무인멀티콥터의 비행제어시스템 원리

무인멀티콥터의 비행제어시스템 원리

위성항법시스템 GNSS(Global Navigation Satellite System)원리

멀티콥터가 널리 시판되는 계기는 기술의 진보에 의해 조작이 간단해 진 것이 가장 큰 이유라고 할 수 있다. 그 조작을 간단하게 하는 기반기술 중의 하나로서 "위성항법시스템 GNSS(Global  Navigation Satellite System)"를 들 수 있다. GNSS는 우주에 존재하는 인공위성들에서 보내오는 신호를 받아 삼각진법으로 해석함으로써 지구상의어느 곳에 있는 지를 정확히 알 수 있는 시스템이다.

 

 

 

위성항법시스템의 역사

이 위성항법시스템에는 미국 국방부가 개발하여 운용중인 GPS(Global Positioning System)와 이에 맞서 러시아가 구축한 GLONASS(Global Navigation Satellite System)가 있다. GPS는 미국이 1978년 첫 항법위성을 발사한 이래 현재까지 약 65개의 위성을 발사하여 현재 30여개가 사용중에 있다. GLONASS는 1982년 첫 위성을 발사했고 현재 24개의 위성이 운용되고 있다. 현재 스마트폰을 비롯한 대부분의 위성항법시스템은 이 두가지 체계를 다 지원하도록 설계되고 있다.

 한편, 유럽은 독자적인 위성항법시스템을 구축하기 위해 갈릴레오 시스템으로 2011년 부터 발사하기 시작했고, 2020년까지 30기의 위성을 발사해 갈릴레오 시스템을 완성할 계획이다.

중국은 Beibou 시스템으로 2000년부터 독자개발하기 시작하여 아시아-태평양 지역위주로 서비스하면서 최근에 22번째 위성을 발사했다. 향 후 전 세계를 대상으로 서비스하기 위한 COMPASS 계획을 실행중이다.

이러한 GPS, GLONASS, COMPASS등의 시스템은 약 10m 이상의 오차를 가지고 있다. 이를 정지궤도 위성을 이용하여 오차범위를 1m 이내로 줄이는 초정밀 GNSS보정 시스템들이 구축되고 있는데 이를 SBAS(Satellite Based Augmentation System)이라 하는데 이미 미국, 유럽, 일본, 중국 등이 시범서비스를 목표로 SBAS개발이 진행되고 있으며, 2022년부터 공개서비스를 목표로 한 KASS 시스템이 구축될 예정이다.

 

위성항법시스템의 작동원리

우리가 주로 사용하는 GPS는 가까운 장소에 많이 활용되며 수신기는 자동차의 내비게이션이나 스마트폰에도 내장되어 있다. GPS는 전파의 지연을 이용해서 현재의 위치를 해석한다. 우주 공간에서 지구둘레를 회전하는 GPS 위성은 지구를 향해 항시 적확한 시간 신호를 전파로 보내고 있다. 전파는 빛의 속도로 나아가지만, 위성과 지구상에서는 거리가 멀리 떨어져있기때문에 지구상의 위치에 따라 신호의 수신에 지연이 발생한다. 복수의 GPS 위성으로보터 각각 신호를 받으면 그 거리의 차이에 의해 시간차가 발생해 제각각 도착하게된다. 그 차이를 해석해서 현재의 위치를 산출하는 것이 GPS이다. GPS 자체는 위성으로보터 일방적으로 신호를 받는 것만으로 GPS 수신기에서 위치정보가 보내지는 것은 아니다. GPS에서는 지구상의 좌표나 고도를 측정할 수 있다. 위치정보를 얻기 위해서는 최저 4개 이상의 GPS 신호를 받아야 한다.

GPS는 수신하는 신호의 수가 많을수록 정확히 위치를 산출할 수 있다. 우주공간에는 현재 30개 이상의 GPS위성이 떠다니고 있다. 그 중, 수신기의 상공에 있는 GPS 위성이 발신하는 신호를 받는 것인데, 최근의 멀티콥터에 탑재되는 GPS 안테나는 고성능이기 때문에 6에서 15개의 신호를 동시에 수신할 수 있도록 되어 있다.

