너무 쉬운 드론: 센서의 이해
드론센서, 어디까지 알고 있니?
드론을 날리다 보니 그 장비에 사용된 기술까지 자연스럽게 관심을 가지게 된다. 우리가 이런 것까지 알아야 할 필요가 있을까. 그렇지만 기본적인 원리를 아는 것은 위험한 상황이 닥쳤을 때 중요한 결정을 내리는 데 큰 도움이 된다. 또한 현대 과학기술이 어떻게 드론에 접목되었는지를 살펴보면 향후 기술이 어떻게 발전할지 판단하는데도 도움이 된다. 물론 일반인들도 이 정도의 지식만 알아둬도 자신에게 잘 맞는 드론을 고르는 데 유용하다.
드론을 날리 위해서는 기본적으로 위치, 고도, 속도, 방향, 장애물 등의 정보가 필요하다. 이 정보는 드론을 조정하기 위해서도 필요하지만, 드론 자체가 안정적으로 비행 및 호버링 하는 데도 필수적인 정보이다.
우리가 날리는 드론 대부분은 5~6가지의 센서는 기본적으로 장착하고 있다. 3축 가속도계(3 axis accelerometer), 3축 자이로스코프(3-axis gyroscope), 자력계(磁力計, Magnetometer), 기압계(Barometer), GPS 센서, 거리측정계 등 소비자용 드론에는 거의 기본으로 장착된다.
방향 및 움직임 측정
드론의 가장 기본적인 방향과 움직임을 측정하는 데 사용되는 센서이다. 기본적인 수평 자세 제어, 헤딩 방향은 드론을 안정적으로 제어하는 데 반드시 필요한 기능이다.
자력계(Magnetometer)
나침반 기능을 하는 센서이다. 자북을 측정하여 드론의 방향 정보를 드론의 CPU로 보낸다. 이 센서는 GPS 기능이 있는 드론에 기본적으로 장착된다. GPS의 위치 정보와 자력계의 방위 정보, 가속도계의 이동 정보를 결합하면 드론의 움직임을 파악할 수 있다. 북위 70도 이상에서는 자북의 측정이 불가능하기 때문에 이 위도 이상에서는 GPS 드론의 사용이 제한된다.
AliExpress에서 판매 중인 치어슨 CX-20의 Electronic Compass Module, 5달러 내외로 판매 중기본적으로는 나침반이다 보니 주변에 자성을 띄는 물체에 영향을 받는다. 전자기파를 내는 전력선이나 전자기기, 자동차 같은 철구조물도 영향을 미친다. 자력계(Compass) 에러가 발생하면 현재 위치에서 조금씩 이동하다 보면 해결된다.
3축 가속도계
센서에 가해지는 가속도를 측정한다. 가속도 센서가 3축이라 함은 센서가 3차원에서 움직일 때 x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있다는 의미이다. 이를 통해서 중력에 대한 상대적인 위치와 움직임을 측정한다. 드론에서는 비행체의 움직임에 의해 발생하는 자이로스코프의 오차를 보정하는 데 사용된다. 자이로스코프와 함께 드론이 안정적인 자세를 유지할 수 있도록 도와준다. 이외에도 게임기 컨트롤러나 스마트폰 등 장치의 미세한 움직임을 감지하고자 할 때 사용된다.
가속도계 및 자이로스크프 @Dronetrest(https://goo.gl/Ccmv5d)3축 자이로스코프
드론이 수평을 유지할 수 있도록 도와주는 가장 기본적인 센서이다. 세 축 방향의 각가속도를 측정하여 드론의 기울기 정보를 제공한다. 자이로스코프가 없는 드론도 비행이 가능할까? 전혀 불가능하지는 않다. 카메라와 초음파센서를 이용해서 자이로스코프와 비슷한 역할을 하게 할 수는 있다. 그렇지만 값싼 자이로스코프를 대신해서 복잡하고 불완전한 방법을 채택할 이유는 없을 것이다. 이런 이유때문에 장난감 드론부터 상업용 드론까지 자이로스코프는 필수적으로 장착된다.
