드론에 사용되는 센서와 커넥티비티

  • 2017-12-05
  • 글 | 비샬 고얄(Vishal Goyal), 수석 테크니컬 마켓 매니저(Senior Technical Market Manager) ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)




여러 산업에 활용되고 있는 드론은 폭발적인 성장을 거듭하고 있다. 드론의 발전 배경에는 드론에 사용되는 센서와 저전력 커넥티비티 기술의 발전이 있다
.

드론은 공식적으로는 무인 항공기(UAV)로 불리는 무인 비행 물체이다. 드론은 주로 원격 제어나 내부 지능을 사용해 내비게이션을 제어할 수 있다. 드론은 어떻게 임베디드 시스템들을 결합해 원격 사용자나 머신으로 내비게이션, 자체 평형 유지, 고도 달성, 정보 전송을 수행할 수 있는 완벽한 시스템을 구현하는지를 보여주는 대표적 사례이다.

기존 드론은 원격지 탐사, 정찰, 기상 모니터링, 벽서 지역 화물 운송과 같이 방위 산업 및 과학 애플리케이션에 많이 사용됐다. 하지만 최근에는 저렴하고 소형에 저전력을 소모하는 임베디드 기술들이 등장함에 따라 컨슈머 애플리케이션에서의 드론 사용이 빠르게 늘어나고 있다. 오늘날에는 완구, 촬영 지원, 무인 택배, 농약 살포 등과 같은 용도로 사용되고 있다.

스타트업 및 학생과 시스템 통합, 솔루션, 전자상거래, 테크놀로지 회사들이 드론에 대해 점점 관심을 보이면서, 드론이 우리의 삶을 더 편리하고, 안전하며, 효율적으로 만들 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이 글에서는 최근 이러한 드론의 폭발적인 성장에서 핵심적인 역할을 하는 드론 센서와 저전력 커넥티비티 기술의 주요 발전에 대해 살펴보고자 한다.

드론의 특성

드론은 움직임이 매우 정확하고, 안정적이며, 예상 고도를 달성하면서 효과적으로 통신할 수 있어야 한다. 따라서 드론은 다음과 같은 특성을 갖춰야 한다.

a) 안정성
드론은 안정적이어야 하며, 흔들림이나 떨림이 없고 기울어지지 않아야 한다. 그렇지 않으면 평형을 잃고 추락할 수 있다.
b) 정밀성
드론은 움직임이 정밀해야 한다. 이러한 움직임은 거리, 속도, 가속도, 방향, 고도와 관련이 있다.
c) 환경에 대한 내성
드론은 강우, 먼지, 열, 그 외 환경 조건에 강해야 한다. 이는 외부 소재뿐만 아니라 드론 내부에 사용되는 전자 장치에도 해당한다.
d) 저전력 소모
드론은 가벼워야 한다. 따라서 배터리 크기를 최소화할 수 있도록 극히 낮은 전력을 소모하는 것이 중요하다. 이러한 저전력 기술의 등장으로 드론 기술은 더욱 대중화됐다.
e) 환경 감지(Environment aware)
환경 센싱이 드론의 중요한 성장 동력으로 부상하고 있다. 오늘날 드론은 다양한 센서들로 구동되어 환경을 모니터링 할 수 있다. 이 데이터는 기상 모니터링, 농업 등과 같은 애플리케이션에서 다양하게 활용된다.
f) 커넥티비티
드론의 등장과 도입에 있어 커넥티비티는 가장 중요한 요소이다. 드론은 간편한 스마트폰 및 리모컨 그리고 직접 클라우드로 제어할 수 있다. 활용 사례에 따라 적합한 커넥티비티 솔루션을 사용할 필요가 있다. 여러 용도를 위해 다중의 커넥티비티 솔루션을 사용하는 경우도 있다.

드론 센서의 역할

다음 센서들은 드론에서 핵심 역할을 하며, 드론이 적절하게 작동하고 내비게이션 할 수 있도록 한다. 이 센서들은 가속도 센서, 자이로스코프, 자기 나침반, 기압 센서이다.

가속도 센서
가속도 센서는 X, Y, Z 세 축으로 드론에 가해지는 가속력을 제공하는 데 사용되고, 정지된 위치에서 드론의 기울기 각도를 결정한다. 드론이 수평 방향으로 정지해 있으면 X 및 Y 축은 0g 출력이고 Z 축은 1g 출력이 된다. 1g는 지상 모든 물체에 가해지는 중력이다. 드론이 X 축으로 90도 회전하면 X 및 Z 축은 0g가 되고 Y 축은 1g가 된다. 기울어 있을 때는 X, Y, Z가 0g에서 1g 사이의 출력을 나타낸다. 이 값에 삼각함수 공식을 적용함으로써 드론의 기울기 각도를 구할 수 있다.

