Drone's DIYer

드론(Drone)이 대중화하면서 드론에 따른 사고나 범죄가 발생할 가능성이 커지고 사생활이 침해될 수 있다는 논란도 거세지고 있는 가운데, 각 국은 소형 드론의 사용을 규제하려는 움직임을 보이고 있다는 것입니다. 미국은 지난해 말부터 250g 이상의 드론은 무조건 당국에 등록하도록 하였고, 중국은 '드론 조종 자격증' 제도를 만들었다고 알려집니다. 

하지만 이런 규제에도 불구하고 법을 어기는 자가 있는 법! 드론 이용자들이 비행금지구역이나 남의 집이나 사무실 주변을 허가 없이 날아다니면서 법규를 어길 경우 이를 '포획'할 필요성도 있다는 것입니다. 

네덜란드 경찰은 맹금류 훈련 기관인 '하늘의 파수꾼(Guards from Above)'의 도움을 받아 새를 훈련시켜 '적대적' 드론(Drone)을 잡아내는 시험을 진행하고 있다는 것입니다. 그리고 자신들이 드론을 잡기 위해 새를 훈련시키는 첫 회사라고 밝힌 '하늘의 파수꾼'은 자사 홈페이지에 이를 '첨단 기술로 인한 문제에 대처하는 저기술 해법'이라고 소개하였습니다.

일부에서는 날카로운 금속과 플라스틱 조각들로 이뤄진 드론을 잡는 것이 독수리에게 안전한지 의구심을 표하고 있는데, 하늘의 파수꾼 측은 이 문제에 대해 검토하고 있지만 현재로선 독수리들이 무리 없이 드론 포획 임무를 수행할 수 있다고 자신하고 있다는 것입니다. 이 회사 측은 자연에서 맹금류들은 종종 커다랗고 위험한 먹잇감들을 사냥하면서 압도적 힘을 발휘한다며 이들의 발톱에는 비늘이 있어서 먹잇감이 물 때 보호막 역할을 한다는 것입니다.

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

2016.1.28~30일까지 산업통상자원부는 부산광역시와 공동으로 부산 벡스코(BEXCO)에서 국내 최초이자 아시아 최대 규모의 드론 종합 행사인 '2016 드론쇼 코리아' 행사가 개최되었습니다. 이 행사에는 국내외 4개국 56개 기업이나 기관이 222개의 부스 규모로 최신 기종의 드론 등 100여종의 드론과 관련 제품이 전시되었습니다.

전시회와 컨퍼런스를 중심으로 한 드론 레이싱 대회, 드론 영상제, 드론 사진 공모전, 교육 및 체험행사 등 다양한 이벤트가 열렸으며, 중소 벤처기업들의 제품 시연과 기술 설명회가 약 50회 개최되었고, 세계 두 번째로 국내에서 개발한 수직 이착륙 틸트로터(tiltrotor) 무인기를 비롯해 한국 바이로봇과 중국 DJI 등이 참가하여 경비행기급 무인기에서 어린이 완구용 드론에 이르기까지 다양한 기종의 드론이 선보였다는 것입니다.

이 행사의 목적은 기존의 기술개발 중심의 정책을 넘어 드론을 이용한 새로운 비즈니스 모델 발굴과 테스트 베드 구축 등 산업이 지속적으로 발전할 수 있는 생태계를 조성하는데 주력해 고기능 산업용 드론을 새로운 국가 성장 동력으로 육성하겠다는 취지라는 것입니다.

아울러 정부 관계자는 지난 12월 부터 전남 고흥의 규제 프리존을 비롯해 부산 해운대 등 전국 5곳의 드론 전용공역을 지정하는 등 드론 시험비행을 위한 규제 완화 조치를 시행하였, 올해에는 전력설비감시나 물품배송 등 공공 수요 촉발 분야의 실증사업을 본격 추진해 성공 모델을 발굴하는 데 주력할 계획이며, 게다가 항법장치, 충돌회피시스템 등 정보기술(IT), 소프트웨어(SW)와의 융합을 통한 고부가가치 시스템 개발로 제품 차별화도 추진할 것이라고 하였습니다.

