Drone's DIYer

전 세계 취미용 드론(Drone) 시장의 독보적 1위를 차지하는 중국 DJI사가 일본, 중국과 동시에 국내에서 농약살포용 드론을 출시하여 화제가 되고 있습니다. 우선 이 드론은 본격적인 농업용 드론으로서 론칭이 시작되었다는 것에 의미에 있으며 가장 주목할 만한 것은 가격 경쟁력에 있다는 것입니다. 아무리 첨단기능을 탑재하였더라도 가격 대 성능에서 떨어진다면 시장에서 외면당하기 일수지만 국산보다 무려 60% 저렴한 2,000만원대 초반 가격으로 국내에 출시하였다는 것입니다.

DJI사 출시한 농약살포용 드론은 '아그라스(Agras) MG-1'으로 국내 판권을 가진 딜러는 국내 수입사인 오토월드(대표 최영주)가 선정되었고 상설전시장도 마련하였으며, 기체 1EA, 배터리팩 4EA, 충전기 1EA, 조종기 1EA로 구성된 패키지 상품은 부가세를 포함하여 2,000만원 초반대로 팔 예정이라고 알려집니다.

DJI의 Agras MG-1

국내에 농약살포용 드론은 가격이 6,000만~7,000만원대인데 Agras MG-1은 국산 제품의 1/3 가격으로 팬텀(Phantom), 인스파이어(Inspire) 시리즈를 앞세워 국내 드론 시장을 장악하고, 촬영용 드론에 이어 농업용 드론까지 대공습이 시작되었다는 것입니다. 사실 국산 농약살포용 드론은 고급차 한대 가격으로 기체도 대부분 실제 헬기와 매우 유사하고 무인기 특성상 기체가 작아진 것 외에는 조종 또한 훈련받은 전문조종사가 아닌 이상 운용이 어렵다는 한계가 있습니다.

게다가 국내에 농약살포용 드론은 방제작업을 위해 이동할 때에도 기체가 크기 때문에 전용 트럭이 필요하지만 Agras MG-1은 기체가 충분히 작아 이동이 용이하고 각종 첨단 기능을 탑재하고 있어, 농약살포가 필요한 시기에 방제를 위임하면 각 농가를 방문하여 살포를 대행하는 소수의 국내 대행 업체를 이용하였지만 이제는 저렴한 가격에 필요한 사람이 직접 구매하여 사용할 수 있기 때문에 그 수요 또한 오히려 커질 수 있다는 것입니다.

최근 출시 예정인 국내 골드텔사의 농약살포용 드론, GF-161(약 4,000대 판매 예정)

국산 GF-161의 스펙

이런 배경에는 Agras MG-1이 총 8개 프로펠러(로터)로 이루어져(hexacopter) 기존의 메인 로터와 반동 토크를 상쇄시키기 위한 테일 로터로 이루어진 전통적인 무인 헬기의 다이내믹한 동특성보다는 안정된 비행 능력을 갖추고 있다는 사실입니다. 뿐만아니라 10ℓ 용기에 10㎏ 농약을 싣고 비행하기에 누구나 손쉽게 운용할 수 있다는 것입니다.

다음은 DJI사의 농약살포용 드론인 Agras MG-1의 주요 특징입니다.

- 10ℓ 용기에 10㎏ 농약을 싣고 비행하여 10분이면 4000~6000㎡ 농지에 방제 작업 가능

- 모터 하단 노즐이 로터 하강 기류를 이용하여 약제를 고르게 분사함

- 기체의 암(Arm) 부위를 접어서 보관 및 운반이 용이

- 비행 속도와 분사 속도를 통합 제어하여 분사량을 유지

- 기체 아래 지형을 실시간 감지하여 지형 높낮이에 따라 최적 분사량을 조절(마이크로웨이브 레이더 내장)

- 방진, 방수, 방부 기능

- 일체화 내부 순환 냉각 시스템으로 모터 수명을 3배 이상 연장

이외에도 '스마트 메모리' 기능이라고 하여 방제 작업 도중에 약제가 떨어져 출발지로 귀환하면 살포 중단 지점 좌표를 기억하고 있다가 약제를 보충해 다시 이륙하면 살포 중단 시점으로 정확히 이동하는 등 사용자 편의성을 높였으며 이는 배터리를 분리해도 일정 시간의 좌표 기억을 유지한다는 것입니다.

