본문내용
1. 드론의 정의 및 역사
1.1. 드론의 정의
드론(Drone)은 조종사가 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수 있도록 제작한 비행체로, 무선전파로 조종할 수 있는 무인 항공기이다. 드론은 애초에 군사용으로 개발되었으나 현재는 고공 영상 및 사진 촬영과 기상정보 수집, 농약 살포 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 카메라, 센서, 통신시스템 등이 탑재되어 있다. 드론은 25g부터 1200kg까지 다양한 무게와 크기로 제작되고 있다.
1.2. 세계 최초의 드론
세계 최초의 드론은 1930년대 영국 공군에서 훈련기로 사용하였던 DH.82라는 기체에서 유래되었다. 당시 영국 공군은 이 비행기를 항공 전투 연습용으로 개조해 세계 최초의 무인비행기를 만들었는데, 이 비행기의 이름이 "DH.82 Queen bee", 즉 "여왕벌"이었다. 이에 대한 경의를 담아 미국 해군에서 같은 무인 항공기를 만들면서 "수컷벌"이라는 뜻의 "드론(Drone)"이라는 이름을 붙이게 되었다.""
1.3. 드론의 발전과정
드론의 발전과정은 다음과 같다.
최초 드론이라고 일컫는 용어는 20세기 초반 군사용 목적으로 사용되면서부터 등장하였다. 이 용어의 어원은 수컷벌이라는 뜻과 벌이 내는 웅웅거리는 소리에서 유래되었다. 세계 최초의 드론은 1930년대 영국 공군에서 훈련기로 사용하던 DH.82 모델을 활용하여 개조한 것이었다. 이 비행기는 "DH.82 Queen bee"라고 불렸으며, 이를 보고 이와 유사한 무인 항공기를 미국 해군에서도 만들게 되었는데, 이를 수컷벌이라는 뜻의 "드론(Drone)"이라 명명하였다.
이후 드론은 군사용 목적으로 계속 발전하여 정찰과 정보수집, 미사일 정밀타격 등의 임무를 수행하는 경비행기 크기의 기체로 발전하게 되었다. 현재에도 미국은 100여 대의 군사용 드론을 보유하고 있으며, 이를 테러지역 등에서 활용하고 있다.
그러나 2010년 Parrot이라는 회사에서 "Parrot AR Drone"이라는 일반 목적용 드론을 선보이면서 드론이라는 용어가 일반에게 널리 알려지게 되었다. 이후 드론은 영화와 TV 프로그램의 촬영 장비로 활용되기 시작하였고, 여러 대의 드론을 활용한 공연 등 다양한 분야에서 사용되기 시작하였다.
최근에는 아마존, 알리바바 등 세계적인 기업들이 드론을 활용한 배송 서비스를 선보이는 등 물류 분야에서의 활용이 주목을 받고 있다. 또한 중국의 이항(Ehang)사에서는 유인 드론을 개발하여 드론 택시 사업을 추진하고 있다. 이처럼 드론은 군사용에서 시작하여 점차 민간 분야로 활용 범위를 넓혀가며 발전해 나가고 있다.
2. 드론의 구조와 작동 원리
2.1. 드론의 구조
2.1.1. 제어부
제어부는 드론의 심장이라고 할 수 있는 부분으로, 통신모듈로부터 전달된 신호를 기반으로 서보모터를 제어하는 역할을 합니다. 제어부에는 가속도계, 자이로스코프 센서 등으로 구성된 관성측정장치(IMU)가 포함되어 있어 드론이 안정적으로 비행할 수 있도록 지원합니다. 최근에는 GPS 데이터를 활용하여 사전에 입력된 지리정보에 기반하여 자율주행이 가능하도록 하는 기능이 추가되었으며, 영상 및 소리 센서들을 활용한 충돌회피 기능도 탑재되고 있어 제어부의 성능이 크게 향상되고 있습니다. 과거에는 8비트 16MHz의 저사양 MCU를 사용했지만, 최근에는 32비트 168MHz의 고성능 MCU가 탑재되어 매우 빠른 연산 속도로 드론을 안정적으로 제어할 수 있게 되었습니다.
2.1.2. 센서부
센서부는 드론의 비행에 필수적인 역할을 담당하는 부분이다. 드론의 센서부에는 다양한 종류의 센서들이 포함되어 있으며, 이를 통해 드론의 안정적인 비행이 가능하게 된다.
