Drone's DIYer

다음의 Benjamin Vedder의 VESC에 기반을 두지만 보다 개선하였다는 BitWizard ESC(BESC)의 소개입니다.

http://bitwizard.nl/shop/ESC/BitWizard-ESC

The BitWizard ESC is a VESC compatible Brushless DC motor controller. It is based on the VESC by Benjamin Vedder, but has a few interesting differences!

BitWizard ESC는 VESC 호환 Brushless DC 모터 제어기입니다. 이는 Benjamin Vedder의 VESC에 기반을 두었지만 몇 가지 흥미있는 차이점을 갖고 있습니다.

Instead of the single integrated DRV8302 chip, the BESC uses separate gate drivers, opamps and a stepdown converter. This provides slightly better gate drive, as well as a possible upgrade path to larger voltages later on. 

한 개의 집적화된 DRV8302 칩 대신에, BESC는 개별의 게이트 드라이버와 opamp, stepdown 컨버터를 사용합니다. 이는 보다 우수한 게이트 구동 능력을 제공하며, 나중에 더 높은 전압으로의 업데이트 가능성을 제공합니다.

LCD I2C/SPI Interface, with 20x4 LCD

The current design has an SPI connector allowing connection of a "console display". This feature is working right now. Another option for expansion through that connector is an SD card to allow logging your session. This may help in debugging problems with the performance.

현재의 설계는 "console display"의 연결을 위한 SPI 커넥터를 갖습니다. 이 특성은 지금 동작 가능하며 이 커넥터를 통한 또 다른 확장 옵션은 여러분의 session을 기록하게 하는 SD 카드입니다. 이는 성능과 문제점을 디버깅 하는데 도움을 줄 수 있습니다.

BitWizard ESC

Just like VESC, the BESC has(VESC와 같은 점):

• 60V theoretical MAX. In practise, some margin is required. Running on 14S LIPO is not recommended. 13S is tested works fine.

• 50A continuous motor current. There is a temperature sensor on the power board that instructs the CPU to reduce the current if things heat up too much.

• CAN bus connectivity. (currently untested).

• Uart connectivity.

• USB connectivity.

• A connector with "servo pinout" for PWM input, PWM output.

• Analog input for analog throttles.

Unlike the VESC the BESC has(VESC와 다른 점):

• A boot button. This allows you to use DFU(dfuse) to reflash your BESC no matter how messed up the firmware has become. No need for an STLINK debugger.

Boot 버튼. 이는 펌웨어가 아무리 뒤죽박죽 될지라도 여러분이 여러분의 BESC를 재기록하기 위해서 DFU(dfuse)를 사용하는 것이 가능하게 합니다. STLINK 디버거에 대한 필요가 없습니다.

• Separate gate drivers for the FETs.

FET들의 별도의 게이트 드라이버.

• All unused IOs of the CPU broken out to a testpad.

모든 사용되지 않는 CPU의 IO 핀들은 tespad로 마련되어 있습니다.

• A separate power board with all the FETs on one side. This allows you to cool the FETs with a heatsink against the PCB. (note: it is of no use to cool the plastic package of the FET. Cooling the PCB is what works.)

한 면에 모든 FET를 실장하는 분리된 power board. 이는 여러분이 heatsink로 FET를 식히는 것이 가능하게 합니다(note: FET의 플라스틱 패키지를 식히는 것이 필요 없다면, PCB를 식히는 것이 동작하는 것입니다).

Separate power board

• A stepdown from the motor voltage to 12V. This 12V is used for the gate drivers.

모터 전압을 12V로 stepdown. 이 12V는 게이트 드라이버를 위해서 사용됩니다.

• A stepdown from the 12V intermediate voltage to 5V. This 5V is used as the source for the 3.3V LDO for the CPU, but also provided on serveral connectors as a convenience to power for example a hall-sensor-throttle. On the VESC, they say you can use 1A, on the BESC the limit is slightly lower.

12V 중간 전압을 5V로 stepdown. 이 5V는 CPU의 3.3V LDO를 위한 소스이지만 예를 들어 홀센서 스로틀의 전력공급을 위한 편의를 위해서 몇 개의 커넥터를 제공됩니다. VESC 상에 그들은 여러분이 1A를 사용할 수 있다고 말하지만, BESC에서 한계는 약간 낮습니다.