또한, 가속도 센서를 사용해 수평 및 수직 방향으로 직선 가속도를 구하는데 이 데이터를 활용해 드론의 속도, 방향, 고도 변화까지 계산할 수 있다. 이 때 가속도 센서를 사용하면 드론에 발생하는 진동을 검출할 수 있다.

가속도 센서는 모든 드론에서 매우 중요한 센서로, 드론이 정지된 위치에 있을 때도 주요 입력들을 제공한다.



자이로스코프

자이로스코프 센서는 세 축에서 각속도(angular velocity)를 검출한다. 따라서 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw) 축으로 각도 변화를 검출할 수 있다. 자이로스코프는 일반 항공기에서도 중요한 센서이다. 각도 정보의 변화량을 활용해 드론의 안정성을 달성하고 드론이 흔들리지 않게 한다. 자이로스코프로에서 얻은 정보를 모터 제어 드라이버로 전달해 모터 속도를 동적으로 제어함으로써 드론으로 안정성을 달성할 수 있다. 또한 자이로스코프를 사용해 사용자가 제어하고자 하는 정확한 각도로 드론을 회전시킬 수 있다.

ST마이크로일렉트로닉스의 혁신적 신제품인 LSM6DSM은 가속도 센서와 자이로스코프를 결합한 IMU다. 또한 2개의 독립적 자이로스코프 출력을 제공하므로, 드론에 사용 가능할 경우 비행 제어와 카메라 안정화(OIS/EIS 기능)를 수행할 수 있다.

자기 나침반
자기 나침반은 그 이름과 같이 드론에 방향 감각을 제공한다. 이는 X, Y, Z 세 축으로 디바이스에 가해지는 자기장 데이터를 제공한다. 이 데이터를 마이크로컨트롤러의 알고리즘으로 전달해 자북(magnetic north)에 대해 방위각(heading angle)을 구할 수 있다. 그러면 이 정보를 이용해 지리적 방향을 구할 수 있다.

정확한 방향을 구하기 위해서는 이러한 자기 데이터에 가속도 센서에서 얻은 기울기 각도 데이터를 결합해야 한다. 기울기 데이터와 자기 데이터를 사용해 정확한 방향을 계산할 수 있다.

자기 나침반은 강자성, 연자성, 동작 각도에 매우 민감하다. 강자성은 센서 주변에 강한 영구적 강자성 물질이 존재하는 것이다. 이는 나침반 리딩을 영구적으로 변화시킨다. 연자성은 회로 트레이스 같은 약한 자성 물질이 존재하는 것이다. 연자성은 센서 리딩을 가변적으로 변화시킨다. 따라서 이러한 변칙성을 필터링하기 위해 자기 센서 캘리브레이션 알고리즘이 필요하다. 사용자가 최소한의 노력만으로 알고리즘이 빠르게 캘리브레이션하는 것이 중요하다.

방향 센싱 이외에도, 자기 센서를 사용해 전신주, 전선, 자동차, 다른 드론과 같은 주변의 자력 및 강자성체를 검출해 충돌을 피할 수 있다.

기압 센서
기압 센서(barometer)의 작동 원리는 기압을 고도로 변환하는 것이다. 압력 센서는 지구의 기압을 검출할 수 있다. 기압 센서에서 얻은 데이터를 사용하면 드론이 내비게이션을 하고 원하는 고도를 달성할 수 있다. 드론의 비행 제어를 위해서는 상승 및 하강 속도를 잘 계산하는 일이 매우 중요하다. ST마이크로일렉트로닉스는 기압 센서 제품으로서 LPS22HD를 출시했다. LPS22HD는 200Hz 데이터 속도로 이러한 고도 계산 요건을 충족시킨다.

드론용 센서의 주요 특성
드론은 진동, 소음, 환경 등 극한 조건에 노출된다. 따라서 드론에 사용되는 센서는 높은 충격을 견딜 수 있어야 하고, 소음을 덜 포착해야 하며, 모든 진동을 빠르게 감지해야 한다. 더불어 온도와 습도와 같은 환경 조건에 따라 변하지 않아야 하고, 배터리 시간을 늘리기 위해 전력 소모가 극히 낮아야 한다.

알고리즘의 역할
원시 센서 데이터를 유의미한 정보로 변환하기 위해서는 소프트웨어 라이브러리가 중요한 역할을 한다. 이 알고리즘은 센서 기능을 명시된 특성 이상으로 강화해준다. 또 알고리즘을 사용해 다양한 센서에서 얻은 입력을 결합하고 맥락 인식적인 출력을 제공할 수 있다.

