Drone's DIYer

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

근래에 PC와 랩톱, Portable 장치들에서는 RS232C 포트가 사라진지 오래되었습니다. 기존의 RS232C 포트는 기구적으로 소형화에 걸림돌이기도 하며, 넓은 대역폭으로 빠른 전송 속도와 Plug & Play 등의 장점을 앞세운 USB 포트로 대체되었습니다.

하지만 아직도 AVR을 비롯한 많은 MCU들은 여전히 기존 시리얼 통신 방법을 채택하고 있습니다. 한편 이런 MCU와 PC간의 interactive 제어나 수행 결과를 모니터하기 위해서는 USB 통신을 지원하는 범용 툴을 사용하거나 사용자가 Win32 Application을 직접 제작하여야 한다는 것입니다.

이렇듯 사용자는 PC의 USB 포트로 통신하는 Win32 Application을 기존의 시리얼(RS232C) 통신 프로그램과 마찬가지로 ReadFile(), WriteFile() 혹은 DeviceIoControl() 함수를 이용하여 구현하게 됩니다. 그런데 USB 통신에서는 물리적인 장치에 접근하기 위해서 드라이버(예를 들어, *.sys)가 필요하게 되는데, 좀더 구체적으로 MS Windows 환경하에서는 Windows가 장치에 접근하기 위해서 Windows Driver Model(WDM) 드라이버가 필요하다는 것입니다.

USB 드라이버는 어떻게 해야 할지요?

가장 좋은 방법은 사용자가 직접 자신이 사용할 드라이버를 드라이버 제작 툴(예를 들어, Jungo社의 WinDriver)을 이용하여 만드는 것입니다. 하지만 그리 쉬운 작업이 아니므로 두 번째 방법인 USB 드라이버 칩 제조사가 제공하는 드라이버를 가져다 사용하는 것입니다. 예를 들어, Cypress社나 FTDI Chip社의 칩셋을 사용하는 경우 각 社에서 제공하는 드라이버를 무료로 사용할 수 있습니다.

이러한 드라이버는 범용이기에 필요없는 오버헤드로 인해 다소 느릴 수는 있지만, 대부분의 USB 통신에서 만족할만한 결과를 얻을 수 있을 것입니다. 그러나 최신 아두이노(Arduino) 보드에서는 위와 같은 칩셋을 사용하지 않고 ATmega16U2를 사용하니 세 번째 방법인 직접 드라이버를 일일이 제작해야 합니다.

하지만 다행이도 아두이노는 다음과 같이 설명합니다.

http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno

The Uno differs from all preceding boards in that it does not use the FTDI USB-to-serial driver chip. Instead, it features the Atmega16U2 (Atmega8U2 up to version R2) programmed as a USB-to-serial converter.

우노는 FTDI USB-to-serial 드라이버 칩을 사용했던 모든 이전 보드와 다름니다. 대신에 USB-to-serial 컨버터로써 프로그램된 Atmega16U2를 사용합니다.

The '16U2 firmware uses the standard USB COM drivers, and no external driver is needed. However, on Windows, a .inf file is required. The Arduino software includes a serial monitor which allows simple textual data to be sent to and from the Arduino board. The RX and TX LEDs on the board will flash when data is being transmitted via the USB-to-serial chip and USB connection to the computer (but not for serial communication on pins 0 and 1).

'16U2 펌웨어는 표준 USB COM 드라이버를 사용합니다. 그리고 어떤 외부의 드라이버도 필요하지 않습니다. 그러나 Windows 상에서 *.inf 파일이 요구됩니다. 아두이노 소프트웨어는 간단한 텍스트 기반의 데이터를 아두이노 보드로 송수신하기 위한 시리얼 모니터(serial monitor)를 포함합니다. 보드상에 RX와 TX LED들은 컴퓨터의 USB와 USB-to-serial 칩을 경유하여 데이터가 전송될 때 반짝일 것입니다(pin 0 그리고 pin 1 상에 시리얼 통신을 위한 것이 아닙니다).

A SoftwareSerial library allows for serial communication on any of the Uno's digital pins.

SoftwareSerial 라이브러리는 우노의 디지털 pin들이 시리얼 통신을 가능하게 합니다.

The ATmega328 also supports I2C (TWI) and SPI communication. The Arduino software includes a Wire library to simplify use of the I2C bus; see the documentation for details. For SPI communication, use the SPI library.

ATmega328은 또한 I2C(TWI)와 SPI 통신을 지원합니다. 아두이노 소프트웨어는 I2C 버스의 사용을 간단화하기 위한 Wire 라이브러리를 포함합니다. 자세한 사항은 문서를 확인하세요. SPI 통신에 대해서는 SPI 라이브러리를 사용하세요.