During development we've had a lot of convenience of the separate power board. This allowed us to test with other FETs and stuff like that. When all is said and done, the IRFS7530 is a quite good fit. I could allow you to buy a version with cheaper FETs, but compared to the cost of the control module it doesn't make much sense to provide cheaper(smaller mosfet) power boards. But if you're interested anyway, get in touch.

개발하는 동안에 우리는 별개의 power board가 많이 편리하였습니다. 이는 우리가 다른 FET와 그와 같은 것과 테스트하는 것이 가능하였습니다. 모든 것을 종합적으로 고려해 보아 IRFS7530가 매우 적합하였습니다. 저는 여러분이 저렴한 FET 버전을 구매하도록 하였을 수 있습니다. 그러나 제어 모듈의 비용과 비교하여 이는 저렴한(작은 mosfet) power board를 제공하는 것이 큰 의미가 있지는 않습니다. 하지만 여러분이 어쨌든 관심있다면 연락주세요.

Software Installation and Configuration Tutorial

This a brief tutorial on how to get everything running using a fresh install of Ubuntu 14.04. Here is a video where I do everything live to demonstrate that it isn’t that difficult. Please read all the instructions carefully to avoid most problems.

이는 Ubuntu 14.04를 설치하여 모든 것이 어떻게 가능하게 하는지에 대한 주요 설명서입니다. 여기 비디오는 이것이 그렇게 어렵지 않다는 것을 보여주는 영상입니다. 대부분의 문제들을 피하기 위하여 모든 설명을 주의깊게 읽어보시기 바랍니다.

So let’s open up a terminal and get started...

PREPARATIONS

Install a toolchain to compile the firmware (for more details, have a look at this page):

펌웨어를 컴파일하기 위해서 toolchain을 설치합니다(자세한 정보는 여기를 참조하기 바랍니다):

sudo apt-get remove binutils-arm-none-eabi gcc-arm-none-eabi

sudo add-apt-repository ppa:terry.guo/gcc-arm-embedded

sudo apt-get update

sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi=4.9.3.2015q3-1trusty1

Install other dependencies

다른 dependency들도 설치합니다.

sudo apt-get install build-essential qt-sdk openocd git libudev-dev libqt5serialport5-dev

Add yourself to the dialout group to access the USB port of the ESC without being root:

root가 되지 않아도 ESC의 USB 포트에 접근하기 위해서 여러분을 dialout에 추가합니다.

sudo adduser $USER dialout

Uninstall modemmanager (unless you use it) to avoid a delay every time the ESC is plugged in to the USB port:

ESC가 USB 포트에 연결될때마다 delay를 피하기 위해서 (여러분이 이를 사용하지 않는 한) 모뎀매니저를 제거합니다:

sudo apt-get remove modemmanager

Add udev rules to access the programmer without being root:

root가 되지 않아도 프로그래머에 접근하기 위해서 udev rule를 추가합니다:

wget vedder.se/Temp/49-stlinkv2.rules

sudo mv 49-stlinkv2.rules /etc/udev/rules.d/

sudo reload udev

Log out and log back in. You should now be ready to compile the firmware, upload the firmware, compile BLDC Tool and run BLDC tool.

로그아웃 후 다시 로그인합니다. 여러분은 이제 펌웨어를 컴파일하고 펌웨어를 업로드하고, BLDC 툴을 컴파일하고 BLDC 툴을 실행시킬 수 있습니다.

DOWNLOAD, COMPILE AND UPLOAD THE FIRMWARE

First, connect a programmer as described in this post. Then, download the latest firmware from github, compile and upload it:

우선, 이 글에서 묘사된 것처럼 프로그래머를 연결합니다. 그리고 나서 github으로부터 가장 최근 펌웨어를 다운로드, 컴파일하고 업로드합니다:

mkdir BLDC

cd BLDC

git clone https://github.com/vedderb/bldc.git bldc-firmware

cd bldc-firmware

make upload

cd ..

Note: before running the make upload command, you should open conf_general.h and select which hardware version you are using. It is printed on the PCB. Also, 2015-01-22 I changed the voltage divider resistors to allow up to 60V to be measured by the ADC, so in that case you also have to override VIN_R1 to 39000.0 in conf_general.h.

