드론의 구성

드론은 다음과 같은 시스템으로 구성된다. 

1. UAV(Unmanned Aerial Vehicle)

2. 지상조종장비(Ground Control System, GCS)

3. 지상지원장비(Gruound Supprot System, GSS)

이것을 좀 더 드론 시스템을 소프트웨어 관점에서 바라보면 드론 시스템은

1. H/W(하드웨어)

2. HAL(하드웨어 추상화 계층)

3. S/W(소프트웨어)로 구성되어 있다. 

대충 이런 느낌이라고 할 수 있다. 

드론을 시스템을 포괄적으로 분류 하면 다음과 같이 분류 할 수 있다. 

드론의 세부구조

드론은 드론과 지상의 원격조정자가 각종 데이터를 주고받는 '통신부', 드론의 비행을 조정하는 '제어부', 드론을 날아가게 구동시키는 '구동부', 그리고 카메라 등 각종 탑재 장비들로 구성된 '페이로드' 의 네 부분으로 나뉜다. 

통신부

통신부는 지상의 원격 조정기로부터 비행명령어를 수신하는 RC 수신기, 촬영한 사진이나 비디오를 지상으로 송신하는 비디오 송신가, 그리고 위치, 속도, 배터리 잔량 등의 비행정보를 지상으로 송신하는 텔레메트리 송신기로 구성된다. 텔레메트리 정보는 비디오 데이터와 함께 비디오 송신기를 통해 지상으로 송신되기도 한다.

최근에는 드론에 WiFi 혹은 LTE 송수신기를 탑재하고 이를 이용해 원격조정 비행명령어 및 비디오 데이터를 송수신하는 기능을 하는 드론도 존재 한다. 이렇듯, 드론은 목적에 맞게 통신프로토콜을 사용하고, 이를 통해 비행정보 및 각종 데이터를 지상통제 시스템과 송수신할 수 있다. 

제어부

제어부는 비행제어기, 센서융합기 및 각종 센서로 구성되어 있다. 드론이 안정적으로 비행하기 위해서는 드론은 먼저

장착된 각종 센서들의 데이터를 입력 받는다. 그리고 입력받은 데이터를 바탕으로 드론의 각축 운동에 맞는 데이터로 변형하기 위한 회전운동상태와 병진운동상태에 맞는 데이터로 가공한다.  서로 다른 센서들로 받아온 값들을 통해, 값을 보정하여 최종적으로 값을 계산한다. 이 값을 PWM 신호로 변환해 구동부로 전달해 준다. 

이 과정을 조금 자세히 서술하면 다음과 같다.

제어부는 비행제어기, 센서융합기 및 각종 센서로 구성되어 있다. 드론에 장착된 각종 센서를 이용해 비행상태를 측정하는데 여기서 , 드론의 비행상태는 회전운동상태와 병진운동상태로 정의된다. 회전운동상태는‘ 요(Yaw 혹은 Rudder, 드론의 수평을 유지한 상태에서 동체를 회전시킴)：z축 회전’‘, 피치(Pitch 혹은 Elevator, 드론 기수를 상하로 움직여 전진하거나 후진)：x축 회전’‘, 롤(Roll 혹은 Aileron, 동체를 좌우로 기울임에 따라 드론이 좌우로 이동)：y축 회
전’을 의미하며, 병진운동상태는 경도, 위도, 고도, 속도를 의미한다. 보통 6 자유도 라고 부른다.

회전운동상태를 측정하기 위해 3축 자이로센서, 3축 가속도센서, 3축 지자기센서를 이용하고, 병진운동상태를 측정하기 위해 GPS 수신기와 기압센서를 이용한다. 자이로센서와 가속도센서는 드론의 기체좌표가 지구관성좌표에 대해 회전한 상태와 가속된 상태를 측정해주는데, MEMS 반도체 공정기술을 이용해 관성측정기(IMU)라 부르는 단일 칩으로 제작되기도 한다. 드론은 지상에서 원격조정기를 이용해 비행을 조정하거나, 드론이 사전에 입력된 GPS 비행경로를 자기의 현재 비행위치(GPS 수신기를 통해 확인)와 비교하면서 스스로 비행할 수 있다(GPS 경로 비행). 비행제어기는 수신기로부터 전달받은 원격 비행명령어(혹은 GPS 경로비행을 할 경우에는 GPS 비행경로)를 센서 융합기에서 보내온 상태 추정치와 비교, 그 차이 값을 이용해 모터들의 회전 속도를 계산하고, 계산된 결과들을 PWM 신호로 변환해 구동부로 전달해준다