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

RapidESC는 Multicopter를 즐기는 DIY 매니아층에서 잘 알려진 이름으로 상업적인 ESC를 말하는 것은 아니며, 기존의 상업적인 ESC들의 최적화된 하드웨어에 Multicopter에서 사용할 목적으로 여러가지 성능이 향상된 펌웨어를 다시 탑재한 ESC를 말합니다.

다음은 RapidESC의 사이트에서 말하는 RapidESC는 무엇인지를 번역하여 올리니 참고하시기 바랍니다.

http://wiki.openpilot.org/display/Doc/RapidESCs

The RapidESC initiative was started to give an honest source of information regarding pre-made and re-flashed ESCs that are modified for extremely high performance on MultiCopters.

RapidESC에 대한 동기는 Multicopter 상에서 매우 향상된 성능을 갖도록 개선하여 미리 만들어지고(pre-made) 다시 프로그램하기(re-flashed) 위해 필요한 정보를 제공하기 위해서 시작되었습니다.

The OpenPilot Team and developers such as Simon Kirby have been working hard to create Open Source firmware that offers the Rapid ESC response performance which greatly enhances multirotor performance.

Simon Kirby와 같은 OpenPilot 팀과 개발자들은 Multirotor의 성능을 크게 향상시키는 빠른 ESC 응답 성능을 갖는 오픈 소스 펌웨어를 만들기 위해서 열심히 연구해왔습니다.

What is RapidESC?

RapidESC는 무엇인지요?

So, what exactly is RapidESC and why do I need it?

그럼 RapidESC는 정확히 무엇이며 왜 필요한지요?

Standard ESCs are actually not designed for multirotor applications. They are programmed to increase and decrease the throttle command towards the motor in a gentle way. The reason for this is quite obvious. Imagine a motor accelerating and decelerating so abruptly in a helicopter or car... it would damage the gears and reductions in no time. In a multirotor application, we really want just the opposite. The goal is to change the motor speed, and thus the thrust, as fast as possible to achieve a perfectly stable platform.

표준 ESC는 사실 Multirotor에 적용할 목적으로 설계되지 않았습니다. 이것들은 스로틀 명령을 모터로 온화한 방법으로 올리거나 내립니다. 이러한 이유는 매우 분명합니다. 헬리콥터나 자동차에서 매우 갑자기 모터를 가속하거나 감속하는 것을 상상해보세요... 이것은 즉시 감속 기어를 손상시킬 수 있습니다. Multirotor 분야에서 우리는 사실 그 반대 특성을 원합니다. 목표는 모터의 속도를 변화시키는 것이고 그러므로 완벽하게 안정된 자세를 성취하기 위해서 가능한한 빨리 추진력을 얻는 것입니다.

While the current ESCs used in most multrotor applications work considerably well, there is a lot of room for improvement. Using the same ESC, but loading it with dedicated optimized software, will increase the handling and stability of your multirotor greatly.

대부분의 Multirotor 분야에 사용되어지는 현재의 ESC는 상당히 잘 동작하는 반면에 많은 개선의 여지가 있다는 것입니다. 동일한 ESC를 사용해서 이러한 최적화된 펌웨어를 탑재하는 것은 여러분의 Multirotor의 안정성과 조종성을 크게 증가시킬 것입니다.

We call this RapidESC: converting your regular lazy ESC into a high speed capable speed controller at no extra cost, ready for multirotor applications.

우리는 이것은 RapidESC라고 부릅니다: 여러분의 일반적인 느린 ESC를 Multirotor에 사용하기 위해서 높은 속도가 가능한 ESC로 바꾸는 것은 어떤 추가적인 비용도 들지 않습니다.

In the below movie you can clearly see the advantage of a RapidESC vs an ESC with stock firmware.

아래 동영상에서 여러분은 분명하게 상업적인 ESC와 RapidESC의 장점을 볼 수 있을 것입니다.

http://www.youtube.com/watch?v=FLKIOPbXVnM

About

This firmware designed as a replacement for many commercially available ESC designs based on the AVR MCU. It implements scalar sensor less method to drive Brushless Motor by detecting BEMF zero-crossing instants. The goal of this project is to create firmware most suitable to use in multi-rotors, using cheap and commercially available hardware.

