드론의 기초 및 기반기술

(1)

02 드론의 기초 및 기반기술

유 찬 석

국립경상대학교 / 조교수 [email protected]

김 석 구

㈜공간정보 / 대표이사 [email protected]

1. 머리말

드론(무인항공기)는 초기 방위산업분야에서의 주로 활용되어 왔으나 ICT, 센서, 제어 및 통신 기술 등의 발전으로 민간분야에서 급격한 성장 세를 이루고 있다. 최근, 드론 관련기술의 성숙과 개인소비자의 관심증가 에 따라 다양한 목적으로 이용하기 위한 소형드론의 판매가 급속히 증가 될 것으로 전망(‘14 25만대 ⟶ ‘18 100만대, CEA)되고 있다. 민간분야에 서 무인기 활용이 기대되는 곳은 택배용 드론, 화물용 무인항공기, 정밀 농업 등이 있으며 보급도 꾸준히 증가하고 있다. AUSVI (Association for Unmanned Vehicle Systems International)는 농업에서의 드론 의 역할이 증가할 것으로 예측했으며 실제로 드론의 상업적 이용조사에서 농업분야는 부동산, 항공조사, 항공촬영 다음으로 선호도가 높은 것으로 나타났다.

최근 국내에서는 농림축산식품부, 기획재정부, 국토교통부, 산업통상 자원부, 미래창조부, 해양수산부 등 관계부처가 협업체계를 구축하여 무 인기 기술 개발 및 제도화 방안 마련을 위한 R&D사업을 본격 추진 중이 다. 연구뿐만 아니라 취미용 드론의 판매가 급증하고 있는데 쿠팡에 따르 면 올해 1-2월 판매된 드론 매출이 작년 같은 기간에 비해 2.4배 증가한 것으로 나타났고, G마켓에서 판매된 드론도 3배 이상 급증한 것으로 나 타났다. 이와 같이 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있는 드론을 농업에 보다 효율적으로 이용하기 위해 드론의 분류, 원리, 구조 및 기반기술에 대해 이해하기 쉽게 설명하고자 한다.

(2)

표 1. 회전익과 고정익 드론 장․단점 비교

구분 장점 단점

회전익비행체

- 이착륙에 많은 공간을 차지하지 않음 - 감시나 관찰을 위한 호버링이 가능

- 수직비행 가능에 따른 건물이 많은 도시지역과 해안 수직암반에서도 사용 용이

- 물체에 근접시켜서 근접촬영이나 비행이 가능 - 다양하고 중량감 있는 탑재체를 장착 가능

- 고정익에 비해 보다 복잡하고 많은 부품들이 조립되어 완성품으로 작동

- 짧은 배터리 수명과 무게

- 고정익에 비해 보다 좁은 지역을 촬영하는데 적합 - 추락할 경우 고정익보다 손상규모가 큼 - 인사사고로 이어질 수 있는 기체구조와 무게, 재질

고정익비행체

- 회전익보다 더 넓은 지역을 촬영 가능 - 회전익보다 긴 비행시간이 가능 - 추락으로 인한 손상규모가 작음

- 회전익에 비해, 보다 넓은 이착륙 공간 필요 - 관찰이나 감시를 위한 용도로 호버링이 불가 - 다양한 탑재체의 장착이 다소 어려움 - 대상물에 대한 자유로운 각도조절이 어려움 - 수직면에 대한 사진촬영 어려움 - 사진중복촬영 시 바람의 영향이 받음

그림 1. 고정익드론(eBee, sense Fly) 그림 2. 회전익 드론 (PHANTOM3, DJI)

2. 드론의 기초 2.1 드론의 분류

드론의 분류는 무게, 체공시간 및 거리, 운용 고도 등에 따른 일반적인 분류와 원격조종 형태, 공역 및 지역, 에너지, 공역 분리성, 비행체 형태, 용도 등에 따라 분류되지만 아직까지 국제적으로 공식 인정되어 통용되고 있는 분류기준은 없다 (교통안전공단, 2009). 우리가 가장 일반적으로 사용하고 있는 형태별 분류는 로터의 방향에 따 라 고정익, 회전익, 틸트로터(고정익+회전익)로 구분되며 회전익은 로터의 개수에 따라 헬리콥터 (2)와 멀티콥터(4, 6, 8, 10, 12)로 구분한다.

