요즘 쿼드곱터 제작에 대해 알아보는 중입니다. 인터넷으로 뒤지는 것만으로는 한계가 있어, 좀 체계적으로 정리된 책이 있었으면 했는데, 그런 책이 마땅한 게 없네요.


겨우 아마존에서 "Build Drone" 으로 검색한 결과가 이 책입니다. 책값이 $24, kindle 버전이 $12 나 되지만, 일반 책으로 따지면 50-60 쪽 정도나 될까 싶습니다. 그나마 현재 드론 제작에 관해서는 이 책이 유일합니다. 올 하반기 되면 두 권 정도가 새로 나오는 모양이네요.


저자가 드론으로 촬영하는 쪽엔 꽤 경험이 많은 전문가인 것 같으나, 제작하는 쪽은 거의 수박 겉핱기 정도로 자기가 어떤 부품을 모아 조립했다는 수준 정도라, 실질적으로 드론을 제작하는데는 별로 참고가 될 것 같지는 않습니다. (제가 아주 초보자라서 그나마 처음 보는 정보들도 있어 도움이 된 건 사실입니다.)

 


Quadcopter = Quad Rotor Helicopter


Chapter 1 멀티곱터란.


  • 여러개의 프로펠러(rotor)로 체공하는 기기. 헬기와는 달리 꼬리프로펠러없음. 
  • 로터의 갯수는 다양함 (2, 3, 4, 6, 8)



  • 비슷한 용어... 드론(Drone), UAV(Unmanned Aerial Vehicle), UAS
  • 대부분 멀티곱터는 시야(Line of Sight) 이내에서 운행. 
  • 드론은 시야를 벗어나서 자동운행 가능한 것들을 이름. 
  • 멀티곱터의 주요목적은 사진/비디오 촬영. 
  • 멀티곱터는 두가지 원리로 남. Lift/Toque. 
  • 헬리곱터의 경우 주익의 회전에 따른 반작용을 상쇄시키기 위해 꼬리 프로펠러가 필요함
  • 멀티곱터의 경우, 반대로 회전시킴으로써 이러한 효과를 없애어 기체 안정성을 유지함. 반은 CW, 나머지반은 CCW
  • Pitch(Y)/Roll(X)/Yaw(Z)


멀티곱터의 운동 원리



  • 위 그림 좌측에서 2/4번 로터는 시계방향으로 회전. 이에 따른 반작용으로, 기체는 반시계방향으로 회전하게 됨. 1/3번 로터는 이와 반대 효과. 따라서 이렇게 로터를 구성하면 기체가 안정적으로 유지됨.
  • 상하 운동은 간단. 4 개의 로터를 한꺼번에 빨리 돌리면 위로 상승. 천천히 돌리면 하강함.



  • 멀티곱터는 전후/좌우로 기울임(tilting)으로써 이동을 함.
  • 멀티곱터를 기울이면, 로터에 들어오는 공기 흐름의 방향이 바뀌게 됨. 예를 들어 앞쪽으로 숙이면(윗 그림에서 오른쪽 위) 공기가 위아래로 흐를 뿐 아니라 약간 뒷쪽으로 나가게 됨. 공기층이 뒤로 밀리는 만큼 작용/반작용 법칙에 따라 기체가 앞으로 전진하게 됨. 
  • 기체를 기울이는 방법은... 해당 방향의 앞쪽은 속도를 줄이고, 뒤쪽은 속도를 높여주면 됨.
  • 이러한 방식이 모든 방향에 공통이기 때문에 Rotor의 속도 조절만으로 기체를 기울이고, 이동시킬 수 있으므로 전통적인 기기(비행기나 헬기)에 대해 기계적으로 매우 간단함

 

구성요소

 

  • airframe - 클 수록 무거운 것을 나를 수 있지만, 크다고 반드시 좋은 것 아님. 목적에 맞는 균형
  • 모터와 프로펠러 - 
  • ESC(Electronic Speed Controller) - BLDC (Brush less DC)모터를 콘트롤 해주는 장치. 모터와 균형이 맞아야 함. 출력이 낮은 걸 사용하면 불이남.
  • 조정장치(Guidance System) - 여러가지 센서 값을 읽고 조정하는 값는 받아들여서 계산- 모터 조정

  • 윗 그림에서 동그란 것은 compass+GPS. 회색 박스중 뒷쪽에 보이는 것은 센서박스(가속도계, 자이로, 기압계) 앞쪽으로 보이는 것이 CPU. (DJI 의 Wookong M) 짐벌(gimbal)도 여기에 연결함

  • 위는 짐벌(gimbal). Photoship 에서 제작. 800달러정도

  • 송수신기. Futaba 나 Spektrum/JR 제품이 많이 사용됨. 사진은 Spektrum DX7s + AR8000

2장 턴키 시스템 구매(Buying Turnkey System)


  • 한번 만들거면 기성 제품이 낫다.
  • 안정적인 제품을 만들려면 비용이 많이 든다. 아니면 문제를 일으킬 수 있다. 수없이 테스트하고 조정하고 테스트하는 과정을 반복해야 한다.