이 펌웨어는 AVR 마이크로콘트롤러(MCU)에 기반을 둔 많은 상업용 ESC의 대체용으로 설계되었습니다. 이것은 BEMF zero-cross 순간을 감지하여 Brushless 모터를 구동하는 Sensorless 방법을 구현하였습니다. 이 프로젝트의 목표는 저렴하고 상업적으로 가능한 멀티로터(Multi-rotor) 기체를 사용하는 데에 가장 적당한 펨웨어를 개발하는 것입니다.

Features:

• Fastest possible power response.

• Up to 4000 steps of resolution.

• Low noise with comparatively high efficiency (Sigma-delta modulator, instead of fixed frequency PWM)

• Linear power response. (completely no "bump" at 100%)

• Jitter-free input PWM measurement without harware assisted input capture.

• Accepts any PWM update rate

• Sync recovery.

• Safe stall detection.

• Complimentary PWM support (AKA: active freewheeling, active rectification)

• Fixed throttle end-points. No need to calibrate. (since version 2.0.9 it is also possible to calibrate end-points using stick programming procedure)

• Automatic oscillator calibration.
  Enhanced PPM filter, preventing accidental motor startup (when FC is rebooted, for example)

• Configurable. The configuration parameters are stored in EEPROM. The Wii-ESC flash tool has visual parameters editor. No more stick programming.

• Modularity. The high-level implementation is separated from actual hardware with HAL layer.

• Portability. The firmware is written in C++, which means it can be easilly ported to different platform.

Supported Hardware:

For complete mapping between targets and real hardware, it is possible to use RapidESC Database. Currently tested targets:

펌웨어와 실제 하드웨어 사이에 완전한 매핑을 위하여 RapidESC 데이타베이스를 사용하는 것이 가능합니다. 현재 검증된 펨웨어는 다음과 같습니다.

• bs.hex

• bs_nfet.hex

• bs40a.hex

• kda.hex

• qynx.hex

• rb50a.hex

• rct30nfs.hex

• rct45nfs.hex

• tgy.hex

• tp.hex

• tp_nfet.hex

다음은 아래의 상업용 HobbyKing BlueSeries 40A(HK40A-bs) ESC에서 APC prop.을 장착하고 원래 출고당시 제품과 SimonK와 Wii-ESC 펌웨어를 탑재하였을 때의 추력 등의 특성을 서로 비교한 데이터입니다.

마지막으로 상업용 ESC에 재프로그램(reflashing)하는 절차입니다.

• Project Wiki

• RCGroups Thread

3D Robotics社에서 새롭게 출시하는 Pixhawk를 소개합니다.

Pixhawk is an advanced autopilot system designed by the PX4 open-hardware project and manufactured by 3D Robotics. It features advanced processor and sensor technology from ST Microelectronics® and a NuttX real-time operating system, delivering incredible performance, flexibility, and reliability for controlling any autonomous vehicle.

Pixhawk는 PX4 공개 하드웨어와 3D Robotics에 설계된 향상된 자동항법(autopilot) 시스템입니다. 이것은 ST Microelectronics社와 NuttX real-time operating system社의 향상된 프로세서와 센서 기술을 이용하여 무인 운전 비행체를 제어하는 데에 놀랄만한 성능과 유연성 그리고 신뢰성을 제공합니다.

The benefits of the Pixhawk system include integrated multithreading, a Unix/Linux-like programming environment, completely new autopilot functions such as Lua scripting of missions and flight behavior, and a custom PX4 driver layer ensuring tight timing across all processes. These advanced capabilities ensure that there are no limitations to your autonomous vehicle. Pixhawk allows existing APM and PX4 operators to seamlessly transition to this system and lowers the barriers to entry for new users to participate in the exciting world of autonomous vehicles.

Pixhawk 시스템의 장점은 집적화된 멀티스레딩, Unix/Linux 같은 프로그래밍 환경, 미션이나 비행 동작의 Lua  스크립팅과 같은 완전히 새로운 자동 항법 기능들 그리고 모든 프로세스에서 엄격한 타이밍을 보장하는 custom PX4 driver layer를 포함합니다. 이들 향상된 능력은 여러분의 무인 운전 비행체에 어떠한 제한을 두지 않도록 보장합니다. Pixhawk는 기존의 APM과 PX4 사용자들이 이 시스템으로 변화없이 쉽게 옮겨갈 수 있도록 하며 무인 운전 비행체의 흥미로운 세계에 참여하는 데에 새로운 사용자들에게 입문하는 장벽을 낮추게 됩니다.

