짐벌 (Gimbal) : 카메라를 잡는 드론의 손
STUDY
카메라가 본체에 바로 달려있는 저가의 멀티콥터도 있지만 흔들리지 않는 안정적인 항공촬영을 위해서는 짐벌이 필요합니다. 짐벌은 카메라가 연결된 부분이 아무리 흔들려도 카메라는 흔들리지 않도록 만들어 주는 장치입니다. 멀티콥터에 사용되는 짐벌은 방송용으로 사용되는 스테디 켐의 보조 장치로 개발이 되었지만 빠르고 저렴한 컴퓨터와 모터의 발달로 소형화가 진행되어 멀티콥터에 적용되었습니다. 짐벌은 짐벌이 연결된 손잡이가 움직이는 방향과 반대로 같은 각도와 같은 속도로 제어해 주는 장치입니다. 예를 들어 짐벌을 멀티콥터에 연결된 상태에서 기체가 시계 방향으로 20도 롤 회전을 한다면 짐벌은 카메라를 같은 속도로 반시계 방향으로 롤 회전을 합니다. 멀티콥터는 움직였지만 카메라는 움직이지 않기 때문에 마치 하늘에 카메라를 고정한 것 같은 사진이나 영상을 얻을 수 있습니다.
멀티 콥터가 롤 회전을 하면 카메라는 반대로 롤 회전을 해서 촬영 각도를 유지합니다.
짐벌의 종류
짐벌은 몇 개의 축에 대하여 항상 같은 위치를 유지할 수 있느냐에 따라 나눌 수 있습니다.
- 1축 짐벌 : 보통 피치 회전에 대해 항상 같은 각도를 유지할 수 있는 짐벌입니다. 촬영용보다는 레이싱 드론의 FPV 카메라의 수평 유지를 위해 사용됩니다. 기체가 전진을 위해 앞으로 기울어져도 항상 전방을 볼 수 있도록 해 줍니다.
- 2축 짐벌 : 피치와 롤 축에 대하여 항상 같은 각도를 유지할 수 있습니다. 3축 짐벌 보다 저렴하기 때문에 많이 사용되지만 요축이 흔들리는 경우 안정적인 영상을 얻기 힘듭니다.
- 3축 짐벌 : 피치, 롤, 요우 축에 대해서 항상 같은 각도를 유지할 수 있습니다. 3축에 대해서 고정된 위치를 만들 수 있기 때문에 촬영에 가장 많이 이용되는 짐벌입니다.
짐벌의 선택
짐벌은 멀티콥터 만큼이나 많은 종류가 있습니다. 자신의 목적에 맞는 짐벌을 선택하기 위해서 다음을 확인해야 합니다.
- 어떤 카메라를 설치할 수 있는가 : 고프로와 같은 액션 카메라를 설치할 수 있는 소형 짐벌과 자동카메라나 미러리스 카메라를 설치할 수 있는 중형 짐벌, DSLR 카메라 이상의 촬영 장비가 설치가 가능한 대형 짐벌이 있습니다. 짐벌의 크기가 커질수록 무게도 무거워지기 때문에 자신의 멀티콥터의 추력을 유의해서 선택해야 합니다. 또한 카메라의 무게가 무거울수록 카메라를 회전시키는 모터의 토크(Torque : 회전하는 힘)도 커져야 하기 때문에 적용된 모터의 출력도 확인해야 합니다.
소형 짐벌 Feiyu from alliexpress.com
중형 짐벌 iFlight G40 3 Axis Aerial Gimbal from iflight-rc.com
대형 짐벌 Zenmuse from DJI- 요우 축이 360도 이상 회전하는가 : 360도를 흔들림 없이 촬영해야 하는 조건이면 요우 축이 360도 회전하는지 확인이 필요합니다. 360도 회전이 가능한 짐벌은 구조가 더 복잡하기 때문에 가격이 더 비쌉니다.
- 어떤 모터가 적용되었는가 : 레이싱 드론에 적용되는 1축 짐벌은 고가의 BLDC 모터보다 가벼운 서보모터가 적용되는 경우가 많습니다. 최근 대부분의 촬영용 짐벌은 조용하고 진동이 적은 BLDC 모터가 주로 적용됩니다. 앞서 설명한 바와 같이 크기가 큰 짐벌 일수록 큰 힘이 필요하기 때문에 사양을 확인해야 합니다. 또한 모터 내부에 자석이 많을수록 정밀한 회전 각도를 얻을 수 있기 때문에 BLDC 모터에 몇 개의 자석이 적용되었는지, 모터의 코깅 현상 (모터가 자석과 자석 사이에서 걸리는 힘)은 없는지 확인이 필요합니다.
세팅 방법
1) 무게 중심 잡기 : 짐벌이 제공하는 축이 설치하는 카메라의 무게 중심(COG : Center of Gravity)과 일치해야 합니다. 무게 중심을 축과 일치 시키면 카메라를 어느 방향으로 회전 시켜도 회전 시킨 각도를 유지합니다. 만약 회전 시킨 후 손을 놓았는데 특정 방향으로 다시 돌아가면 회전하는 방향으로 무게 중심이 치우쳐 있다는 의미입니다. 무게 중심이 맞지 않으면 카메라를 회전시키는데 추가적인 힘이 필요하게 되어 정상적으로 짐벌이 작동하지 않을 수 있습니다. 무게 중심을 잡기 위해서는 카메라의 위치를 이동시키거나 이동에 한계가 있는 경우 카메라나 짐벌에 추(동전을 이용하기도 합니다)를 설치하여 균형을 잡을 수 있습니다.