구동부

구동부는 드론을 구동시키는 부픔들로 모터, 프로펠러, 모터변속기 및 리튬폴리머 배터리 등을 포함한다. 

모터 변속기는 비행제어기로부터 PWM 신호를 받아 모터를 구옫시키고, 배터리의 직류 전원을 교류로 바꾸어서 모터로 공급해준다. 각각의 모터들은 별도의 모터변속기로 구동된다.

페이로드

드론의 비행목적은 페이로드를 탑재하고 비행하는 것이다. 페이로드의 종류가 군사용이면 군사용 드론이 되고 민수용이면 민수용 드론이 된다. 페이로드는 드론의 사용 목적에 따라서 여러 종류의 임무탑재장비가 탑재될 수 있다.

탑재센서

자동비행제어장치

자동비행제어장치(Automatic Flight Control System)란 항공기나 미사일의 내부와 외부 장치에 의해 진로나 비행 자세를 자동적으로 조정할 수 있는 모든 장비를 포괄한 장치로서, 조종사가 목적지에 관한 정보를 입력하면 항공기가 자동적으로 목적이로 비행할 수 잇도록 하며, 조작 없이도 원하는 방향으로 직선, 수평 비행 할 수 있도록 해주는 장치를 말한다. 

비행제어 장치와 자동비행장치 시스템은 다르다. 자동비행장치는 드론을 단순히 동작하는 것 뿐 아니라, 각종 센서로부터 획득된 각종 정보를 바탕으로 자동항법 비행, 제자리 비행, 관심지역 비행 및 장애물 회피 등을 가능하게 하는 '두뇌'에 해당한다. 센서의 모든 데이터를 읽어들여 드론이 비행하는데 필요한 최적의 명령을 지속적으로 계산한다. 

즉, 데이터를 바탕으로 의미있는 행위를 지속 수행하고, 계산한다.

프로세서는 제어 회로기판의 핵심 부품으로서 자동비행장치 시스템의 펌웨어를 작동시키며, 모든 계산을 수행하는 CPU로서 대부분 32비트 체계이다.

모터 

드론에서 사용하는 모터는 일반적으로 브러시(Brushed Direct Current, BDC) 모터와 브러시리스 직류(Brushless Direct Current, BLDC) 모터로 나뉜다.

BDC 모터는 주로 완구용 드론에 사용되는데, 장점은 가격이 싸고, 구동방식이 간단하다는 것이다. 단점은 브러시가 닳게 되면 수명이 다하고, 스파크, 열 등이 발생해 모터의 고속회전 및 장시간 회전에는 적합하지 않다.

BLDC 모터는 영구 자석으로 된 중심부의 회전자와 권선으로 되어 있는 극과 고정자들로 구성되어 있다. 전류가 인가된 권선으로부터 생성되는 자기장과 영구 자석 회전자 사이의 관계에 의해 전기에너지가 회전자를 회전시킴으로써 기계적인 에너지로 변호나된다. BLDC 모터의 장점은 브러시가 없으므로 전기적, 기계적 노이즈가 작다. 또한 고속화가 용이하고 신뢰성이 높으며, 유지보수가 거의 필요없을 뿐 아니라 소형화가 가능하다. 그리고 일적 속도 제어 및 가변속 제어가 가능하며, 모터 자체 신호를 이용하므로, 저가로 위치 제어 및 속도 제어가 가능하다. 

