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본 논문의 시스템을 설계 및 테스트하기 위하여 드론을 설계하였다. 설계한 드론은 F450급 프레임 바디를 사용하였으며, 마이크로컨트롤러는 Atmel사의 ATmega2560 프로세서를 기반으로 한다. 전체적인 하드웨어 구조는 센서, 모터 출력, 통신, 전원으로 구성된다. 그림 1은 본 논문에서 설계한 드론의 구성을 나타낸 것이다.

Fig. 1. 
Hardware diagram

FC(Flight Controller)는 구성된 하드웨어를 통합적으로 제어하는 역할을 수행하고 비행에 필요한 알고리즘 연산도 담당한다. 센서는 옵티컬 플로우 센서(Adns-3080), 초음파 센서(HC-SR04), 가속도/자이로 6축 센서(MPU-6050)로 구성한다. 옵티컬 플로우 센서를 활용하여 드론의 현재 좌표값을 인식하여 위치를 고정하는 역할을 수행한다. 초음파 센서는 드론의 높이를 실시간으로 마이크로프로세서에 전달함으로써 고도를 원활하게 유지한다. 가속도/자이로 6축 센서를 활용하여 드론이 항상 수평을 유지하면서 비행할 수 있도록 한다. 멀티콥터의 4개의 모터에 원활하게 전압 및 전류를 공급하기 위해 변속기(ESC, Electronic Speed Controller)는 필수적으로 사용되어야 한다. 변속기는 드론의 모터 회전방향과 모터의 회전속도를 제어 함으로써 드론이 안정적인 비행이 가능하도록 한다. 또한, 조종기의 throttle값과 체널 값을 수신 받아 드론의 모터를 제어한다.

설계한 드론의 소프트웨어 구성은 메인루프가 동작하는 동안 센서 컨트롤을 통한 위치 추적 알고리즘과 고도유지 알고리즘, 수평제어 알고리즘에 의해 변속기 및 모터 제어를 수행한다. 사용자는 조종기를 통한 이벤트를 발생시켜 특정 알고리즘의 on/off 제어 및 수동 조종을 수행할 수 있다.

그림 2는 본 논문에서 설계한 소프트웨어의 동작과 관련된 구성도를 나타낸 것이다.

Fig. 2. 
Software diagram

드론이 시동된 상태에서는 수평제어 알고리즘이 동작하며, 드론의 사용자 명령 수행과 병행하여 기체의 수평을 유지해 준다. 고도제어 알고리즘은 초음파 센서의 값을 기반으로 PID 알고리즘을 적용하여 일정 고도를 유지하도록 하였다. 위치추적 알고리즘은 옵티컬 플로우 센서를 사용하여 사용자가 조종기의 이벤트를 통해 지정한 기준점을 추적하여 PID 알고리즘을 통한 제어를 통해 기준점을 이탈하지 않도록 변속기와 모터를 제어한다.

본 논문에서는 드론이 고도를 유지하는 동시에 특정한 위치의 좌표를 고수하는 동작을 수행한다. 위 동작을 위하여 총 3가지의 제어 알고리즘을 고안하였다. 그림 3은 비행 중 드론이 지속적으로 수평을 유지할 수 있게 하는 알고리즘의 흐름도이다.

Fig. 3. 
Horizontal control algorithm

수평유지 알고리즘은 조종기의 throttle을 올리는 동시에 동작하며 비행이 끝날때까지 수평을 유지하는 동작을 수행한다. 6축 센서로부터 roll, pirch, yaw의 센서값을 읽어와 초당각도(deg/seg)를 계산하고 PID gain값을 Ziegler-Nichols method를 참조하여 계산하였다. Ziegler-Nichols method는 매우 오래 전부터 실용화되어 많이 사용되는 자동 조정 방법이다. PID 설정의 최적 값을 구하도록 되어있으며, 근사 응답과 한계 감도법의 두 가지가 있다. 이 중 근사 응답을 이용하는 계단응답곡선은 제어 대상에 단위계단 입력을 넣어 구한 출력 응답을 통해 구한 특성계수로부터 PID계수를 선정하는 것이다. 한계 감도법을 이용한 방법은 T_i를 무한대로하고 T_d를 0으로 두고서 K_p를 0부터 증가시키면서 임계 이득과 임계주기를 구하여 게인 값을 구할 식에 넣어 제어기를 구하는 것이다. 여기서 K_p는 비례계수, T_i는 적분시간, T_d는 미분시간을 나타낸다. 근사응답 방법은 적분기가 없는 시스템에서만 사용 가능하기 때문에 멀티콥터는 한계 감도법을 사용하여야 한다.

다음 식 (1)은 임계이득과 임계주기를 계산하는 식을 나타낸 것이다.

식 (1)에서 d는 릴레이 진폭, A는 출력 진폭을 나타낸다. 앞서 기술한 방법으로 임계이득(K_cr, Critical Gain)과 임계주기(P_cr, Critical Period)를 구한 후 다음 표 1을 이용하여 이득값을 구한다. 다음 식 2는 표 1에 값을 계산하는 일반식이다.

위 방법을 사용하여도 조금의 오차가 발생할 수 있는데 이는 PID계수를 조금 수정하여 보정할 수 있다. 그림 4는 4개의 모터를 제어하여 수평을 유지할 때 PID 계산 알고리즘을 나타낸 것이다.

