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.

과거 전통적인 RC 헬기는 역동적인 비행이나 실기에서 보지 못했던 배면 비행이나 곡예 비행 등으로 매니아를 사로잡았다면 최근의 쿼드콥터(Quadcopter)와 같은 드론은 안정된 기체의 자세 제어을 통해서 매우 정숙한 호버링이나 자동 이착륙 혹은 소위 'mission planner'와 같은 툴로 사용자가 미리 경유지점을 정해놓고 자동 비행하는 waypoint 비행 등으로 더욱 매력을 느끼게 할 것입니다.

전자의 경우 RC 헬기의 테일 움직임을 감지하여 메인 로터에 대한 반동 토크를 상쇄시켜 기체의 회전으로부터 안정성을 꾀하기 위한 최소한의 센서만을 사용하였고, 나머지 비행은 사용자 조종기의 사이클릭 제어에 절대 의지할 수 밖에 없기 때문에 입문자의 접근이 쉽지 않았다는 것입니다.

반면에 후자의 경우에는 갖가지 센서들을 탑재하여 비행 안정성이 확보되었기 때문에 드론이 단순한 취미나 레포츠를 떠나 항공촬영이나 방재, 택배 등의 임무에 적용이 용이하게 되었고, 그 만큼 비행자동화의 덕택으로 쉽게 배울 수 있어 사용자 층이 훨씬 두터워지고 급기야는 드론의 대중화가 현실화 되었다는 것입니다.

이와 같이 드론이 비행 안정화 및 자동화가 가능했던 이유는 우선 각종 첨단 센서들을 탑재한 시너지 효과라는 것입니다.

Accelerometer(가속도계):

직선 가속도를 측정하는 센서로 최근에는 x,y 그리고 z에 대한 3축(공간) 자이로(Gyro; Gyroscope)를 이용한 센서가 주류를 이루게 되었습니다. 과거 RC 헬기가 단방향의 자이로 센서를 채용한 것과 달리, 이는 공간상에서 어느 방향이든 기체의 기울어짐을 감지하여 펌웨어로 하여금 즉시 자세 제어를 가능하게끔 하여 매우 정교한 호버링(정지비행)이 가능하게 되었다는 것입니다.

Barometer(공기압계): 

고도 센서의 용도로서 공기압이 지표면으로터 고도에 따라 감소함을 이용하여 공기압을 측정함으로서 현재 기체의 고도를 역으로 알 수 있게 되었다는 것입니다. 따라서 사용자는 정확이 얼마의 고도에서 기체가 비행할 수 있도록 명령할 수 있고 기체는 이 센서를 통하여 자동으로 고도를 조정할 수 있게 되었다는 것입니다.

Magnetometer(지자기계):

지자기 센서는 '전자 나침판(Electronic compass)'으로 지구의 자기(지자기)를 검출하여 동서남북 방향을 알려주는 센서로, 이를 이용하여 드론은 기체의 방향을 정확히 돌리거나 정해진 방향으로 자동으로 비행이 가능할 수 있게 되었다는 것입니다.

GPS(위치 센서):

익숙한 내용인 Global Positioning System으로 드론은 GPS 센서를 이용하여 인공위성으로부터 자신의 절대 위치를 알 수 있고 따라서 비행 좌표를 설정하거나 혹은 사용자가 시야에 보이지 않아도 안전하게 원래 위치로 되돌아 오는 등의 기능이 가능하게 되었다는 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

Parrot Bebop 드론 제품의 사양입니다.

연결성 : Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac

• Wi-Fi 안테나: 이중 대역 MIMO 안테나와 2.4GHz 및 5GHz용 쌍극 안테나 2 더블셋 (FIG.7)

• 출력파워: 최대 21dBm

• 신호범위: 최고 250m

몸체 : 고강도

• 4 브러시리스 통돌이 모터(FIG.3)

• 유리 섬유 강화(15%) ABS 구조 (FIG.4)

• 고강도 EPP 아웃도어용 선체: 실내 비행과 야외 비행에 맞춰 클립을 죄거나 풀어 쉽게 장착 및 해체 가능, 혹시 일어날 수 있는 충격으로부터 프로펠러를 보호, 기체의 바람 마찰면을 줄이기 위해 제거 가능 (FIG.9)

• 신속 해체 시스템을 갖춘 폴리카보네이트 소재 오토블록 3 날개 프로펠러(FIG.5)

