Drone's DIYer

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.

드론(Drone)의 쓰임새가 날로 다각화되고 있습니다. 최근에 국가 재난안전통신망에 '드론' 기지국을 도입한다는 것입니다. 이는 재난 상황 발생 시 부족한 통신 커버리지를 확보하기 위해서 임시로 중계기를 장착한 드론을 띄워 복구되기까지 사용하는 신개념 재난안전통신망 솔루션이라는 것입니다.

이외에도 KT는 평창 알펜시아 스키점프센터에서 재난안전통신망 시범사업 추진방향 발표와 함께 재난 상황에 대비한 '드론 LTE' 등 통신서비스를 선보였는데, 드론 LTE는 초경화된 기지국으로 15kg 무게 일반 기지국 통신장비를 800g까지 줄여 150m 상공에서 기지국 역할을 담당한다는 아이디어입니다. 

기존 기지국을 운영할 수 없거나 통신이 불가능한 지역에 사용되어 5대 드론을 편대로 운용하면 여의도 규모 지역 커버리지가 가능하다는 것인데, 이에 KT는 2018년까지 최장 비행시간 40분, 운영반경 20km, 탑재 중량 5kg 고성능 드론을 상용화할거라는 것입니다.

전 세계 드론 시장은 2020년에 20조원 규모로 성장할 것으로 예측되는데, 현재의 주요 관건은 비행거리와 체공시간이라는 것입니다. 밧데리 기술의 개발로 적은 무게의 밧데리가 순간적으로 많은 전류를 공급할 수 있어 엔진기에서 전동모터를 동력으로 하는 드론의 출현은 엄청난 변화였지만, 짧은 비행거리와 20여분 밖에 되지 않는 체공시간은 여전히 아킬레스건이라는 것입니다.

한편 KT의 드론 LTE에 국내 처음으로 재난 통신망에 의한 원격 제어 시험을 성공적으로 마친 한 국내 기업이 자동항법 기능을 갖춘 100만원대 상업용 드론 개발에 성공하였다고 알려집니다. 이는 가격 경쟁력을 무기로 개인 취미용 소형 드론 시장을 석권하고 있는 중국을 따라잡을 수 있는 혁신적인 제품으로 평가받고 있다는 것입니다.

이는 전파항법 전문기업으로 알려진 두시텍(DusiTech)이라는 기업으로 신개념 상업용 드론인 '케이엔드론(KnDrone)'을 개발하였고 곧 본격 양산한다고 밝히고 있습니다. 이 케이엔드론은 스스로 목적지까지 찾아가 임무를 수행할 수 있는 자동항법 기능을 내장하여 수동 조종기 필요 없이 중앙통제시스템이 원격 비행명령으로 임무를 수행할 수 있도록 해준다는 것입니다.

현재 3D 지형정보 등 정밀 좌표 촬영 임무를 수행하거나 무인수송 등 자동이착륙이 가능한 무인 비행기는 모두 자동항법 기능을 갖춰야 하며, 전 세계적으로 자동항법 기능을 갖춘 드론은 대당 가격이 수천만원을 호가하여 민간에서 상업용으로 활용하기에는 가격이 너무 비싸 일부 군수용으로만 활용되어 왔다고 전해집니다.

실제로 민간에서 사용되는 드론은 사람이 수동조작기로 드론이 해당 목적지에 도착할 때까지 일일이 수동으로 조작하는 방식으로 대당 가격은 자동항법 기능을 갖춘 고가 제품보다 적지만 수백만원으로 가격 경쟁력이 뛰어나다는 중국산 드론도 300만원대에 판매되고 있는 실정이라는 것입니다.

이에 케이엔드론은 자동항법 기능을 갖추고 중국산 드론과 견줘도 가격은 1/3 수준으로 가격 경쟁력까지 모두 잡은 혁신적인 제품으로, 제조사인 두시텍은 드론 핵심기술인 위성항법, 관성항법 원천기술을 보유하고 있으며, 그동안 항공, 우주, 해양, 철도 등 공공서비스 및 국방시장에서 다양한 프로젝트 수행 경험과 풍부한 노하우로 기술력을 인정받았다는 것입니다.

게다가 드론 생산에 필수적인 센서 품질을 고가 센서 수준으로 필터링할 수 있는 기술도 두시텍만의 경쟁력으로 꼽을 수 있는데, 필터 기술은 전파를 노이즈 없이 깨끗하게 찾아내는 기술로, 신호 품질을 좌우한다는 것입니다. 뿐만아니라 위성항법장치(GPS), 자이로, 지자기센서, 온도센서, 고도센서 등 핵심 센서 7~8개를 융합할 수 있는 기술력도 갖추고 있는데, 이들 센서 간 융합은 드론의 안정적 비행에 없어서는 안 될 핵심 기술이라 알려집니다.