표 1에 회전익과 고정익 드론 장․단점 비교를 나타내었다. 고정익(그림 1)은 일반적인 비행기 와 같이 고정날개 형태인 시스템으로서 연료소모 가 상대적으로 적어 장기체공이 가능하나 활주로 나 넓은 개활지가 필요하다. 정지비행이 불가하 여 저고도에서의 표적을 지속적으로 추적하기가 어려우며, 이‧착륙시 바람의 영향을 많이 받는다.

이와 반대로 회전익(그림 2)은 비행체가 헬리콥 터형인 시스템으로서 수직이착륙이 가능하여 좁 은 공간에서의 이착륙이 가능하고 공중에서 정지 비행이 가능하고 상대적으로 급격한 선회가 가능 하다. 그러나 연료효율이 낮아 장기체공이 제한 됨으로써 상대적으로 단거리 임무 및 기상의 변 화가 많은 지역에 적용되고 있다(김석구, 2014).

(3)

그림 3. 드론(쿼드콥터)의 비행원리(중앙일보)

2.2 비행원리

드론이 비행하기 위해서는 양력(Lift: 위로 들어 올리는 힘), 추력(Thrust: 앞으로 밀어내는 힘), 항 력(Drag: 공기가 뒤로 끄는 힘), 중력(Weight: 지 구가 당기는 힘)의 4 가지 힘이 필요하다. 우리가 영화에서 헬리콥터의 테일 로터가 고장이 나면 헬리콥터가 빙글빙글 회전하면서 추락하는 장면 이 있는데 이때 헬리콥터는 메인로터의 회전방향 과 반대방향으로 회전하면서 추락한다. 헬리콥터 의 메인로터가 회전하면서 발생하는 힘에 대한 반작용이 기체에 반력으로 작용하기 때문이다.

멀티콥터는 헬리콥터와 구조가 다르지만 이 원리 가 그대로 적용된다. 로터가 회전을 하게 되면 작 용과 반작용의 법칙에 따라 회전 반대 방향으로 토크가 발생하게 되기 때문에 이때 발생하는 토 크를 상쇄하기 위해서 모든 로터가 동일한 방향

으로 회전하지 않고 짝을 지어 서로 반대 방향으 로 회전하도록 설계되어있다.

드론이 상승할 때는 모든 로터가 동일한 회전 수를 가지게 되고 로터의 회전수가 높아지면 상 승하고 로터의 회전수가 낮아지면 드론의 자중에 의해 하강하게 된다. 로터의 회전수는 일반적으 로 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어되고 그림 3과 같이 로터의 회전수의 차이에 따라 전‧후진(PITCH 이동), 좌‧우이동(ROLL 이 동) 및 제자리 회전(YAW 이동)이 이루어진다.

2.3 드론의 구조

드론에 장착되는 장비는 고정익 및 회전익에 관계없이 동일하다. 회전익의 경우 그림 4와 같 이 프로펠러와 모터, 모터 컨트롤러, GPS (Global Positioning System), 비행제어장치(AHRS: Attitude

(4)

그림 4. 회전익 시스템 구성도(㈜공간정보)

그림 5. 3 axis IMU (CUMATIX)

그림 6. AHRS-G MINI & iHUD (LEVIL)

Heading Referance System 또는 INS: Internal Navigation System), 비행정보 표시 장치, 비 행 컨트롤 장치, 비디오 송수신 장치, 각종 센서 등이 있으며, 안전장치로서 낙하산, Radio Tracker 등이 장착된다.

