드론 해부학 교실 1편 - 개론
드론 해부학[Drone Anatomy]
무인 항공기 체계(無人航空機, 영어: Unmanned Aerial Vehicle System, UAV) 또는 '드론'(drone)이라고도 불리기도 한다. '드론'(drone)은 벌이 윙윙거리는 소리를 따 만들어진 이름이다. 조종사가 비행체에 직접 탑승하지 않고 지상에서 원격조종(Remote piloted), 사전 프로그램된 경로에 따라 자동(auto-piloted) 또는 반자동(Semi-auto-piloted) 형식으로 자율 비행하거나 인공지능 탑재하여 자체 환경 판단에 따라 임무를 수행하는 비행체와 지상통제장비(GCS: Ground Control Station/System) 및 통신장비(Data link) 지원장비(Support Equipments) 등의 전체 시스템을 통칭한다. RC 비행기는 비행기를 조종하는 컨트롤러가 필수 조건이 되지만 드론은 컨트롤러가 필요하지 않을 수 있다.
독립된 체계 또는 우주/지상 체계들과 연동시켜 운용한다. 활용분야에 따라 다양한 장비(광학, 적외선, 레이더 센서 등)를 탑재하여 감시, 정찰, 정밀공격무기의 유도, 통신/정보 중계, EA/EP, Decoy 등의 임무를 수행하며, 임무에 따라 농업 드론, 촬영 드론, 레이싱 드론, 의료 및 구조 드론 등 여러 종류로 나눌 수 있지만 드론이 움직이는 기본 원리와 개념은 같다. 대중적으로 잘 알려진 상업용 드론을 통해 기본 구조와 작동 원리를 알아보자.
기본 구조와 작동 원리
1900년대 초, 군사 목적으로 제작되어 시작된 드론은 그 모습과 활용 분야는 천차만별이며 지금도 그 목적에 따라 새로운 기능을 가진 드론들이 수 없이 개발되고 있다. 하지만 현재 나온 드론들은 2006년에 시작된 DJI 회사의 쿼드콥터(멀티콥터) 구조를 채택하여 제작되어 사용하고 있다. 드론은 여러 가지 부품으로 구성되어 있지만 주요 부분은 크게 드론 기체(프레임, Frame)와 조종기(Controller)로 구분된다. 기체와 조종기가 드론의 기능을 발휘할 수 있게 하는 부분은 다시 배터리, 송신기와 수신기, 비행 컨트롤러 장치(FC), 변속기(ESC), 모터, 프로펠러로 나누어 볼 수 있다.
조종사가 조종기와 드론의 전원을 켜 시동을 걸면 배터리로부터 전기가 공급되어 모터가 회전하여 프로펠러를 돌리게 되는데, 이때 비행 컨트롤러 장치(FC)와 변속기(ESC)가 중요한 역할을 한다. 인간의 뇌 역할을 하는 비행 컨트롤 장치(FC)는 모든 데이터의 정보를 수집하여 비행할 수 있도록 명령을 내린다. 명령받은 모터는 회전하게 되는데 모터 자체로는 안정적인 비행이 불가능하다. 그래서 섬세한 비행 제어를 위해 변속기(ESC)가 비행 컨트롤 장치와 모터 사이에서 통역사 역할을 한다. 모터가 회전하면서 모터에 결합된 추력을 일으키는 프로펠러가 함께 회전하여 드론이 비행하는 구조다.
1. 배터리
인간의 심장 역할을 하는 배터리는 요즘 드론의 99%가 Li-po 배터리로 작동한다. 드론을 날리기 위한 첫 번째 과정은 전력을 공급하는 배터리로부터 시작된다. 드론의 무게는 대부분 배터리가 차지하기 때문에 기존 전지의 무게보다 31% 가벼운 리튬 폴리머 배터리를 사용한다. 리튬 폴리머 배터리는 휴대폰이나 노트북, 캠코더 같은 소형 기기에 사용된다. 또한 안전성이 높고 에너지 효율이 좋은 고체 또는 젤 상태의 고분자를 전해질로 사용하는 2차 전지이며 전지가 파손되어도 발화하거나 폭발할 위험이 거의 없다.
