GPS 장비를 사용하지 않고 비행 중인 비행체의 위치를 고정시키기 위해 그 기준점을 알기 위한 수단이 필요하다. 기준점을 알기 위한 수단으로 레이저 가 이드 빔을 비행체를 고정시킬 지역에 설치하여 비행체가 기준점을 찾고 해당 기준점에서 벗어나지 않고 비행하도록 한다. 그리고 이 레이저 다이오드 (Edmund Optics社, NT85-226)의 파장 대역(650nm)에서 우수한 동작 특성을 가지는 포토 트랜지스터(New JRC社, NJL7502L)를 10x10어레이 형태로 배열 하여 회전익 비행체의 아래에 장착하였다. 포토 트랜지스터 어레이가 레이저 가이드 빔을 찾고 포토 트랜지스터 어레이의 중심에 레이저 가이드 빔이 올 수 있도록 비행체의 제어기로 에일러론과 엘리베이터 제어 신호를 전송해 비행체 를 중심 방향으로 이동시킨다. 그림 3-7은 쿼드로터 비행체와 레이저 가이드 빔, 그리고 포토 트랜지스터 어레이를 도식화한 그림이다. 왼쪽 그림의 상단은 쿼드 로터 비행체이며 비행체의 하단에는 포토 트랜지스터 어레이가 지면을 바 라보도록 부착되어 있다. 레이저 가이드 빔은 비행체의 중심을 향하도록 조사 된다. 오른쪽의 그림은 포토 트랜지스터 어레이를 위쪽을 향하도록 뒤집어 놓 은 그림이다.
그림 3-7. 위치 홀딩 시스템 구성도
레이저 빔의 직경은 매우 작으며 거리에 따라 크기가 달라지기 때문에 이를 확대, 고정시켜 줄 수 있는 빔 확장기(Beam Expander, Edmund Optics社, NT55-577)를 레이저 다이오드와 연결하여 직경을 약 2.6cm로 확대, 고정시 켰다. 포토 트랜지스터 어레이의 포토 트랜지스터 사이의 간격은 가로, 세로 1.5cm이며 전체 어레이의 크기는 약 15 x 15cm이다. 직경이 2.6cm인 레이저 빔에 의해 센서가 최소 한 개, 최대 네 개가 반응하도록 제작하였다.
그림 3-8. 레이저 다이오드 제원 및 포토 트랜지스터 응답 특성
제작에 사용된 레이저 다이오드의 제원과 포토 트랜지스터의 응답 특성 곡선 은 그림 3-8과 같다. 포토 트랜지스터는 포토 다이오드에 비해 응답 속도는 느 리지만 본 논문에서는 안정성을 지향하기 위해 빛에 더욱 민감하게 반응하는 포토 트랜지스터를 선정하였다. 포토 트랜지스터가 반응하는 상승시간과 하강 시간은 각각 10us이다.
실제로 제작된 포토 트랜지스터 어레이는 그림 3-9에 나타내었다. 100개의 포토 트랜지스터를 수용하기 위해 두 개의 MCU(Arduino社, Seeeduino)를 사용 하였고 포토 트랜지스터 어레이의 좌표를 실시간으로 PC로 전송하기 위해 지그 비(Zigbee)를 사용하였다. 실제 사용된 포토 트랜지스터는 가시광 영역에서 반 응을 하는데, 레이저 가이드 빔 외의 빛에는 반응하지 않고, 거리에 따른 출력 의 변화를 없애기 위해 가변 저항과 OP-Amp(LM324)를 사용하였다. 제작한 어레이를 레이저 다이오드와 거리를 달리하며 실내에서 30m 까지 출력의 변화 를 실험하였고 출력의 변화는 발생하지 않았다.
그림 3-9. 실제 제작한 포토 트랜지스터 어레이