Note: 'make upload' 명령을 실행시키기 전에 여러분은 conf_general.h을 열고 여러분이 사용하는 하드웨어 버젼을 선택해야 합니다. 이는 PCB 상에 쓰여있습니다. 또한 2015.1.22에 저는 ADC에서 60V까지 측정되기 위해서 voltage divider 저항들을 변경하였습니다. 그래서 이 경우에 conf_general.h에 VIN_R1을 39000.0로 덥어써야 합니다.

DOWNLOAD, COMPILE AND UPLOAD THE BOOTLOADER

Again, connect a programmer as described in this post. Then, download the latest bootloader from github, compile and upload it:

다시 이 글에서 묘사된 것처럼 프로그래머를 연결합니다. 그리고 나서 github으로부터 가장 최근 부트로더를 다운로드, 컴파일하고 업로드합니다:

mkdir BLDC

cd BLDC

git clone https://github.com/vedderb/bldc-bootloader.git bldc-bootloader

cd bldc-bootloader

make upload

cd ..

With the bootloader, BLDC Tool can be used to upgrade the firmware later.

부트로더를 이용하면 BLDC 툴로 펌웨어를 나중에 업그레이드 할 수 있습니다.

DOWNLOAD, COMPILE AND START BLDC TOOL

From the BLDC directory that you created in the previous step, type:

이전 단계에서 생성된 BLDC 폴더로부터 다음을 입력하세요:

git clone https://github.com/vedderb/bldc-tool.git bldc-tool

cd bldc-tool

qmake -qt=qt5

make

./BLDC_Tool

You should see the following screen:

여러분은 다음 화면이 보여야 합니다:

Connect the ESC to the USB port of your computer and click “Connect” in BLDC Tool. The lower right corner should now say “Connected”. If you have gotten this far, you should be ready to connect a motor and configure the ESC from BLDC Tool.

여러분 컴퓨터의 USB 포트에 ESC를 연결하고 BLDC 툴에 "Connect"를 클릭합니다. 우측하단 코너에 지금 "Connected"가 보여야 합니다. 만일 여러분이 여기에 도달했다면 여러분은 모터를 연결하고 BLDC 툴로부터 ESC를 셋팅할 준비가 된 것입니다.

Note: If you have more than one usb-modem device in your computer (laptops often have built-in 3g modems), then you have to change ttyACM0 to the port of the ESC. To figure out which ttyACMx port the ESC got, open a terminal and type the following command right after plugging the USB cable in:

Note: 만일 여러분의 컴퓨터에 1개 이상의 USB 모뎀 장치를 갖고 있다면 (랩톱은 종종 빌트인 3g 모뎀을 갖고 있습니다), 여러분은 ESC의 포트를 ttyACM0로 변경해야 합니다. 어떤 ttyACMx 포트가 ESC와 연결되었는지를 찾기 위해서 USB 케이블을 꼽은 후에 터미널을 열고 다음의 명령어를 입력합니다.

dmesg | tail

BLDC Tool can also be started by going to the bldc-tool directory with a file browser and double-clicking on “BLDC_Tool”.

BLDC 툴은 브라우저로 bldc-tool 디렉토리로 이동하여 "BLDC_Tool"를 더블 클릭하는 것으로 시작할 수 있습니다.

UPDATING TO THE LATEST FIRMWARE

Updating to the latest firmware and the latest version of BLDC Tool is rather simple. From the bldc-firmware directory, type the following commands while the programming cable is connected to the ESC:

가장 최근 펌웨어와 BLDC 툴의 가장 최근 버전을 업데이트하는 것은 오히려 쉽습니다. bldc-firmware 디렉토리에서 프로그래밍 케이블이 ESC에 연결된 동안 다음의 명령어를 입력하세요:

git pull

make upload

Note: Updating the firmware will delete the configuration of the ESC. To save it from BLDC Tool, use the “Read configuration” button and then “Save XML”. After updating the firmware, you can restore it with “Load XML” and “Write configuration”.

Note: 펌웨어를 업데이트하는 것은 ESC의 설정을 삭제할 것입니다. 이를 BLDC 툴로부터 저장하기 위해서 "Read configuration"과 "Save XML" 버튼을 이용하세요. 펌웨어를 업데이트한 후에 여러분은 이를 "Load XML"과 "Write configuration"으로 다시 설정할 수 있습니다.

