Drone's DIYer

1. 오픈 소스 소프트웨어

오픈소스 플랫폼은 결국 크게는 두 가지로 분류 해볼 수 있다. Non-OS 기반의 펌웨어로 구성된 소프트웨어와 그에 맞는 FC 보드가 있고, OS(Embedded Linux, RTOS) 기반의 소프트웨어와 그에 맞는 FC 보드가 있습니다.

1. ArduPilot(https://ardupilot.org/)

ArduPilot은 세계 최대 아마추어 자작 드론 커뮤니티 DIY Drones(http://diydrones.com)에서 2007년부터 시작된 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 드론 프로젝트이다. 하드웨어로는 APM(ArduPilot Mega), pixhawk, pixhawk2이라 하여 Arduino 기반의 하드웨어를 자체 개발하여 사용하고 있습니다. 3D Robotics와는 자작 드론 커뮤니티 설립부터 함께 해왔기 때문에 3D Robotics 제품에 ArduPilot 기술이 포함되어 커뮤니티와 함께 성장하고 있다. ArduPilot은 드론용 제어 펌웨어는 물론 APM 미션 플래너(APM Mission Planner)라고 하는 그라운드 스테이션용 프로그램도 오픈 소스로 개발/제공하고 있습니다. 뿐만 아니라 ArduPilot은 드론 외에도 일반적인 헬리콥터, 고정익 비행기, 자동차 형태의 로버도 제어할 수 있게 제작되었습니다.

소스코드 https://github.com/diydrones/ardupilot

B. 드론코드(https://www.dronecode.org)

3D Robotics, 퀄컴, Walkera, 패럿, 바이두, Intel, 유닉 등등의 1,200개 이상의 업체가 참여하며 산업용 드론을 포함한 드론 코드로 발전하였습니다. 리눅스 재단이 2014년 Ardupilot, Pixhawk를 체계화 하여 독립적인 오픈 소스, 오픈 하드웨어를 갖는 Dronecode 프로젝트의 하나로서 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich) 출신의 Lorenz Meier가 중심이 되어 진행 중인 자동항법 시스템으로 학계와 마니아 커뮤니티에 표준화된 자동 조종 장치를 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 2007년부터 DIY Drones(http://diydrones.com)에서 오픈 소스로 진행 중인 프로젝트인 Ardupilot과 양대 산맥을 이루는 오픈 소스 프로젝트라고 볼 수 있습니다. 대표적인 하드웨어로는 Pixhawk와 같은 제어기가 있으며 거의 모든 종류의 비행기 뿐만 아니라 고급 기술이라고도 할 수 있는 수직이착륙형(VTOL) 기체에도 사용할 수 있도록 개발되었습니다.

DroneCode에서는 APM과 더불어, PX4 프로젝트도 통합할 예정으로 알려지며, Pixhawk3 이하 버전에서는 Ardupilot과 PX4가 모두 지원되었지만 Pixhawk4에서는 Ardupilot가 완벽하게 지원할지 모릅니다.

C. PX4 Autopilot(http://px4.io/)

Pixhawk 이후에 하드웨어 소프트웨어적으로 완전한 오픈 소스를 제공하는 Platform으로 다른 오픈 소스와의 가장 큰 차이점은 BSD 3-clause라는 라이선스를 사용하고 있다는 것인데, 이는 GNU GPL 류의 라이선스와는 달리 상업적으로 사용하고 수정하여도 공개할 의무가 없어 예를 들어, 퀄컴(Qualcomm)의 경우 스마트폰용 스냅드래곤 칩을 내장한 Snapdragon Flight를 내놓았으며, 강아지 목줄과 비슷한 형태의 Fotokite, 3DR사의 신제품 Solo drone, 액션 스포츠 촬영용 무인 항공기로 유명세를 치르고 있는 하늘을 나는 개 에어도그(Airdog), 연구용으로 많이 사용되는 AR. Drone 등의 보조 제어기로 사용되어집니다.

민간용 드론에는 각 사가 개발한 Embedded OS가 사용되었습니다. Embedded OS는 한정된 임무만 수행할 수 있었으며, 소프트웨어가 제각각이기 때문에 다른 드론 여러 대를 한번에 조종하는 데 한계가 있었습니다. 최근 드론이 수행하는 역할의 범위가 확대되고 소프트웨어가 관리할 센서와 부품수가 많아지면서 전용 OS의 필요성이 절실해진 상황이 되었고 개발을 진행 중에 있습니다.

소스코드 https://github.com/PX4/Firmware

D. MultiWii(http://www.multiwii.com)

MultiWii는 Multi-rotor RC 모델을 제어하기 위한 범용의 소프트웨어으로 초기에는 Nitendo Wii 콘솔의 자이로와 가속도 센서를 이용하는 것으로부터 시작되었으며 Arduino 환경에서 개발 가능한 8-bit 기반의 AVR 시리즈 마이크로컨트롤러를 사용하는 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 FC가 탄생하였습니다.

소스코드 https://code.google.com/p/multiwii

E. Afroflight32(https://github.com/multiwii/baseflight)

BaseFlight로 불리는 Multiwii에 STM32 시리즈 MCU를 채용한 32비트 펌웨어 버전입니다.