2. 무선 시스템(송신기와 수신기)
원격으로 조종하는 드론은 조종기(Controller)에서 신호를 보내주는 송신 장치와 그 데이터의 신호를 받는 수신 장치가 있다. 조종사가 드론을 원하는 방향으로 조종하기 위해선 조종기의 스틱을 움직인다. 스틱을 움직임으로써 해당하는 명령이 드론 기체에 송수신되어 비행하게 된다. 이때 사용하는 무선 통신 주파수는 2.4 GHz이다. 2.4 GHz의 경우 채널 방식으로 사용하는 주파수 대역으로 Wifi나 Bluetooth 등과 대역폭이 겹쳐 사람이 많은 곳이나 나무, 콘크리트 벽에 전파가 차단되거나 전파 간섭이 일어날 가능성이 높다.
또한 조종기에 있어 중요한 개념은 채널이다. 채널은 멀티콥터가 가지고 있는 기능을 조종기가 제어할 수 있는 수를 의미한다. 기본적으로 비행을 위한 채널 수는 스로틀, 롤, 피치, 요우로 구성된 4개의 채널을 가지고 있다. 목적에 따라 필요한 채널 수가 결정된다. 드론을 뒤집는 기술인 플립(Flip)이나 영상과 사진을 촬영에 필요한 카메라의 셔터 동작 기능, 레이싱 모드 등 필요한 기능을 추가하기 위해선 채널을 더 늘려야 한다. 지원하는 채널 수가 많은 조종기일수록 비용이 늘어난다.
3. FC(Flight Control) 및 센서
FC는 조종기에서 원격으로 전달받은 데이터 명령을 변속기(ESC)로 보내주는 장치이다. 드론 조종에 있어 핵심 요소로써 안정적인 비행을 가능하도록 해준다. 비행 컨트롤러 장치(FC)는 드론의 구조 중 가장 중요한 역할을 한다. 인간의 뇌라고 생각하면 쉽다. 여러 기관의 정보가 뇌로 거쳐 정보를 모아 명령을 내리는 구조와 같다. 그만큼 비행 컨트롤러 장치(FC)는 드론에 없어서는 안 될 존재이다.
4. 변속기(ECS)
드론은 조종기의 신호를 받으면 작동한다. 작동하는 과정에서 배터리에서 공급해주는 전기 에너지를 모터로 보내지게 되는데, 이때 비행 컨트롤러 장치(FC)에서 먼저 정보를 받아 4개의 모터로 전달해준다. 하지만 비행 컨트롤 장치(FC)와 모터 자체로는 섬세한 속도 조절과 모터 제어를 할 수 없다. 여기서 나타나는 문제를 변속기(ECS)가 해결해준다. Electronic Speed Controls라는 이름과 같이 모터의 속도를 제어해주고 배터리의 전원을 모터에 제공하는 아주 중요한 역할을 한다.
5. 추진 시스템(모터와 프로펠러)
변속기(ESC)의 제어를 받은 모터는 결합되어 있는 프로펠러와 함께 회전하게 된다. 기체(Frame)와 프로펠러의 크기와 무게를 먼저 설정하고 올바른 모터를 결정할 수 있다. 일반적으로 모터는 쿼드콥터의 총중량보다 2배 많은 추력을 제공할 수 있어야 한다. 모터가 제공하는 추력이 너무 작으면 쿼드 콥터가 제어에 반응하기 힘들어 이륙 시 문제가 발생할 수 있다. 모터는 비행시간을 연장해주는 배터리의 무게와 카메라의 무게 등을 견딜 수 있어야 더 많은 추력을 발생한다. 좋은 모터라고 해서 다 좋은 것은 아니다. 빠른 속도를 제공하는 높은 추력의 모터라도 배터리와 변속기(ESC) 보다 능가해서는 안된다.
자동차에는 수많은 부품들이 한 데 모여 하나가 되어 바퀴가 굴러간다. 반면에 드론은 자동차에 비해 극히 소수의 부품들로 이루어져 비행한다. 하지만 굉장히 다양한 기술들이 집약되어 있는 구조로 지능적, 기술적인 드론이다. 드론에 대해 자세히 알고 나면 수학처럼 복잡한 구조로 이루어져 있다. 자동차도 드론도 다른 것들도 동일하겠지만 드론에게 가장 중요한 것은 드론 부품들의 비율과 조화이다.