Also updating BLDC Tool is important and recommended at the same time as updating the firmware. In order to do that, go to the bldc-tool directory and type:

또한 BLDC 툴을 업데이트하는 것이 중요하며 펌웨어를 업데이트하는 같은 시점으로 추천합니다. 이를 위해서 bldc-tool 디렉토리로 이동하여 다음을 입력합니다:

git pull

qmake

make

Now you have the latest version of the firmware and BLDC Tool. Remember to reconfigure the ESC after these changes.

이제 여러분은 가장 최신의 펌웨어와 BLDC 툴을 소유하였습니다. 이들 변경 후에 ESC를 재설정해야 함을 기억하세요.

Hardware

The PCB is designed using KiCad. Have a look at the links under the Resources heading at the top of this page to find all files. Currently I have no assembled PCBs or kits to sell, but you can order bare PCBs from hackvana with these gerber files. Since hackvana got so many orders for my ESC, Mitch wrote a wiki page about how to order VESC boards from him. That makes it super easy to order the PCBs from him.

PCB는 KiCad를 이용해서 설계되었습니다. 모든 파일들을 보기 위해서 이전 글의 'Resources' 링크를 참조하시기 바랍니다. 현재 저는 조립되지 않은 PCB나 판매를 위한 키트를 갖고 있지 않습니다. 이 gerber 파일들을 이용해서 hackvana로부터 주문할 수 있습니다. hackana는 저의 ESC에 대한 매우 많은 주문을 받고 있기 때문에 Mitch는 그로부터 VESC 보드를 어떻게 주문하는지에 대하여 wiki page를 작성하였습니다. 이는 그로부터 PCB를 주문하는 것을 매우 쉽게 합니다.

The components in the BOM can be ordered from mouser.com. Mouser numbers are included in the BOM as well. Make sure to order a bit extra of small capacitors and resistors in case you drop some of them and since the price doesn’t change much at all. Last I ordered, ordering 10 MOSFETs was cheaper than ordering 6 because there is a price break at 10, so have a look at the price breaks as well.

BOM에서 부품들은 mouser.com로부터 주문할 수 있습니다. 게다가 Mouser 번호들은 BOM에 포함되어 있습니다. 경우에 따라서 여분의 작은 커패시터나 저항들을 주문하세요. 이는 여러분이 일부 부품을 잃어버릴 수도 있고 가격이 크게 변하지 않지 때문입니다. 제가 마지막으로 주문했을때 10개의 MOSFET을 주문하는 것이 6개를 주문하는 것보다 저렴하였습니다. 왜냐면 10개에서 가격 할인이 있기 때문입니다.

For assembling the PCBs, the following pictures are useful (the latest versions can be found on github):

PCB의 조립을 위해서 다음의 그림이 유용합니다(최근 버젼은 github에서 찾을 수 있습니다):

Remember to put an electrolytic capacitor close to the ESC on the supply cable. How large it has to be depends on the length and inductance of the battery cables, but I usually use a 2200uF 63V capacitor.

전해 커패시터는 전원 케이블 상의 ESC에 가깝게 위치해야 함을 기억하세요. 이는 밧데리 케이블의 길이와 인덕턴스에 크게 의존합니다. 그러나 저는 보통 2200uF 63V 커패시터를 사용합니다.

SOLDERING TIPS

This is the best tutorial I have seen so far. It really is as easy as it looks when done right.

• Flux is essential. Without flux, it won’t work. I use a flux pen.

• Lead-free solder is no good. It has more poisonous flux, requires more heat, gives lower quality and is difficult to handle. Don’t use lead-free solder.

• Use a flat, screwdriver-shaped tip. Don’t use a cone tip, because putting solder on the top of it is almost impossible.

• If you get bridges between smd pins, removing them is easy with a soldering wick.

• Make sure to get the alignment right for the microcontroller when soldering the first corner. If you solder multiple corners and the chip is misaligned, you have to use hot air and remove it, then clean the pads and start over.

Here is a video on the technique I use to solder the pad under the DRV8302:

I just put solder on the pad and use a hot air soldering station. Again, using leaded solder makes it easier. When soldering the DRV8302, I first solder the pad using hot air and then I solder the pins with a soldering iron. Notice that the pad under the DRV8302 must be connected for it to work, since it is the ground connection.

패드 위에 solder을 놓고 hot air soldering station를 사용합니다. 납이 함유된 solder가 더 쉽습니다. DRV8302를 납땜할 때 저는 우선 hot air를 사용하여 패드를 땜질하고 나서 인두기로 핀들을 땜질합니다. DRV8302 밑에 패드는 작업하는 동안 연결되어야만 합니다. 이는 접지이기 때문입니다.

