Drone's DIYer

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.

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.