2.4 각종 장치 및 센서 가. IMU & AHRS(INS)

드론이 임무를 수행하기 위해서는 먼저 드론의 자세에 관한 정보를 IMU (Inertial Measurement Unit)를 이용하여 측정한다. 그림 5와 같이 3축 IMU는 움직이는 물체의 이동관성을 측정할 수

있는 가속도계(Acceleration sensor, 붉은색 글 씨)와 회전관성을 측정할 수 있는 자이로(Gyro sensor, 파란색 글씨)와 방위각을 측정할 수 있 는 지자계(Compass, 검은색 글씨)로 구성되어 있다.

AHRS (Attitude Heading Referance System) 또는 INS (Internal Navigation System)는 IMU 로 측정된 데이터를 시계열적으로 적분하여 속도 를 구하고 속도를 다시 적분함으로서 거리를 구 하여 드론의 현재 위치를 계산할 수 있다. 이 값 들을 이용하여 현재 드론의 위치 및 이동한 거리 를 알 수 있다.

앞에서 언급했듯이 현재 드론의 위치를 계산하 기 위해서는 두 번의 적분을 거치게 되는데 이때 적분상수로 인해 발생된 오차는 계속 누적되기 때문에 정확한 위치를 파악하는데 문제가 발생한 다. 따라서 일반적으로 오차를 줄이기 위해 AHRS (INS)와 GPS를 세트로 이용하고 있다. 그림 6에 AHRS와 AHRS 출력값을 이용하여 iPhone 전용 으로 가시화시킨 소프트웨어인 iHUD를 나타내 었다.

나. GPS

GPS (Global Positioning System)는 적분 으로 발생된 누적오차를 줄이고 현재 위치를 정

(5)

그림 7. GPS와 DGPS의 차이 (국토지리정보원)

그림 8. eBee 전용 Sensors(senseFly)

확하게 측정하기 위해 이용된다. GPS는 미국 국 방성의 주도로 개발한 시스템으로 6개의 원 궤도 에 24개의 위성을 배치해 삼각 측량법에 따라 3 개의 위성으로부터 수신된 거리와 시간정보를 이 용하여 위치를 계산하고 나머지 1개의 위성데이 터를 이용하여 오차를 수정한다. 일반적인 GPS의 위치오차는 100m, 기지국과 이동수신기(Rover) 를 이용한 DGPS (Differential GPS)시스템을 사용 하면 1-10m, RTK-GPS (Real Time Kinematic DGPS)시스템을 이용하면 1-10mm의 정확도를 가진다(국토지리정보원). 또한 GPS의 수신주기 (Hz)는 AHRS 또는 INS의 누적 오차에 영향을 주기 때문에 수신 주기가 빠를수록 오차가 줄어

든다. 그림 7에 GPS와 DGPS의 차이를 나타내었 다. 최근 러시아(GLONASS: 24개 위성) 및 EU (GALILEO: 4개 위성) 등 다양한 위성위치 시스 템을 이용할 수 있어 수신 불량지역 및 측정오차 가 줄어들고 있다.

다. Sensor

고정익에 탑재되는 센서는 일반적으로 전용센 서로 구성되어 있다는 것이 단점이지만 최근 RGB 또는 NIR (Near InfraRed)뿐만 아니라 RE (Red-edge), 열화상(Thermal) 센서가 개발 되어 다양한 범위에서 대상체의 영상을 취득할

(6)

그림 9. Push-broom type hyperspectral camera 그림 10. Snapshot type hyperspectral camera

그림 11. 9320S IR camera 그림 12. M1-D Thermal surveillance camera

수 있게 되었다. 그림 8에 eBee 탑재용으로 이용 되고 있는 5가지 센서를 나타내었다. 최근 개발 된 RE, multiSPEC 4C 및 Thermal 센서의 경 우 작업시간의 단축, 대상물의 다양한 정보를 추 출하는 것이 가능하리라 판단된다.