• 진동 방지 범퍼(FIG.10)

속도 : 13m/s

카메라 : CMOS 14Mpx

• 180° 1/2.2 인치 센서 어안렌즈 카메라: 6개 광학소자와 14메가픽셀 센서(FIG.2)

• 동영상 안정화: 3축 디지털

• 동영상 해상도: 1920x1080P (30FPS)

• 사진 해상도: 4096x3072 픽셀

• 동영상 인코딩: H264

• 사진 파일 형식: JPEG, RAW, DNG

• 내장 메모리: 8GB 플래시

배터리 : 리튬 폴리머

• 자율성: 내장 배터리 2개로 22분

• 배터리 유형: 리튬 폴리머 1200mAh

Processor : 듀얼 코어 CPU

• 마더보드: (FIG.1)

- Parrot P7 더블 코어 CPU Cortex 9

- 쿼드 코어 GPU

- 8Gb flash memory

• 8GB 플래시 메모리 전체가 전자기 차폐 및 쿨링 시스템 기능을 수행하는 마그네슘 지지대에 고정되어 있음

• OS: 리눅스

• 개발: 오픈 소스 SDK

Parrot Bebop Drone Mainboard(front)

Parrot Bebop Drone Mainboard(back)

센서 : 3축

• 3축 자력계

• 3축 자이로스코프

• 3축 가속도계 (FIG.6)

• 수직 안정화 카메라 (FIG.8): 1,000분의 16초마다 지상 이미지 촬영 후 직전에 찍은 이미지와 비교해 Bebop 드론의 속도 식별

• 초음파 센서: 고도 분석 최고 8m

• 기압계

지리 위치 정보 : GNSS

• GNSS (GPS + GLONASS) (FIG.6)

크기 : 28 x 32 x 3.6cm

• 선체 미포함 시: 28 x 32 x 3.6cm

• 실내용 선체 포함 시: 33 x 38 x 3.6cm

중량 : 400g

• 배터리 장착 상태에서 보호 덮개 제거 시 400g, 보호덮개 장착 시 420g.

호환성 : 아이폰 OS , Android , Windows Phone 스마트폰/태블릿

제품 구성 : USB, Battery, ...

• Parrot BeBop 드론 1개

• 배터리 2개

• 충전기 1개. 플러그 형식은 US/ JP / UK / EU / ANZ

• 마이크로 USB 케이블 1개

• 8GB 내장 메모리

• 실내용 선체 1개

• 프로펠러 추가분 4개

• 프로펠러 조립 도구 1개

• 빠른 시작 가이드 1개

세계 소형 드론 시장의 80%를 점유하는 중국 DJI사가 저렴한 팬텀 시리즈에 이어 새로운 인스파이어 1(Inspire 1) 기체를 선보였습니다. 크기도 커지고 무게도 기존 팬텀에 비해 2배 이상 증가하였으며 반명에 밧데리는 작아져 체공시간이 줄어들었지만, 교체할 수 있기 때문에 한 팩탕 18여분 남짓 비행시간을 여분의 대용량 밧데리나 추가 밧데리 구입으로 커버할 수 있다는 것입니다.

6축의 자이로스코프와 하나의 가속도계로 작은 기울기의 변화나 움직임까지도 기체를 신속하게 반응시켜 안정화를 꾀하고, 밧데리가 약하거나 리모콘과의 통신이 끊키더라도 사용자가 있는 곳으로 안전하게 돌아갈 수 있는 페일세이프(failsafe)을 가졌으며, 오직 버튼 하나를 누름으로써 이착륙이 가능해졌다는 것입니다.

인스파이어 1은 비행하는 동안 사용 가능한 밧테리 양이 실시간으로 표시되며 이에 얼마나 더 비행이 가능한 지 쉽게 파악할 수 있습니다. 게다가 강화된 알고리즘은 기체와 조종사와의 거리를 계산하고 돌아오는 데 걸리는 시간까지 예측하여 미리 알려주고, 밧테리의 전반적인 수명 및 상태까지 알려준다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 것은 4K 비디오를 촬영할 수 있고 Sony CMOS 센서의 장착으로 양질의 영상을 보여 줄 수 있다는 것입니다. 게다가 카메라의 짐벌 모듈을 분리하여 차후 업그레이드의 용장성을 감안하였고 수납시 편리함을 도모하였으며, 전용 카메라 만으로 무선으로 제어할 수 있는 범위가 넓어져 별도의 고프로와 짐벌의 조합이 필요없다는 것입니다.

