Drone's DIYer

다음은 SG906 Pro 3 Max 드론의 장애물 회피 비행(Obstacle Avoidance Flight) 영상입니다.

참고하시기 바랍니다.

(물론 영어권이지만 장애물 회피 기능이 무엇인지 간략히 알 수 있는 비행 영상입니다)

https://youtu.be/oP83eQhYi84

각종 센서들이 측정한 상태측정치들은 각 센서들 고유의 오차 및 잡음이 포함되기 때문에 비행제어기에서 바로 사용할 수 없습니다. 센서융합기는 자이로 센서, 가속도 센서 및 지자기 센서가 측정한 드론의 회전운동 상태측정치와 GPS 수신기 및 기압 센서가 측정한 드론의 병진운동 상태측정치들을 적절히 융합하여 각종 오차 및 잡음이 최소화 된 상태추정치를 계산합니다.

자이로 센서(Gyroscope)

관성측정장치(IMU) 내부에 있는 3축 자이로 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축이 지구관성좌표에 대하여 회전하는 각속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값$\left(W_{{\mathrm{x.gyro,}}^{}}{W}_{{\mathrm{x.gyro,}}^{}}{W}_{{\mathrm{x.gyro}}^{}}\right)$을 계산합니다. 자이로 센서 측정치는 선형 미분방정식을 이용해 오일러 각도 $\left({\Phi }_{{\mathrm{gyro,}}^{}}{ϴ}_{{\mathrm{gyro,}}^{}}{\psi }_{{\mathrm{gyro}}^{}}\right)$로 변환될 수 있다. 자이로 센서 측정치는 저주파수 대역에서 바이어스(bias) 오차를 포함하기 때문에(즉, 드론이 정지해 있을 때에도 자이로 센서의 측정치가 '0'이 되지 않음) x, y, z 세 축에 대한 자이로 센서의 바이어스 오차가 제거되어야 합니다.

가속도 센서(Accelerometer)

자이로 센서의 스코프의 오차를 제거하기 위해 가속도 센서가 이용됩니다. 관성측정장치(IMU) 내부에 있는 가속도 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축의 지구관성좌표에 대한 가속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값 (fx,acc, fy,acc, fz,acc)을 계산합니다. 가속도센서 측정치 역시 오일러 각도의 '롤(Φacc)'과 '피치(ϴacc)'로 변환될 수 있으며, 이 값들은 자이로 센서의 측정치를 이용해 계산한 '롤(Φgyro)'과 '피치(ϴgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거하는데 이용됩니다. 하지만, 가속도 센서는 '요(yaw)'를 측정할 수 없기 때문에 자이로 센서를 이용해 측정한 '요(ψgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거할 수 없습니다.

지자기 센서(Magetometer or Compass)

지자기 센서를 이용해 드론 기체좌표 x, y, z 세 축의 자북점에 대한 방향을 측정합니다. 이 값을 이용해 기체좌표의 NED 좌표에 대한 '요' 값을 계산할 수 있으며, 센서융합기는 지자기 센서로 측정한 '요(ψmag)'를 이용해 자이로 센서 측정치 '요(ψgyro)'에 포함된 바이어스 오차를 제거합니다. 고정날개 드론의 경우 몸체 전면에 피토관(Pitot Tube)을 부착해 좀 더 정확한 '요' 값을 측정할 수 있으나, 드론의 경우 몸체가 회전하면서 날아가기 때문에 피토관을 이용하기가 어렵다는 것입니다.

GPS 수신기 

GPS 수신기는 GPS 위성들로부터 수신한 신호를 이용해 NED 좌표 상에서 드론의 병진운동상태, 즉 위도(Pn.GPS), 경도(Pe.GPS), 고도(hMSL.GPS), 위도상의 속도(Vn.GPS), 경도상의 속도(Ve.GPS) 및 고도상의 속도(Vd.GPS)를 계산합니다. 여기서 첨자 MSL은 해수면(MSL: Mean Sea Level)을 의미합니다.

기압 센서(Barometer)

GPS 수신기를 통해 수신한 위치 좌표에는 항상 5~10m의 오차가 존재합니다. 민수용 GPS 수신기는 L1 주파수밴드(1.5GHz)의 C/A(Coarse-Acquisition) 코드 혹은 L2 주파수밴드(1.2GHz)의 C/A 코드 둘 중의 하나만을 수신할 수 있습니다. 하지만 군사용 GPS 수신기는 L1 C/A와 L2 C/A를 동시에 수신할 수 있어 Diversity로 인한 이득을 얻을 수 있으며, 추가로 암호화 신호(Encrypted Signal) P(Y)를 수신할 수 있어 GPS 신호가 지구의 이온층을 통과할 때 교란되는 것을 보정할 수 있습니다. 이를 이온층 보정(Ionospheric Correction라 일컫습니다. 5~10m의 GPS 고도 오차는 주로 저공비행을 하는 드론의 지상시설물들과의 충돌 위험을 야기시킵니다. 따라서 별도의 기압 센서를 이용하여 고도(hALP.baro)를 측정하기도 한다는 것입니다. 여기서, 첨자 ALP는 기압(Air-Level Pressor)를 의미하며 드론의 이륙시 기압과 현재 비행고도에서의 기압을 비교해 이륙 지점으로부터의 현재 고도를 계산합니다.