VESC Hardware by Benjamin Vedder is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

The is the ESC mounted on my electric longboard:

Sensorless startup and low-speed performance:

A short tutorial/demonstration on how to upload the firmware and get your motor running:

My electric longboard:

Video overlay logging (see a post about that here):

출처 : By Benjamin Vedder

http://vedder.se/2015/01/vesc-open-source-esc/

http://vesc-project.com/

https://github.com/vedderb/bldc(bldc 펌웨어 설계) : 모든 하드웨어 버젼에 사용

https://github.com/vedderb/bldc-hardware(bldc 하드웨어 설계) : v4.12까지

http://vesc-project.com/node/311(bldc 하드웨어 설계) : v6.4부터

https://github.com/vedderb/bldc-tool(bldc-tool 설계) : v2.18까지

https://github.com/vedderb/vesc_tool(vesc-tool 설계, bldc-tool의 새로운 버젼)

https://github.com/vedderb/bldc-logger(bldc-logger 설계)

https://github.com/vedderb(기타 프로젝터 설계)

VESC – Open Source ESC

Posted on January 7, 2015 and Post updated 2016-01-22

About this project

I have made many updates to my custom motor controller recently and the old post is getting confusing with notes and updates, I decided to write a new post about it that hopefully is more clear, more complete and easier to follow. This might sound a bit ambitions, but my goal is to make the best ESC available. I really enjoy sharing knowledge, so I want to keep all the hardware and software open.

저는 최근에 제 모터 제어기에 많은 개선을 해왔습니다 그리고 이전에 게시된 내용은 설명과 업데이트에서 혼선을 일의키고 있고, 저는 좀더 분명하고 좀더 완전하며 좀더 이해하기 쉽게 하기 위해서 새로운 게시글을 작성하기로 하였습니다. 이는 약간 애매할 수도 있지만 저의 분명한 목표는 가장 좋은 ESC를 만드는 것입니다. 저는 사실 지식을 공유하는 것을 즐깁니다. 따라서 저는 모든 하드웨어와 소프트웨어를 공개하기를 원합니다.

This is an overview of the schematic (download a complete PDF here):

This is the front of the PCB:

The back:

3D render from KiCad:

Some screenshots of the configuration GUI (BLDC Tool):

Resources

All files are on github to keep them up to date, so check these links on a regular basis:

• Hardware design

• Bill of materials

• Firmware

• Configuration GUI

• Video logger

• osx and windows builds of BLDC Tool, Video logger etc. by Jacob Bloy

Related posts

• Old post motor controller (just for reference)

• Video overlay logging

• Electric skateboard motor tutorial (KV, cells, etc.)

• Startup torque

• Hardware debugging

• Making a programmer

• Writing custom applications

• UART Communication

Forums

Because information about the VESC is scattered all over the internet and a lot of information is in email conversations with me, I have created a forum dedicated to the VESC here.

VESC에 대한 정보는 인터넷 상에서 퍼져있기 때문에 많은 정보는 저와 이메일로 대화합니다. 저는 여기에 VESC에 대한 포럼을 만들었습니다.

Live Chat

I have created an IRC channel on freenode where you can live chat with me and other users about VESC and my other projects. Feel free to join: http://webchat.freenode.net/?channels=vedder

Features

• 하드웨어와 소프트웨어는 오픈소스입니다. 다양한 CPU 리소스가 남았기 때문에 사용자 최적화는 무한합니다.

• STM32F4 microcontroller.

• DRV8302 MOSFET driver / buck converter / current shunt amplifier.

• IRFS7530 MOEFETs (other FETs in the same package also fit).

• DRV8302에 집적화된 buck converter로부터 외부 전자장치를 위한 5V 1A 출력.

• Voltage: 8V – 60V (Safe for 3S to 12S LiPo).

• Current: 수 초동안 250A까지 혹은 온도와 PCB 주변에 공기 순환에 의존하여 연속적인 약 50A.

• Sensored and sensorless FOC wich auto-detection of all motor parameters is implemented since FW 2.3.

• Firmware based on ChibiOS/RT.

• PCB size: slightly less than 40mm x 60mm.

• Current and voltage measurement on all phases.

• Regenerative braking.

