드론의 구성(소프트웨어, 기타 장비 등) 3탄

안녕하십니까~~~

 

오늘은 드론의 구성 3탄 "소프트웨어, 기타 장비, 항법 시스템 등"에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

서론

드론이 제 기능을 원활하게 수행하도록 만드는 기술은 "내장된 소프트웨어, 비행제어장치, 항법시스템, 카메라"등 있습니다.

 

1. 드론의 소프트웨어란?

드론의 소프트웨어 기술은 자율비행, 항법시스템, 충돌 회피, 인공지능, 스왑 등으로 분류할 수 있다.

 

첫째, 자율비행은 항공기가 조종사의 직접 혹은 원거리 통제 없이 스스로 비행하는 것이다. 오스트레일리아 민간항공규은 자율비행 항공기를 항공기 비행 중에 조종사의 간섭이 이뤄지지 않는 무인항공기'로 정의한다.

 

미국 국방부는 무인비행장치의 자율성을 통제하는 기준을 'human operatedsystem', 'human delegated system', 'human supervised system', 'fully autonomous system' 등으로 구분했다.

 

• 1단계 'human operated system'은 조종사가 드론 운영과 관련된 모든 시스템을 통제하는 것을 말한다.
• 2단계 'human delegated system'은 엔진 통제, 자동통제 등은 인간이 통제하지 않는 것이다.
• 3단계 'human supervised system'은 다양한 임무를 수행하는데 인간의 허가나 지시를 받는 형태이다.
• 4단계 fully autonomous system'은 인간이 입력한 명령대로 비행하지만 추가로 명령을 받지는 않는다. 하지만 비상시에는 드론의 안전을 위해 조종사가 관여하게 된다.

진정한 의미의 자율비행은 4단계라고 볼 수 있다. 하지만 아직 기술개발이 완벽하지 않아 4단계까지 진보하지는 못했다.

 

비행의 안정을 유지하는 소프트웨어도 자율비행 장치 중 하나다. 군사용과 같이 특수 임무를 수행하는 드론은 미리 입력된 비행경로에 따라 비행할 수 있다. 비행기나 새 등과 충돌하지 않고 피할 수 있는 기술도 필요하다. 다른 드론으로부터 공격을 당하거나 난류 등 갑작스러운 날씨 변화에 따라 대처할 수 있는 기술도 필요하다.

 

둘째, 항법시스템은 자동차나 비행기가 한 장소에서 다른 장소로 이동할 때 움직임을 모니터링하거나 통제하는 프로세스를 말한다. 항법시스템의 프로세스는 1단계 상황추정, 2단계 현재 위치 파악, 3단계 지각, 4단계 상황인식 등으로 구성된다.

 

• 1단계 상황추정은 비행기의 상황에 관련된 변수를 추정하기 위해 탑재한서를 사용하는 프로세스이다.
• 2단계 현재위치 파악은 항공기가 지도나 환경 내의 어떤 위치에 존재하고 있는지 추정하는 것이다.
• 3단계 지각은 주변 환경의 모델을 구축하기 위해 센서의 자료를 사용하는 능력이다.
• 4단계 상황인식은 주변 환경에 대한 사물과 미래 환경에 나타날 프로젝트를 결정하는데 지각을 사용하는 프로세스이다.

 

셋째, 충돌회피기술은 수동적 회피 기술, 능동적 회피 기술이 있다. 전자는 지상에서 조종사가 화면이나 레이더를 통해 비행체를 관측해 충돌을 탐지하고 회피하는 것을 말하고, 후자는 드론에 장착된 센서가 지상 조종사의 도움 없이 스스로 충돌을 회피하는 것을 말한다.

