드론 기본에 대한 도전, 엠-하이브 박원엽님을 만나다
교육용 fc를 연구하는 엠 하이브
드론은 여러 가지 기술이 모여 완성됩니다. 효율적으로 공기를 다루기 위한 유체역학과
섬세한 부품을 보호할 기계 설계, 복잡한 신호를 다룰 전자 공학과 큰 전류를 다룰 전기 공학까지 동원됩니다. 그리고 이 모든 것들이 조종할 전파 기술과
드론은 공학 기술의 위키피디아입니다.
여기에 카메라나 적외선 센서 같은 화물(Payload)까지 함께 고민해야 한다면. 사진=https://www.dji.com드론 마스터는 모든 공학을 섭렵해야 하지요. 우리나라도 이 새로운 공학의 꽃인 드론에서 다양한 가능성 고민하고 있습니다.
더 오래 더 멀리 나는 드론에 대한 연구는 계속됩니다. 사진=http://www.doosanmobility.com
하지만 드론의 다양한 분야 중에 좀처럼 도전이 쉽지 않은 분야가 있습니다. 드론을 제어할 비행 컴퓨터 FC(Flight Controller)입니다. FC는 비행이라는 특수한 상황을 감당할 컴퓨터와 그 컴퓨터를 제어할 소프트웨어가 함께 연구되어야 하지요. 드론에 대한 높은 이해와 깊은 고민이 필요한 분야입니다.
FC는 닌텐도의 가정용 게임기 위(Wii)의 조종기 개조와 함께 시작했을 정도로 나름의 긴 역사를 가지고 있습니다. 사진=https://www.nintendo.com
하지만 초기 드론 시장과 함께 연구를 계속해온 미국이나 중국에 비해 지금 시작하기에는 따라가기 힘든 기술의 격차가 있습니다. 거기에 당장 하늘을 나는 성과가 필요한 우리에게 FC 연구는 우선순위에서 밀려나곤 합니다.
신뢰도 높은 DJI의 FC를 그대로 사용해도 충분하니까요. 사진=https://www.dji.com
심지어 FC는 대부분 생산 비용이 저렴하다는 중국에서 만들어지기 때문에 직접 만드는 레이싱 드론의 FC는
우리나라에서는 도무지 수익을 창출하기 어려울 정도로 저렴해지고 말았습니다. 사진=https://www.banggood.com
하지만 이 FC에 도전한 사람이 있습니다. FC 하드웨어부터 제어 소프트웨어까지 말이지요.
엠-하이브(M-Hive)에 박원엽님입니다.
오늘 아나드론스타팅은 박원엽님과 함께 드론 FC에 대한 이야기를 나눠봅니다.
Q : 안녕하세요. 박원엽님 바쁘신데 시간 내주셔서 감사합니다. 우선 엠-하이브에 대해서 소개 주세요.
엠-하이브는 C언어부터 AVR, 아두이노 그리고 STM32F 칩을 다루는 방법을 배우는 곳입니다. 소프트웨어를 배울 수 있는 곳은 많지만 엠-하이브에서는 기능이 한정된 하드웨어가 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 공부하는 할 수 있어요.
엠-하이브 임베디드 아카데미는 홍대에 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/221120224927
Q : STM32F라면 드론 FC에 사용되는 마이크로프로세서 아닌가요?
맞습니다. 레이싱 드론 FC는 대부분 STM32F 칩을 사용하지요. 메이커들이 즐겨 사용하는 아두이노도 이 칩을 사용하고요. STM32F는 ST 마이크로일렉트로닉스가 개발한 32비트 컴퓨터입니다. 성능에 따라 종류도 다양해서 가전제품에서 산업 현장까지 많은 곳에 사용되고 있습니다. 물론 드론을 위한 FC에도 꼭 맞는 마이크로컴퓨터입니다.
STM32F는 이름에 이어지는 숫자가 클수록 높은 성능을 가집니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/220736441763
Q : STM32F로 FC를 직접 만드셨는데 어떻게 시작하셨나요?