드론(Drone, 무인기) 등을 이용한 '무인 택배' 전쟁이 가속화되고 있다고 알려집니다. 아마존닷컴이 무인기 옥토콥터를 이용하여 구매 직후 30분 안에 물건을 배송하겠다고 밝힌 이후, 구글과 종합물류회사 DHL도 '무인택배' 경쟁에 뛰어들었다고 전해집니다. DHL은 최근 드론을 이용해 의약품을 옮기는 배달 테스트에 성공하기도 했고 구글 역시 모든 과정을 무인화한다는 계획이라고 밝혔다는 것입니다.

이러한 무인택배 시스템의 핵심은 무인기로 무인기의 두뇌 역할을 하는 운영체제(OS) 개발은 그 중에서도 핵심일 수 밖에 없는데, 선진국들이 앞다퉈 자신들이 개발한 운영체제로 택배 전쟁을 가열차게 진행하는 가운데, 우리나라 역시 무인항공기에 탑재되는 운영체제를 개발해 화제가 되고 있다고 알려집니다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 항공기의 두뇌와 같은 역할을 하는 운영체제 개발에 성공하였고, 이미 국산 무인항공기에 탑재해 시험에도 성공하였으며 개발에 성공한 항공용 실시간 운영체제의 이름을 '큐플러스 에어(Qplus-Air)'라고 명명하였다는 것입니다.

ETRI 측은 항공기 운영체제 개발은 신뢰성과 안전성 보장 측면에서 검증하는 게 어렵고 또한 기존 시스템은 일부 소프트웨어 업그레이드 시에 전체를 교체하는 등 비용과 시간적인 측면에서 문제가 많았지만, 큐플러스 에이를 적용하게 되면 외산 의존성에서 탈피할 수 있게 됨은 물론, 쉽게 시스템 교체도 가능해 상당한 기대효과를 불러일으킬 것이라고 밝힘니다. 특히 세계 최대 방산업체인 록히드 마틴사社도 향후 전투기는 무인 전투기로만 개발될 것이라고 선언한 바 있어 더욱 더 ETRI의 운영체제 개발에 의미가 더해지고 있는 상황이라는 것입니다.

항공 운영체제인 큐플러스 에어를 이용한 무인항공기 시연모습

무인항공기는 근래 세계에서 가장 '뜨거운 감자'로 부상하여 미국이 對 테러 전쟁에서 정찰과 암살용으로 드론을 활용하면서 부각된 무인기는 이제 군사용을 넘어 각종 극지 탐사와 경찰, 상업용으로 저변이 넓어짐과 동시에 다양한 분야에서 활약할 것으로 기대되고 있습니다.

이런 가운데 ETRI는 개발된 운영체제로 '알티스트(대표 손동환)'라는 연구소 기업을 창업하여 본격 상용화 채비에 나섰으며, 이미 검증은 수차례 시험을 통해 진행되었고 지난해 말, 미국 연방항공청의 소프트웨어 안전성 기준 최고 등급인 DO-178B Level A를 획득한 것에 이어 실제 적용에도 성공했다는 것입니다.

ETRI가 개발한 운영체제의 특징은 IMA, 통합모듈구조에 있는데 항공기의 무게와 전력소모를 줄이기 위해 국내 최초로 지원, 무인기나 항공기의 체공시간과 작전반경을 높이는 데 필수적인 차세대 기술로 평가받고 있으며 이미 개발 과정을 통해 국제 특허도 12건 출원했으며, 논문도 14편 발표되었다고 알려집니다.

큐플러스 에어 운영체제(OS)를 적용한 한국항공우주산업(KAI)의 무인비행기 시제품

향후 ETRI는 연구소 기업을 통해 국산 기동헬기인 수리온과 소형무장헬기(LAH)를 비롯한 한국항공우주산업이 생산하는 헬리콥터들에 본 운영체제를 적용할 방침이며, 또 이러한 성공을 바탕으로 항공전자, 무기체계, 원자력 등 안정성이 높이 요구되는 다양한 고신뢰 시스템 적용도 추진중에 있다고 밝혔습니다.

기술개발을 총괄한 ETRI 임베디드SW 연구팀은 통합모듈구조의 실시간 운영체제는 유무인기, 자동차, 우주, 로봇 등과 같은 산업이 점차 전자화, 융복합화 됨에 따라 적용 범위가 넓어지고 있어 국내 산업의 경쟁력을 높이는 데 필수적인 기술이며 해외제품에 의존도가 커서 국방 자립화 측면에서도 국산화가 큰 의미가 있다고 말하며, 한편 실시간 운영체제 올해 세계 시장 규모는 1조3000억으로 추정되고 국내는 무기체계 시장만 300억원 규모로 예상된다고 알려집니다.