Drone's DIYer

국내에서도 드론(Drone)의 공항 근접 비행이 금지되었다고 알려집니다. 서울지방항공청은 세계 최대 드론 제조업체인 중국 DJI社(http://www.dji.com)와 협력해 국내에 판매되는 이 회사의 제품에 공항 반경 2km 이내에서는 조종자가 드론을 조작해도 기체가 작동되지 않도록 비행차단 프로그램을 설치했다는 것입니다.

DJI社는 취미 및 항공촬영용으로 국내에서 가장 인기 있는 팬텀시리즈 드론을 제작하는 업체로 국내 드론 시장 점유율 1위이자 지난해 점유율 약 80%를 차지하는 업체로 기존에 판매된 제품도 운영 프로그램을 업그레이드할 경우 비행차단 프로그램이 설치되도록 했다고 알려집니다.

따라서 드론 비행이 금지되는 공항은 인천국제공항을 비롯하여 전국의 15개 공항 전체로 서울지방항공청 측은 미국의 경우, 항공기와 드론 근접비행 사례가 9개월간 193회 발생했다며 보안구역인 공항지역 내의 드론을 이용한 항공촬영 등을 원천적으로 방지할 수 있게 됨에 따라 국민들이 안전하게 항공교통을 이용할 수 있도록 하는데 크게 기여할 것으로 기대한다는 것입니다.

뿐만아니라 무인비행장치 판매업체, 관련 동호회, 민간단체(한국모형항공협회), 조종자 등에 대한 안전 및 준법교육을 지속적으로 실시할 계획이라며 민관군 합동 안전지도 등을 통해 드론으로 인한 안전사고 예방과 국민들의 사생활 침해를 사전에 방지토록 하는데 최선을 다하겠다고 밝혔습니다. 게다가 서울항공청은 DJI社 외에 기타 제조업체의 드론에도 공항 인근에서는 비행할 수 없도록 해당 제조업체와 비행차단 프로그램 설치를 지속적으로 협의해 나갈 계획이라고 알려집니다.

사실 드론이 국내에서도 대중화에 힘입어 산이나 들에서 비행하는 모습을 솔찮게 볼 수 있습니다. 하지만 상공에서 타인의 사생활을 촬영하거나 혹여 폭발물을 실고 목표지점으로 돌진하는 등의 테러용으로 사용될 수 있는 가능성이 다분하고, 공항 인근에서 비행하여 항공기 대형 사고를 유발시킬 수 있다는 우려가 충분히 있었다는 것입니다.

뿐만아니라 산이나 들판에서도 조종자의 실수 혹은 기체 결함 등으로 인한 드론 추락사고로 인명이나 재산 피해 가 발생시킬 수 있지만 법적 규제가 마땅치 않고, 기체 손상을 담보하는 등의 보험은 있지만 강제적이라 할 수 없고, 카메라를 장착한 드론이 내 건물이나 토지, 시설 등에 비행하는 경우 이를 막을 규제가 적당치 않다는 것입니다.

최근의 드론은 Flight controller(비행제어기)에 GPS 수신 장치가 있어 소프트웨어적으로 비행 금지 구역을 설정할 수 있지만, GPS 수신 장치가 없는 기체나 자작한 비상업용 드론의 경우는 비행 금지 구역 설정이 근본적으로 불가능합니다. 드론은 전 세계적으로 21세기 신성장동력이자 새로운 레저스포츠이고 매니아들에겐 하늘을 날고자 하는 염원을 담은 분신과도 같을 것입니다. 그러니 과도한 규제가 따르기 이전에 안전하면서도 타인의 프라이버시를 침해하지 않는 레저스포츠로 자리매김할 수 있기를 기대합니다.

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

모터(motor)란 전기에너지를 이용하여 회전 토크(torque)를 얻는 장치로, RC에서는 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻기 위해 반드시 필요합니다. 과거에는 DC 모터를 이용하였지만 최근에는 비용을 최소화하기 위한 초소형 기체를 제외하고는 Brushless DC 모터를 채택하게 된다고 알려집니다.

Brushless DC 모터란 Brush가 없는 DC 모터로 이하 BLDC로 약칭합니다. BLDC가 대중화된 이유는 여러가지가 있을 것입니다. 아래는 일반적인 DC 모터의 내부 모습니다. 케이스 안쪽에 영구자석을 부착하고 철심(core)에 코일(coil)을 감은 회전자(rotator)를 서로 베어링을 이용해 고정하고 Brush를 이용하여 DC 전압을 회전자에 급전하면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 회전하게 됩니다.

이때 Brush는 기계적인 기구로 회전자에 의해 접점이 마찰되면서 닳을 수 밖에 구조이며, 회전시 모터의 역기전력(Back Ekectro-motive Force, BEMF)과 합세하여 스파크를 발생시키고 어쿠스틱 소음(acoustic noise)을 만들게 됩니다. 이러한 스파크와 소음은 결국 밧데리의 소모를 부추기게 됩니다.