국내에서 개발된 틸트로터 무인기

† 틸트로터(tiltrotor) : 프로펠러를 하늘로 향하게 하면 수직으로 이착륙할 수 있어 활주로가 필요 없고, 비행 중에는 프로펠러를 수평방향으로 바꿔 전방으로 추력을 얻어 날아갈 수 있는 기체입니다.

대항항공이 틸트로터 무인기

세계 최초 실전 배치를 앞둔 무인 500MD 헬기

차세대 스텔스 무인 전투기

다목적 전술 무인 항공기

다양한 농업용 드론

장애물을 감지해 멈추게 하는 초음파센서까지 탑재한 드론

세계 소형 드론 시장의 80%를 장악한 중국 DJI사의 부스

어린이 체험 행사

지난 200여년간 인류는 산업화로 이는 크게 자동차 및 건설 산업으로부터 항공, 선박, 반도체, 바이오, 컴퓨터 그리고 스마트폰에 이르기까지 고도성장을 하였고, 최근에는 그 성장이 정점에 이르러 전 세계적으로 성장은 이제 끝이났고 앞으로는 마땅한 신성장 동력의 부재로 경기침체와 대량실업이 영원히 지속될 것이라는 비관론적 견해도 일부 팽배해 있는 실정입니다.

이러한 이유로 향후 지속적인 성장을 위한 차세대 먹거리 창출을 놓고 전 세계는 골먹리는 썩고 있는데, 유력한 후보 중에 하나가 바로 '드론 산업'이라는 것입니다. 이를 선점하기 위해 글로벌 기업들은 발빠른 움직임을 보이며 드론을 다양한 산업과 접목시켜 신성장 동력으로 삼으려는 치열한 경쟁을 벌이고 있다는 것입니다. 어떤 이들은 드론 산업을 '하늘의 산업혁명'이라고까지 일컫는 실정인데, 사실 드론 산업은 최근 연평균 35% 이상 성장가도를 거듭하며 그 팽창 속도도 또한 커지고 있다는 것입니다.

최근 미국의 구글과 페이스북은 '인터넷 중계기' 개발을 위해 태양전지를 활용한 장기체공 드론을 만드는 회사인 타이탄 에어로스페이스(Titan Aerospace)와 어센타(Ascenta)를 수 백억원에 인수하고, 드론을 기존의 인공 위성을 대신하여 인터넷 사각지대까지 무선 인터넷을 보급한다는 계획입니다.

구글은 과거 거대한 풍선에 통신장비를 실어 지상 20km 높이에서 지상 안테나나 다른 풍선과 통신하며 무선 인터넷을 제공했던 '프로젝트 룬(Project loon)'과, 페이스북은 무인 소형 비행기와 인공 위성 등을 이용해 통신망을 구축하고 전용 앱을 통해 전 세계 1억여 명에게 무료 인터넷을 제공했던 '인터넷닷오알지(Internet.org)' 사업의 연장이선라는 것입니다.

게다가 구글은 드론으로 물건을 배송하는 서비스인 '프로젝트 윙(Project wing)' 사업도 진행하고 있어 지난 2014년 8월에는 프로젝트 윙의 시범 영상을 공개하기도 하였으며, 2017년까지 드론 택배 상용화를 추진하겠다는 것입니다. 한편 세계 최대 전자상거래 기업인 아마존도 2013년 12월에 '프라임 에어(Prime Air)'라는 이름으로 드론을 이용하여 16km 이내에 거주하는 소비자들에게 2.3kg 이하의 물건을 구매 직후 30분 이내 발송하는 배송 시스템을 운영할 것이라고 밝히 바 있습니다.