The flagship Pixhawk module will be accompanied by new peripheral options, including a digital airspeed sensor, support for an external multi-color LED indicator and an external magnetometer. All peripherals are automatically detected and configured.

기함 Pixhawk 모듈은 디지털 대기 속도 센서를 포함한 새로운 주변기기 옵션을 포함하며 외장 multi-color LED 지시등과 외장 magnetometer를 지원합니다. 모든 주변기기는 자동으로 감지하며 인식될 것입니다.

Pixhawk 구성

- Pixhawk autopilot

- Buzzer

- Safety switch button

- I2C splitter module with 4-position connector cable

- 3DR power module with XT60 connectors and 6-position connector cable

- Extra 6-position cable to connect a 3DR GPS+Compass module

- Micro USB cable

- SD card and USB adapter

- Mounting foam

특징

- Advanced 32 bit ARM Cortex® M4 Processor running NuttX RTOS

- 14 PWM/servo outputs (8 with failsafe and manual override, 6 auxiliary, high-power compatible)

- Abundant connectivity options for additional peripherals (UART, I2C, CAN)

- Integrated backup system for in-flight recovery and manual override with dedicated processor and stand-alone power supply

- Backup system integrates mixing, providing consistent autopilot and manual override mixing modes

- Redundant power supply inputs and automatic failover

- External safety button for easy motor activation

- Multicolor LED indicator

- High-power, multi-tone piezo audio indicator

- microSD card for long-time high-rate logging

Specifications

마이크로프로세서:

- 32-bit STM32F427 Cortex M4 core with FPU

- 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash

- 32 bit STM32F103 failsafe co-processor

센서:

- ST Micro L3GD20 16-bit gyroscope

- ST Micro LSM303D 14-bit accelerometer / magnetometer

- MEAS MS5611 barometer

인터페이스:

- 5x UART (serial ports), one high-power capable, 2x with HW flow control

- 2x CAN

- Spektrum DSM / DSM2 / DSM-X® Satellite compatible input

- Futaba S.BUS® compatible input and output

- PPM sum signal

- RSSI (PWM or voltage) input

- I2C®

- SPI

- 3.3 and 6.6V ADC inputs

- External microUSB port

파워 시스템:

- Ideal diode controller with automatic failover

- Servo rail high-power (7 V) and high-current ready

- All peripheral outputs over-current protected, all inputs ESD protected

중량 및 크기:

- 무게: 38g (1.31oz)

- 폭: 50mm (1.96")

- 두께: 15.5mm (.613")

- 길이: 81.5mm (3.21") 

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.

쿼드콥터(Quadcopter)란?

쿼드콥터는 기존의 헬리콥터(Helicopter)를 변형한 것으로 퀴드로콥터(Quadrocopter)라고도 불리우며, 비행기처럼 고정익(fixed wing)이 아닌 여러 개의 회전익(rotor)을 가지는 멀티로터(mutirotor) 중의 하나라는 것입니다.

기존의 헬기는 회전익으로 메인로터와 테일로터로 구성됩니다. 때로는 소방방재헬기와 같은 호버링 특성 등의 안정성에 촛점을 둔 동축반전 방식의 헬기도 있으나 기동성이 떨어지는 단점이 있겠지요.

퀴드콥터는 메인로터와 테일로터 대신에 4개의 동일한 로터를 사용하여 안정성을 극대화하고 양력을 높여 수송에 탁월한 능력을 가질 것입니다. 또한 체공시간은 감소하더라도 여기에 1조(2개) 이상의 로터를 추가하여 양력을 더욱 개선시키는 것이 얼마든지 가능할 것입니다. 멀티로터는 마주보는 모터 축간의 거리에 따라 250, 450 등의 크기로 구분하며, 최근에는 레이싱 드론처럼 민첩성이 요구되어 250이 가장 대중적으로 알려집니다(단위: mm). 통상 100이하는 나노, 200이하는 미니, 650이상은 대형으로 불려집니다.

회전익(rotor)의 갯수에 따른 다양한 멀티로터(multirotor)의 형태

현재 쿼드콥터 형태의 실기가 존재하는 지는 모르지만 현재는 무인항공기(UAV)로 첩보용이나 전투용으로 각국에서 개발 중이고 최근에는 항공촬영 등 민간에서 많이 이용이고 취미생활로도 각광받는 레저스포츠정도가 되는 추세인 듯 합니다.

숲을 비행하는 쿼드콥터의 모습