• DC motors are also supported.

• Sensored or sensorless operation.

• A GUI with lots of configuration parameters.

• Adaptive PWM frequency to get as good ADC measurements as possible.

• RPM-based phase advance (or timing/field weakening).

• Good start-up torque in the sensorless mode (and obviously in the sensored mode as well).

• The motor is used as a tachometer, which is good for odometry on modified RC cars.

• Duty-cycle control(voltage control), speed control or current control.

• Seamless 4-quadrant operation.

• Interface to control the motor: PPM signal (RC servo), analog, UART, I2C, USB  or CAN-bus.

• Wireless wii nunchuk (Nyko Kama) control through the I2C port. This is convenient for electric skateboards.

• Consumed and regenerated amp-hour and watt-hour counting.

• Optional PPM signal output. Useful when e.g. controlling an RC car from a raspberry pi or an android device.

• USB포트는 모뎀 프로파일을 사용합니다. 그래서 안드로이드 디바이스는 루팅 없이 모터 제어기에 연결할 수 있습니다. 서보 출력, 주행거리계(odometry) 그리고 여분의 ADC 입력(센서를 위하여 사용될 수 있슴) 때문에 이것은 안드로이드( 혹은 raspberry pi)로 제어되는 RC 카를 개조하기에 완벽합니다.

• Adjustable protection against

• Low input voltage

• High input voltage

• High motor current

• High input current

• High regenerative braking current (separate limits for the motor and the input)

• Rapid duty cycle changes (ramping)

• High RPM (separate limits for each direction).

• 전류 한계에 도달했을 때 모터가 동작을 유지하면서 soft back-off 전략이 사용됩니다. 만일 전류가 너무 높다면, 모터는 완전하게 OFF 됩니다.

• RPM limit은 또한 soft back-off 전략을 갖습니다.

• Commutation은 모터 속도가 급격하게 변동할 때 조차도 완벽하게 동작합니다. 이는 이전 속도에 근거하여 지연을 추가하는 것 대신에 zero crossing 후에 자속을 적분한다는 사실 때문입니다. 

• 제어기가 커진 동안에 모터가 회전할 때 commutation과 회전방향은 추적됩니다. 같은 속도를 얻기 위해서 듀티 싸이클이 또한 계산됩니다. 이는 모터가 이미 회전중일 때 부드러운 출발을 얻게 합니다. 

• 모든 하드웨어는 센서 없는 자속 기준 제어(field-oriented control; FOC)를 위해서 준비되었습니다. 소프트웨어를 작성하는 것이 남아있습니다. 그러나 저는 FOC가 조금 정숙하게 동작한다는 것 외에 저 인덕턱스 고속 모터에 대하여 많은 이득을 갖는 것인지 아닌지 확신하지 못합니다. 센서 그리고 센서 없는 FOC는 FW 2.3 이후에 완전하게 구현되었습니다.

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.

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

근래에 드론(Drone)이 레저 스포츠로 각광을 받으며 국내에서도 동호회가 봇물처럼 생겨나고 있습니다. 이런 이유로 야외나 주변 공원에서 드론을 날리를 모습을 심심치 않게 보게 됩니다. 특별히 드론으로 레이싱 경기를 하지 않는 이상 일반인도 구매에서부터 쉽게 비행할 수 있기 때문입니다.

예를 들어, 헬기를 비행하는 기존의 RC에서는 기체가 순간적으로 기울어지면 반대방향으로 싸이클릭을 주어 기체를 인위적으로 안정시키는데, 이는 거의 무의식적으로 이루어져야 추락을 면할 수 있으므로 비행을 즐기기 위해서는 마치 자전거를 배우는 것처럼(사실 이보다는 어렵습니다!)상당한 기간의 비행기술 습득 및 반복 연습이 요구되었습니다.

하지만 요즈음 드론은 기체의 수평을 잡아주는 장치나 각종 센서의 발달로 기체가 기울어지면 스스로 안정화시키고, 고도를 스스로 유지한다던가 아니면 비행지점을 설정해 놓으면 스스로 비행하는 자율 비행 기술이 발달함에 따라, 조종자는 이동하고자 하는 방향으로 조종간을 주기만 하면 되기 때문에 일반인도 쉽게 비행 가능하며, 전용 조종기 대신 스마트폰으로도 간단히 조종 가능하다는 것입니다.