센서융합기는 회전운동상태(ΦE, ϴE, ψE)만을 추정하거나, 회전운동 상태와 병진운동상태(Plon.E, Plat.E, hE)를 동시에 추정할 수 있습니다. 회전운동상태 만을 추정하는 센서융합기를 AHRS(Attitude & Heading Reference System)라고 부르고, 회전운동상태와 병진운동상태를 동시에 추정하는 센서융합기를 관성항법기(INS; Inertial Navigation System)라고 부릅니다.

AHRS를 이용한 센서융합기

AHRS 센서융합기는 보상필터(Complimentary Filter; 상보필터)를 이용하거나 확장 칼만 필터(EKF: Extended Kalman Filter)를 이용합니다. AHRS 보상필터는 고주파 대역 특성이 좋은 자이로 센서의 상태측정치(Φgyro, ϴgyro)를 고주파 대역 필터로 추출하고, 저주파 대역 특성이 좋은 가속도 센서의 상태측정치(Φacc, ϴacc)를 저주파 대역 필터로 추출한 후 합쳐서 자이로 센서의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, ϴE)를 비행제어기(FC)로 전달해 줍니다.

AHRS 확장칼만필더(AHRS-EKF)는 드론의 비행역학(Flight Dynamics)을 이용해 각종 오차를 제거하는 방법입니다. 자이로 센서를 이용한 측정치(Φgyro, ϴgyro, ψgyro), 가속도 센서를 이용한 측정치(Φacc, ϴacc), 지자기 센서를 이용한 측정치(ψmag) 및 GPS 수신기를 이용한 측정치(Vn.GPS, Ve.GPS, Vd.GPS)를 이용해 실시간으로 드론의 회전운동역학(Rotational Dynamics)을 확장 칼만 필터를 이용해 모델링하면서 자이로 센서 및 가속도 센서의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, ϴE, ψE)를 계산해 비행제어기로 전달해 줍니다. GPS 수신기로 측정한 병진운동상태 측정치(Pn.GPS, Pe.GPS) 및 기압 센서로 측정한 고도측정치(hALP.baro)는 융합과정을 거치지 않고 그대로 비행제어기로 전달된다.

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.

가성비가 좋은 드론으로 중국 Cheerson사의 CX-20 Auto Path-finder입니다. GPS Hold(오토호버링)와 Return Home(Auto Return), Headless Mode를 포함한 중급 기체로 성능 대비 가격이 30만원 대로 매우 저렴하다는 것입니다. 비행안정성이 매우 뛰어나지는 않지만 6축 자이로(Gyro) 시스템을 기반으로 하여 바람에도 잘 견딘다고 알려집니다.

※ Headless mode(Absolute mode): 기체가 어디를 향하고 있든 상관없이 조종자 기준으로 방향을 조종할 수 있는 기능으로, 조종자가 '왼쪽'으로 조종하면 원래는 '기체 기준' 왼쪽으로 움직이는데 이 mode를 적용하면 '조종자 기준' 왼쪽으로 움직이게 되어 이 기능이 탑재된 드론은 당연히 초보자가 조종하기 쉽다는 것입니다.

CX-20은 기본으로 GoPro를 장착할 수 있는 마운트가 있으며 앞뒤를 구분할 수 있는 LED도 갖추고 있습니다. CX-20은 여러가지 버전이 있으나 프론티어 정신에 입각하여 제조사가 제공하는 별도의 전용 프로그램이 없이, 오리지널(Open Source) 버전은 사용자가 자유롭게 변경할 수 있는 만큼 확장성이 뛰어나 DIY 매니아에게 적격이라는 것입니다.

다음은 간략한 CX-20의 스펙입니다.

• 크기: 30x30x20cm

• 색상: 흰색

• Brushless 모터 장착

• 2.4G 조종기(4 x AA 밧데리 미포함)와 수신기 포함

• 조종 거리: 약 300m

• 최대 고도: 약 300m

• Intelligent orientation control(IOC): Headless mode

• Failsafe & auto go home/landing

• Low voltage protection

• 최고 비행 속도: 10m/s

• 최고 상승 속도: 6 m/s

• 비행 시간: 최대 15분

• 3S LiPo 밧데리(2700mAh)와 balance charger(2-hour 충전) 포함

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.

