드론 자료실

호버링에 필요한 센서

강철선생 칼럼니스트 2019.01.02
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강철선생입니다. 


오늘 이야기할 내용은 호버링에 대한 것인데요. 


드론에 입문해서 처음 접하게 되는 용어가 바로 호버링이 아닐까 하는 생각이 듭니다. 


호버링이란 "제자리 비행" 즉, 드론을 공중에 가만히 띄워 놓는 것을 뜻하죠. 


드론이라는 녀석은 공중을 날아다니기 때문에 이 "호버링" 이라는 것이 상당히 중요합니다. 생각보다 공중에서 한 위치에 가만히 있는 다는 것이 쉽지가 않거든요. 

 

특히 드론의 이동 원리를 아시는 분이라면 감이 오실것입니다. 


드론은 (일반적인 쿼드콥터 기준) 4개의 모터 속도를 다르게 하여 몸체를 기울임으로써 이동을 하거든요. 



 




즉, 드론의 몸체가 조금이라도 수평이 맞지 않으면 기울어진 쪽으로 이동을 합니다. (기울어진 정도가 심할수록 빠르게 이동을 하겠죠. 완구드론의 스피드 조절 기능의 원리가 이것입니다.) 


그런데 드론의 동력인 모터가 기계장치인 이상 아무리 똑같은 성능인 모터를 사용한다고 해도, 또 각각 모터에 똑같은 양의 전류를 흘려준다고 해도 완전히 똑같이 돌 수는 없습니다. 또한 모터가 완전히 똑같이 돌아간다고 해도 프로펠러의 미묘한 모양 차이나 피치(프로펠러의 날개가 비틀어진 정도) 차이에 의해 추력이 달라질 수 있죠. 


그래서 센서를 사용하게 됩니다. 이 수평을 유지하기 위해 필요한 센서가 자이로스코프 센서와 가속 센서(엑셀레로미터) 입니다. 


이 두가지 센서가 수평을 감지하여 기울어진쪽의 모터를 조금 더 가속시키는 방식으로 수평을 맞춰줍니다. 즉, 드론이 가만히 떠있다고 해도 드론의 두뇌인 FC(Flight Controller)는 계속해서 센서로부터 들어오는 정보를 처리하여 모터를 제어하고 있는 것 입니다. 


이렇게 수평유지만 하면 제자리에 가만히 떠 있을 수 있느냐하면 그것도 그렇지 않습니다. 


수평유지로 옆으로 이동하는것이 해결되었다고 해도 이번엔 위/아래로 이동하는 것이 문제가 되니까요. 


이륙 후 일정한 높이에 계속 떠 있기 위해서는 중력과 같은 힘으로 추력이 발생하도록 스로틀 값을 맞춰야 하는데, 이 역시 모터가 기계장치인 이상 그 값을 찾기는 사실상 불가능에 가깝죠. 그래서 사용되는 센서가 바로 기압 센서 (바로미터) 입니다. 


높이에 따라 기압이 다르다는 것을 이용하면 기압계가 기압을 감지하여 고도를 유지할 수 있습니다. 기압값이 높아진다면 기체가 하강하고 있다는 것이니 모터를 가속시키고, 반대로 기압값이 낮아진다면 기체가 상승하고 있다는 것이니 모터를 감속시켜서 일정한 높이에 가만히 떠 있을 수 있도록 해주죠. 



 

이것이 바로 완구드론에서 많이 볼 수 있는 "오토 호버링" 이라는 기능입니다. 


가이드글에서도 여러번 강조한 기능이죠. 이 기능이 있느냐 없느냐에 따라 조종 난이도가 달라진다고요. 가입계가 있으면 조종기에서 손을 놓아도 기체가 제자리에 가만히 떠 있을 수 있기 때문에 조종이 매우 쉬워지죠.  