인스파이어 1이 흔들림이 없는 영상을 담을 수 있는 원리는 플라이트 컨트롤러의 비행 데이터로부터 초고속 프로세서를 채택하여 세계 최초 3축 짐벌인 오스모(OSMO)의 움직임과 기울기를 빠르고 정확하게 실시간으로 조절하기 때문이며, 이를 구동하는 BLDC 모터들은 높은 정밀도와 긴 수명을 보장한다는 것입니다. 뿐만 아니라 카메라를 터치하고 드래그하여 회전 및 기울기를 줄 수 있으며 핑거팁을 사용하여 위, 아래 전체 360˚ 범위를 조절할 수 있다는 것입니다.

동시 2개의 리모콘을 지원하는 듀얼 조종 기능으로 한 명은 마스터 컨트롤러로를 다른 한 명은 슬레이브 컨트롤러를 활용하여 수준 높은 영상을 담을 수도 있습니다. 마스터 컨트롤러는 기체를 조종할 수 있고 슬레이브 컨트롤러는 짐벌과 카메라의 방향을 조정할 수 있으며, 두 리모콘 모두 인스파이어 1으로부터 실시간 영상 데이터를 제공받을 수 있습니다. 리모코 자체에 듀얼 안테나와 외부로 스마트폰이나 모니터를 연결가능한 HDMI와 USB 단자를 갖고 있습니다.

인스파이어 1

다음은 인스파이어 1의 기존 팬텀 기체와의 간단한 비교 자료입니다.

인스파이어 1은 전용 가방이 기본으로 제공되어 휴대성을 간편하게 하였지만 밧데리 팩 등의 무게를 감안한다면 결코 가벼운 것은 아니어서 차라리 백팩이 더 어울릴 듯 하며, 수백만원의 높은 가격대는 항공촬영 전문가가 아닌 이상 레저용으로 부담이 너무 큰 것이 단점이라는 것입니다.

인스파이어 1의 전용 가방

암(Arm)는 카본 재질이고 스키드는 프라스틱 재질이어 이착륙시 어느 정도 흠집이 예상되며 기존의 구형 프로펠라를 장착시 프로펠러가 고속으로 회전하는 동안 고정핀이 풀리는 현상이 있었지만, 인스파이어 1은 원터치 방식으로 프로펠러 고정하여 프로펠러를 데고 눌러서 돌리기만 하면 자동으로 고정되는 방식이라 탈착 뿐만 아니라 안전성이 개선되었다는 것입니다.

인스파이어 1은 항공촬영이나 예능 및 다큐 영상 제작 전문가들에게도 손색이 없는 1,200만 화소의 사진과 4K 영상 촬영을 할 수 있는 전용 카메라를 장착하고 있으며, 좌우 360˚와 상하 회전이 가능하고 정교하며 기체의 다이나믹한 비행에도 떨림이 최소화되어 양질의 사진과 영상을 얻을 수 있다는 것입니다.

인스파이어 1의 3축 짐벌과 카메라

인스파이어 1 기체에 장착된 짐벌

인스파이어 1의 전용 리모컨은 IOS나 안드로이드 운영체재의 스마트폰 혹은 스마트 패드를 자유자재로 쉽게 장착할 수 있게 마련되어 있어서 카메라 화면을 실시간으로 확인하며 조종할 수 있습니다.

스마트 패드를 탑재한 인스파이어 1 리모콘

인스파이어 1의 리모콘 윗면 

인스파이어 1의 두드러진 특징은 비행모드와 랜딩모드(혹은 착륙모드)가 달라 마치 변신 로봇처럼 이착륙 시 모습이 달라진다는 것입니다. 랜딩모드에서는 지상에서 기체의 안정된 착지와 카메라 및 짐벌을 보호하는데 유리한 자세인 반면, 비행모드에서는 비행에 유리한 무게 중심을 유지하고 좌우로 360도 회전하는 짐벌로 인하여 랜딩기어가 찍히지 않도록 마치 '날으는 독수리'의 형상을 갖는다는 것입니다. 이는 모두 버튼 하나로 자동으로 이루어진다는 것입니다.