  • 온라인 커뮤니티... 
    • RCGroups.com - 가장 큰 커뮤니티
    • youtube.com - 원하는 단어로 검색

  • GoPro 용 : 팬텀 시리즈. H3-2D, H3-3D gimbal. mini iOSD, 
  • 대형 카메라용 : MicroKopter MK Okto 시리즈, 또는 DJI Spreading Wings S1000 (Zenmuse 15 장착)


3장 부품 구하기


  • 수없이 많은 선택. 여기는 예제임.
  • 어떤 크기로? -> 자신의 목적에 맞게. 크면 비용 높아지고, 안정성이 떨어지고, 사고 생기면 피해가 큼
  • 로터의 수는? -> 많으면 안정성이 높아지나, 배터리 소모가 커짐
  • calculation -> 요구조건과 부품의 사양을 넣어서 현실적인지 계산해 주는 사이트
    • http://www.ecalc.ch/xcoptercalc.php?ecalc&lang=en
  • 프레임 -> 카본? 알루미늄? 
  • 프로펠러... 프로펠러가 정해지면, 모터가, ESC가, 배터리가 순차적으로 결정됨. 강하고, 바람을 잘 가르고, 가능한한 탄성이 없고, 가벼워야 함. 탄성이 있으면 모터등과 공조될 수 있음. 탄소섬유 좋음. 직경과 피치가 중요. 직경(diameter)는 간단. 피치(pitch)는... 중심부는 느리게 돌아감. 바깥일 수록 빠름. 따라서 공기 흐름을 맞춰 피치 각도를 설정. 날개는 2개를 많이 사용. 3-4개를 쓰면 양력이 좋지만, 저항도 많아져 배터리 소모가 많아짐. PConst(Power Constraint)... 프로펠러가 소모하는 에너지량. 대부분 1.3정도. 이 책에서는 14인치를 사용. 12인치 정도면 충분
  • 모터 -> 작은 프로펠러는 빨리돌고 큰 프로펠러는 천천히 돈다. cavitation(공동화) 방지를 위함. 프로펠러가 회전하면 고압부분과 저압부분이 발생하는데, 너무 빠르면 뒷 프로펠러가 저압부분까지 치고 들어오게 되어 효율성 낮아짐. 전기모터의 회전율 KV. 공급되는 전압 대 회전수(RPM) 좋은 모터는 350-600 KV. 14인치의 경우 500KV 내외. 
  • 브러시, 브러시리스. 브러시리스(brushless) 모터가 접접 마찰이 없어 오래가고 효율적. 극이 몇개인가? 극과 극사이에는 dead zone 있음. 이전 극과 다음 극의 사이. 진동 발생. 극이 많을 수록 회전이 부드러워짐. 여기에서는 Turnigy Multistar 4830(480 KV, 22 극)를 사용
  • ESC(Electronic Speed Controller) -> 전기적인 고장은 거의 여기서 발생. 불이 날 수도 있음. ESC가 견디는 전류 확인 필요. 여기에선 Multistar 45amp 2-6S 사용. BEC(Battery Eliminator Circuit) 도 고려해야 함. 일반적을 ESC에는 BEC 가 내장되어 있어서, 무전수신기(receiver)의 전원을 공급함. 대부분의 Guidance System은 직접 수신기에 전원 공급하므로, ESC에 BEC 가 없음. 
  • 배터리 -> 여러가지가 있지만 LiPo(리튬폴리머). 무게대 에너지 효율 짱. 전용 충전기 필요. S 레이팅 -- 배터리에 몇개의 셀이 있는가... 각각의 LiPo 는 3.7 볼트. 따라서 2S 는 7.4 볼트, 3S 는 11.1 볼트. mAH 값는 총전하량. 1000 mAh 면 1A 로 1시간. puffing... 사용이 많아지면 부풀어오름. 5000 mAh 1C이면 5A 까지 안심하고 뽑아쓸 수 있다는 뜻. 5000 mAh 30C 이면 150 A까지. 
  • 지금까지의 스펙을 사용해 계산을 하고... 조정을 함.

카메라 짐벌


  • 카메라의 기울어짐을 보상하여 카메라의 수평을 유지해주는 장비. 멀티곱터의 회전을 상쇄시켜 카메라를 안정시켜줌. Pitch 와 Roll을 상쇄함

  • 예전에는 한쪽방향(예 전방)만 바라봄. 요즘의 3축 짐벌은 yaw 의 효과를 완화시켜줌. 
  • 서보와 브러시리스 두가지가 있음. 브러시리스는 축을 전자기장에 부유하도록. 훨씬 좋음. 