첫째, 관성측정장치(IMU)인 가속도계와 자이로스코프가 포함되어 있다. 가속도계는 드론의 X, Y, Z축에 작용하는 가속도를 측정하여 드론의 기울기와 방향을 감지한다. 자이로스코프는 드론의 회전 각속도를 측정하여 드론의 자세를 파악한다. 가속도계와 자이로스코프의 데이터를 결합하면 드론의 위치와 자세를 정확하게 파악할 수 있다.
둘째, 바로미터가 포함되어 있다. 바로미터는 기압 변화를 감지하여 드론의 고도를 측정한다. 가속도계와 자이로스코프로는 고도 측정이 어렵기 때문에 바로미터가 필수적이다.
셋째, GPS(Global Positioning System) 센서가 포함되어 있다. GPS 센서는 위성으로부터 신호를 받아 드론의 현재 위치를 파악한다. 이를 통해 드론은 자신의 위치를 인지하고 경로 비행을 할 수 있다.
넷째, 마그네토미터(지자계 센서)가 포함되어 있다. 마그네토미터는 지구 자기장의 방향을 감지하여 드론의 방향을 파악한다. 이를 통해 드론은 정확한 방위를 유지할 수 있다.
다섯째, 초음파 센서가 포함되어 있다. 초음파 센서는 저고도에서 물체와의 거리를 측정하여 충돌을 방지하는 데 사용된다.
이와 같이 드론의 센서부는 다양한 센서들로 구성되어 있으며, 이를 통해 드론의 자세, 위치, 고도, 방향 등을 정확하게 파악할 수 있다. 이는 드론의 안정적인 비행을 가능하게 하는 핵심적인 역할을 담당한다.
2.1.3. 액추에이터
액추에이터는 드론의 모터와 전자변속기(ESC)를 포함하는 구성요소이다. 드론에서는 브러쉬리스 모터와 전자변속기(ESC, Electronic Speed Controller)를 사용한다.
브러쉬리스 모터는 외부 코일이 도는 아웃러너(Outrunner) 타입으로 브러쉬 모터에 비해 힘이 좋으며, 모터내에서 전류가 공급되는 접촉면인 브러쉬와 커뮤테이터가 없어 수명이 오래 가고 발열도 적다. 또한 토크가 크므로 별도의 기어박스가 필요없어 무게를 절약할 수 있다. 빠른 제어에 필요한 큰 토크, 작은 무게, 높은 효율, 긴 수명 등의 이유로 마이크로, 나노 사이즈의 드론을 제외하고는 대부분의 드론이 브러쉬리스 모터를 사용한다.
ESC는 센서에서 보내온 데이터를 기반으로 MCU가 보내온 신호대로 모터를 회전시켜 프로펠러를 통해 추진력을 발생시키는 역할을 한다. MCU는 모터가 충분한 추진력을 발생시킬 정도의 파워를 전달하게 설계되어 있지 않고, 단지 어느정도의 파워를 발생시키라는 신호(PWM 형태)를 ESC에 보내준다. ESC는 MCU에서 전달된 신호에 따라 모터가 충분한 회전속도에 필요한 파워를 제공한다.
소형 간단한 비행모드만을 제공하는 드론에는 ESC에서 전달된 5V로 비행콘트롤러에 전원을 공급하는 것으로 충분하지만, 제공되는 전압에 민감한 다양한 센서를 사용하는 경우 별도의 파워모듈을 사용하기도 한다. 이는 서보모터의 과도한 전류사용이 ESC에 붙어있는 UBEC의 정류 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
따라서 액추에이터는 드론의 추진력과 조종 성능을 결정하는 핵심 구성요소라고 할 수 있다.
2.1.4. 통신부
통신부는 조종용 송수신기만을 생각할 수 있으나 외부 센서들의 증가 및 운영모드의 증가로 다양한 통신방식이 사용되고 있다.
먼저 송수신기는 조종자의 의도를 직접적으로 콘트롤러에 전달해주는 통신장치로 PPM방식의 2.4Ghz 송수신기가 주로 사용된다. GPS, 초음파 센서 등 외부센서들과 콘트롤러 간의 통신을 위해서는 주로 시리얼통신이나 I2C 통신을 사용한다.
최근에 개발된 주요 드론들은 드론의 펌웨어 설치, 캘리브레이션, 테스트, 운영모드 설정, 비행상태 정보 제공, 하드웨어 추가 등을 종합적으로 관리해주는 GCS...