그러므로 아두이노 보드는 별도의 USB 드라이버를 사용하지 않고 표준 USB COM 드라이버를 사용하므로 기존의 RS232C 통신과 동일한 Win32 함수로 데이터를 송수신하는 사용자 전용 통신 프로그램을 제작할 수 있습니다. 간단히 모니터를 위한 것이라면 아두이노 IDE 환경에서 제공하는 '시리얼 모니터'로도 충분하리라 생각됩니다.

아두이노(Arduino)가 오픈 소스 플랫폼으로 자리잡은 이유는 AVR 칩이 제공하는 Self-programming 기능으로 거슬러 올라갑니다. Self-programming 기능이란 칩의 퓨즈를 적절히 설정함으로써 부팅시 Application 영역이 아닌 Boot 영역으로 시작 지점이 변경된다는 것입니다.

한편, AVR 칩은 추가적인 하드웨어 구성 없이 USART나 TWI, SPI 등으로 통신이 가능한데, 칩이 Boot 영역에서 수신된 데이터를 감지하고 Application 영역을 변경할 수 있다는 것입니다. 이러한 기능은 3세대 AVR 칩에서 등장하여 펌웨어의 유지 및 보수 목적으로 특히 가혹한 원격지에서 펌웨어 업그레이드에 유연성을 주기 위함이었습니다.

따라서 이러한 기능이 가능하게끔 작성된 Bootloader를 최초 한번 JTAG이나 ISP를 이용하여 펌웨어를 프로그래밍을 하면 아두이노는 그 다음부터 ISP 없이 USART로 프로그램의 간단히 업로드가 가능하게 됩니다. 결국 아두이노 보드는 아래 회로도에서와 같이 별도의 ATmega16U2 칩을 이용해 USB로 데이터를 송수신하고, 이를 다시 ATmega328 칩에 USART 규격으로 통신하는 구조를 가집니다.

요약하면 아두이노 IDE 환경은 AVR 칩에 최초 Bootloader를 탑재하여 PC의 USB 포트로 C 코드인 스케치(Sketch) 파일을 컴파일하고 이를 아두이노 보드로 추가의 하드웨어 없이 전송하여 쉽고 빠른 개발환경을 제공한다는 것입니다. 게다가 아두이노 IDE 환경에서 함께 제공하는 Serial Monitor를 이용해서 클릭 한번으로 그 결과를 바로 확인할 수 있다는 장점을 가집니다.

최근, IC뱅큐(http://www.icbanq.com)에서는 Intel 갈릴레오 보드의 무상 체험단을 모집 중이라고 알려집니다.

수행해야 하는 미션이 있지만, 400MHz의 매력적인 CPU 속도와 C 언어를 지원하는 Arduino 개발환경과 호환되어 고성능을 하드웨어를 구현하는데 도전해 볼만한 제품인 듯 합니다.

http://www.icbanq.com/shop/event_list.asp?number=233&paging=&b_type=EVENT#eventTop

아두이노(Arduino)는 오픈 소스(Open Source)를 기반으로 한 단일 보드(board) 마이크로 컨트롤러입니다. 2005년 이탈리아 사람에 의해서 최초 만들어지기 시작한 프로젝트로 현재에도 진행 중에 있으며 Arduino는 이탈리아어로 영어의 'Best Friend'와 같은 의미를 가진다고 알려집니다.

아두이노는 대부분 Atmel社의 ATmega8이나 ATmega32U4, ATmega168, ATmega328, ATmega2560 등을 탑재한 보드로 이들 마이크로 컨트롤러에 탑재할 펌웨어(Firmware)를 개발하는 환경에서부터 컴파일 및 독립적으로 작동할 수 있도록 업로드 과정이 편리하여 최근에 전 세계적으로 인기를 끌고 있습니다. 

2011년에는 구글의 안드로이드(Android)가 아두이노를 하드웨어 파트너로 선택한 이유도 이런 확장성과 편리함 때문에 상호간에 시너지 효과를 기대해 보자는 것으로 풀이되며, 이러한 추세에 힘입어 얼마전에는 Intel社에서도 아두이노 플랫폼에 자사의 Quark Processor를 탑재한 갈릴레오(Galilo)를 출시하였는데, 이러한 것도 내내 동일한 맥락이라는 것입니다.

갈릴레오 보드

하드웨어에 서툰 사람들조차도 아두아노에 관심을 가지게 만드는 이유는 요구하는 제품이 기존의 AVR의 개발환경에 비하여 뚜렷하게 간소화됨으로 말미암아 편리함일 수도 있지만, 이러한 과정들이 복잡하지 않아 소프트웨어 제작이나 다양한 하드웨어 DIY(Do It Yourself)를 즐기는 사람들에게 호기심을 불러 일으키기에 충분하였기 때문일 것입니다.

그럼 아두이노는 어떤 장점이 있는지 요약하여 봅니다.