회전익은 고정익과 달리 다양한 센서를 탑재할 수 있는 것이 특징이다. 고정익에 비해 중량 제한 이 적기 때문에 기존의 RGB, NIR (Near InfraRed) 카메라뿐만 아니라 다중분광(Multispectral) 카메라, 초분광(Hyperspectral) 카메라, 열화상(Thermal) 카메라 등과 같은 다양한 센서를 탑재할 수 있기 때문에 이러한 센서를 이용한 연구들이 많이 진 행되고 있다.

반면 중량이 있는 센서를 탑재하면 로터의 소 요동력이 증가하여 비행시간이 짧아지는 단점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근

탑재되는 센서의 경량화에 관한 연구들이 많이 진행되어 그림 9~그림 12와 같이 드론용 고성능 센서(초분광 카메라, 열화상 카메라 등)들이 많이 제품화 되었고 앞으로도 다양한 성능을 가진 소 형 및 경량 센서들이 많이 개발되어지리라 생각 한다.

라. 무선 통신 및 비디오 송수신 장치

드론의 시스템은 무인기, 지상통제장비, 비디 오 송수신장지, 데이터링크로 구성되며, 데이터 링크는 지상 무선국과 무인기 간의 무선 데이터 링크와 위성을 통한 데이터 링크로 구분할 수 있 다. 드론의 데이터 링크는 그림 13과 같이 크게 지상 제어 및 비임무용(CNPC: Control and Non-Payload Communication) 데이터 링크

(7)

그림 13. 드론 시스템 데이터 링크

그림 14. 무인기 세팅 소프트웨어(DJI, A2)

그림 15. 자동비행 소프트웨어

와 임무용 링크로 구분할 수 있다. 임무용 데이터 링크는 임무 수행과 관련 된 데이터를 전달하기 위한 링크로서 일반적으로 CNPC 데이터 링크보 다 광대역이다.

국내의 경우, 드론 제어 전용 주파수의 국내 할 당과 표준화된 통신 기술 및 장비가 부재한 상태 이다. 현재 드론의 제어를 위해서는 기존의 항공 이동업무용으로 분배된 주파수를 이용하는 상황 으로 WRC-12에서 분배 된 신규 무인기 지상 제 어 전용 C 대역 주파수를 국내에 서도 용도 지정 하였으나, 세부 주파수 이용기준이 없기 때문에 KARI (Korean Aerospace Research Institute) 및 KAI (Korea Aerospace Industries) 등은 민간차원의 실험 무선국 주파수로 이용 중이다.

이에 따라 새로운 드론의 개발 때마다 표준화된 장비 없이 임의로 제어용 상용 통신 장비를 도입 하여 운용하는 상황이다. 따라서, 드론의 안전운 항을 위한 제어 전용 주파수에서의 표준화된 통 신 기술 및 시스템 구축 필요성이 대두되고 있으 며, 통상적으로 데이터링크, 컨트롤러의 주파수 는 2.4 Ghz, 비디오송수신장치의 주파수는 5.8 Ghz를 사용하고 있다.

마. Software

드론에 이용되는 소프트웨어 종류는 무인기를 세팅 할 수 있는 세팅 소프트웨어와 촬영을 할 수

있는 촬영 소프트웨어, 그리고 촬영된 영상을 처 리할 수 있는 영상처리 소프트웨어가 있다.

드론 세팅용 소프트웨어(그림 14)는 비행 컨트 롤에 필요한 IMU 캘리브레이션, GPS 설정, 모 터의 RPM, 프로펠러 방향등을 세팅 할 수 있다.

설정된 세팅값은 데이터링크를 통해 드론에 전달 되고 주어진 세팅값에 따라서 비행 제어를 하고 정확한 위치와 고도를 유지 할 수 있게 된다.