뿐만아니라 드론의 대중화는 드론에 필요한 장치를 개발하고 판매하는 업체가 다양화되면서 장치들의 일정한 표준화가 이루어져, 완전히 조립된 기체에 싫증이 난 매니아층이나 성능 개선, 비용을 줄이기 위해서 드론 자작을 시도하는 사람들도 증가하는 추세라는 것입니다. 이러한 DIY(Do It Yourself)를 지향하는 사람들은 비행만큼이나 드론의 조립에도 특별한 경험과 즐거움을 갖게 된다는 것입니다.

하지만 드론을 자작하기 위해서는 드론에 대해서 어느 정도 지식이 요구되며 이로 인해서 어린이용 장난감과도 구분이 된다는 것입니다. 드론 부품은 국내외 온라인 사이트나 오프라인 매장에서 쉽게 구할 수 있는데, 어떤 분은 3D 프린터를 이용해서 기체의 프레임을 직접 자작하기도 합니다. 기체의 프레임이란 기체에서 비행제어기나 추진용 모터, 수신기, 각종 센서들을 제외한 이를 탑재하는 기구적인 기체를 의미합니다.

드론은 날개 수에 따라 쿼드콥터나 옥토콥터 등으로 구분되는데, 날개를 축 혹은 암(Arm)이라고 합니다. 날개가 4개이면 쿼드콥터이고 8개이면 옥토콥터가 되며 날개 수가 많을 수록 기체는 안정화되고 양력이 커서 무거운 짐을 더 많이 매달고 비행할 수 있습니다. 하지만 날개 끝에 프로펠러(줄여서 프롭(prop.))를 회전시키는 모터도 같이 증가하므로 밧데리 소모량이 많고 이는 체공시간의 감소를 가져와 고용량 밧데리의 사용으로 비용이 증가한다는 것입니다. 프롭을 회전하는 것이라는 하여 '로터(rotor)'라고도 부릅니다.

트라이콥터(Tricopter)

그러므로 초보자는 4개의 날개를 가진 쿼드콥터를 선택하는 것이 바람직하며, 드론을 전후좌우로 움직이기는 방향타를 주고 스로틀을 조절할 수 있는 저렴한 4채널의 조종기면 충분하다는 것입니다. 드론에 카메라를 장착하여 기구적으로 비행 중에 움직이길 원한다면 데이터를 주고받을 추가적인 채널이 필요하게 되는데, 채널의 증가는 곧 조종기의 비용으로 이어진다는 것입니다. 여기서 스로틀(throttle)이란 드론이 지상에서 양력을 얻어 이륙하고 착륙할 수 있도록 수직방향의 '엑셀레이터'와 같은 것입니다.

통상 초보자가 입문단계에서 기체의 비용은 20만원 전후도 있으며 4채널 조종기를 포함하여 40~60만원 정도로 구입할 수 있습니다. 기체가 커지거나 장착한 카메라 등의 조종이 필요하다면 비용은 증가하게 됩니다. 보통 초보에게는 250급 쿼드콥터가 추천되는데 250급이란 양 암(축)의 길이로 기체의 수평방향 폭과 같으며 이 길이가 250mm라는 것입니다. 완제품 드론의 구입시 조종기를 제외한 가격을 예시하는 경우도 많아 반드시 알아보고 구입해야 합니다.

드론은 구성은 기체 프레임(frame)과 모터(motor), 변속기(Electronic Speed Controller; ESC), 수신기(Receiver; Rx), 비행제어기(Flight Controller; FC), 밧데리(battery) 등으로 구성되며 드론을 조종할 수 있는 조종기(Transceiver; Tx)가 필요하게 됩니다. 여기서 카메라를 장착한다만 카메라 등의 별도의 장치가 필요하게 되고, 위성 신호를 수신하는 경우에 비행제어기에 포함되지 않고 외장 모듈로서 구입하여 장착하는 경우가 많습니다. 

기체 프레임(frame)은 근래에 유리 섬유(fiberglass sheet; G10)나 탄소 섬유(carbon fiber)의 재질이 대부분인데 특히 후자는 가볍고 잦은 추락에도 강인함이 있기 때문입니다. 모터는 프롭을 회전시켜 추력을 발생시키는 중요한 동력원으로 브러시(brush)가 있는 DC 모터보다는 브러시가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터를 사용하게 됩니다. 이는 브러시로 인하여 기구적인 내구성 문제도 있지만 고효율이라는 장점으로 고효율은 밧데리 수명과도 직결되기 때문입니다.