1) 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 간소화 되었다는 것입니다.

가장 큰 장점으로 기존의 AVR 프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하여 별도의 ISP 장치를 통해 업로드 해야하는 번거로운 과정을 거쳐야 하는데, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 보드 내 USB 포트에서 PC의 USB 포트로 케이블을 연결하는 것만으로 쉽게 업로드 할 수 있다는 것입니다.

2) Windows를 비롯한 Mac OS X 및 Linux와 같은 다양한 OS 환경을 지원합니다.

3) 다양한 소프트웨어와 연동이 가능하다는 것입니다.

사용자들이 기존에 즐겨 사용하여 익숙했었던 Flash나 Processing, Max/MSP, Android, Object C, Labview, Pure Data 등과 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다는 것입니다.

4) 가격이 저렴합니다.

사실 마이크로컨트롤러를 배우고 싶어서 강좌를 듣거나 데모보드를 구입하려면 최소한 수 십만원 정도 이상을 호가하는데, 이에 비해 아두이노 보드는 상대적으로 매우 저렴하다는 것입니다.

5) 아두이노는 오프 소스입니다.

아두이노는 보드의 회로도가 공개되어 있으며 개발환경 조차도 오픈 소스이고 이로 인해 각종 회로도나 펌웨어 소스가 웹상에서 다량 공유되어 있다는 것입니다. 뿐만 아니라 여러 개발자들이 만들어 놓은 라이브러리 조차도 공유되어 개발 시간을 단축시키고 있다는 것입니다. 

다음은 아두이노 포럼입니다.

http://forum.arduino.cc/

현재 가장 많이 사용되는 아두이노는 보드는 기본형 우노(Arduino UNO)로써 손바닥만한 크기를 가지면서 ATmega328을 탑재하고 있는데 6개의 아날로그 입력단자와 14개의 디지털 입출력단자를 지원합니다. 이러한 입출력 단자들은 우노 보드에 위로 쌓아(Stack-up) 연결된 확장보드(Shield 보드, Shield-up 보드)에 서로 연결되고, 사용자는 1개 이상의 이들 확장보드에 주변회로를 직접 꾸며주게 됩니다.

Multiwii(멀티위) 보드는 멀티콥터(Multicopter)를 제어하는 비행제어보드(Flight Control Board, FCB) 중의 하나이며, 이 제어보드를 구동하기 위한 아두이노(Arduino) IDE에 기반을 둔 공개 소스 소프트웨어(Open source software)를 Multii라고 합니다. 최근에 Multiwii는 Autopilot-Mega(APM)와 나란히 전 세계적인 대중화를 이끄는데 특히 Multii는 가격 경쟁력 면에서 우수한 비행 제어보드로 알려집니다.

Multiwii에 대한 자세한 정보는 다음의 링크를 참고하시기 바랍니다.

http://www.multiwii.com/

또한 Multiwii 비행 제어보드를 구동하기 위한 [공개] 소프트웨어 혹은 펌웨어와 GUI 설정 프로그램은 다음 링크에서 다운로드 받을 수 있습니다.

http://code.google.com/p/multiwii/

근래에 사용되어지는 Multiwii 비행 제어보드는 CRIUS MWC Standard Edition(SE) Flight Controller v2.5로 특징은 다음과 같습니다. 여기서 MWC는 'Multiwii copter'를 의미합니다.

CRIUS Multiwii Standard Edition(SE) v2.5

Features:

• 6 PWM input channels for standard receiver or PPM SUM receiver

• Up to 8-axis motor output [Up to Hexacopter]

• Supported 2-axis gimbal and auto trigger controll

• FTDI/UART port for upload firmware, debug, Bluetooth module or LCD display

• I2C port for extend sensor, I2C LCD/OLED display or I2C-GPS NAV board for GPS and Sonar

• Ultra low noise 3.3V LDO voltage regulator

• ATMega 328P Microcontroller

• MPU6050C 6 axis gyro/accel with Motion Processing Unit(3축 자이로 + 3축 가속도 센서)

• HMC5883L 3-axis digital magnetometer(3축 지자계/나침판 센서)

• BMP085 digital pressure sensor(기압/압력/고도 센서)

• PCA9306DP1 logic level converter

Multiwii 소프트웨어 즉, 펌웨어(firmware)는 아두이노 AVR 개발보드인 Pro Mini, Pro Micro 또는 Mega를 이용하여 업로드할 수 있으며, 3축 자이로 + 3축 가속도 센서는 기체의 자기 안정화를 위해서 필요하고, 기압(압력, 고도) 센서는 게체의 고도를 고정할 때에 요구되며, 3축 지자계(나침판) 센서는 기체의 진행방향을 고정(locked heading or heading hold)시키기 위해서 필요합니다.