랜딩모드

비행모드

인스파이어 1이 이륙 영상

인스파이어 1의 착륙 영상

인스파이어 1은 곡선형 자석을 이용하여 BLDC 모터를 모터 안의 기류 차이를 줄이고, 효율성을 증가시켰다는 것입니다. 또한 여러 개의 구리선으로 되어 있었던 권선은 밀도 높은 한 줄의 와이어로 대체하고 PMSM의 사인파 제어를 함으로써 빠르고 강한 추력으로 강력한 호버링 특성을 제공한다는 것입니다. 게다가 적은 저항력을 확보하고 타이트한 구리 굴곡은 열을 더욱 빠르게 발산시키며 모터의 수명도 연장시켰다는 것입니다.

인스파이어 1의 모터 디자인

인스파이어 1의 호버링 기능을 나타내는 영상

드론은 GPS를 활용해 자동 조종이 가능하지만 실내에서는 GPS 신호가 도달하지 못하므로 자동 조정이 불가능합니다. 그러나 인스파이어 1은 기체에 장착된 초음파 센서와 카메라를 이용하여 위치를 판별하므로 실내에서도 안정적인 비행과 촬영이 가능하다는 것입니다. 이는 카메라로부터의 비쥬얼 데이터와 초음파 센서로부터의 수중 음파 탐지를 결합한 것으로써 지형의 변화와 현재 고도까지 측정할 수 있기 때문이라는 것입니다.

기체에 장착된 초음파 센서

인스파이어 1의 비행 영상

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.

아마존 추진하는 야심찬 '드론 배송'이 주소 뿐 아니라 현재 있는 위치로 30분 이내에 직접 배송해주는 방안도 검토하고 있다는 꿈만 같은 얘기입니다. 앞서 아마존은 스마트폰의 위치 추적 시스템(GPS)을 활용해 수취인이 있는 곳으로 곧바로 배송해주는 것을 골자로 하는 드론 배송 관련 특허를 미국에서 취득한 바 있습니다.

사실 아마존이 처음 드론 배송 계획을 공개한 것은 2013년으로 거슬러 올라가며 '아마존 프라임 에어'란 드론 배송 시스템을 선보였고 드론 배송 관련 특허를 취득하며 드론 배송 관련 테스트 작업을 진행함과 동시에 각종 규정 문제 해결에 역량을 쏟아붓고 있다는 것입니다.

아마존이 취득한 드론 배송 특허권은 좀 더 정교하게 할 수 있는 방안을 담은 것으로, 핵심 중 하나는 현재 있는 위치로 배송을 해준다는 점인데, 휴대폰을 비롯한 모바일 기기의 GPS를 활용해 수취인이 있는 곳으로 실시간 제품을 전해준다는 것입니다. 뿐만아니라 배송할 포장의 크기나 유형에 적합한 여러 가지 크기의 드론을 준비하는 방안도 포함돼 있다고 알려집니다.

다음은 공개된 아마존의 드론 배송 특허 중 핵심 내용입니다.

• 배송하는 드론끼리 서로 날씨나 트래픽, 장애물 등 배송 환경에 대한 정보를 실시간으로 업데이트 하는 기술적인 내용과 드론의 기본적인 설계 구조도 명시하였습니다.

• 주소가 아니라 사용자가 현재 있는 위치로 직접 배송할 수 있습니다.

• 배송하는 물건에 따라 각기 다른 크기의 드론이 사용합니다.

• 사람이나 동물을 피해 비행하고 사람이나 동물, 길, 보행로에 따라 경로를 수정할 수 있습니다.

• 배송을 위한 경로 탐색과 착륙 지점을 파악하기 위해 카메라를 포함한 각종 센서를 활용하거나 적외선을 활용할 수 있습니다.

현재 아마존은 드론에 2.3kg 무게의 짐을 싣고 16km 지점까지 물건을 나르는 테스트를 성공하였다고 알려지며, 조종사 없이 자율적으로 작동하며, 착륙시 필요하다면 조종도 가능하고 착륙 데이터도 저장, 다음에 다시 활용할 수 있으며, 드론이 도중에 상품을 내려놓고 배터리를 충전하거나 교환하는 장소도 생긴다는 것입니다.

배달용 드론은 상품에 따라 여러 형태와 크기를 가지게 될 예정인데, 날개가 4개 달린 쿼드콥터 모델뿐 아니라 날개 숫자나 형태 등을 바꾼 다른 모델도 아마존의 배달용 드론이 될 수 있으며, 현재 아마존은 5, 6세대 드론에 이어 차세대 드론도 디자인 중인 것으로 알려졌습니다.

