드론 산업에 획기적인 전환점을 가져온 드론용 카메라 짐벌(Camera Gimbal)의 구현에 필요한 자기 각도 위치 센서에 대해 알아본다.

오늘날 프로슈머용 최신 드론은 놀랄 만큼 선명한 고화질 비디오와 사진을 제공함으로써 인간의 제한적인 시각을 보완할 수 있게 됐다. 하지만 드론의 가운데 부분에 매달려 있는 복잡한 장치에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 이 장치는 ‘카메라 짐벌(Camera Gimbal)’이라고 부른다. 이름에서 알 수 있듯이, 짐벌은 드론 카메라의 지지대 역할을 하며, 무엇보다 중요한 점은 비행을 하는 동안 드론 카메라가 흔들리지 않고 수평을 유지하게 한다는 것이다.

언뜻 단순해 보이고 평범하게 들리는 이 장치의 등장은 실제로는 드론 산업에 있어서 획기적인 전환점을 가져왔다. 드론으로 이전에 볼 수 없던 놀랄 만한 공중 촬영을 짐벌 덕분에 저비용으로 할 수 있게 됐다. 뿐만 아니라 라이다(LiDAR) 같은 다른 형태의 센서 지향적 영상을 위해 다양한 스펙트럼 대역으로 공중 3D 맵핑이 가능하게 됐다.

드론이 실제로 날 수 있게 하는 기술과 최신 카메라 기술, 카메라 짐벌, 특히 3축 카메라 짐벌의 결합은 드론 애호가들과 전문가들 모두에게 다양한 새로운 가능성을 열어줬다. 이전에 볼 수 없던 선명함으로 아찔할 만큼 뛰어난 4K 비디오와 20메가픽셀 스틸 사진을 촬영할 수 있게 된 것이다. 그럼으로써 2012년에 컨수머 드론 짐벌이 등장한 이후로 드론 산업이 폭발적으로 성장하고 있으며, 전 세계적으로 수백 개에 달하는 드론 업체들이 이틀에 한 대꼴로 새로운 드론 모델을 내놓고 있다.

그렇다면 드론 카메라 짐벌은 어떻게 작동하고, 어떤 기반 기술들이 이러한 일을 수행할 수 있게 하는 것일까? 이 글에서는 이러한 물음들에 대해서 살펴본다. 특히 오늘날 우리가 즐겨 시청하고 있는 놀라운 공중 드론 비디오를 제작할 때 자기 각도 위치 센서(Magnetic Angle Position Sensor)의 역할에 대해서 살펴본다.

짐벌의 핵심 구성 요소

먼저 짐벌(Gimbal)이 무엇인지 이해할 필요가 있다. 가장 단순한 형태로서 1축 짐벌은 어떤 물체가 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw)의 어느 한 축으로 자유롭게 기울어질 수 있도록 하는 장치다. 요즘은 카메라 안정성과 흔들림 방지를 위해서 카메라 짐벌에 3축 또는 2축 짐벌을 주로 사용한다. 3축 드론 카메라 짐벌은 피치, 롤, 요 등 3개의 축으로 카메라 안정성을 제공하며, 2축 드론 카메라 짐벌은 피치와 롤 축으로만 안정성을 제공한다.

3축 드론 카메라 짐벌은 비디오를 촬영하면서 흔들거리는 수평 움직임을 제거함에 있어서 2축 짐벌보다 훨씬 더 일을 잘한다. 3축 카메라 짐벌은 예전에는 지금보다 훨씬 더 가격이 비쌌다. 3축 카메라 짐벌은 통상적으로 2축 카메라 짐벌보다 더 무겁고, 더 많은 전력을 필요로 하고, 가격이 더 비쌌다.

시간이 지나면서 더 작고, 더 낮은 전력을 소모하고, 더 가벼운 부품들을 사용할 수 있게 되면서 변화가 일어나고 있다. 예컨대 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WL-CSP)로 된 ams의 자기 각도 위치 센서 같이 더 작고 가벼운 IC 제품이 출시됨으로써 2축 및 3축 드론 카메라 짐벌 사이에 가격, 전력, 무게, 체적 차이를 크게 줄일 수 있게 됐다. 카메라 짐벌 용으로 자기 각도 위치 센서의 사용에 관해서는 뒤에서 좀 더 자세히 살펴보겠다.