가속도 센서, 자이로스코프, 자기 나침반 등 이 세 가지 모션 센서는 각기 장단점을 가지고 있다. 센서들의 한계로는 불완전한 캘리브레이션, 시간 및 온도에 따른 드리프트, 잡음 등을 들 수 있다. 지자기 센서와 가속도 센서는 왜곡을 일으키기 쉽고, 자이로스코프는 근본적인 드리프트를 일으킬 수 있다. 센서 융합 라이브러리를 사용해 센서들을 상호적으로 캘리브레이션함으로써, 모든 시나리오에서 정확한 결과를 달성하도록 하는 조건을 생성한다. 이로써 캘리브레이션된 센서 출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 각도와 방위각 정보, 쿼터니언(Quaternion) 각도를 구할 수 있다.

특수 용도 센서
이 센서들은 드론의 핵심 기능에는 영향을 미치지 않지만, 기상 모니터링, 농업 등과 같은 다양한 애플리케이션용으로 드론에서의 사용이 늘고 있다.

습도 센서
습도 센서는 습도 파라미터를 검출할 수 있으며, 이는 기상 관측, 응축 레벨 모니터링, 공기 밀도 모니터링, 기체 센서 측정 교정 등에 사용될 수 있다.

ST는 습도 센서로 HTS221을 제공하며, 이 제품은 센싱 소자와 아날로그 프론트 엔드를 결합함으로써 디지털 직렬 인터페이스를 통해 측정 정보를 제공한다. 센싱 소자는 폴리머 유전체 평면형 커패시터 구조로 이루어졌으며, 상대 습도 변화를 검출할 수 있다.

MEMS 마이크
MEMS 마이크는 소리 신호를 전기 신호로 변환하는 오디오 센서이다. 더 높은 SNR, 소형 폼팩터, 디지털 인터페이스, 더 우수한 RF 내성, 진동에 대한 높은 견고성을 제공하기 때문에 기존 마이크보다 선호되고 있다. 비디오 촬영, 감시, 정찰용 등의 드론에 이 센서들의 사용이 늘고 있다.

드론에 사용되는 커넥티비티
드론에는 다양한 커넥티비티 옵션을 사용할 수 있다. BLE와 와이파이는 스마트폰 커넥티비티용으로 적합하고, 서브 1GHz는 리모컨을 이용한 커넥티비티용에 사용되며, 더욱 먼 거리를 필요로 하는 곳에 사용된다. 셀룰러와 LoRa 및 시그폭스(Sigfox)와 같은 원거리 기술을 통해 드론에서 곧바로 텔레콤 인프라로도 정보를 수집할 수 있다.

(그림 1)은 다양한 기술을 거리와 전력 소모에 따라 분류하고 있다. 저전력 기술들인 BLE, RF 서브 1GHz, 시그폭스에 대해서 자세히 살펴보자.


블루투스 저에너지(Bluetooth low energy, BLE)

블루투스 저에너지(BLE)는 드론에서 저전력 커넥티비티를 가능하게 한다. 완구용 드론과 같은 단거리 드론에 사용하는 데 적합하다. 드론과 스마트폰, 태블릿, 노트북, 전용 리모컨과 같은 제어 장치 사이에 양방향 통신을 구현한다. BLE를 사용하면 드론은 와이파이나 클래식 블루투스와 같은 무선 기술로는 불가능한 엄청나게 긴 배터리 수명을 가질 수 있다.

BLE는 비인가 2.4GHz ISM 대역으로 동작한다. 이 표준은 블루투스 SIG(Special Interest Group)에서 관리하며 대부분 스마트폰을 지원한다.

BLE 디바이스는 크게 네트워크 프로세서와 시스템온칩으로 파티셔닝을 사용할 수 있다.



먼저 네트워크 프로세서는 컨트롤러, 호스트, 스택을 포함한 BLE 프로토콜을 실행하는 BLE 디바이스이다. 하지만 BLE 프로파일과 애플리케이션을 실행하는 메인 마이크로컨트롤러와 적절히 작동하기 위해서는 별도의 마이크로컨트롤러가 필요하다. 이 기법은 또한 플랫폼 독립적이므로, 가장 적합한 마이크로컨트롤러나 운영체제를 선택할 수 있는 유연성을 제공한다. BlueNRG-MS는 ST가 제공하는 네트워크 프로세서로서 BLE 4.1을 지원한다. 이 IC는 마스터와 슬레이브로 동시에 동작할 수 있다. 따라서 리모컨이 스마트폰에 대해 슬레이브로 동작하면서 드론의 마스터로 동작할 수 있다.

시스템온칩(SoC)은 칩셋으로 이루어져 컨트롤러, 호스트, 스택 프로파일, 애플리케이션을 포함하는 디바이스이다. ST의 BlueNRG-1은 BLE 4.2를 충족하는 SoC로 15개의 GPIO, I2C, SPI, UART, PWM, PDM, 160kb RAM을 포함한다. 또한, 이 IC는 BLE 4.2에서 요구하는 첨단 보안 및 프라이버시 보호 기능들을 제공한다.