그러나 미국연방항공청(FAA)의 규제로 자국 내에서는 늦어지고 있지만 일본 국가전략특구인 지바시에서는 세계 최초로 드론 택배를 실용화하는 방안을 적극 추진하고 있다는 것입니다. 이는 일본 총리가 직접 아마존이 요청한 건의에 항공법을 개정하면서조차 드론 및 관련 산업을 키우겠다는 일본 정부의 의지와 맞물려 성사된 것이며, 이는 미국과 캐나다, 영국이 드론 택배 실증 시험을 규제에 묶여 상용화되지 못하는 상황과 대조적이라는 것입니다. 뿐만 아니라 중국 3대 인터넷 기업인 바이두, 알리바바, 텐센트 등도 드론을 활용한 서비스 구현에 박차를 가하고 있다는 것입니다.

반면에 우리나라는 현재 70%의 시장점유율을 기록하는 중국 드론 업체들에 밀려 상업용 드론 시장은 고사하고 제대로 된 레저용 드론 산업도 이렇다 할 성과도 없이 진입조차 못하고 있는 실정입니다. 전문가들은 드론 시장이 10년 이내에 10조 원대 규모고 성장할 것이라는 예측 가운데, 군사용 드론에서 독보적인 위치에 군림하는 미국과 살충제 배포, 농업용수 관리 등 농업 분야에 드론을 적극 활용있는 유연한 일본, 400여 개에 드론 업체와 드론 업계 포식자로 부상한 DJI사를 자랑하는 저렴하고 경쟁력 있는 중국 사이에 우리는 규제에 묶여 이렇다 할 드론 산업조차 미동도 없다는 것입니다.

중국 DJI사의 야심작 '인스파이어 1(Inspire 1)'

뒤늦게 정부는 드론 산업에 10년 내 수천 억원대의 투자와 '규제 프리존'을 도입키로 하였고, 지자체인 전남은 야간, 고(高)고도 비행 등 드론 비행에 관한 규제를 없애고, 경기 수원시는 드론의 연구, 제조, 판매 기능을 한 곳에 모으는 특구 조성을 추진하고 있지만, 우리는 어디부터 시작해야 할지 모르는 상황으로 대기업 중심의 산업구조에 산악지형이 많고 집들이 빽빽한 우리 주거 환경에서 과연 드론 택배 사업이 어떤 실효성이 있을지를 놓고 고민 중이라는 것입니다. 게다가 남북 북단의 특수 상황은 갖가지 정비해야 할 규제가 많아 산 넘어 산이라는 것입니다.

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.

최근 종합편성채널의 '나는 자연인이다', '삼시세끼' 등 많은 프로그램들은 드론(Drone)을 이용한 지상에서부터 고공까지 영상을 촬영하여 촬영지에 대한 아크로배틱한 진행과 입체감으로 시청자의 이해를 돕고 있는 실정입니다. 뿐만아니라 국내에서도 한서대와 대경대는 각각 무인항공기학과 드론과를 개설하여 바야흐로 드론은 일상 뿐만 아니라 차세대 신성장동력으로 기존의 2차원적인 삶으로부터 3차원적인 삶의로의 도약을 꿈꾸고 있다는 것입니다.

사실 드론은 무선 전파로 조종하는 소형 무인 항공기(소위 RC; Radio Control)로 그 역사는 결코 짧지 않았고 이전에는 엔진기가 대부분으로 비행기나 헬기 형태로 가격이 비쌌던 나머지 돈에 구애받지 않았던 일부 특별한 매니아들의 전유물로 군림해왔던 것입니다. 그러나 최근에는 밧데리와 CPU 등의 첨단 기술의 발달과 GPS와 같은 위성합법기술의 대중화로 초보자도 손쉽게 비행할 수 있는 드론의 출현으로 무인항공기 시장은 빠르게 가속화 되어가고 있다는 것입니다.

