드론시스템

드론시스템

• HW : 비행체, 임무장비, 통신장비, 지상통제소

  -비행체 : 기체, 비행제어기(자동비행), 항법장비(GPS), 전원장치(추진 동력 공급), 센서
  -임무장비: 영상카메라, 적외선카메라, 열화상카메라, 3D 영상획득 장비, 환경 측정 장비
  감시 및 관측을 위한 장비, 가시광선을 촬영하는 장비, 야간에도 촬영이 가능한 적외선 카메라 등
  -통신장비: 주적안테나, 광대역 송수신장치, 자동 이착률 유도장비
  드론을 원격으로 제어하기 위하여 필요한 모든 장비들이 포함
  -지상통제장비: 제어용 컴퓨터, 수동조종 장비(비상시 사용), 영상 장비(영상수신, 모니터링), 통신 장비(데이터 송수신)

• SW : FW(OS), Application

  FW(OS) - 비행제어, 센서처리, 통신, 충돌회피, 자동이착률
  Application - 3D 지도 제작, 조종 시뮬레이션 SW, 게임, 자율비행 (GCS등), 지상통제소 운영SW

• 드론 시스템에 사용되는 소프트웨어 기술 ( SW Technology )

  드론의 지행제어와 각종 센서의 데이터 처리
  드론과 드론장치간의 송수신
  드론내 여러 장치간의 센서융합을 하는 임베디드 펌웨어 소프트웨어(Embedded Firmware SW)등

• 다양한 애플리케이션 프로그램 (App. Program)

  Pix4D와 같은 3차원 지도제작 애플리케이션
  도상의 좌표를 따라 드론이 비행하게 하기 위해서는 GCS(Ground Control System)프로그램
  사물인터넷(IoT)과 5G와 같은 이동통신망을 기반으로 비행중인 모든 드론의 정보가 클라우드 시스템(Cloud System)으로 실시간 통합되어 공유되는 연구가 진행
  기상 및 지형 정보까지 연계한 빅데이터(Big datd)를 통해 인공지능(AI) 기반의 첨단 자동 관제 시스템과 같은 인프라 등

드론 임베디드 SW 특성

• 고신뢰성

  -SW면: 어떠한 문제가 발생하더라도 이를 극복하고 정상적인 비행을 할 수 있는 알고리즘 탑재
  -SW의 최적화된 시스템 구축 필요
  -HW면: 신회성있는 센서와 프로세서 등을 결합 -> 안정적으로 비행할 수 있도록 제작
  -다양한 상황에서도 이중, 삼중으로 극복할 수 있는 방안들이 강구되고,
  이를 조치할 수 있는 장치 탑재 필요

• Real Time처리

• Multi Processing

• 주어진 시간 안에 탑재된 하드웨어와 소프트웨어의 최적화

• 생존성(Liveness)

• 자원 및 환경의 제약(Constraimts)

  SW의 제약 조건 : CPU 처리속도, 메모리 크기, 사용자 인터페이스 등
  기타 제약 요인 : 전력공급, 프로토콜(Protocol)의 불일치, 시장가격 등
  설계 단계에서부터 제약

드론 지원 지능형 임베디드 SW

• 플랫폼 구조

  드론의 기능이 단순한 임무 수행에서 복잡한 다중 임무를 수행하게 됨으로써
  멀티 태스크 ( Multitask), 멀티 스레드(Multithread) 기능이 가능한 다양한 임베디드 SW플랫폼이 필수적으로 탑재될 것이 요구

• 시스템 구성

  드론 임베디드 시스템은 하드웨어와 소프트웨어가 실시간으로 작동되고 운용되면서 밀접하게 연동되며 드론을 제어하는 종합적인 시스템을 의미

• 플랫폼 기술의 범위

  초정밀 위치 제어기술
  충돌 방지 및 회피 기술
  다중 세넛 융합 및 필터링 기술
  AI기반 비행 경로 설정 기술
  산업용 미션 SW 탑재 기술
  미션 SW 개발용 라이브러리 및 지원도구 기술 등

-> 고신뢰 비행제어, 고성능 임무수행

RTOS ( Real Time Operating System ) 의 특징

• Portable : 다양한 시스템에 적용이 가능하다. 들고다닐수 있다 휴대용.

• ROMable : ROM에 전체 커널을 다 올릴 수 있다.

• Preemptive : 선점형 커널을 가지고 있다.

• Multitasking : 멀티태스킹을 지원한다.

• Deterministic : 실행시간을 예측할 수 있다.

• Robust & Reliable : 신뢰성이 있다.

• 적은 용량의 Kernel사용 : 소형기기의 경우 작은 메모리 사이즈

• 짧은 interrupt latency : 이벤트에 의한 반응 속도가 빠르다

모터의 회전속도에 따른 드론의 이동방향과 상태 결정

• 드론은 프로펠러가 모터에 고정되어 회전 방향이 사전에 정해져 있다.