카메라를 어느 방향으로 기울였다가 놓아도 기울인 각도를 유지해야 합니다.2) 센서 설치 : 카메라의 위치를 확인하기 위한 센서가 별도로 있는 경우 카메라의 수직이나 수평면에 설치해야 합니다. 센서는 설치 전에 평평한 곳에 두고 켈리브레이션을 실행하여 평면을 설정합니다.
3) 짐벌 프로그램 연결 및 설정 : 짐벌과 PC를 연결하기 위한 드라이브를 설치한 후 짐벌 설정 프로그램을 PC에 설치합니다. 짐벌 설정 프로그램에서 기본적으로 설정하는 메뉴들은 다음과 같습니다. (세부 사항은 짐벌 종류에 따라 각각 다릅니다.)
- 각 회전 축에 대한 PID 설정 : PID는 지시한 각도에 모터가 빠르고 정확하게 이동할 수 있도록 만들어 주는 알고리즘입니다. FC에서 사용하는 PID와는 다소 다르게 설정하는 경우가 있습니다. 빠르고 강하게 반응하게 만들기 위해 P 값을 높게 설정하고, 진동이나 바람에 의한 반응성을 높이기 위해 D 값을 높일 수 있습니다. (PID는 짐벌마다 다소 다른 알고리즘을 따릅니다. 세부 사항은 짐벌 매뉴얼을 참조하세요.)
- 모터 설정 : 짐벌을 조종하기 위한 배터리의 전압에 따라 모터의 Power를 설정합니다. 보통 짐벌은 롤 축과 요우 축의 움직임이 크므로 Power을 다소 높게 잡는 것이 좋습니다. BLDC 모터 자석의 숫자를 자동으로 찾아 주는 기능이 있기도 합니다.
- 센서 설정 : 수평 설정을 한 센서는 부착되는 위치에 따라 X, Y, Z 축의 방향을 바꿀 수 있습니다.
- PWM 설정 : 짐벌에서 고주파 소음이 발생할 경우 PWM 값을 높게 설정하면 소음을 줄일 수 있습니다.
SimpleBGC GUI from http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2009013&page=354) 짐벌 설치 : 설정이 완료된 짐벌을 기체에 설치합니다. 짐벌은 기체의 무게중심을 고려하여 설치되어야 합니다.짐벌은 최대 3축 회전에 대해서 외부 움직임에 대해 카메라를 고정해 주지만 상하, 좌우, 전후 방향에 대한 진동은 카메라에 고스란히 전달됩니다. 이 진동을 막기 위해 댐퍼로 짐벌을 기체에 연결하는 것이 좋습니다. 조종기에서 카메라의 방향을 조종하기 위해 짐벌을 수신기 또는 FC에 연결합니다.
짐벌의 정비
정밀한 동작을 요하는 촬영용 짐벌은 비행에 의한 스트레스뿐 아니라 촬영 환경 즉 먼지나 습기 낮고 높은 기온 등 여러 원인에 의해서 이상 동작을 보일 수 있습니다. 짐벌의 정비는 짐벌 제조사에 따라 다르지만 일반적인 고장은 다음과 같습니다.
- 축 틀어짐 : 추락을 하지 않은 경우라도 하드랜딩 (충분한 감속 없이 착륙하는 것) 등으로 짐벌에 충격을 받을 수 있습니다. 축이 휘거나 틀어지면 짐벌이 정상적으로 동작하지 않을 수 있습니다. 가벼운 휨은 손으로 잡을 수 있지만 심한 경우 교체하는 것이 비용과 시간을 절약하는 방법일 수 있습니다.
- 축 고정 : 회전 축은 베어링으로 고정되어 있지만 고정부가 충격에 의해 느슨해지면 회전축이 흔들려 와블링 (Wabbling, 화면이 물결치듯이 변형되는 현상, 젤로 현상이라고도 부릅니다)이 발생합니다.
- 모터 이물질 : 초기 짐벌은 서보모터를 사용하였지만 부드러운 동작과 소음을 위해 현재는 BLDC 모터가 사용됩니다. BLDC 모터는 내부 코일과 외부 회전부의 간격이 좁아 이물질이 들어간 경우 짐벌 동작시 카메라가 간헐적으로 떨리는 현상이 발생할 수 있습니다. 특히 자성을 가진 이물질의 경우 자석에 붙어 자연적으로 떨어지지 않기 때문에 필요하면 분해 정비가 필요합니다.
- 케이블 불량 : 혹독한 기온에 노출되는 경우 케이블의 피복이 파손될 수 있습니다. 케이블에 사용되는 플라스틱이나 고무는 무른 성질을 만들기 위해 여러 가지 물질을 첨가하는데 이것은 기온 변화에 따라 원재(플라스틱이나 고무)에서 떨어져 나가 무른 성질을 잃고 부서질 수 있습니다. 피복이 파손된 케이블은 합선을 일으키므로 촬영 환경을 고려하여 케이블 점검이 필요합니다.
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