 

 

 

위성항법시스템의 무인멀티콥터 활용

멀티콥터의 대부분은 GPS 안테나를 탑재하고 스스로 위치를 산출함으로써 자동적으로 공중의 같은 위치에서 정지할 수 있게 되어 있다. 이것은 조종자의 부담을 줄여주는 반면, GPS 신호를 바로 수신할 수 없는 경우에는 예기치 못한 동작을 하는 경우가 있기때문에 주의가 필요하다.

GPS는 그 성능으로부터 멀티콥터의 비행은 물론 우리의 생활에서 없어서는 안 될 기술이 되었다. 그러나, 한가지 큰 단점은 실내에서 신호를 수신할 수 없다는 것이다. GPS신호는 직진성이 높고, 반사의 의한 신호는 오차가 발생하게 되므로 수신할 수 없다. 그러므로 열린장소가 아니며, 제대로 신호를 받을 수 없다. 높은 건물이 많은 장소도 수신상태가 나빠진다. 또 기후의 영향도 받기대문에 구름층이 두터운 장소에는 GPS 정밀도가 떨어진다고 하는 문제도 있다.

 

기체의 상태를 계측하는 센서

항공기에는 다양한 센서(계기)가 탑재되어 있다. 멀티톱터에도 수많은 고성능 센서가 탑재된다. 그 대표적인 것이 "자이로 센서"와 "가속도 센서"이다. 자이로 센서는 기체의 중력방향에 대한 자세(기울기)를 계측할 수 있다. 가속도 센서는 기체의 기울어지는 속도를 계측할 수 있다. 이들 센서로부터 얻은 계측값을 순간적으로 계산함으로써 기체를 안정적으로 제어할 수 있다. 이들 센서는 정확한 계측 결과를 얻기 위해 가능한 한 기체의 중심에 두도록 하고 있다.

최근에는 멀티콥터의 기종에 따라 초음파 센서와 광학 센서를 탑재하는 것도 나오고 있다. 이것은 실내에서는 GPS 신호를 받을 수 없는 단점을 보완하기 위한 것으로, 초음파 센서와 광학센서로 기체의 가속도를 계측할 수 있지만 기체가 정지상태일때도 항시 중력이 작용하기 때문에 그 중력가속도가 작용하는 방향을 측정함으로써 기체의 자세(기울기)를 계측할 수 있다. 도, 가속도를 적분함으로써 이동량도 구할 수 있다.

 자이로 센서는 가속도 센서가 감지할 수 없는 회전을 계측할 수 있는 센서이다. 회전의 속도인 "각속도"를 측정한다. 이로써 현재, 어느정도 회전하고 있는지를 알 수 있다.

 

 

 

자세 제어원리

시판되고 있는 멀티콥터에는 반드시 컴퓨터에 의한 "자세제어장치"가 탑재된다. "자세안정화 장치"라고도 한다. 일부 제어장치는 자세유지뿐만 아니라 자동 이륙기능과 홈 위치로 자동 귀환 기능 등 고성능화가 이루어지고 있다. 그러나 모든 제어장치는 공통적으로 기울어짐을 감지한 경우에는 즉시 회복하도록 로터출력을 제어하는 자세 안정화 기능이 탑재되어 있다. 가속도 센서로부터 얻은 기울기를 근거로 기울어진 쪽이 로터 출력을 증가시키고, 자이로 센서로부터 얻은 회전상태를 근거로 모터를 제어한다. 또, GPS가 제공한 위치 정보를 근거로 같은 위치로 제자리 비행할 수 있돍 모든 키를 제어할 수 있는데 이것을 통상 GPS모드라고 한다. 대부분의 자세 제어장치는 GPS에 의한 제어를 이용할지 여부를 선택할 수 있다. 만약, GPS를 사용하지 않고, 가속도 센서와 자이로 센서만으로 자세제어를 실시한다면 어떻게 될까? 기체는 변화된 자세를 그대로 유지하면서 흐르게 되거나 정지한다. 이것은 가속도 센서와 자이로 센서만으로는 기체가 현재 어디를 비행하고 있는지 알 수 없기 때문이다. 이것을 보완하기위해 기압센서와 초음파센서, 광학센서 등을 탑재하는 제어장치도 존재한다. 기체를 조종하는 경우에는 각각의 센서의 원리와 역할을 정확이 파악하여 문제 발생시 일어날 수 있는 움직임에 대비하는 것이 중요하다.