드론 배송이 현실화되기 위해서는 먼저 미국을 포함한 세계 각국 드론 규제부터 해결해야할 것이기에 아마존은 프라임 에어 계획을 발표한 이후 美 연방항공청(FAA) 등을 비롯한 각국 규제당국과 드론 비행에 대한 법적인 문제를 해결하는데 발빠른 움직일을 벌여왔고, 미국보다 항공 관련 규정이 덜 까다로운 캐나다에서 시험 주행을 벌여왔으며 영국 런던에 드론 연구 센터를 세울 계획으로 알려져 있습니다.

아직 FAA는 아마존 상업용 드론 운항에 대해서는 승인하지 않고 있지만, 오바마 정부가 드론 산업이 차세대 성장동력이 될 수 있음을 분명히 하고 있듯이 최근에 美 FAA가 아래의 조건에서 시험운용을 허락하였다는 것입니다. 물론 매달 드론 비행과 관련된 세부 정보를 제출해야하고 드론 디자인을 변경할 때마다 증명서를 다시 발급받아야하지만 말입니다.

• 낮 시간 비행 허용

• 고도 400피트(121.9m) 이내

• 비행기 운항 면허 보유자가 조종 

• 조종자 시야 이내에서만 날릴 것

'우리나라와 같이 건물과 인구가 조밀한 나라에서 드론 배송이 무슨 의미가 있을까? 차라리 스마트폰 어플로 택배나 배달을 시켜 먹지!'라고 생각할 수는 있습니다. 하지만 아마존은 미국 시장만을 바라보는 것이 아니며 전 세계를 시장으로 특허와 각국의 관련 규제를 면밀히 검토하고 있다는 것입니다. 당장은 필요성이 그다지 없어보이지만 언젠가 고층 건물의 옥상에서 도시 농부는 고객이 살고 있는 아파트의 옥상으로 날마다 일일채소를 배달해 주는 날이 오지 말라는 법은 없으니 말입니다.

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

APM 2.6 Set (external compass)
 
The APM 2.6 is a complete open source autopilot system and the bestselling technology that won the prestigious 2012 Outback Challenge UAV competition. It allows the user to turn any fixed, rotary wing or multirotor vehicle (even cars and boats) into a fully autonomous vehicle; capable of performing programmed GPS missions with waypoints. Available with top or side connectors.

APM 2.6는 완전한 오픈 소스 자동조정장치 시스템이며 권위있는 2012 Outback Challenge UAV 대회에서 수상한 가장 많이 팔린 기술입니다. 이것은 사용자가 어떤 고정된, 회전하는 날개 혹은 멀티로터(multirotor) 운송수단(심지어 자동차 그리고 보트)을 완전히 자율적인 운송수단으로 가능하게 합니다; 경유지를 정해 프로그램된 GPS 미션을 수행하는 것이 가능합니다. 위 혹은 옆 커넥터와 함께 가능합니다. 

This revision of the board has no onboard compass, which is designed for vehicles (especially multicopters and rovers) where the compass should be placed as far from power and motor sources as possible to avoid magnetic interference. (On fixed wing aircraft it's often easier to mount APM far enough away from the motors and ESCs to avoid magnetic interference, so this is not as critical, but APM 2.6 gives more flexibility in that positioning and is a good choice for them, too). This is designed to be used with the 3DR uBlox GPS with Compass (see option below), so that the GPS/Compass unit can be mounted further from noise sources than APM itself.

보드의 이번 수정판은 온보드 compass를 실장하지 않습니다. 이것은 자기장 간섭을 가능한 피하기 위해서 파워나 모터로부터 멀리 떨어져 위치해야만 하는 compass를 가진 운송수단(특히 멀티콥터 그리고 로버)을 위하여 설계되었습니다. (고정 날개 비행체에서는 자기장 간섭을 피하기 위해 모터나 전자변속기(ESC)로부터 충분히 떨어져 APM를 탑재하는 것이 종종 쉽습니다 그래서 이것은 중요하지 않지만 APM 2.6은 어디에 탑재하느냐에 좀더 유연성을 주고 그것들을 위해서 역시 좋은 선택이 됩니다). 이것은 compass(see option below)를 가진 3DR uBlox GPS을 사용하도록 설계되어졌습니다. 그 결과, GPS/Compass는 APM 자체보다 잡음 소스로부터 좀더 멀리 탑재하는 것이 가능합니다.

APM 2.6 requires a GPS unit with an onboard compass for full autonomy.