 

넷째, 인공지능 기술은 다양한 외부환경 변수에 스스로 대응할 수 있는 능력을 키워나가는 능동적 학습능력을 포함한다. 미국 ICT기업인 뉴 랄라는 드론이 카메라를 이용해 스스로 물체를 인식하는 소프트웨어를 개발했다. 드론이 촬영한 영상을 스마트폰으로 전송해 특정 타깃을 지정하면 드론이 자율적으로 판단해 타깃을 따라가면서 촬영할 수 있다.

미국 MIT대학은 드론이 비행 중 장애물을 만나면 비행경로를 스스로 변경할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 비행 주변 환경에 관한 데이터를 수집해 장애물을 판단한다.

 

다섯째, 스왐 기술은 자율성을 높이면 드론 상호 간에 협력하게 만들 수 있다. 자동으로 통제하는 능력을 개발하는 것이 중요하며 주변의 드론과 즉시 통신해 상황을 파악할 수 있도록 도움을 준다.

 

하나의 드론이 배터리가 소진된 다른 드론의 임무를 이어받을 수 있다. 이렇게 될 경우 비행거리는 더 길어진다. 비행거리를 넘어선 경우나 피해를 입은 드론의 임무를 대신하게 되는 것이다. 이러한 기능은 센서의 네트워킹에 의해서 가능하다.

 

군사용 드론이 적군을 추적하다가 타겟의 무리가 2개 이상의 팀으로 갈라질 경우 개별 드론이 각각 임무를 맡아 추적을 유지할 수 있다. 현재 미군이 운용하고 있는 군사용 드론인 글로벌 호크도 일정 부문 다수의 드론이 편대비행을 유지하면서 1대가 지휘소 역할을 수행하고 있다.

 

2. 비행장치제어(FC)의 기능

드론을 안정적으로 날도록 하는 장치가 비행제어장치(Flight Controller)이다. 헬리콥터에는 기본적으로 테일 1축 자이로가 사용되며 드론에는 3축 자이로가 장착된다.

 

보통 수평을 잡기 위한 3축 가속도 센서까지 포함된다, 위치를 파악할 GPS, 방위를 파악할 지자기 센서, 저고도에서 정확한 고도 유지를 위한 초음파 센서, 고고도에서 정확한 고도 유지를 위한 기압 센서 등이 연결된다. 비행제어장치를 개발하는 회사는 다음과 같다.

 

3. 드론에 사용되는 기타 장치

드론에 사용되는 장치는 송신기/조정기, 수신기, 변속기, 모터, 프로펠러, 컨트롤보드, 배터리 등이다. LED, FPV를 위한 고글, 무선 영상 송수신 장치, OSD(비행체 모니터링) 장치, 카메라, 짐벌 등이 있다.

 

비행체를 자동 제어하는 GPS, 지자기 센서 등도 있다. GPS 장비를 장착할 경우 자동으로 이착륙이 가능하고, 특별한 기술이 없어도 호버링을 마음대로 할 수 있다.

 

바인딩은 조정기와 드론을 연결하는 것을 말한다. 기본적으로 조정기와 드론이 1:1로 연결되지만 1:N으로 연결되는 경우도 있다.

 

드론의 전원을 켠 후 조정기의 전원을 넣고 조종기 콘트롤러를 조작하는 과정이 바인딩이다. 조정기가 드론을 조작할 수 있는 거리가 정해져 있어 이 범위를 넘어서면 조종이 불가능하므로 가시거리 이내에서 운용해야 한다.

 

캘리브레이션(Calibration)은 드론과 조종기 기준을 다시 설정하는 작업을 말한다. 일정 기준 이상의 비행을 하게 되면 지자기 센서와 조종기 간에 오차가 발생하는데 이를 보정하는 작업이 캘리브레이션이라고 볼 수 있다.

 

드론에 장착되는 모터는 브러시리스 DC 모터이다. 코일을 기계적인 브러시가 아닌 트랜지스터로 변환하는 것으로 브러시가 없기 때문에 스파크가 발생하지 않고 가스 폭발의 위험도 없다. DC 보통 모터보다 수명이 길기는 하지만 값이 비싼 것이 흠이다. 코일에서 제공되는 전력의 양은 방향, 속도, 양력 등에 직접적으로 영향을 미친다.