BLDC 모터를 사용하면 우선 Brush로 인한 스파크와 소음이 없어져 반영구적인 모터의 수명 뿐만아니라 밧데리의 효율을 증가시켜 RC 기체의 체공시간을 길게 만들어 줍니다. 또한 일반 DC 모터의 소음은 콘덴서를 모터의 양 단자에 연결하여 줄일 수는 있지만, MCU 기반에 정교하게 동작하는 비행제어기(Flight controller)나 전자변속기(Electronic Speed Controller, ESC)의 오동작을 초래할 수도 있다는 것입니다.

기존의 RC 기체는 동력원으로 엔진을 사용하였지만 근래에 밧데리 용량과 방전 특성 그리고 안전성이 크게 개선된데다가 BLDC 모터의 채용으로 중소형 기체에서는 엔진에서 모터로 옮겨가는 추세라는 것입니다. 이로 인하여 엔진을 사용시 연료나 그으름으로 누더기 되었던 기체의 관리가 쉬워졌고 소음이 줄어들어 정숙비행이 가능해졌다는 것입니다.

Brush를 사용한 DC 모터와는 달리, BLDC 모터는 철심에 코일이 감긴 고정자(stator)와 안쪽에 자석이 부착된 케이스로 구성되어 케이스가 회전하는 소위 '통돌이 모터'라고도 부릅니다. 하지만 기계적 기구인 Brush가 하던 일을 다른 방식으로 해주어야 하니 전자변속기라는 별도의 제어기가 필요하게 됩니다.

RC용 전자변속기는 대부분 마이크로컨트롤러(MCU)와 H-bridge를 구성하는 트랜지스터들과 그 주변회로 구성되며, 현재 회전자의 위치를 파악하여 다음 위치로 회전시키기 위한 구동 신호를 가하는 방식으로 동작합니다.

일반적으로 산업용으로 사용되는 BLDC 모터는 엔코더(encoder)라는 장치나 홀센서(Hall sensor)가 모터에 부착되어 회전자의 현재 위치를 알려주는데 RC에 사용되는 BLDC 모터는 이러한 장치가 없어 전자변속기를 더욱 복잡하게 만듭니다. 하지만 고성능 MCU의 출현으로 어렵지 않게 구현이 가능해졌는데 이러한 기술 또한 엔진을 전기모터로 대체하는 요인 중에 하나가 될 것입니다.

통상 홀센서를 가지는 BLDC 모터는 전력을 공급받는 3상의 리드선과 별도의 홀센서 리드선이 다수가 필요하여 신뢰성이 중요한 RC 기체에서는 꺼리게 되었지만, 그 보다도 RC 기체가 비행하는 외부조건이 다양한데 홀센서는 이러한 외부조건에 취약하고 [기계적] 엔코더 타입의 모터는 소형화와 경량화가 어렵다는 것입니다.

최근에 멀티콥터를 비행 제어할 수 있는 메인보드(Flight Controller board)를 비교한 자료입니다. 이 자료는 다음의 사이트에 근거합니다.

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

http://oddcopter.com/flight-controllers/?

Flying capabilities

• Gyro Stabilization - the ability to easily keep the copter stable and level under the pilot's control. This is a standard feature of all flight control boards. (조종사의 통제하에 콥터를 안정된 레벨로 쉽게 유지시키는 기술로 모든 비행 제어 보드에 표준 특성입니다)
• Self Leveling(ACC) - the ability to let go of the pitch and roll stick on the transmitter and have the copter stay level. (송신기에서 피치나 롤 스틱을 제어하는 것 없이 콥터가 일정한 레벨을 유지하도록 하는 기술입니다)
• Care Free- The pilot can control the copter as if it is pointing in its original direction as the orientation of the copter changes. (조종사는 콥터의 방향이 변함에 따라서 마치 최초 방향을 기억하는 것처럼 콥터를 제어할 수 있습니다)
• Altitude(Height) Hold - the ability to hover a certain distance from the ground without having to manually adjust the throttle. ( 스로틀을 수작업으로 맞추는 것 없이 지표로부터 일정거리 부양해서 정지비행이 가능하게 하는 기술입니다)
• Position Hold - the ability to hover at a specific location. (특정 위치에서 정지비행이 가능하게 하는 기술입니다)
• Return(Come) Home - the ability to automatically return to the point where the copter initially took off. (콥터가 처음에 이륙한 위치로 자동적으로 되돌아오는 기술입니다)
• Waypoint Navigation - the ability to set specific points on a map that copter will follow as part of a flight plan. (콥터가 경유할 특별한 위치를 지도상에 설정할 수 있는 기술입니다)

Pricing

• Low - less than $100
• Medium - $100-300
• High - $300+.