기존의 RC가 인간이 하늘을 날고자 했던 역동적인 비행을 추구하였다면 최근의 드론은 각종 기술의 발달로 조용하고 안정한 정숙비행과 정지비행을 쉽게 할 수 있으며, 체공시간도 길어져 군수용은 물론이고 이른바 사람이 접근하기 어려운 지역에 드론을 보내어 사진이나 비디오 영상 자료를 수집하여 보도하는 드론 저널리즘과, 최근 미국에서 드론을 이용한 음식 배달이나 택배 사업 그리고 중국에서 사람이 탑승 가능한 중단거리 교통 수단, 국내에서 재난지역에 급파하여 임시 중계기 등으로 사업화를 꾀고 있는 실정이라는 것입니다.

게다가 요즈음 인텔이나 구글 등의 IT 대기업들도 드론 산업을 차세대 신성장동력이라고 하여 비행장치의 CPU와 비행에 요구되는 기술 개발에 박차를 가하고 있는 실정입니다. 또한 국내에서는 굴지의 삼성전자도 뒤질세라 스마트폰에 이어 드론 산업을 론칭하기 위한 TFT 팀을 꾸리고 있다고 보도됩니다. 앞으로 드론이 얼마나 대중화되고 차세대 먹거리가 되느냐는 당장 피부에 와닿지가 않지만, 글로벌 IT 기업들이 앞다투어 현재 스마트폰 시장을 대체할 만한 산업으로 간주하고 추진한다는 것은 가히 드론 산업의 지극히 전망이 밝다라는 것을 간접적으로 나타내는 것이라 하겠습니다.

이렇게 드론이 대중화되면서 직장 초년이나 중장년층이 드론을 취미 생활에 활용하고 있는 이들이 많는데, 이를 근래에는 RC매니아에서 키덜트(kidult)족이라 부르기도 하며, 그룹 신화 멤버 김동완씨가 예능 프로그램인 '나 혼자 산다'에 드론을 활용한 취미 생활을 공개하여 많은 일반인들에게 반향을 불러일으키기도 하였습니다.

취미 생활에 활용되는 보급형 드론의 가격은 수 만원대 드론의 아동용 장난감을 제외하면, 통상 수십만 원대부터 수백만 원까지 천차만별이며, 배터리를 완충시 약 30분 정도 비행이 가능하고 조종기와 드론간 통신거리는 최대 800m에 이른다는 것입니다. 어떤 드론은 스마트폰으로도 조종할 수 있으며 어떤 드론은 기체에 카메라를 장착하여 조종자에게 영상을 실시간으로 보내주기도 한다는 것입니다.

가장 최근에 KT경제경영연구소에 따르면 2014년 3월부터 2015년 1월까지 미국 구매대행 사이트 eBay에서 판매된 드론은 12만7,000만여 대에 달하였고, 2014년 3월 온라인 쇼핑몰 쿠팡과 G마켓에서도 드론은 높은 판매실적을 나타냈으며, 이는 전체 무선조종 제품의 매출을 같은 기간 동안에 74%나 급증하였으며 전체 구매자 중 55%가 30~40대 남성이라는 것입니다.

이와 같은 드론에 대한 관심은 또한 국내 드론 관련 동호회가 봇물처럼 쏟아져 나온게한 계기가 되었습니다. 2014년부터 현재 50여개의 드론 동호회가 활동 중이며 함께 비행하고 필요한 정보나 주의사항을 교환하며 취미를 공유한다는 것입니다. 게다가 드론으로 레이싱을 즐기는 협회도 생기게 되었는데, 한국드론레이싱협회의 경우 국제드론레이싱협회의 한국지부로 2014년 9월 발족되어 현재 국내 드론 레이싱 인구는 약 2,000명에 달한다고 알려지며 협회 소속 레이싱팀만 35개이고, 프로선수도 양성되고 있다는 것입니다.