 

4. 드론용 카메라

드론에 카메라는 장착하는 것이 유행하면서 드론용 카메라 제조업체도 주목을 받고 있다. 고프로는 액션 카메라 브랜드를 생산하는 선두업체이다. 멀티 스펙트럼 카메라는 농업용에 많이 활용되는데 농작물의 병충해 피해 여부를 파악하거나 가뭄 등을 쉽고 빠르게 판단할 수 있다. 초음파 센서를 갖춘 카메라는 환경오염 등을 모니터링할 수 있다.

 

미국 레이더전문 개발업체 에코 다인은 소형 레이더 장치인 메사를 개발했다. 무인자동차에 이용되고 있는 레이저 레이더와 유사한 기능을 하며 소형으로 드론에 장착할 수 있다.

 

FPV은 1인칭 시점으로 드론에 장착된 카메라를 통해 원격으로 영상을 송출해 자신이 드론에 탑승한 것과 같은 느낌을 받도록 한 장치이다. 영상을 전달하는 주파수는 2.4 Ghz나 5.8 Ghz를 사용한다.

 

인간의 시야가 제한돼 있기 때문에 FPV를 사용해야만 장애물이나 목표물을 확인할 수 있다. 레저용 드론으로 레이싱 경기를 할 경우에도 장애물을 회피하는 것이 중요하고, 군사용 드론에도 원격영상을 통해 적정을 파악하거나 타깃을 확인할 수 있다.

 

드론 산업에서 가장 급격하게 성장하고 있는 영역 중 하나가 영상으로 촬영한 항공 데이타 처리와 분석이다. 사진의 정확성을 높이고 처리 시간을 줄이는 것이 관건이다. 스위스 벤처기업인 Pix4는 드론으로 촬영한 사진을 3D 지도로 제작하는 기술력을 보유하고 있다.

 

5. 드론 조종기 구성

드론의 조종기는 포트, 스틱, 트림, 스위치 등 조작 장치로 구성돼 있다.

 

포트는 볼륨과 같이 돌려서 값을 정할 수 있는 다이얼을 말한다. 조종기의 볼륨부터 멀티콥터의 카메라 짐벌까지 조작이 가능하다.

 

스틱은 2개로 러더(Rudder), 스로틀(Throttle), 엘리베이터 (Berator), 에일러론(Aileron)와 같은 4개의 값을 입력할 수 있다.

 

트림은 멀티콥터가 한 방향을 기울거나 중심을 잡기 위해 스틱의 중심을 옮겨야 할 경우에 사용하는 스위치이다. 예를 들어 스틱을 조작하지 않는데도 멀티콥터가 시계 방향으로 회전을 한다면 러더 스틱의 트림을 왼쪽으로 설정해 기체가 돌지 않도록 조종할 수 있다.

 

스위치는 On/Off, Low/Mid/High 같이 설정된 값만 조작할 수 있는 장치다. 멀티콥터의 시동 스위치나 비행모드 설정에 사용된다. 배터리의 상태를 알려주는 배터리 경고 등, 비행시간을 측정하는 타이머도 있다. 텔레메트리는 멀티콥터의 전파 수신 상태를 모니터링하는 장비이다.

 

캘리브레이션은 포트와 스틱에서 받은 정보가 충분한 범위를 가지도록 조정하는 것을 말한다. 익스포낸셜은 스틱의 감도를 구간별로 설정하는 것을 의미한다.

 

오늘은 드론의 구성체에서 필수적인 "소프트웨어, 항법장치, 기타 장치" 등에 대해서 알아보았습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사드리며, 다음에는 "공중항법의 기본 요소와 항법시스템, 군사용 드론의 기술" 등에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

감사합니다~