STM32F에 대해 공부를 하기 시작한 것은 대학원에서 였어요. 물론 드론은 그전부터 좋아했었지요. STM32F에 대해 연구하면서 크기와 성능에서 드론을 제어하기 적당하겠다는 생각을 했어요. 마침 가속도 센서나 자이로 센서 가격이 저렴해졌습니다. STM32F와 센서로 FC를 만드는 것은 저에게 자연스러운 일이었습니다.
대형 드론에 적용할 FC를 만들다 보니 첫 FC의 크기는 작지 않았습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/221275819312
Q : FC 회로까지 직접 설계하셨군요. 보통 일이 아니었겠는데요?
좋아하는 드론이지만 좋다고 마냥 쉽지는 않았습니다. 비교적 큰 회로라도 작은 부품을 하나하나 납땜하기는 쉽지 않거든요. 크림 형태의 납을 바른 다음, 라면을 끓이던 인덕션 히터로 녹여 붙이기도 했습니다.
홀랑 태워 먹기도 했지요. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/221275819312
제가 만든 FC라 당연하지만 비행 성능은 탁월합니다. 비행성에서 상용 FC에 비해 크게 떨어지지 않습니다. 물론 첫 비행에서는 모터와 모터 사이의 간격이 450mm인 드론 프레임을 사용했는데 몸체와 팔이 일체형이 아니다 보니 진동이 생기더라고요.
하지만 저가 모터와 프로펠러를 사용했는데도 기대 이상의 성능이었지요. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/221275713327
테스트에 배터리가 소진되는 걸 잊어 급히 저전압을 확인하는 프로그램을 넣어 주기도 했습니다. 이 FC가 첫 번째 버전이었고 더 작게 개선된 두 번째 버전까지 개발했습니다.
Q : 두 번째 FC는 어떻게 다른가요?
우선 크기가 작습니다. 첫 번째 버전은 크기가 커서 사용할 수 있는 드론 프레임이 많지 않았거든요.
두 번째 FC는 레이싱 드론용 FC와 비슷한 크기입니다.
크기는 작아졌지만 성능은 더 뛰어납니다. 고도를 측정할 압력 센서는 기본이고 자세 제어를 위한 IMU 센서가 9축과 6축 2개나 적용되었습니다.
STM32F4를 중심으로 GPS를 연결할 단자와 문제가 발생했을 때 확인할 LED, 뒷면에는 초소형 부저까지 달려 있습니다.
GPS를 이용해서 목적지까지 자동으로 비행하는 웨이포인트(Way Point)까지 구현 가능합니다. 최근 레이싱용 FC 중에도 자이로센서를 2개 사용하는 FC가 있지만 제 FC는 자세 제어를 소프트웨어보다 하드웨어가 처리하는 쪽에 비중을 두었습니다.
두 번째 FC로 만든 드론입니다.
엠-하이브 강의실에서 실험을 했기 때문에 발생할 수 있는 모든 안전장치가 프로그램되어 있습니다. 날카로운 프로펠러를 가진 드론은 언제든 위험할 수 있으니까요. 그래서 이 FC는 특히 안전에 고민을 많이 했습니다. 그래서 빠른 속도를 위해 비행 각도를 고정하는 매뉴얼 모드 비행 방식은 넣지 않았습니다. 조종기 스틱 각도만큼 제어되는 앵글 모드로 조종됩니다.
Q : 제 드론 FC를 당장 바꿔보고 싶은데요. 일반적인 FC와 다른 차이점이 더 있나요?
제 FC도 기본적인 자세 제어는 PID를 사용합니다.
빠르고 안정적인 제어에 PID는 가장 많이 사용되는 방법입니다.
PID 설정을 위해 자세 제어 시험 장치도 만들었습니다.
드론을 고정한 시소 장치가 FC가 얼마나 빠르게 자세를 제어하는지 안전하게 확인할 수 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/222043250077
자이로 센서를 2개 사용하면서 PID 제어에 독특한 성질을 배우기도 했어요. 흔들림을 줄이는 D 값이 기본 자이로와 보조 자이로가 서로 반대로 움직이는 현상입니다. 직접 만들어보기 전에는 알지 못했었지요.