중국 드론(Drone) 제조사인 이항(Ehang)이 미국 라스베이거스 CES컨벤션센터에서 열린 세계 최대 IT 가전제품 전시회 'CES 2016'에 세계 최초로 사람을 태울 수 있는 드론 '이항184'를 공개하였습니다. 상용화에 대한 제도적 기반이 아직 마련되지 않은 상태에서 전 세계적으로 이러한 시도는 사실상 처음은 아닙니다.

'184'는 '1 명의 탑승자, 8개의 프로펠러, 4개의 팔'을 의미

제조사가 세계 최초의 '유인자율비행체(Autonomous Manned Flying Vehicle)'라고 밝힌 이항184는 소형 헬기처럼 생겼지만 이중 구조 프로펠러 4개가 달려서 여타 드론처럼 비행하고, 드론이 2시간 완전히 충전된 상태에서 최대 100㎏의 사물을 싣고 23분간 비행할 수 있어 중단거리 교통 수단으로 기능할 것이라고 소개하였습니다.

이항184의 본체는 탄소섬유와 에폭시 등의 복합소재로 만들어졌으며 드론 안에는 승객 1명을 위한 의자 하나와 조종 패드, 독서등, 에어컨과 가방을 넣을 수 있는 공간이 설치되어 있으며, 야간에 비행체를 쉽게 식별가능하도록 4개의 날개 앞뒤로 각각 적색등과 녹색등을 달았고, 몸체 아래쪽에는 비디오 카메라가 장착되었다는 것입니다.

게다가 프로펠러도 접이식이어서 주차장에 주차도 가능하고, 사람이 드론에 탑승하여 마이크로소프트 서피스 태블릿으로 비행 계획을 설정하고 간단히 이륙과 착륙 명령어만 클릭함으로써 복잡한 조종 기술 없이도 공중에서 비행할 수 있으며, 지상 300∼500m 높이(최고 3,500m)에서 142마력의 모터로 최고 시속 101㎞로 날 수 있다는 것입니다.

하지만 이항 측은 이 드론을 올해 초 대당 20~30만 달러(약 2억4,000만∼3억6,000만원)에 판매할 계획이지만, 드론 규제 문제가 미지수라고 밝혔으며, 승객이 비상상황에서 드론을 조정할 수 없어 회사가 문제가 발생할 경우를 대비해 드론을 완전히 통제해 안전하게 착륙할 수 있도록 하는 원격제어센터를 운영할 계획이라고 밝혔습니다.

또한 이항 측은 중국 광저우의 산림지역에서 낮은 고도로 사람을 태운 채 비행한 것을 비롯, 100여 차례 시험 비행을 거쳤다며 프로펠러 4개가 일반 헬기보다 더 안전하다고 주장하였으며, 다수의 전원 공급 장치를 갖추고 있어 하나가 고장나도 여전히 비행할 수 있으며, 장비 이상이 발생할 경우 즉각적으로 인근 안전 지역으로 착륙하도록 되어 있으며, 더욱이 프로펠러 중 일부가 고장나더라도 남은 프로펠러로 거칠지만, 나선을 그리며 착륙할 수 있다고 밝혔습니다.

그러나 美연방항공청(FAA)은 아직 이 메가드론의 미국 내 인간탑승 운항을 승인하지 않고 있는데, 최근 미국 규제당국은 얼마 전 드론 사용 지침을 마련하기 시작하였으며 인간을 태운 드론의 경우 엄격한 검증을 요구할 것으로 보인다고 알려집니다.

Ehang 184의 소개 영상

최근 리서치 보고서에 의하면 드론(Drone) 시장은 2018년 84억달러를 넘을 전망인데, 특히 비즈니스용 드론 수익은 2014년부터 2019년까지 연평균 성장률이 51%에 다다를 것으로 예상되며, 매니아용의 약 5배, 군용의 2배 이상으로 확대할 것으로 예측되었다는 것입니다.