그런데 엄밀히 말하면 "오토 호버링" 이라는 표현보다는 "자동고도유지" 라는 표현이 더 정확합니다. 해외 직구를 할때는 "Altitude Hold" 라는 문구로 표기하는 경우가 많고요. 


가끔보면 이 Altitude Hold(얼티튜드 홀드)를 Attitude Hold(에티튜드 홀드)와 착각하는 분들이 있더군요. 


여기서 정리해드리겠습니다. 단어 그대로 해석하면 됩니다. Altitude hold는 고도(Altitude)를 자동으로 잡아주는 것으로 기압센서가 하는 역할이고, Attitude hold는 자세(Attitude)를 자동으로 잡아주는 것으로 위에서 언급한 수평을 유지하기위해 자이로센서와 가속센서가 하는 역할인 것 입니다. 


영어 철자가 비슷하다보니 착각하는 사람들이 많은데 엄연히 다른 개념이죠 ㅎㅎ 



 

그리고 이 Attitude hold에 대해서 좀 짚고 넘어가야 할 것이 있네요. 바로 "에띠 모드" 라는 개념에 대해서요. 


에티튜드 홀드를 해주는 것을 "에띠 모드"라고 하는데, 이 에띠 모드의 개념이 레이싱드론에서의 쓰임새와 센서드론에서의 쓰임새가 좀 다르거든요. 


레이싱드론에서 "에띠 모드" 라고 하면 위에서 언급한대로 가속센서가 기체의 수평을 자동으로 잡아주는 것을 말합니다. 에띠 모드는 세팅 프로그램에 따라 "앵글 모드" 라는 명칭을 쓰기도 하고요. 기체의 수평을 수동으로 맞추어야 하는 "아크로모드" (또는 레이트모드, 매뉴얼모드) 와 반대되는 개념으로 쓰이는 것이죠. 


레이싱드론 비행모드에 대하여... → [바로가기]


반면 센서드론에서 "에띠 모드"는 "GPS모드"의 반댓말로 쓰입니다. 즉, 자세(수평)는 자동으로 잡아주지만 GPS에 의한 위치 고정은 해주지 않는 상태를 말할때 "에띠 모드" 라는 말을 쓰죠. 여기서 말하는 "에띠 모드"는 고도 유지기능인 Altitude hold는 포함된 개념입니다. "Attitude와 Altitude를 모두 잡아주지만 GPS를 꺼버린 상태"를 뜻하는 것이죠. 


정리하자면 


레이싱드론에서 "에띠모드를 켜라" → 가속센서에 의한 "자동 수평 유지" 기능을 켜라


센서드론에서 "에띠모드를 켜라" → GPS를 꺼라 


이런 이야기죠. 


센서드론의 경우 GPS센서를 꺼야할 이유가 있을까 하는 의문이 들수도 있는데, 의외로 많이 있습니다. GPS센서에 오류가 나는 경우가 대표적이죠. 지자기 교란이나 콤파스(나침반) 센서 이상으로 드론이 제멋대로 움직이는 경우에 대한 이야기가 센서드론 하는 사람들 사이에서 심심치 않게 들립니다. 


DJI 매빅프로의 경우 에띠모드가 없어서... 즉, GPS의 제어를 강제로 끄는 기능이 없어서 GPS오류나면 리턴홈 했을때 중국쪽으로 한없이 날아간다는 웃지 못할 소문들도 있었죠. ㅋㅋㅋㅋ


그럴때를 대비해서라도 에띠모드에 대한 이해를 하고 계셔야합니다. ㅎㅎ 


음... 


에띠모드에 대한 이야기는 여담이었는데... 여기서 다음에 이야기할 개념이 이미 나와버렸군요 ㅎㅎ 


드론이 제자리비행을 하는데 필요한 또 한가지의 요소는 GPS센서와 Optical flow센서 입니다. 


과연 가속센서에 의한 Attitude Hold 로 수평을 유지해주면 드론이 한자리에 가만히 떠 있을 수 있을까요? 


