAM에 저장하는데 고기능 AVR을 사용하지 않고 기능을 구현하려면 SRAM의 용량을 아껴야 합니다. 따라서 변하지 않는 대용량 상수들은 코드를 적재하는 Flash Memory에 저장하여 SRAM을 확보하는 것이 바람직합니다.

ex) const uint8_t value[64] = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,

                                  29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,

                                  54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64};

1) 전역변수(Global variable)

SRAM에 저장되어 있다가 이를 사용할 때마다 register로 읽혀지며 사용이 끝나면 다시 SRAM에 저장되므로 처리속도가 늦은 변수로, 특별히 속성을 정하지 않고 변수를 정의하면 SRAM 영역에 저장됩니다. 게다가 Compiler는 이를 변수로 처리하지 않고 그 상황에서 이 변수가 갖는 값에 해당하는 상수로 처리하는 경우가 있는데 이런 상황에서 여러 함수가 이 변수를 공유하여 사용하는데 문제를 야기하고 컴파일 시 최적화 옵션에 따라서도 영향을 받게 됩니다.

특히 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Serve Routine, ISR) 함수와 그 밖의 함수 사이에 공유하는 전역변수의 경우에 흔하게 발생하며 이를 방지하기 위해서는 전역변수에 'volatile'을 선언해 주어야 합니다.

ex) volatile unsigned char zc_count;

2) 지역변수(Local variable)

ATmega8의 경우, 다른 MCU에서처럼 지역변수를 Stack에 저장하는 것이 아닌 32개의 General Purpose Registers(GPFs)로 처리하므로 항상 처리속도가 빠릅니다. 하지만 ISR에 사용되는 변수는 특성상 Stack에 저장합니다.

3) 정적변수(static variable) 

함수가 시작될 때 register로 옮겨지고 함수가 종료될 때 SRAM으로 다시 옮겨져 저장되므로 만일 함수 내에서 여러 번 사용된다면 전역변수보다 정적변수가 처리속도가 증가하게 됩니다.

4) Flash Memory에 데이터의 저장

물론 메모리 용량이 크고 고성능의 MCU를 사용하면 문제가 되지는 않지만 가격대 성능비 등을 고려하여 그렇지 못한 경우, 변수로 사용해야 할 SRAM 용량을 절약할 필요가 있습니다. 만일 SRAM 용량이 부족하게 되면 Stack overflow가 발생하거나 프로그램이 오동작을 할 수 있습니다.

avr-gcc에서 상수 데이터를 프로그램이 적재되는 Flash Memory에 저장하기 위해서는 먼저 상수 데이터를 전역변수처럼 함수의 밖에서 정의하고 이때 상수가 byte 데이터라면 prog_char 또는 prog_uchar로 선언하며 읽을 때문 pgm_read_byte() 또는 pgm_read_word() 함수를 사용합니다.

참고로 비록 상수 데이터를 prog_char 또는 prog_uchar로 정의하더라도 이들이 함수 내에서 정의되면 컴파일 시 SRAM 변수로 처리되므로 주의가 요구되며, 일반적으로 Flash Memory는 SRAM에 비하여 용량이 훨씬 크므로 유용하게 사용할 수 있습니다.

5) EEPROM에 데이터의 저장

AVR에서 EEPROM을 I/O register를 사용하여야 접근할 수 있으므로 avr-gcc 에서는 EEPROM을 eeprom_read_byte() 혹은 eeprom_write_byte() 함수로 각각 읽기, 쓰기가 가능합니다.

AVR(Atmel AVR)은 8bit RISC 단일칩(onechip) 마이크로컨트롤러(Microcontroller) 혹은 마이크로컴퓨터(Microcomputer, Micom)로 일반적으로 마이컴이라고 부릅니다. 1996년에 美 Atmel社가 하버드 아키텍처(Harvard architecture)로 수정하여 개발한 구조로 프로그램을 저장하기 위해 타사 마이컴처럼 ROM, EPROM 또는 EEPROM을 사용하지 않고 단일칩 플래시메모리(Flash memory)를 처음 사용하였다고 전해집니다.

AVR 마이컴은 중앙처리장치(CPU)와 소용량 플래시메모리가 하나의 IC에 집적되어 있으며 프로그램과 데이터 영역의 메모리가 분리된 형태로 특수 명령어로 프로그램을 데이터 영역으로 읽어들일 수 있습니다. 마이컴에 프로그램을 탑재하기 위해서는 ISP(in-system programming) 방식으로 Reset을 추가한 SPI 프로토콜로 업로드가 가능합니다.

http://www.atmel.com/

무엇보다도 AVR은 ISP 기능을 통해 매우 저렴하게 개발환경을 구축할 수 있다는 점과 한 cycle에 한 개의 명령(instruction)을 수행하는 파이프 라인 방식으로 연산 속도가 빠르며, 하버드 아키텍처의 특징으로 C언어에서 우수한 성능을 발휘하며 게다가 우수한 각종 컴파일러(Compiler)와 디버거 툴인 AVR Studio를 무료로 제공한다는 특징을 가집니다. 이밖에도 A/D 변환기, PWM, SPI 등의 고기능을 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

AVR은 위와 같은 특징으로 말미암아 대중화되었으며 근래에는 보다 상위개념의 ARM 프로세서가 출시되어 아이폰이나 최신기기에 탑재되지만, 저렴하여 가격대비 성능면에서 우수하여 여전히 중소 규모의 다양한 기기에 여전히 활용되고 있으며, 드론(Drone)이나 기타 RC에 사용되는 장치에는 다른 마이컴인 PIC 보다 처리 속도가 빠르고, 8051 계열보다 자원이 풍부한다는 장점으로 보다 널리 사용되고 있는 실정입니다.

다음은 AVR의 일반적인 특징을 요약하였습니다.

• ISP(In System Programming) 기능이 있어 AVR을 장치에 부착한 상태에서 내부 메모리에 프로그램이 가능합니다.

• RISC 구조로 동일 클럭(clock)으로 동작 시 PIC보다 4배 빠르고, 8051보다 10배 이상 빠릅니다. 예를 들어 1MHz에 1MIPS의 처리 능력이 있어 20MHz로 동작하는 경우 20MIPS의 처리 능력을 가집니다.

• CPU 설계 단계에서 레지스터/메모리/명령어가 C 언어에 적합하도록 설계되어 C 언어를 사용하면 개발 기간을 단축하고 유지 보수가 편리하다는 것입니다.

• 다양한 AVR 제품군이 있어 저가의 적합한 소자의 선정 및 사용이 가능하고 풍부한 저가의 개발 환경 및 응용 기술 자료가 많다는 것입니다.

• SRAM, 통신포트, A/D 변환기, Watchdog, 타이머, PWM, I/O포트 등의 풍부한 내부 장치를 구비하여 외부에 별도로 주변장치를 부착하지 않아도 된다는 것입니다.