거대 프로세서 업체인 인텔은 전문가용 고급 드론을 제작하는 독일 드론 업체 '어샌딩테크놀로지스(Ascending Technologies)'를 인수하였고 이는 중국 드론 업체 '유닉(Yuneec)'에 이어 두 번째로 인텔이 드론용 프로세서 시장 점유율을 높이기 위해 속도를 내고자 하는 의지로, 스마트폰용 프로세서 시장에서 퀄컴에 뒤졌던 인텔이 드론으로 승부수를 띄우겠다는 전략이라는 것입니다.

어샌딩테크놀로지스는 연구용 및 상업용 드론을 제조하며 이미 인텔 기술인 리얼센스3D 카메라를 사용 중이라고 알려집니다. 리얼센스는 공간을 감지하는 기술로 어샌딩테크놀로지스 드론 충돌 회피 시스템에 적용해왔는데, 어샌딩테크놀로지스가 공개한 다음 영상에 의하면 드론은 나무가 빽빽한 숲에서도 부딪치지 않고 비행한다는 것입니다. 아마도 인텔은 어샌딩테크놀로지스와 유닉이 개발한 드론에 프로세서를 탑재하는 방식으로 시장을 확대해 나간다는 구상입니다.

인텔의 리얼센스(3-D depth camera) 기술은 사물을 데이터가 아닌 직접 읽고 판단하는 인지컴퓨팅(perceptual computing)기술이로써 감지하고 피하는(sense-and-avoid) 리얼센스 카메라는 드론의 안전성을 향상시킨다고 알려집니다.

반면에 퀄컴은 최근 스냅드래곤 801 프로세서를 기반으로 한 스냅드래곤 플라이트를 개발 중이라고 밝힌 바 있으며, 이들 두 회사가 앞다퉈 드론용 프로세서 시장에 뛰어든 것은 드론에서 프로세서 비중이 커지고 있기 때문으로, 자동 회피와 회수 기능 등 드론 성능을 개선하기 위해서는 스마트폰처럼 프로세서 역할이 중대하다는 것입니다. 게다가 프로세서에 통합된 통신 모뎀은 드론 비행 거리를 비약적으로 늘릴 수도 있으며 드론 성능에 맞춘 프로세서는 가격을 낮추는 데도 도움이 된다라는 것입니다.

BLDC 모터의 경우에는 전기각의 매 60도 간격으로 구형파 파형의 전류를 한번에 2개 위상에 가하여 구동하며, 나머지 한 개의 위상은 전력을 가하지 않은 floating 상태로 역기전력(Back EMF; BEMF)를 관측하고 이를 이용하여 6-step commutation을 실시합니다.

따라서 BLDC 모터의 구동은 근본적으로 토크 리플(Torque ripple)이 발생할 수 밖에 없으며 그러므로 시스템에서 토크 리플이나 음향 노이즈가 큰 문제가 되지 않고 감당할 수 있는 수준일 때 사용된다는 것입니다. 하지만 PMSM은 사인파(정현파)형 전류를 3개 위상에 모두 동시적으로 가하여 구동하여, 토크가 매끄럽고 음향 노이즈가 낮다는 것입니다.

이러한 Brushless 모터의 구동을 위해서는 고정자에서 회전 자기장을 만들어 낼 수 있도록 외부에서 제어를 해주어야 하며, 고정자 코일에 토크가 최대가 되도록 전류를 공급하기 위해서는 회전자의 현재 위치에 대한 정보가 반드시 필요하게 됩니다. 이를 위해서 센서나 광학 엔코더(optical encoder)를 사용하는데 이는 가격 상승의 원인이며 이러한 센서들이 다양한 드론(Drone)의 비행 환경에서 감도가 떨어지고 주변 시스템의 잡음 등의 영향으로 센서가 없는 센서리스(Sensorless) 모터를 채택한다는 것입니다.