가속도계와 자이로스코프 

가속도계와 자이로(Gyro) 센서는 드론의 관성 센서이다. 가속도계는 가속도를 측정하고, 자이로는 회전력을 측정한다. 가속도계와 자이로 모두 3축 센서를 활요하는데, 센서가 3축이라 함은 센서가 3차원에서 움직일 때, x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있다는 의미로, 이를 통해 중력에 대한 상대적인 위치와 움직임을 측정한다.

자이로스코프는 드론이 수평을 유지할 수 있도록 도와주는 가장 기본적인 센서로서, 세축 방향의 각 가속도를 측정하여 드론의 기울기 정보를 제공해준다. 두 측정값을 종합 분석하여 비행조정장치는 드론의 현재 자세(각)을 계산하고, 필요한 보정을 수행한다.

자력계 

자력계는 나침반 기능을 하는 센서로 자기장을 측정하는 역할을 한다. 즉 자기력을 측정하는 것으로 가속도계와 자이로스코프 만으로는 비행 조정장치가 드론의 진행방향을 알 수 없는데, 자력계가 자북을 측정하여 드론의 방향 정보를 드론의 비행제어장치(FC)로 보내 이를 보강하는 역할을 하기 때문에 자력계 센서가 매우 중요하다. GPS의 위치정보와 자력계의 방위정보, 가속도계의 이동정보를 결합하면 드론의 움직임을 파악할 수 있다. 

그러나, 자력계 센서는 주변의 자기장에 따라 값이 매우 민감하게 변한다. 주변의 자기장은 전선, 모터, 변속기(ESC)등 모든 것이 자기장의 간섭을 일으킨다. GPS 모듈은 일반적으로 이런 장비들과 떨어져 있기 때문에, 장비들에 의한 자기장 간섭을 피하기 위해 나침반 센서를 추가적으로 GPS 모듈에 장착하기도 한다. 

관성측정장치

관성측정장치(Inertial Mesurement Unit, IMU)는 GPS와 연동되어 기체의 이동방향, 이동경로 이동속도를 유지하는 역할을 하고, 3축 자력계와 GPS 수신기가 결합된 형태로 얻은 정보를 드론의 비행제어장치(FC)로 전달한다. 

조종사의 직접적인 무선조종 없이 자동으로 비행하게 되면 드론의 활용도 및 가치를 높일 수 있게 된다. 드론의 자동항법 비행 기능을 위해서는 데이터링크 기술과 관성측정장치의 중요성이 더욱 커진다. 데이터링크는 지상의 컴퓨터와 드론은 연결해주는 역할으 하며, IMU는 통제범위를 벗어났을 때 이륙한 곳으로 자동으로 돌아오게 하는 등의 역할을 하는 기술이다. 

기압계

기압계는 항공기의 고도를 측정하기 위한 압력 센서로서 드론의 cm 단위의 상하 이동에 의한 공기의 압력 변화도
감지할 수 있을 정도로 민감하다. 대기압은 해수면에서의 높이에 따라 결정되고 기압계는 이 원리를 이용하여 대기
압을 측정하여 고도를 측정한다.
드론의 고도를 측정하는 데 기압계만 사용하는 것은 정확도가 그리 높지 않기 때문에 대부분의 드론은 고도를
측정하기 위한 추가적인 방법을 사용한다. 일반적으로는 GNSS 센서를 사용하여 고도를 매우 정밀하게 측정 할 수
있지만, GNSS를 사용할 수 없는 실내에서는 초음파나 이미지 센서 등을 사용하여 정밀하게 고도를 측정한다.

센서융합(sensor fusion)

센서 융합(sensor fusion)이란 각종 외부 센서에서 오는 정보를 통합 또는 융합함으로써 새로운 정보
를 얻는 것을 일컫는다. 단일 센서만으로는 드론을 조정하는 데 충분하지 않기 때문에 여러 센서를
사용한다.
비행제어장치에서 DOF(degrees of freedom), 즉‘ 자유도’라는 용어를 접하게 된다. 기장 기본적
인 비행조정장치는 6DOF, 즉 6개의 자유도를 갖는데, 이는 3축 가속도계(accelerometer)와 3축 자이
로(Gyro)로 사용되는 모든 동작 요소인 X(수평), Y(수직), Z(깊이), 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll)을 말
한다.