Guidance System


  • 여러가지 위치 센서 데이터를 취합하여 계산 멀티곱터가 하는 일을 추정. 종류가 달라도 센서는 동일. 정확도와 속도가 차이남. 
  • GPS 센서...
  • 전자나침반(compass) -> 지구의 자기장을 측정하는 센서. Hall Effect. 멀티곱터 날리기전에 초기화 필요. calibration 하지 않으면 위험. 안되면 toilet bowling 이라는 현상 발생. 자기가 생각하는 방향과 틀리기 때문에 약간 동쪽/서쪽으로 이동하게 됨. 그 결과 소용돌이 치는 것 같이 움직임. 아니면 dog running... 좌우로 흔들리면서 앞으로 나감.
  • 고도(Altitude) 측정 -> Sonar...잡음이 많아서 측정힘듦... 요즘은 기압계(barometer) 사용. 
  • 자세(Attitude) 측정 -> 가속도계와 자이로 사용. piezoelectric 방식 - 아주 작은 수정구조물... 스트레스에 대응... 전기가 생성. capacitance 방식 - 센서 근처에 있는 아주 작은 구조물간의 정전용량 측량. 자이로는 Crystal, Ceramic, Silicon 방식이 있음. 
  • the CPU. CPU 가 느리면 과도한 보정이 일어날 수 있음. 
    • X-Aircraft - 별로 안좋다. 
    • ArduPilot - 오픈소스. 공식 릴리즈 있음. 
    • DJI - Big boy. Naza-M(팬텀에 사용됨. 작은 기체에 좋음), WooKong-M(큰 기체에 좋음), A2(최신, 최고)

Human Interface


  • FM 방식은 더이상 사용하지 않음.
  • Futaba 또는 Spektrum 이 많이 사용됨. (이 책에서는 Spektrum DX7s + AR8000)
  • 7 채널 이상 필요. 



제4장 드론 조립(Assembling)


  • 부품을 연결


  • Guidance System 프로그래밍 - 필요하다면 업데이트
  • WooKong S/W 등으로 확인
    • Motor configuration 지정. IMU/자이로 설치, RC 테스트, 모터 세팅, 배터리 세팅 등.

제5장 멀티곱터 비행


  • 시뮬레이터. http://www.realflight.com/

  • 일주일에 몇시간 정도 연습 필요.

제6장 FPV(First Person View) 장비



  • 구성요소
    • 카메라 : CMOS 타입을 많이 사용함. 빠르게 흔들리면 영상이 찌그러질 수 있음. 
    • OSD(On Screen Display) : Guidance 시스템에서 나오는 telemetry 데이터를 비디오에서 나오는 영상에 덧씌위 주는 장치. 원본 영상에는 아무런 영향이 없음


    • Video Transmitter(TX)/Video Receiver(RX) : 콘트롤하는 채널과 다른 주파수를 사용할 것. Spektrum 은 2.4GHz 사용하므로, 비디오는 5.8GHz 대역 사용. 이 책에서는 Immersion RC 제품 사용. cloverleaf 스타일의 안테나를 사용.
    • Monitor : 밝을 것. 햇빛 차단. 리모콘에 붙일 수 있을 것
  • 날리는 원칙
    • 공중의 안전이 우선
    • 법규를 지킬 것
    • 드론과 카메라를 지킬 것


7장 카메라 날리는 기법


  • 크레인 샷(crane shot) : 한지점에서 다른 지점으로... 고도를 높이면서(낮추면서) 촬영. 전진하면서 높이를 높이는 식으로 촬영. 조금씩, 부드럽게 움직여야 멋진 장면이 연출됨.
  • 돌리 샷(Dolly shot) : Dolly 란 바퀴달린 차위에서 카메라를 촬영하는... 듯한 방식. 한두사람이 차를 밀고 한사람은 촬영. 고도를 일정하게 유지하면서 수평방향으로 이동하면서 촬영. 전후방향(forward or backward)는 촬영하기 쉬우나, 측면 방향(sideways)는 촬영이 쉽지 않음. 특히 FPV 방식으로는 거리감각이 없어서 힘듦. 
  • 플라이 스루(Fly through) : 시각적으로 멋진 효과. 매우 기술적임. 장애물을 통과하면서 촬영. 연습이 많이 필요. 미리 시뮬레이터를 사용하여 연습할 것. 
  • 오빗 바이(Orbit by) : 약간 곡선을 이루며 날라가면서 안쪽 또는 바깥쪽을 계속하여 촬영. inside... 카메라를 회전중심쪽으로... 건물이나 사람 촬영시 좋음. outside... 고속으로 움직이는 bike 등을 촬영시 좋음.
  • 360 오빗(360 Orbit) : 어떤 한점을 360도로 돌아가면서 촬영. 스틱 움직임 자체는 어렵지 않으나, 거리를 일정하게 유지하면서 부드럽게 움직이는 것은 쉽지 않음.


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저는 구글어스를 보자 엄청난 충격을 받았습니다. 전통적으로 지도는 국가에서 제작하는 게 당연하다고 생각했는데, 웹과 구글이 그 생각을 완전히 깨 버린 겁니다. 지금은 MS까지 전세계의 3차원 지도를 서비스하겠다고 나서고 있는데, 우리는 무엇을 어떻게 해야 할까요?
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