F. Cleanflight(http://cleanflight.com)

Cleanflight는 오리지날 8비트 MultiWii 코드의 32비트 버전인 BaseFlight가 이후에 다시 정리된 오픈 소스 비행제어 소프트웨어이고 레이싱 드론을 위한 소프트웨어로 자리매김 하였습니다. 그 이후 더 나아가 자이로센서의 정보를 동기화하는 기술을 접목시켜 BetaFlight를 완성하게 됩니다. 애시당초 CleanFlight에도 GPS 기능이나 RTH(Return to Home) 기능, Waypoint 기능이 있었지만 레이싱 드론의 특성상 진화의 수순이라는 것입니다. 이와 같은 기능들을 유지하고 강화한 iNav는 고정익 드론에서 널리 사용하게 되었습니다. 이외에도 연장선에서 변속기(ESC)도 32-bit STM32 시리즈를 이용한 FC 내부에 포함하는 RaceFlight가 탄생하였고 Kiss와 같은 완성도가 높은 유료 FC가 예입니다.

G. OpenPilot(http://www.openpilot.org)

OpenPilot은 일반 민간인과 연구용으로 사용할 목적으로 OpenPilot 커뮤니티에서 생성된 GNU GPL v3 라이선스의 오픈 소스 UAV Autopilot입니다. 멀티 콥터, 헬리콥터, 고정익 항공기 및 기타 차량을 위한 고성능 플랫폼입니다. 전세계 6,000여 명의 개발자가 모인 드론 OS 개발을 위한 큰 축 중 하나로 관련 기업들 중심인 드론코드와 달리 개발자 중심의 드론 OS 프로젝트입니다. 개발자들 중심으로 운영돼 커뮤니티 성격이 강하며, OS 뿐 아니라 드론 관련 하드웨어를 함께 개발하고 있습니다.

OpenPilot은 2009년에 시작된 FC 펌웨어(On-board firmware)와 지상 조종 스테이션(Ground Control Station)으로 구분해서 개발된 FC입니다. BaseFlight보다 더 다양한 확장성을 가진 LibrePilot을 탄생시켰고 로보틱스까지 다양한 하드웨어를 지원하였지만 2015년 사라지게 되었습니다. 이후 드론 연구와 드론을 이용한 연구에 적합한 소프트웨어인 TauLabs로 발전하였고 비행 본연를 즐기기 위해 오픈 소스인 dRonin이 개발되기도 하였는데, 손쉬운 설정과 함께 골치 아픈 PID 설정을 위한 자동 튜닝(Auto Tune) 기능을 자랑합니다.

H. AeroQuad(http://aeroquad.com)

AeroQuad는 GNU GPLv3 라이선스의 오픈 소스 하드웨어와 소프트웨어 프로젝트입니다. STM32 기반의 AeroQuad32 FC 보드와 AVR Arduino 기반의 보드로 구성되어 있다. 최신 버전은 2013년 1월 이후 개발이 중지된 상태입니다.

소스코드 https://github.com/AeroQuad/AeroQuad

I. Emlid(https://emlid.com)

RaspberryPi 보드에 확장보드 형태로 연결하여 Linux 기반으로 드론을 제어할 수 있도록 한 것입니다.

소스코드 https://github.com/emlid

J. Crazyflie(http://www.bitcraze.io)

GNU GPL v3 라이선스로 다른 오픈 소스 프로젝트들이 대부분 30cm 이상의 중/대형을 목적으로 만들고 있으나, Crazyfly의 경우는 Parrot의 나라 프랑스에서 2003년에 시작된 Paparazzi 등, 작은 소형 기체를 목적으로 하고 있습니다.

소스코드 https://github.com/bitcraze

2. 비 오픈 소스 소프트웨어

A. KK 보드

ATmega644PA MCU를 사용합니다.

B. NAZA

DJI사의 제품입니다.

나. Airware 드론 OS(https://www.airware.com)

Airware 비행제어 시스템은 가상의 어떤 상용 비행체에도 설치가 가능하게 하는 유연하고 확장가능한 모듈라 아키텍처 구조를 지향하는 드론 OS의 개념입니다. 그리고, 안전 민감한 비행 제어부분과는 별도로 어플리케이션 개발이 분리되어 있습니다. 구글벤처스, 인텔캐피탈, GE로부터 자금을 투자받았습니다.

4. 오픈 소스 하드웨어

가. Ardupilot 계열 콘트롤러

오픈 소스 FC 보드의 계열 중에 많이 사용하는 것 중에 하나로서, Arduino기반의 APM(ArduPilot Mega) 계열이 있고, 32비트 ARM 프로세서를 사용하는 Pixhawk 계열이 있습니다. 이들의 확장 버전으로 Dronecode가 있습니다.

나. MultiWii 계열 콘트롤러

가장 많은 사용자들이 사용하고 있는 오픈 소스 프로젝트 중의 하나입니다. 8비트 AVR MCU 기반의 CRIUS나 Flexbot이 있으며, 32비트 ARM 기반의 NAZE32가 있고, 그중 Cleanflight 펌웨어는 상당히 작고 안정된 펌웨어로 알려집니다.

다. OpenPilot 계열 콘트롤러

OpenPilot 계열은 32비트 ARM 기반의 CC3D가 있습니다.

라. Crazyflie 계열 콘트롤러

비트크레이즈사의 Crazyfly는 32비트 ARM 계열의 콘트롤러입니다.

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