ARM 기반에 32 비트 MCU(STM32 계열)을 사용하여 비행제어기 보드(Flight Control Board)와 ESC를 만든 AutoQuad 프로젝트를 소개합니다. MCU가 갖는 빠르고 강력한 이점 외에도 C언어 기반의 ESC를 포함한 완전한 오프 소스 프로젝트라는 것입니다.

AutoQuad is an Open Source firmware project with closed source hardware. It is aimed at providing a flight controller board with stabilization, dynamic flight and autopilot features. The community can enhance the AutoQuad code. The powerful hardware with a 32 bits MCU and a selection of the best IMU sensors form the base for the AutoQuad flight controller, the possibilities are endless and only limited by the imagination and skills of the coders.

AutoQuad는 비공개 하드웨어를 사용한 오픈 소스 펨웨어 프로젝트입니다. 이는 안정성과 역동적인 비행 그리고 자동 항법 특징을 갖는 비행 제어 보드를 공급하는데 목적이 있습니다. 이 커뮤니티는 AutoQuad 코드를 진보시킬 수 있습니다. 32 비트 MCU와 가장 훌륭한 IMU 센서들의 장착한 강력한 하드웨어로 AutoQuad 비행제어기의 기본을 갖추었습니다. 그 가능성은 무한하고 단지 코드를 프로그램하는 사람의 상상력에 의해서 제한될 뿐입니다.

The current code base is targeting multicopters up to 14 motors. However the platform is flexible and can be adapted to fixed wing or single rotor applications.

현재의 코드는 14 모터까지 장착한 멀티콥터를 목표로 합니다. 그러나 개발환경은 유연하고 고정익 혹은 단일 로터를 갖는 기체에도 적용될 수 있습니다.

AutoQuad has recognized the need for specially adapted speed controllers or ESC’s. During the initial project setup, an 32bit ESC is developed: the ESC32. As with AutoQuad, the ESC32 is based on open source code, but closed source hardware.

AutoQuad는 특별한 속도 제어기 혹은 ESC를 요구해왔습니다. 초기 프로젝트 착수 동안에 32 비트 ESC가 개발되었습니다: ESC32. AutoQuad와 함께 사용되어지기 때문에 ESC32는 오픈 소스 코드 기반이지만 비공개 하드웨어에 사용되어집니다.

다음은 실제 프로젝트의 로드맵(Actual Project Timeline)니다.

Actual Project Timeline

곧 발매될 두시텍(DusiTech)의 자동 항법기능을 갖춘 100만원대 국산 드론인 '케이엔드론(KnDrone)'의 스펙입니다. 참고하시기 바랍니다.

미국 코네티컷주(州)의 한 십대 소년이 권총이 달린 드론을 만들어 미국 당국이 수사에 나섰다고 알려집니다. 이 소년은 자신이 만든 드론(쿼드콥터; quadcopter)에 권총을 장착하였으며, 비행하며 4발의 총을 발사하는 장면이 담긴 동영상을 촬영하여 유튜브에 올렸다는 것입니다.

근래에 미국에서는 드론 비행이 단순한 레저스포츠 단계를 뛰어 넘어 정부주도하에 미래의 새로운 신성장동력으로 키우고 있는 실정에서 문제의 드론의 등장이 비록 사상자는 없지만, 미 전역에서 드론 사용 논란에 불을 짚혔다는 것입니다.

얼마전에는 드론을 이용해서 수 10km 떨어진 병원의 환자를 위한 의약품 배달을 성공적으로 완수하였지만, 테러리스트들이 이렇게 권총과 같은 무기를 장착한 드론을 이용하여 테러에 사용될 수 있으므로 미 군당국은 긴장하는 모양세입니다. 그러나 이 '권총 드론'이 개인 사유지에서 총알이 발사되어 현행법상에 무기를 장착한 드론을 처벌할 수 없다는 것입니다.

현재 미 연방항공국(FAA)와 연방 사법 당국이 형법을 위반하였는지 여부를 조사 중에 있지만, 관련법이 기술 발달의 속도를 따라가지 못하는 것은 분명하다는 것입니다. 앞으로 드론이 우리의 실생활에 어떠한 문명의 이기를 선사할지는 아직 모릅니다.

단순히 인간이 태고적부터 날고자 했던 로망을 드론을 빌어 이루었다는 성취감에서부터 조만간 각 개인을 한 사람씩 수 10m의 고도를 유지하며 싫어나르는 소위 역사상 가장 저렴한 보급형 자가용 드론시대의 출현이 도래할 수도 있다는 것입니다.

이러한 시대가 올바로 안착될 수 있도록 드론을 악용하여 타인의 인명이나 재산을 노리는 테러나 범죄 혹은 개인의 사생활을 캐는 용도로 악용할 소지를 원천차단하는 발빠른 관련법의 제정이 시급하고, 이러한 인프라의 재정비는 편리한 드론시대의 개막을 앞당기게 될 것입니다.

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.