드론의 자동비행 소프트웨어는 해당 기체정보 를 입력하고, 데이터링크를 이용하여 드론과 연 결하게 된다. 소프트웨어 실행 시 비행경로 설정, 이착륙 위치를 간단하게 설정 할 수 있으며, 비행 중 배터리 잔량 및 풍속, 위치, 상태 등을 실시간 으로 모니터링이 가능하다. 비행 전 시뮬레이션 을 통해 사용자가 안전한 비행을 할 수 있도록 하 며 자동비행 소프트웨어 방식은 그림 15와 같다.

비행경로를 설정할 때 영상왜곡을 방지하기 위해

(8)

그림 16. 정사영상

그림 17. eMotionButterfly(Festo) 그림 18. 하이브리드 드론(B Go Beyond)

중복도를 주게 되는데 일반적으로 종방향 중복도 는 최소 50% 이상 (일반적으로 60%)으로 하고 횡중복도는 최소 5% (일반적으로 30%) 이상으로 한다.

영상 처리 소프트웨어는 드론이 취득한 영상데 이터 및 Log데이터(GPS, IMU)를 이용하여 여러 장의 사진을 하나의 영상으로 처리 할 수 있다.

외부표정요소를 이용한 사진접합, 지상기준점 매 칭, 사진 위치 최적화 작업, 지형구축, 질감구축, 삼각망 구성의 영상처리 작업을 거쳐 고해상도 정사영상(그림 16)이 생성이 된다. 작성된 정사영 상은 일반적으로 GIS (Geographic Information

System)과 연동시켜 필요한 정보를 추출하거나 해석하는데 이용된다.

3. 마치면서

국내 드론 기술수준은 세계적으로 Tier 1 수준 으로 평가되고 있으며 국방기술품질원은 우리나 라가 약 7위권의 기술경쟁력을 보유한 것으로 평 가하고 있다. 국토교통부의 발표에 따르면 드론 시장규모는 점차 증가하여 향후 15년간 1.62조원 의 규모로 성장할 전망이다. 정부기관 및 관련 분 야의 관심과 지원으로 국내 산업전반의 융합된

(9)

기술로서 UAV 및 전용 자료처리 기술이 완성되 어져 안전하고 유용하게 활용되어야 할 것이다.

그림 17 및 그림 18과 같은 다양한 드론 개발도 필요하리라 생각한다.

참고문헌

1. 교통안전공단, 2009, 무인항공기 안전관리제도 구 축 연구, 국토교통부

http://www.prism.go.kr/homepage/main/retriev eMain.do

2. 윤광준, 2015, 드론핵심기술 및 향후 과제, KISA 이슈&트렌드

3. Frost &Sullivan, 2015, 무인기 세계시장 조사분석 연구

4. 한상철, 장종찬, 이성일, 2015, 무인항공기(드론) 기술동향과 산업전망, KEIT PD 이슈 리포트 7호 5. AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems

International) http://www.auvsi.org/home 6. GPS 개요/이용, 국토지리정보원

http://sd.ngii.go.kr:9000/sub/gps/gps_outl.jsp?

serv_cd=5&mmenu=1&smenu=1

7. 박종화, 2014, 농식품 분야 원격탐사기술 활용체 계 구축방안 연구, 농림수산식품 교육문화정보원 8. 강기헌, 2015, 무인항공기에 숨은 과학, 중앙일보

http://article.joins.com/news/article/article.asp?t otal_id=18468817&cloc=olink|article|default 9. 김희욱, 강군석, 장대익, 안재영, 2015, 무인기 제

어용 무선통신 기술 및 표준화 동향, 한국전자통신 연구원

10. 김석구, 2015, 무인비행시스템을 이용한 공간정 보 구축 및 활용에 관한 연구, 목포대학교 대학원 11. Multirotor-frame-configuratins, COPTERCRAFT,

UK

http://www.coptercraft.com/multirotor-frame-co nfigurations/

12. SensorFly, https://www.sensefly.com/drones/

accessories.html

13. Festo, http://www.festo.com/cms/en_corp/14253.htm 14. B go beyond, http://www.bgobeyond.co.uk/