APM 2.6은 완전한 자율조정을 위해서 온보드 compass를 가진 GPS를 필요합니다.

If you are using APM 2.6 with a GPS module that does not have a compass sensor, you must use a stand-alone external compass.

만일 여러분이 compass 센서를 가지지 않는 GPS 모듈과 APM 2.6을 사용한다면 여러분은 독립적인 외장 compass를 사용해야만 합니다. 

Features:
- Arduino Compatible!

- Can be ordered with top entry pins for attaching connectors vertically, or as side entry pins to slide your connectors in to either end horizontally.

- Includes 3-axis gyro, accelerometer and magnetometer, along with a high-performance barometer.

  (3축 자이로를 탑재한 가속도계와 지자기계, 고성능의 고도계)

- Onboard 4 MegaByte Dataflash chip for automatic datalogging.

  (자동적인 데이터 기록을 위한 4Mbyte 크기의 플레쉬 메모리 탑재)

- Optional off-board GPS, uBlox LEA-6H module with Compass.

  (지자기 센서를 포함하여 외장 GPS 모듈인 uBlox LEA-6H의 선택 가능)

- One of the first open source autopilot systems to use Invensense's 6 DoF Accelerometer/Gyro MPU-6000.

  (3축 자이로 가속도 센서로 MPU-6000)

- Barometric pressure sensor upgraded to MS5611-01BA03, from Measurement Specialties.

  (공기압을 측정하여 고도를 감지할 수 있는 고도 센서로서 MS5611-01BA03으로 개선됨)

- Atmel's ATMEGA2560 and ATMEGA32U-2 chips for processing and usb functions respectively.

  (USB 통신을 위해서 ATMEGA32U-2 칩을 내장)

APM(AutoPilot Mega) History

APM v2.5 - on board compass.

APM v2.5.2 ~ v2.8 - APM v2.5와 하드웨어와 소프트웨어는 동일하지만, PCB상에서 외란에 대한 간섭을 최소화하기 위해서 외장 지자기 센서를 사용할지 말지에 대한 점퍼스위치를 갖추고 있습니다. 기존에는 내장 Mediatek GPS를 사용하지만 APM v2.6에서는 외장 Ublox GPS/Compass 모듈의 사용이 가능합니다.

지구 반대편에서 무선으로 드론(Drone, 비행로봇)을 조종해 영상을 실시간으로 전송하는 시대가 도래하였습니다.

무선제어장치는 서울에 드론은 대전에 있지만 세계 최초로 4세대 LTE망을 이용해 152Km 떨어진 서울과 대전을 하나로 연결하여 드론을 조종하는데에 성공하였다는 것입니다. 이론적으로 조종하는 사람의 시야에서만 영상을 실시간으로 전송받을 수 있다면 어디서든지 드론을 제어할 수가 있는데 이러한 양방향 통신이 휴대전화나 노트북처럼 LTE가 연결된 곳이면 어디든지 가능하다는 것입니다.

장소와 관계없이 좁은 공간에서도 드론의 이륙 및 착륙이 가능해져 미국과 마찬가지로 그동안 사람에 의존했던 군 감시정찰이나, 재난, 재해 감시, 교통 통제, 항만 감시 그리고 도시계획 등의 공중촬영 등에 폭넓게 활용될 전망이라고 알려집니다.

사실 기존의 RC와 멀티콥터(Multicopter) 등의 드론은 차이가 있습니다. 과거의 RC는 비행에 꼭 필요한 변속기(ESC)와 엔진(모터), 자이로(Gyro), TX, RX 등의 구성으로 헬기의 단순 정지비행(Hovering)을 익히는 데에도 고도의 집중력과 키감이 요구되는 매우 다이나믹 스포츠이었습니다.

하지만 근래의 드론은 다수의 로터를 장착하여 기동성 대신 안정성을 극대화하였고 여기에 고성의 마이컴을 탑재하고 GPS 수신기와 각종 첨단 센서 등을 장착함으로서 지상의 컴퓨터를 통한 자동 원격 비행이 가능해져서 과거와 같은 경험을 통한 특유의 키감이나 숙련된 비행 조종 기술이 따로 필요없게 되어 대중화를 앞당기는데 일조를 하였습니다.

스마트폰으로 화상전화를 통한 생각의 교환 뿐만아니라 드론을 이용해 물건도 주고 받을 날이 머지않아 다가올것으로 기대해 봅니다.