물론 그렇습니다. 


하지만 그건 바람이 없는 실내에서나 가능한 이야기죠. ㅎㅎㅎ 


바람이 불게 되면 아무리 드론이 수평을 유지하고 있어도 바람이 부는쪽으로 이동할수밖에 없죠. 드론은 바닥을 딛고 서있는 우리들처럼 "지면과의 마찰력"이라는 기댈곳이 없으니까요. 


그래서 제자리에 가만히 있기 위해서는 위치를 고정시킬 필요가 있습니다. 이때 필요한 것이 GPS센서입니다. 


GPS센서는 위성으로부터 좌표 정보를 받습니다. 그래서 수평을 잘 유지하고 있는데도 좌표가 바뀌려고 하면 바람에 흘러가고 있다는 것으로 인식을 하고 원래 좌표로 돌아가게 되죠. 이러한 계산이 빠르게 이루어지면 좌표가 바뀌려고 하는 순간에 몸을 반대방향으로 틀어서 바람에 맞서며 가만히 있을 수 있습니다. 


그런데 GPS센서는 단점이 좌표 분해능입니다. 아무리 고해상도 위성이라도 좌표 분해능이 1m 정도는 되거든요. 즉, 1m정도는 이동을해도 좌표가 바뀌지 않는다는 것입니다. 


이러한 미세 움직임을 잡아주기 위해서 광학센서 Optical flow가 도와주게 됩니다. DJI 드론들은 "비전 포지셔닝(Vision Positioning)"이라는 용어로 더 많이 알려진 기능이죠. 


광학센서는 적외선을 이용하는 경우도 있고, 가시광선을 이용하는 경우도 있습니다. 가시광선을 이용한다면 그것은 "이미지 센서"가 되는거죠. 말그대로 "비전", 드론이 "눈으로 보고" 지금 옆으로 흘러가고 있는지 아닌지를 판단하는 것 입니다. 


보통 이런 광학센서는 드론의 하단에 부착되어 바닥을 스캔하게 됩니다. 그래서 바닥 모양이 움직인다면 옆으로 흘러간다는 것이니 다시 원래대로 돌아가는 것이죠. 그래서 광학센서는 낮은 고도에서 저공비행 할때만 기능을 하게 되구요. (DJI 기종들 같은 경우 30m 이하 정도의 고도에서만 비전포지셔닝이 작동된다고 합니다) 



 




요즘은 완구드론에도 광학센서를 달고 나오는 경우가 많습니다. GPS는 없고 광학센서만 있는 완구드론들은 바람에 의해서 크게 이동하는 것은 어쩔 수 없지만 미세하게 옆으로 흘러가는 것은 잡아줄 수 있으니 바람없는 실내에서 셀카용으로 드론을 사용할때 크게 도움이 되겠죠. 


특히 미니드론들은 가속센서가 "수평"이라고 인식하고 있다고 해도 무게중심의 미묘한 변화, 예를들어 배터리의 미묘한 위치 차이 같은 작은 변화에도 옆으로 조금씩 흘러가게 됩니다. 셀카용 미니드론에서 더 유용하게 쓰이는 것이 광학센서죠. 


이상으로 드론의 제자리 비행, "호버링"에 필요한 요소들을 알아보았습니다. 


정리하자면


수평(Attitude) 유지는 가속센서가, 


고도(Altitude) 유지는 기압센서가, 


바람에 밀리지 않게 좌표 유지는 GPS센서가, 


이 외 미세흐름 방지는 광학센서가 


각각 제 역할을 해야 비로소 드론은 제자리에 가만히 떠 있을 수 있는 것입니다. 


그럼 이번 칼럼은 여기서 마치구요. 


다음에는 좀 더 알찬 내용으로 찾아오도록 하겠습니다~


독자 여러분 모두 새해 복 많이 받으세요^^




 

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