Q : DJI 같은 전문 기업이 개발한 상용 FC도 있고, 베타 플라이트를 사용하는 FC는 상당히 저렴한데 시장에서 경쟁력은 가질 수 있을까요?
FC 메이커 종류별로 프로그램을 제공하는 베타 플라이트는 오픈소스로 오랜 시간 업데이트가 진행되고 있습니다. 사람들이 신경 쓰지 않는 기능까지 계속 개선되고 있지요. 전문적인 드론을 위한 FC 역시 다양한 기능과 안정적인 성능으로 드론을 개발하는 사람들에게는 신뢰할 수 있는 좋은 선택이 되겠지요. 제가 개발한 FC는 기술적인 면에서 거기에 미치지 못할 거예요.
하지만 제 FC는 드론 기술을 처음부터 개발할 수 있도록 최적화되어 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/222011971235
제 FC는 드론 개발을 위한 아두이노 같은 FC입니다. 드론의 기초부터 이해하고 완전히 새로운 드론을 꿈꾸고 있다면 이 FC가 가장 쉬운 접근법입니다. STM32F를 공부하기에 최적의 도구가 될 수도 있고요.
Q : 교육용으로 최적화된 FC로군요?
그렇습니다. 교육용이지만 성능은 여느 FC 못지않지요. 이 FC와 함께 드론 제어의 기본을 배울 수 있는 강좌를 인프런(www.inflearn.com)에서 만날 수 있습니다.
STM32F 제어를 가장 쉽고 재미있게 배울 수 있도록 준비했습니다. 사진=https://www.inflearn.com
강의는 크게 3장으로 준비했는데 FC에 대한 기초부터 시작합니다. 센서와 어떻게 데이터를 주고받는지 GPS 데이터는 어떻게 다루고 조종기와는 어떻게 통신할지 배웁니다. 물론 드론을 직접 만들고 모터를 제어하는 것도 다루지요.
더 깊이 있는 드론 만들기를 배울 수 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/222011046613
2장에서는 전압 확인과 데이터 송수신 그리고 가장 중요한 안전 기능을 프로그램합니다. 마지막으로 안정적인 비행을 위한 PID를 공부하지요.
이 과정에서 STM32F405RGT Cortex M4 마이크로 컨트롤러를 깊이 있게 배울 수 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/222011971
Q : STM32F 임베디드 기술뿐 아니라 드론에 대한 원천 기술 연구에도 활용될 수 있겠네요. 앞으로 어떤 계획을 가지고 계시나요?
드론 FC의 기본을 체계적으로 공부하는 것은 이 과정이 처음입니다. 어느 나라에서도 만날 수 없지요. 그리고 이 과정을 배우고 싶은 사람들은 전 세계에 있다는 이야기도 자주 듣습니다. 그래서 요즘은 지금까지 준비한 과정을 영어로 준비하고 있어요.
자신의 FC가 새로운 드론이 탄생하는데 초석이 되었으면 한다는 박원엽님은 타고난 메이커(Maker)입니다. 재미있는 생각에 창의력을 더해 바로 실행하는 메이커지요. 하지만 박원엽님이 가진 기술에 대한 이해는 단순한 취미의 단계를 넘었습니다.
실제로 박원엽님은 매해 다양한 아이디어로 메이커 페어(Maker Fair)에 참가하기도 했습니다. 사진=https://blog.naver.com/lbiith/220847316349
드론을 통해 자신의 지식과 경험의 공유는 학교에서 기술을 배우는 지금까지 방법과 다른 새로운 접근이 아닐까 하는 생각을 하게 됩니다. 자신이 개발한 FC의 구조와 원리를 다른 사람과 나누고 싶다는 박원엽님의 이야기에 빠지는 동안 저 역시 드론으로 도전할 새로운 세계를 고민하게 되었으니까요. 다음에는 함께 드론을 날리자는 인사와 함께 인터뷰를 마치면서 박원엽님 같이 새로운 도전을 두려워하지 않는 분을 더 많이 만나보기를 기대해 봅니다.
WRITER 민연기
하늘을 나는 물건을 하나씩 공부하고 있는 엔지니어 입니다.
http://blog.naver.com/smoke2000
