Drone's DIYer

세계 소형 드론 시장의 80%를 점유하는 중국 DJI사가 저렴한 팬텀 시리즈에 이어 새로운 인스파이어 1(Inspire 1) 기체를 선보였습니다. 크기도 커지고 무게도 기존 팬텀에 비해 2배 이상 증가하였으며 반명에 밧데리는 작아져 체공시간이 줄어들었지만, 교체할 수 있기 때문에 한 팩탕 18여분 남짓 비행시간을 여분의 대용량 밧데리나 추가 밧데리 구입으로 커버할 수 있다는 것입니다.

6축의 자이로스코프와 하나의 가속도계로 작은 기울기의 변화나 움직임까지도 기체를 신속하게 반응시켜 안정화를 꾀하고, 밧데리가 약하거나 리모콘과의 통신이 끊키더라도 사용자가 있는 곳으로 안전하게 돌아갈 수 있는 페일세이프(failsafe)을 가졌으며, 오직 버튼 하나를 누름으로써 이착륙이 가능해졌다는 것입니다.

인스파이어 1은 비행하는 동안 사용 가능한 밧테리 양이 실시간으로 표시되며 이에 얼마나 더 비행이 가능한 지 쉽게 파악할 수 있습니다. 게다가 강화된 알고리즘은 기체와 조종사와의 거리를 계산하고 돌아오는 데 걸리는 시간까지 예측하여 미리 알려주고, 밧테리의 전반적인 수명 및 상태까지 알려준다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 것은 4K 비디오를 촬영할 수 있고 Sony CMOS 센서의 장착으로 양질의 영상을 보여 줄 수 있다는 것입니다. 게다가 카메라의 짐벌 모듈을 분리하여 차후 업그레이드의 용장성을 감안하였고 수납시 편리함을 도모하였으며, 전용 카메라 만으로 무선으로 제어할 수 있는 범위가 넓어져 별도의 고프로와 짐벌의 조합이 필요없다는 것입니다.

인스파이어 1이 흔들림이 없는 영상을 담을 수 있는 원리는 플라이트 컨트롤러의 비행 데이터로부터 초고속 프로세서를 채택하여 세계 최초 3축 짐벌인 오스모(OSMO)의 움직임과 기울기를 빠르고 정확하게 실시간으로 조절하기 때문이며, 이를 구동하는 BLDC 모터들은 높은 정밀도와 긴 수명을 보장한다는 것입니다. 뿐만 아니라 카메라를 터치하고 드래그하여 회전 및 기울기를 줄 수 있으며 핑거팁을 사용하여 위, 아래 전체 360˚ 범위를 조절할 수 있다는 것입니다.

동시 2개의 리모콘을 지원하는 듀얼 조종 기능으로 한 명은 마스터 컨트롤러로를 다른 한 명은 슬레이브 컨트롤러를 활용하여 수준 높은 영상을 담을 수도 있습니다. 마스터 컨트롤러는 기체를 조종할 수 있고 슬레이브 컨트롤러는 짐벌과 카메라의 방향을 조정할 수 있으며, 두 리모콘 모두 인스파이어 1으로부터 실시간 영상 데이터를 제공받을 수 있습니다. 리모코 자체에 듀얼 안테나와 외부로 스마트폰이나 모니터를 연결가능한 HDMI와 USB 단자를 갖고 있습니다.

인스파이어 1

다음은 인스파이어 1의 기존 팬텀 기체와의 간단한 비교 자료입니다.

인스파이어 1은 전용 가방이 기본으로 제공되어 휴대성을 간편하게 하였지만 밧데리 팩 등의 무게를 감안한다면 결코 가벼운 것은 아니어서 차라리 백팩이 더 어울릴 듯 하며, 수백만원의 높은 가격대는 항공촬영 전문가가 아닌 이상 레저용으로 부담이 너무 큰 것이 단점이라는 것입니다.

인스파이어 1의 전용 가방

암(Arm)는 카본 재질이고 스키드는 프라스틱 재질이어 이착륙시 어느 정도 흠집이 예상되며 기존의 구형 프로펠라를 장착시 프로펠러가 고속으로 회전하는 동안 고정핀이 풀리는 현상이 있었지만, 인스파이어 1은 원터치 방식으로 프로펠러 고정하여 프로펠러를 데고 눌러서 돌리기만 하면 자동으로 고정되는 방식이라 탈착 뿐만 아니라 안전성이 개선되었다는 것입니다.