  -시계방향(CW): 푸셔(Pusher) 프로펠러
  -반시계방향(CCW): 트렉터(Tractor) 프로펠러

• 대각선으로 마주보는 프로펠러는 같은 방향으로 회전하고,옆에 인접한 프로펠러는 반대방향으로 회전

  -반토크의 힘을 발생시켜 기체가 균형을 유지

• 앞으로 전진 : 뒤족에 위치한 3,4 번의 프로펠러의 회전속도가 앞에 위치한 1,2번의 프로펠러 속도보다 빨라야한다.

• 왼쪽으로 회전 : 시계방향(CW)으로 회전하는 1,3번 프로펠러의 속도가 반시계방향(CCW)으로 회전하는 2,4번 프로펠러보다 회전속도가 빨라야한다.

  -시계방향 즉, 오른쪽으로 회전하는 속도가 빠르므로 토크가 발생하여 기체는 왼쪽방향으로 회전

푸셔 프롭 : 시계방향(CW) 1,3번

트렉터 프롭 : 반시계방향(CCW) 2,4번

비행제어모드 선택

• 수동모드 : 완전한 수동모드로서 자세제어가 없어 모든 비행조종을 조종자가 직접 감각으로 실시하는 모드, 저가의 연습용 드론에 사용

• 자세제어모드 : 기압센서에 의해서 고도만 유지되고 GPS가 지원되지 않기 때문에 안정된 비행x 기체가 전후, 좌우로 많이 흘러 안정된 조종이 어렵다. 항상 GPS지원을 받는다는 보장이 없으므로 자세제어 모드에서의 조종연습이 필요하다.

• GPS 자동비행모드 : GPS를 이용한 위치 인식과 각종 센서를 이용하여 안정된 비행을 할 수 있는 모드로, 최근에 출시되는 대부분의 드론이 GPS모드로 비행할 수 있도록 제작된다.

APM콥터의 자세데어 비행모드는 평행모드, 고도유지모드, 위치고정모드, Pos Hold Mode로 구분

엘리베이터 조작

-엘리베이터 스틱은 기체를 전진시키고 후진시키는 스틱
-기체의 기수방향을 기준으로 앞뒤 프로펠러의 회전수를 조절하여 기체를 전진 또는 후진
-엘리베이터 스틱을 위로 올리면 기수방향 후면 프로펠러의 회전이 앞면 프로펠러 회전보다 강하여 기체가 앞으로 기울면서 기체는 앞으로 전진한다.
-반대로 엘레베이터 스틱을 아래로 내리면 기수방향 전면 프로펠러의 회전이 후면 프로펠러보다 강하여 기체가 뒤로 기울면서 기체는 뒤로 후진한다.

스로틀 조작

-스로틀 스틱은 기체의 상승과 하강을 조작하는 스틱이다.
-모든 프로펠러의 회전수를 빠르게 또는 느리게 하여 기체의 고도를 조절한다.
-위로 올리면 기체는 상승하고, 밑으로 내리면 기체는 하강한다.

에일러런 조작

-에일러런 스틱은 기체를 좌우측으로 이동시키는 스틱
-기체의 좌우측 프로펠러의 회전수를 조절하여 기체를 좌측 또는 우측으로 이동
-에일러런 스틱을 좌로 움직이면 우측의 프로펠러의 회전이 우측보다 강하여 기체가 좌측으로 기울면서 기체는 좌측으로 이동
-우로 움직이면 좌측 프로펠러 회전이 우측보다 강하여 기체가 우측으로 기울면서 기체는 우측으로 이동

러더 조작

-러더 스틱은 기체의 방향을 좌우측으로 전환
-기체를 수평으로 유지한 상태에서 기수의 방향을 전환
-기체의 대각선으로 마주한 프로펠러의 회전수를 조절하여 기체를 좌측 또는 우측으로 전환
-리더 스틱을 좌로 움직이면 시계방향으로 회전하는 프로펠러의 회전이 반시계보다 강하여 기체는 수평을 유지한 상태에서 좌측으로 방향을 전환
-우로 움직이면 반시계방향이 시계방향보다 강하여 기체는 우측으로 방향을 전환

호버링 조작

• 호버링 상태 : 반시계방향으로 회전하는 모터 의 회전속도 합과, 시계방향으로 회전하는 모터의 회전속도의 합이 동일하고 전체 추력의 합력이 드론의 무게를 상쇄하면 드론은 공중에서 정지한다.

• 정지한 상황에서 모든 프로펠러들이 발생시키는 추력의 합이 드론의 무게보다 크면 수직으로 상승 작을경우 하강