BLDC 모터는 우수한 특성을 갖지만 이를 제어하기 위해서는 까다로와 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어기를 구성하게 되며, 최근에서 BLDC의 부류이지만 유도 전동기와 개념이 동일한 PMSM 타입의 모터가 사용되는 추세입니다. 이는 BLDC 모터보다 정밀한 제어와 효율이 뛰어나지만 보다 고성능의 마이크로컨트롤러가 요구된다는 단점이 있습니다. 이러한 제어기는 전자적으로 속도를 제어한다고 하여 '전자 변속기'라 부르고 통상 ESC라 합니다. 따라서 쿼드콥터이면 각각 4개의 모터와 프롭 그리고 ESC가 필요하게 됩니다.

수신기와 송신기는 동일한 주파수를 사용하여 데이터를 주고 받는 장치로 기존의 주파수 변조 방식(FM)에서 크게 DSM(Digital Spectrum Modulation)과 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology) 등의 디지털 방식으로 진화하였고, 수 GHz의 주파수 사용으로 대역폭이 늘어나 이제는 송신기에서 일방적으로 데이터를 보내기보다는 기체의 센서로부터 각종 데이터 받아 조종자에게 보여주는 양방향 방식으로 변천하였고, 높은 주파수의 사용은 안테나 길이의 감소를 가져와 송신기의 거추장스러운 긴 안테나의 모습은 이제 사라지게 되었습니다.

또한 밧데리는 근래에 리튬폴리머(Li-Po) 타입을 사용하는데, 최소 1개의 셀이 3.7V로 250급 쿼드콥터에서 3개정도의 셀을 사용하여 11.1V를 만들게 됩니다. 이 3개의 셀을 '3S'라 쉽게 표현하고 3개의 셀을 직렬 연결하여 사용함을 의미합니다. 스마트폰에도 사용하는 리튬폴리머 전지의 특징은 충전용량이 높고 4개의 모터를 강력하게 회전시킬 수 있는 우수한 방전능력을 가지지만 사용시에나 충전시에 조건을 만족시키지 못하면 폭발하는 성질이 있어 전용 충전기가 반드시 필요하게 됩니다. 이는 대부분 별도의 비용이고 대부분의 쿼드콥터에서 비용이 합리적인 선에서 체공시간은 20분 정도로 20분 후면 밧데리가 완전 방전되게 됩니다.

마지막으로 비행제어기는 드론의 두뇌역활을 하는 마이크로컨트롤러가 탑재된 중앙처리장치로 송신기에서 보낸 지령을 수신기로 받아 이를 해석하고, 축의 모터에 연결된 변속기를 제어하는가 하면 고도센서와 같은 각종 센서들의 정보를 이용하여 기체의 안정도를 꾀하고, 필요하다면 조종자에게 알리며 센서를 이용하여 고도를 유지하거나 인공위성 신호를 분석하여 자동비행 모드에서 정해진 절차에 따라 기체의 비행을 스스로 시행하기도 합니다.

드론의 자작은 다양한 전기전자적인 지식을 요구합니다. 어디까지 개인의 취향에 맞게 개선하느냐에 따라 단순한 납땜을 비롯해 메이커만을 변경하는 문제에서 비행제어기나 변속기 내의 펌웨어까지도 수정할 수 있습니다. 후자의 경우 상당한 지식과 노하우가 요구되며 전문가이더라도 상당한 시행착오가 있을 수도 습니다. 드론 비행 자체는 결코 장난감이 아니며 남에게 상해 이상의 피해를 가할 수 있슴을 직시하고 안전에 만전을 기하여야 할 것입니다.

최근에 드론으로 인한 사고와 주변 안전이 우려되어 관련법의 마련이나 개정이 대두되고 있습니다. 또한 서울지역의 약 80%가 드론 비행 제한 구역이기에 드론을 날릴 때에서 각별히 유의해야 할 것입니다. 드론을 직접 자작하여 비행하면 기쁨은 분명 배가 될 수 있습니다. 하지만 때로는 인고의 노력과 유연한 인내심이 요구될 수도 있습니다. 자작에 앞서서 동호회 등에서 주변 지식에 대한 두루 섭력이 반드시 요구될 것입니다.

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

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