위치 및 고도 측정
드론의 고도는 사진을 촬영하거나 장애물을 회피할 때 꼭 필요한 정보이다. 물론 항공법규, 150미터 고도제한, 를 지키기 위해서도 반드시 필요하다. 또한 드론을 멀리 보내다 보면 육안으로 관측이 힘들어진다. 이때 드론이 어디 쯤에 위치하는지 파악하는 것은 안전한 비행을 위해서도, 다시 드론을 불러오는 데도 꼭 필요한 정보이다.
기압계
대기압은 해수면에서의 높이에 따라 결정된다. 기압계는 이 원리를 이용하여 대기압을 측정하여 무인기의 고도를 측정한다. 기압계는 다른 말로 압력계라고도 부른다. 그렇지만 드론의 고도를 측정하는 데 기압계만 사용하는 것은 아니다. 정확도가 그리 높지 않기 때문이다.
따라서 대부분의 드론은 고도를 측정하기 위한 추가적인 방법을 사용한다. 일반적으로는 GPS 센서를 사용하여 고도를 매우 정밀하게 측정할 수 있다. GPS를 사용할 수 없는 실내에서는 초음파나 이미지 센서를 사용하여 정밀하게 고도를 측정한다.
기압계만 가지고 있는 작은 장난감 드론의 경우 집안의 방문을 여는 것에 따라서도 고도가 오르락내리락한다. 실내의 공기 압력이 변하기 때문에 나타나는 현상이다. 장난감 드론에도 사용된다.
GPS 센서
인공위성의 신호를 사용하여 드론의 위치 좌표와 고도를 측정한다. 요즈음은 일반적인 저가의 아마추어 드론에도 GPS 센서를 장착한다. GPS 신호를 송출하는 인공위성은 미국, 러시아, 유럽, 중국 등에서 군사용 목적으로 띄웠으나 현재는 상업용으로 개방하여 대부분의 항공기 및 무인항공기(UAV)들이 사용한다. 물론 우리가 매일 같이 사용하는 스마트폰 지도와 네비(NAVI)도 이 GPS 신호 덕분이다.
GPS 센서 @Gizmoso(https://goo.gl/YvUuki)DJI 팬텀 4는 미국의 GPS 신호와 러시아의 GLONASS 신호를 모두 사용할 수 있도록 센서를 구비하고 있다. 이것도 부족했는지 2개의 IMU를 사용하여 안전성을 높였다. 그만큼 중요하다는 뜻일 게다. GPS 신호는 드론에서는 출발위치를 인식하여 원위치로 돌아오기(Return Home) 기능을 구현하는 데도 사용된다.
가끔 드론을 잃어버렸다는 글을 보는 데 대부분 이 GPS의 오작동 때문이다. 지자기(KP)가 강한 날은 드론을 사용하지 말라는 주의도 GPS 신호 간섭으로 드론이 전혀 엉뚱한 행동을 할 수 있기 때문이다. 물론 조종기와 드론 간 통신에도 문제가 생기므로 KP 지수가 높은 날은 드론을 날리지 않는 게 좋다.
거리계
초음파, 레이저 또는 라이다(LiDAR) 기반 센서를 사용하여 드론과 지면 간 거리 또는 드론과 물체 간 거리를 측정한다. 초음파나 레이저를 발산한 후 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산한다.
DJI, 샤오미, 고프로, 유닉 등 대부분의 드론에서 초음파 센서가 사용되는 데 주로 실내에서 드론의 고도를 측정하는 용도이다. 샤오미 드론을 카펫이나 이불 위에서 날리면 갑지가 고도가 변하는 데 초음파를 흡수하여 고도 측정을 방해하기 때문이다. 이때 한번 추락할뻔한 경험을 한 이후 카펫 위를 날리는 모험은 자제하는 중이다.
라이다 센서는 레이저 펄스를 사용하는 데 처음에는 통신용으로 개발되었지만, 지금은 항공기와 위성에 탑재하여 지형을 측량하거나, 스피드건, 자율주행차 등 여러 방면에 활용되고 있다.