그러므로 BLDC 모터의 경우에는 회전자의 위치를 파악하기 위해서 floating 상에서 유기된 역기전력(BEMF)이 '0'을 교차하는 순간(Zero-Crossing Point)을 감지하여 회전자와 주어진 고정자 권선 간의 상대적 위치에 대한 정보을 알아내어 위상 정류를 동기화시키는 간단한 방법을 사용합니다. 여기서 역기전력이 '0'인 순간은 자속의 절대값이 최대인 순간을 포착하는 것과 같습니다.

반면에 PMSM의 경우에는 2상의 전류를 감지하여 모터의 복잡한 다변수 비선형 상태 방정식을 이산화(digitized)하여 수치해석적으로 실시간 계산을 통해 회전자 위치를 지속적으로 얻어 반영하는 구조로, 회전자의 토크가 최대가 되도록 고정자 3상의 전류를 공급하게 됩니다. 따라서 PMSM의 센서리스 제어를 위해서는 BLDC와는 달리 고성능의 ADC와 32-bit 이상의 빠른 속도, 때로는 부동 소수점 연산장치(Floating Point Unit; FPU)를 갖는 마이크로컨트롤러(MCU)가 필요하게 된다는 것입니다.

위 그림에서 좌측은 사다리꼴 파형의 역기전력을 갖는 BLDC 모터와 우측은 정현파형의 역기전력을 갖는 PMSM의 각 시간에 따른 토크의 변화를 나타냅니다. 각 상의 토크 T는 역기전력 e와 전류의 i에 곱에 비례하므로 전체 토크 Te = Ta + Tb + Tc 는 이론적으로 일정하게 보입니다. 하지만 실제로는 BLDC 모터의 경우 사다리꼴의 윗변의 폭이 좁아져 토크는 리플이 생기게 됩니다.

Drone의 기체에 추력을 내기 위해서 사용되는 모터는 그동안 BLDC(Brushless Direct Current) 모터가 주류를 이루었지만, 후술되는 장점으로 인하여 최근에는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)으로 교체되는 추세에 있습니다. BLDC 모터와 PMSM 두 모터는 회전자(rotator)가 영구자석(permanent magnet)으로 3상인 기본적인 구조는 유사하며, 주된 차이는 모터가 회전시 각각 역기전력(Back EMF)이 사다리꼴파(Trapzoidal)와 정현파(Sinusoidal)라는 것입니다.

넓은 의미에서 BLDC 모터(BLDCM)는 PMSM을 포함하며 일반적인 DC 모터와의 장점은 이전글인 'BLDC의 장단점'을 참조하시기 바랍니다. 모터의 회전원리는 쉽게 말해 영구자석으로 이루진 회전자는 전류를 공급하는 3상의 권선이 감겨져 있는 고정자(stator)에 전원을 회전자계가 발생하도록 적절히 공급하고, 이때 회전자는 고정자의 회전자계와 동기화(Syncronous)되어 회전하게 된다는 것입니다. 

이와 같이 전원을 공급하는 경우, BLDC는 6-step commutation이라는 전기각의 매 60도 간격으로 전류의 크기와 방향을 바꾸는 스칼라 제어(Scalar 제어)를 사용하는 반변에, PMSM에서는 공간벡터제어(Space Vector Control)라는 기법으로 전체 사이클에 대해서 전류의 크기와 방향을 제어하여, 토크(torque) 직접제어가 가능하고, 속도제어, 위치제어 등에서 탁월한 성능을 발휘한다는 것입니다. FOC(Field-Oriented Control)로 알려진 공간벡터제어(Space Vector Control) 기법으로 구동되는 PMSM을 BLAC(Brushless AC)로 부르기도 합니다.

다음은 BLDC 모터와 PMSM의 차이입니다.

6-step보다 많은 상태를 이용해 위치를 제어할수록 위치 정밀성과 알고리즘 복잡성도 높아집니다