인스파이어 1은 항공촬영이나 예능 및 다큐 영상 제작 전문가들에게도 손색이 없는 1,200만 화소의 사진과 4K 영상 촬영을 할 수 있는 전용 카메라를 장착하고 있으며, 좌우 360˚와 상하 회전이 가능하고 정교하며 기체의 다이나믹한 비행에도 떨림이 최소화되어 양질의 사진과 영상을 얻을 수 있다는 것입니다.

인스파이어 1의 3축 짐벌과 카메라

인스파이어 1 기체에 장착된 짐벌

인스파이어 1의 전용 리모컨은 IOS나 안드로이드 운영체재의 스마트폰 혹은 스마트 패드를 자유자재로 쉽게 장착할 수 있게 마련되어 있어서 카메라 화면을 실시간으로 확인하며 조종할 수 있습니다.

스마트 패드를 탑재한 인스파이어 1 리모콘

인스파이어 1의 리모콘 윗면 

인스파이어 1의 두드러진 특징은 비행모드와 랜딩모드(혹은 착륙모드)가 달라 마치 변신 로봇처럼 이착륙 시 모습이 달라진다는 것입니다. 랜딩모드에서는 지상에서 기체의 안정된 착지와 카메라 및 짐벌을 보호하는데 유리한 자세인 반면, 비행모드에서는 비행에 유리한 무게 중심을 유지하고 좌우로 360도 회전하는 짐벌로 인하여 랜딩기어가 찍히지 않도록 마치 '날으는 독수리'의 형상을 갖는다는 것입니다. 이는 모두 버튼 하나로 자동으로 이루어진다는 것입니다.

랜딩모드

비행모드

인스파이어 1이 이륙 영상

인스파이어 1의 착륙 영상

인스파이어 1은 곡선형 자석을 이용하여 BLDC 모터를 모터 안의 기류 차이를 줄이고, 효율성을 증가시켰다는 것입니다. 또한 여러 개의 구리선으로 되어 있었던 권선은 밀도 높은 한 줄의 와이어로 대체하고 PMSM의 사인파 제어를 함으로써 빠르고 강한 추력으로 강력한 호버링 특성을 제공한다는 것입니다. 게다가 적은 저항력을 확보하고 타이트한 구리 굴곡은 열을 더욱 빠르게 발산시키며 모터의 수명도 연장시켰다는 것입니다.

인스파이어 1의 모터 디자인

인스파이어 1의 호버링 기능을 나타내는 영상

드론은 GPS를 활용해 자동 조종이 가능하지만 실내에서는 GPS 신호가 도달하지 못하므로 자동 조정이 불가능합니다. 그러나 인스파이어 1은 기체에 장착된 초음파 센서와 카메라를 이용하여 위치를 판별하므로 실내에서도 안정적인 비행과 촬영이 가능하다는 것입니다. 이는 카메라로부터의 비쥬얼 데이터와 초음파 센서로부터의 수중 음파 탐지를 결합한 것으로써 지형의 변화와 현재 고도까지 측정할 수 있기 때문이라는 것입니다.

기체에 장착된 초음파 센서

인스파이어 1의 비행 영상

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

BLDC 모터는 다시 Sensored 모터와 Sensorless 모터로 나뉘어지는데, Sensored 모터는 이를 구동하기 위한 엔코더(Encoder)나 홀센서(Hall sensor)와 같은 회전자(rotor) 검출 Sensor 등을 가진 형태이며, Sensorless 모터는 이러한 Sensor가 없는 모터를 말합니다.

다음은 기존이 DC 모터와 일반적인 Sensored BLDC(Brushless DC) 모터의 장단점을 요약하였습니다.

장점 :

1) Brush가 없으므로 전기적, 기계적 잡음이 적습니다.

2) Brush의 마모가 없으므로 반영구적이며 유지보수가 필요없으며 고속회전에 무리가 없습니다.

3) 또한 기계적 접점이 없으므로 고속화가 용이합니다.

4) 기계적 접점에서 스파크(아크)나 잡음 등의 에너지 손실이 없어 밧데리 효율이 개선됩니다.

5) 기계적 접점이 없으므로 신뢰성이 높고 모터의 소형화와 경량화가 가능합니다.

6) 따라서 EMI 회로가 필요없습니다.

7) 홀센서로부터 모터의 속도를 정확히 알 수 있으므로 일정속도제어 및 가변속제어가 용이합니다.

8) 자석을 이용하기 때문에 전력 밀도와 효율성이 상대적으로 높습니다.

단점 :

1) DC 모터에 비해 제어가 복잡해집니다.

2) 별도의 구동회로가 요구됩니다.