DJI Phantom4 pro에 장착된 비전 센서(좌, 우) 및 초음파 센서(좌)들기타 센서들
사실 이 부분에 포함되는 센서들은 기본적으로는 위에 소개한 센서의 범주에 들어간다. 단지 다른 이름으로 불리거나 복합기능을 하는 센서로 이해하면 된다.
비전 센서
최신 드론은 비전 센서를 포함하는 경우가 많다. 기본적으로는 비디오카메라를 생각하면 된다. 비디오를 찍고 이미지를 분석하여 장애물의 유무를 판단한다. 인텔의 리얼센스, DJI 팬텀 4에 사용되는 장애물 센서가 대표적이다. 실내에서 10미터 이하의 고도를 측정하거나 호버링 위치를 잡을 때, 장애물을 측정하여 충돌을 방지할 때 사용된다. 장애물회피센서는 아직까진 고급 드론에만 사용되는 기술이다. 여러대의 카메라로부터 실시간으로 얻어진 이미지를 처리하기 위해서는 드론의 CPU 성능도 높아져야 한다. 다 돈들어 가는 옵션이다.
이미지 패턴을 분석하기 때문에 같은 패턴이 반복되면 호버링 위치를 잡지 못하는 현상이 발생하기도 한다. 장애물 센서의 경우에는 하얀색의 단색으로 된 벽면이나 전깃줄 같이 가는 물체는 인식을 못할 수도 있다. 어쨌든 이 센서 덕분에 집안에서 드론을 날리는 게 좀 쉬워졌다.
팬텀4프로의 비전센서 위 @DJI 홈페이지반면에 장애물 센서는 좁은 공간에서 이동을 못하게 하기 때문에 꺼놓고 하기도 한다. 또한 드론의 움직임은 센서의 사양 범위에 맞춰 제한-속도, 가속도-된다. 그러니 급격한 스포츠 기동을 원할 때는 장애물 센서는 꺼놓아야 한다.
관성측정장치(IMU)
DJI 4 Pro에는 IMU 보정 기능이 있다. IMU는 관성측정장치로서 GPS와 연동되어 기체의 이동방향, 이동경로, 이동속도를 유지하는 역할을 한다. 3축 자력계와 GPS 수신기가 결합된 형태로 얻어진 정보를 드론의 CPU로 전달한다. 드론의 자동비행 기능이 일반화되면서 관성측정장치의 중요성은 더욱 커졌다. 많은 드론은 GPS 신호가 사라지면 현 위치에 정지한다.
48채널 GPS 리시버와 3축 자력계가 결합된 관성항법장치(IMU) @PACE(https://goo.gl/6OmHZO)3DR의 솔로(solo)가 실패한 원인 중 하나로 낮은 GPS 수신율이 가장 많이 지목되었다. 배터리에 가려진 GPS 센서때문에 수신율이 낮아 사용자들의 불만이 대단했다. 땡처리로 팔리고 있는 게 그저 우연은 아닌게다. DJI가 팬텀 4프로에서 2개의 IMU를 사용한 것도 모두 현장에서의 경험에 바탕을 두고 있다. 그 덕분인지는 몰라도 홈 포인트 설정이 매우 빠르다는 느낌을 받았다.
사람들은 드론을 어른들의 장난감이라고 말한다. 내 의견은 "글쎄올시다"이다. 드론은 첨단 센서가 사용된 현대 기술의 결정체이다. 드론은 많은 것을 가능하게 한다. 특히 농업에서 농약 살포는 농업용 드론이 거의 담당할 가능성이 크다. 멀지 않은 미래이다. 그 외에도 배송, 지적 측정, 지리조사, 농산물 재배면적 조사, 인프라 검사, 앰뷸런스, 군용 등 그 용도를 더 빠르게 확장될 전망이다. 용도는 다양해지겠지만 드론의 기본적인 기능은 크게 달라지진 않는다. 한번 익혀 놓으면 두고두고 도움이 된다.