RF 서브 1GHz

RF 서브 1GHz는 말 그대로 1GHz 이하 대역에서 신호를 전달한다. 나라마다 산업 및 과학용으로 자유롭게 사용할 수 있도록 각기 다른 주파수들을 지정하고 있다.

다음은 다양한 나라에서 이용 가능한 무료 대역이다.
• 북미: 315, 433, 915Mhz
• 유럽: 433, 868Mhz
• 인도: 433, 865~867Mhz

서브 1GHz 대역의 장점은 비교적 주파수가 붐비지 않는 대역이고, 거리가 길며, 낮은 전류를 소모한다는 것이다. 단점은 직접적인 스마트폰 커넥티비티가 불가능하고 보편적으로 사용되지 않는다는 것이다.

시그폭스는 서브 1GHz 주파수를 사용하는 가입 기반 LPWAN 서비스이다. 시그폭스는 텔레콤 인프라로 직접 연결할 수 있으며 클라우드로 연결할 수 있다. 또한 수 킬로미터에 걸쳐 커넥티비티를 제공한다. 드론에서 시그폭스는 추적용이나 클라우드로 센서 데이터를 전송하는 데 적합하다. 데이터 속도가 낮은 기술로서 텔레콤 인프라에 곧바로 연결할 수 있으므로, BLE나 서브 1GHz의 피어-투-피어 연결과 같은 직접 제어 커넥티비티를 대체할 것 같지는 않다.

ST마이크로일렉트로닉스는 최근 서브 1GHz 및 시그폭스 트랜시버 제품으로 S2-LP를 출시했다. 이 제품은 430~470MHz 및 860~940MHz에서 통신할 수 있다. 최대 +16 dbm의 출력 전력과 -130 dbm에 이르는 감도를 제공한다. 이 극저전류 IC를 피어-투-피어 연결로 사용해 드론과 리모컨 사이에 연결을 구축할 수 있다. 이 제품도 시그폭스를 지원하므로 드론을 곧바로 시그폭스 네트워크에 연결할 수 있다.

개발 플랫폼
드론과 같은 떠오르는 애플리케이션의 흐름을 주도하는 것은 스타트업과 젊은 엔지니어들이다. 그뿐만 아니라 이 시장이 빠르게 성장함에 따라 성공 가능성을 높이는 일은 시간과 비용에 달려 있다. 중요한 것은 오픈 소스에 합리적인 가격대로 유연성이 뛰어나고, 곧바로 제품화와 확장을 할 수 있는 개발 플랫폼을 갖추는 일이다.

ST마이크로일렉트로닉스는 STM32 오픈 개발 환경 플랫폼을 제공하면서 설계자들이 ST 마이크로컨트롤러, 센서, RF, 아날로그 제품을 사용해 유연하게 제품을 개발하고 비용을 절감하도록 한다. 이 플랫폼에서는 하드웨어 플랫폼과 함께 소프트웨어 드라이버, 미들웨어 라이브러리, 애플리케이션을 제공한다. 안드로이드 및 iOS 코드도 포함하고 있다.

또한, 사용자들은 간단한 컴퓨터 기반 라이선스 계약을 통해 첨단 라이브러리를 다양하게 사용할 수 있다. 설계자가 이 플랫폼으로 테스트를 한 뒤, 자신의 커스텀 PCB를 개발하고 개발된 펌웨어를 이 플랫폼에서 로딩할 수 있다. 이 라이브러리들에 대한 생산 라이선스 구매는 사용자가 자신의 커스텀 보드로 테스트를 하고 싶을 때만 진행하면 된다.

센서타일(SensorTile)
센서타일은 소형화된 타일 형태의 설계 플랫폼이다. 모션, 환경, 음향 파라미터를 원격적으로 검출하고 측정하는 데 필요한 모든 요소를 포함한다. 드론 개발자는 커넥티비티와 센서 통합에 대해서는 신경 쓸 필요 없이 드론의 공기역학, 모터 제어, 물리적 설계에만 집중할 수 있다.

맺음말
드론은 최근의 가장 중요한 혁신 중 하나이다. 저전력 센서와 커넥티비티 기술이 등장함으로써 드론이 컨슈머 및 산업용 애플리케이션에 이제 다양하게 사용되고 있다. 드론은 이전에는 불가능했거나 비용이 많이 들었던 많은 복잡한 문제들을 해결함으로써, 개발자와 스타트업들에게 새로운 기회를 제공한다. ST마이크로일렉트로닉스는 드론을 중요한 시장으로 인식하고, 이 분야에 적합한 제품들에 주력하고 있다.
 

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