3) 위치 검출 소자와 구동회로가 요구되어 단가가 상승합니다.

4) 회전자에 영구자석을 사용하므로 저관성화에 제한이 있습니다.

대표적인 Sensored BLDC 모터는 CD-ROM에 사용되는 Spindle 모터입니다.

CD-ROM의 Spindle 모터

Sensorless BLDC 모터는 RC에 사용되는 대부분의 모터입니다.

멀티콥터에 사용되는 HP4108 모터

모터(motor)란 전기에너지를 이용하여 회전 토크(torque)를 얻는 장치로, RC에서는 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻기 위해 반드시 필요합니다. 과거에는 DC 모터를 이용하였지만 최근에는 비용을 최소화하기 위한 초소형 기체를 제외하고는 Brushless DC 모터를 채택하게 된다고 알려집니다.

Brushless DC 모터란 Brush가 없는 DC 모터로 이하 BLDC로 약칭합니다. BLDC가 대중화된 이유는 여러가지가 있을 것입니다. 아래는 일반적인 DC 모터의 내부 모습니다. 케이스 안쪽에 영구자석을 부착하고 철심(core)에 코일(coil)을 감은 회전자(rotator)를 서로 베어링을 이용해 고정하고 Brush를 이용하여 DC 전압을 회전자에 급전하면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 회전하게 됩니다.

이때 Brush는 기계적인 기구로 회전자에 의해 접점이 마찰되면서 닳을 수 밖에 구조이며, 회전시 모터의 역기전력(Back Ekectro-motive Force, BEMF)과 합세하여 스파크를 발생시키고 어쿠스틱 소음(acoustic noise)을 만들게 됩니다. 이러한 스파크와 소음은 결국 밧데리의 소모를 부추기게 됩니다.

BLDC 모터를 사용하면 우선 Brush로 인한 스파크와 소음이 없어져 반영구적인 모터의 수명 뿐만아니라 밧데리의 효율을 증가시켜 RC 기체의 체공시간을 길게 만들어 줍니다. 또한 일반 DC 모터의 소음은 콘덴서를 모터의 양 단자에 연결하여 줄일 수는 있지만, MCU 기반에 정교하게 동작하는 비행제어기(Flight controller)나 전자변속기(Electronic Speed Controller, ESC)의 오동작을 초래할 수도 있다는 것입니다.

기존의 RC 기체는 동력원으로 엔진을 사용하였지만 근래에 밧데리 용량과 방전 특성 그리고 안전성이 크게 개선된데다가 BLDC 모터의 채용으로 중소형 기체에서는 엔진에서 모터로 옮겨가는 추세라는 것입니다. 이로 인하여 엔진을 사용시 연료나 그으름으로 누더기 되었던 기체의 관리가 쉬워졌고 소음이 줄어들어 정숙비행이 가능해졌다는 것입니다.

Brush를 사용한 DC 모터와는 달리, BLDC 모터는 철심에 코일이 감긴 고정자(stator)와 안쪽에 자석이 부착된 케이스로 구성되어 케이스가 회전하는 소위 '통돌이 모터'라고도 부릅니다. 하지만 기계적 기구인 Brush가 하던 일을 다른 방식으로 해주어야 하니 전자변속기라는 별도의 제어기가 필요하게 됩니다.

RC용 전자변속기는 대부분 마이크로컨트롤러(MCU)와 H-bridge를 구성하는 트랜지스터들과 그 주변회로 구성되며, 현재 회전자의 위치를 파악하여 다음 위치로 회전시키기 위한 구동 신호를 가하는 방식으로 동작합니다.

일반적으로 산업용으로 사용되는 BLDC 모터는 엔코더(encoder)라는 장치나 홀센서(Hall sensor)가 모터에 부착되어 회전자의 현재 위치를 알려주는데 RC에 사용되는 BLDC 모터는 이러한 장치가 없어 전자변속기를 더욱 복잡하게 만듭니다. 하지만 고성능 MCU의 출현으로 어렵지 않게 구현이 가능해졌는데 이러한 기술 또한 엔진을 전기모터로 대체하는 요인 중에 하나가 될 것입니다.

통상 홀센서를 가지는 BLDC 모터는 전력을 공급받는 3상의 리드선과 별도의 홀센서 리드선이 다수가 필요하여 신뢰성이 중요한 RC 기체에서는 꺼리게 되었지만, 그 보다도 RC 기체가 비행하는 외부조건이 다양한데 홀센서는 이러한 외부조건에 취약하고 [기계적] 엔코더 타입의 모터는 소형화와 경량화가 어렵다는 것입니다.