ArduCopter란 쿼드콥터(quadcopter)나 헥사콥터(hexcopter) 또는 기존의 헬기 등을 제어하기 위한 보드 등의 하드웨어나 펌웨어(firmware) 그리고 조종을 위한 소프트웨어(software)의 개발을 위한 프로젝트 이름으로 일반 상업적인 쿼드콥터 브랜드와는 다릅니다.

그러므로 오픈 소스 UAV 프로젝트이며 보드의 MCU는 AVR을 사용하는데 AVR 펌웨어의 개발 역시 Arduino 개발환경을 사용하므로 오픈 소스이고 마치 리눅스처럼 누구나 다양한 피드백을 줄 수 있으며 참여 또한 가능합니다.

한편 하드웨어로서 APM은 AutoPilot-Mega의 약자로 ArduCopter의 비행제어기(Flight Controller, FC)인데 DJI WKM과 비슷한 성능을 가지면서 멀티위(Multiwii)처럼 오픈 소스(open source) 기반으로 사용자가 직접 펌웨어에 접근할 수 있으며 수정 또한 가능하다는 것입니다. 특히, APM 제어기는 멀티콥터(ArduCopter) 뿐만 아니라 일반 비행기(ArduPlane)나 자동차(ArduRover) 등에 응용하여 사용이 가능하며 일반적으로 ArduFlyer라고 부릅니다.

최근에는 ArduCopter의 'Ardu' 대신에 'APM:'붙여 APM:Copter, APM:Plane 그리고 APM:Rover로 이름을 변경하였습니다.

http://ardupilot.org/

아래의 글은 다음의 원문으로부터 번역을 토대로 필자가 재작성한 것이니 양지바랍니다.

http://code.google.com/p/arducopter/wiki/ArduCopter

ArduCopter는 쿼드콥터나 헥사콥터 등의 Multirotor 헬기나 기존 헬기를 쉽게 설정하고 비행할 수 있도록 기존 수동제어의 개념을 탈피하여 완전한 UAV 솔루션으로 기존 매니아 층의 무선 조종 뿐만아니라 자동 비행 기능을 제공하고 또한 지상에서 강력한 모니터링 기능과 경유지점(waypoint)과 비행 임무 설정이 가능합니다.

ArduCopter는 나르는 로봇으로 견줄만큼 진보된 각종 기술과 첨단 기술 그리고 새로운 비행 스타일을 원하는 매니아들을 위해 개발된 것으로 이 ArduCopter 프로젝트는 DIY Drones community에 의해 개발된 APM 2.x 자동 조종 장치에 기반을 두고 그 프레임과 부품은 jDrones Asia와 3D Robotics에서 공급하며 모든 기능을 갖추었지만 작은 Multicopter와 헬기는 APM 2.x을 이용하여 쉽게 UAV 성능으로 업그레이드 할 수 있다고 합니다.

특징:
- 높은 품질의 자동레벨 및 자동 고도제어 - 온보드 magnetometer를 사용하여 노트북에서 클릭하는 것만으로 쉽게 헬기를 조종하므로 기존의 헬기 조종처럼 헬기의 움직에 고도로 집중할 필요가 없습니다.

- 사용자의 프로그래밍은 필요하지 않으며 한 번의 클릭으로 소프트웨어를 로드하고 빠른 시각적 디스플레이로 ArduCopter를 조종할 수 있습니다.

- 무제한으로 경유지점과 미션 지점을 클릭하여 ArduCopter를 이동할 수 있으며 거리에 제한이 없고 카메라 제어를 포함한 모든 임무를 스크립트 형태로 수행할 수 있습니다.

- GPS와 고도센서를 이용하여 언제든지 헬기의 제자리 비행이 가능합니다.

- 어떤 위치에 홈을 설정하고 ArduCopter가 자동으로 돌아오도록 설정이 가능합니다.

- 양방향 통신으로 비행 중에도 경유점과 모든 제어 변수 등의 변경이 가능합니다.

- 단순한 스위치 조작만으로 자동 이륙 및 착륙이 가능합니다.

GCS(Ground Control Station):

경유지점(Waypoint):

ArduCopter에 장착된 카메라는 pan과 tilt 기능을 제어할 수 있으며 Windows, Mac 및 Linux등 다양한 O/S를 지원합니다.

주의사항:
- 다른 비행기나 단일로터 헬기에 대한 비행 경험이 도움이 되며 이는 ArduCopter가 단순히 RC 장난감이 아니기 때문입니다.

- ArduCopter는 오픈 소스 UAV로 차후에 새로운 기능이 추가될 수 있습니다.

비행 영상:

http://www.youtube.com/watch?v=YvTj6dlQ9fo&feature=player_embedded