Fig. 4. 
PID calculation algorithm

드론의 고도유지 알고리즘은 수평유지 알고리즘이 동작하고 있는 가운데 드론의 높이를 실시간으로 입력받아 제어를 실시한다. 초음파 센서를 통해 높이 정보를 입력 받으면 비주기적인 프레임에 오류정보가 입력된다. 이 때 초음파 센서 값을 가공하지 않고 적용하면 특정 고도를 유지할 수 없다. 따라서 초음파 센서 값에 메디안필터를 적용해 오류 값을 예외로 처리함과 동시에 일정한 고도 값을 유지할 수 있도록 하였다. PID value의 throttle 값의 범위는 모터의 출력 가능 범위를 나타낸 것이다. 그림 5는 드론이 수평 비행하면서 고도를 유지할 수 있게 하는 알고리즘의 흐름도이다.

Fig. 5. 
Altitude hold algorithm

드론이 비행하는 도중 수평 유지 알고리즘과 고도 유지 알고리즘이 동작할 때 드론은 현재의 위치를 유지하지 못한다. 내부적으로 모터의 출력이 항상 정확하고 일정하게 유지되지 못하며, 외부적으로 공기의 흐름 혹은 바람 등의 요인으로 인하여 드론의 위치가 지속적으로 변화하게 된다. 이를 해결하기 위하여 위치 추적 알고리즘을 개발하였다.

개발한 위치 추적 알고리즘은 옵티컬 플로우 센서를 이용하여 드론의 좌표를 특정하게 된다. 사용자 특정 위치에 기준 좌표를 설정하면 해당 좌표를 유지하기 위한 동작을 수행한다. 기준 좌표를 기점으로 드론이 이동한 좌표와의 이동 거리를 산출하여 PID 알고리즘을 통한 보정 값을 적용한다.

그림 6은 드론이 수평과 고도를 유지하는 동시에 드론의 현재 위치를 추적하여 고정할 수 있는 알고리즘의 흐름도이다.

Fig. 6. 
Location tracking algorithm

PID의 특성 상 최초의 보정 값이 적용된 후 오버슈트가 발생하게 되고 오버슈트된 만큼의 좌표 이탈이 발생하게 되어 정상상태(목표치도달)에 이르기까지 정착시간을 줄이기 위해 PID 설정 값을 조정하였다. 내적인 요인과 외적인 요인에 상관없이 위치의 이동이 발생하면 기준 좌표를 추적하여 위치를 유지하도록 설계하였다. 개발한 알고리즘을 모두 적용한 드론은 3차원공간에서의 특정 위치를 유지하며 호버링할 수 있다. 그림 7은 본 논문에서 설계한 드론이다.

Fig. 7. 
Designed drone

실험 결과 데이터 수집을 위해 개발한 드론에 블루투스 모듈(전송속도:115200bps)을 설치하고 실시간으로 데이터를 전송하도록 하였다. 또한 동일한 조건을 유지하여 실험하기 위해 외적 요인을 최소화한 실내 공간을 첫 번째 실험 장소로 지정하였다.

본 연구에서는 드론의 객관적인 결과를 측정하기 위하여 시간에 따라 드론이 이륙하는 직후부터 고도를 유지하고 위치를 고정하고 안정적인 호버링을 유지할 때까지의 이동 값을 측정하여 비교 분석 하였다. 제안 알고리즘을 적용하여 드론이 위치 고정 연산을 수행하는 동안 드론에 오버슈트가 발생하여 기준좌표를 이탈하게 된다. 이 때 드론이 오버슈트 되어 이동된 좌표를 기록하여 분석하였다. 지정한 공간에서 100회의 반복적인 실험을 실시하였다. 드론의 비행은 고도 50cm를 지속적으로 유지하고 위치 고정 명령을 내리는 순간 비행하고 있는 위치를 기준좌표로 설정한다. 기준좌표를 이탈하면 드론이 제어를 시작한다. 실험의 목표치는 호버링 시 기준좌표에서 ±10cm 이내와 목표고도에서 ±5cm 이내의 범위에서 동작하는 것으로 한다.

본 연구에서는 드론의 객관적인 결과를 측정하기 위하여 시간에 따라 거리변화량을 측정하였고 동시에 평면공간에서의 드론의 이동경로를 추적하였다. 1번 실험 당 10회의 비행을 수행하였으며, 총 10번의 실험 데이터를 통해 분석하였다. 실험 시간은 1회 비행 시 60초간 데이터를 측정하였으며 모든 비행에서 10초 이후로는 안정적인 상태를 유지하였기 때문에 실험 결과 데이터는 10초 이내에서 제시하였다. 그림 8은 10번의 실험 중 1번의 실험(10회)에 대한 드론의 고도변화를 나타낸 것이다. 그래프에서와 같이 목표 고도인 50cm를 오차범위 2cm 이내에서 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8. 
Altitude variation range

그림 9는 10번의 실험 데이터에서 시간에 따른 거리변화량을 그래프로 표현한 것이다.

Fig. 9. 
Distance variation range

그래프에서와 같이 드론의 움직임은 특정 좌표를 선택하여 정상상태에 들어서면 4cm 이내의 오차범위를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 기준좌표로부터 드론의 위치에 대한 거리는 x축의 거리와 y축의 거리를 기반으로 삼각함수를 이용하여 계산하였다.

그림 10은 드론이 움직이는 좌표를 바탕으로 평면공간에 표현한 것이다. 기준좌표를 중심으로 정상상태에 들어서면 위치를 잘 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10. 
Path of the drones in the plane space