ESC는 Electronic Speed Controller의 약자로 우리말로 '전자변속기'라고 부릅니다. ESC는 밧데리로부터 전기를 전기모터에 공급하는 장치로 멀티콥터(Multicopter)를 비롯한 각종 RC 기체에 회전 동력을 필요로 하는 곳에 사용하여 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻거나, 멀티콥터의 짐벌(gimbal)에 응용하여 기계적 장치를 움직이게 합니다.

과거의 엔진기체에는 전기모터가 필요없지만 근래에는 밧데리 용량과 방전 특성이 크게 개선되어 전기모터를 동력원으로 하는 기체가 대중화되었습니다. 기존의 DC 모터를 사용하는 경우, 기계적 브러쉬(brush)로 회전자에 전기를 급전하기에 기계적 접점이 불가피하여 모터가 회전시 스파크나 소음이 발생하는 등 효율이 좋지 않고 모터의 수명 또한 단축되었습니다.

최근에는 이러한 기계적 접점을 없앤 브러쉬리스(brushless; BLDC) 모터가 등장하여 소음도 현저히 줄어들고, 반영구적이며, 효율이 개선되어 RC 기체의 정숙비행과 체공시간의 증대로 전동기체가 범람하게 되었습니다. 기존의 DC 모터를 구동하기 위해서는 스로틀(throttle)의 위치에 따라 트랜지스터(transistor)와 같은 액티브 스위치(active switch)를 PWM 형태로 개폐하므로 장치가 간단하지만 브러쉬리스 모터를 사용하는 경우 장치가 매우 복잡해지고 단가가 상승하게 됩니다.

BLDC 모터를 구동하는 ESC는 8-bit PIC나 AVR 시리즈 등의 마이컴(Micom)으로 정교하게 제어하는 방법을 채택하고, 상용 ESC의 제조사는 하드웨어를 제작하고 여기에 펌웨어(Firmware)를 적절히 튜닝하여 시판하게 됩니다. 최근에는 멀티콥터가 대중화되면서 이에 걸맞는 성능을 갖춘 예를 들어, 빠른 응답 특성을 가진 ESC를 필요로 하게 되었습니다.

이러한 요구는 전 세계적으로 ESC를 자작(DIY)하려는 매니아나 동호회를 등장시켰습니다. 대다수는 ESC는 동일 클럭에서 속도가 빠르고 내부에 A/D 컨버터나 비교기 등의 고기능을 지원하는 AVR를 사용하는데, 대부분 어셈블러(Assembler) 수준에서 펌웨어를 개발하기 때문에 일반인이 접근하기에는 쉽지 않다는 것입니다.

Wii-ESC는 멀티위(MultiWii) 등의 멀티콥터에 최적화된 ESC 펌웨어를 만들기 위한 오프 소스(open source) 펌웨어 개발 프로젝트로 전 세계적으로 여러 사람이 참여하고 있으며, 어셈블러가 아닌 C 언어 기반이므로 일반 매니아층도 펌웨어의 이해와 수정이 가능하여 자기만의 멀티콥터에 최적화된 펌웨어를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

다음은 Wii-ESC 프로젝트의 링크이며 소개를 간단히 번역한 것입니다.

(번역이 원문과 상이하거나 매끄럽지 못한 부분은 댓글로 남겨 주시면 감사하겠습니다)

http://code.google.com/p/wii-esc/

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 MCU에 기반을 둔 많은 상용 ESC를 위한 대체용으로 개발되었습니다. 이것은 역기전력(BEMF)이 '0' 레벨을 지나가는 순간(ZC point)를 감지함으로서 BLDC 모터를 구동하는 sensorless method를 구현하였습니다. 이 프로젝트의 목표는 저렴한 상용 하드웨어를 사용하여 멀티콥터에 가장 적합한 펌웨어를 만드는 것입니다.

* Sensorless method

BLDC 모터는 센서(sensor)의 유무에 따라 크게 두 가지 구분하는데, CD-ROM 모터로 대표되는 센서를 가진 BLDC 모터는 제어기가 간편해질 수는 있으나 모터에 센서가 장착되어 단가가 올라가고, 혹한 환경에서 센서의 정밀도가 떨어지며, 모터 외부로 추가적인 배선이 요구되는 등 고장이 쉽다는 것입니다. 하지만 센서 없는 BLDC 모터는 이를 구동하는 제어기가 복잡해지는 단점은 있지만, MCU의 지속적인 성능 개선으로 얼마든지 이를 극복할 수 있으므로 근래에 보다 선호하게 되었다는 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.