3축 카메라 짐벌의 2개의 기본적인 전기기계 부품은 (1) 3개의 브러쉬리스(Brushless) DC(BLDC) 모터와 (2) 카메라 홀더다. 요즘은 많은 모델들이 카메라를 카메라 홀더에 탑재하고 있다. 〈그림 1〉은 DJI Phantom 4 Pro 드론의 카메라 짐벌과 카메라 어셈블리를 보여준다.
응답 시간이 매우 빠르고 토크 리플이 낮으며 내구성이 우수하고 조용한 3개의 BLDC 모터들은 드론이 비행하는 동안에 드론의 움직임에 따라서 카메라의 위치를 조절한다. 그러므로 드론이 비행할 때의 움직임이나 바람이나 프로펠러 후류에 의한 영향과는 상관없이 카메라가 거의 흔들림 없이 수평으로 유지된다.

짐벌에 사용되는 다양한 센서 기술

이들 핵심적인 2개 부품 이외에도, 카메라 짐벌 시스템은 컨트롤러와 복잡한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 센서를 포함한다. MEMS 센서는 자이로스코프(Gyroscopes), 가속도계(Accelerometers), 자력계(Magnetometers)로 이뤄진 관성 측정 유닛(Inertial Measurement Unit: IMU)으로, 이들 소자들로 가해지는 외부적 힘과 방향을 측정한다. 그리고 컨트롤러와 펌웨어가 이 정보를 사용해서 드론의 위치를 추적하고, 비행 동안에 모든 3개 축으로 카메라를 안정적으로 수평으로 흔들림 없이 유지하기 위해서 카메라 짐벌의 3개 모터를 어떻게 구동할지를 계산한다.

또한 피치, 롤, 요 축으로 카메라 제어를 위해서 각각 하나씩 3개의 BLDC 모터 어셈블리가 다시 카메라 짐벌 시스템으로 자체의 센서 데이터를 보낸다. 각각의 BLDC 모터 어셈블리는 회전 기어를 포함한다. 자기 위치 센서가 기어 뒷면이나 모터 축대 끝에 고정된 소형 마그넷과 함께 회전 기어 각도 위치를 측정하고 이 정보를 다시 카메라 짐벌 컨트롤러로 보고한다. 컨트롤러는 이 위치 정보를 사용해서 짐벌 시스템의 루프를 닫는다. 그럼으로써 각각의 짐벌 모터가 명령된 대로 움직였는지를 확인한다.

또한 BLDC 모터는 컨트롤러로 정류 피드백을 필요로 한다. 오늘날의 자기 회전 위치 센서는 곧바로 축 상에서 위치 센싱과 UVW나 쿼드러처(Quadrature) AB/I 신호 같은 인터페이스를 제공함으로써 모터 정류 피드백을 곧바로 지원한다. 그러므로 BLDC 모터로 내부적으로 홀 효과 래치를 필요로 하지 않는다.

자기 각도 위치 센서의 역할

위에서 언급했듯이 CMOS 자기 위치 센서는 최근 몇 년 사이에 크게 진화했으며, 그럼으로써 오늘날의 최신 드론 카메라 짐벌을 가능하게 한다. 오늘날 최신 자기 위치 센서는 더욱 더 축소된 CMOS 기술 노드를 적용함으로써 더 높은 정확도와 분해능, 기능을 제공하면서 전력 소모는 훨씬 더 줄어들었고 WL-CSP 같은 소형화된 패키지로 제공된다.

이전 세대의 자기 각도 위치 센서가 8~10 bit의 출력 분해능만을 제공하고 수십 밀리암페어(mA)의 전류를 소모한 것에 비해, 오늘날 차세대 디바이스는 12 bit 이상의 출력 분해능을 제공하며 저전력 모드로 수 마이크로암페어(μA)의 전류만을 소모한다. 성능이 이처럼 향상되고 무게와 체적이 훨씬 더 줄어듦으로써 자기 각도 위치 센서가 안정적인 드론 비디오 촬영을 위해서뿐만 아니라 드론의 비행시간을 늘리는 데도 일조하게 됐다.

자기 각도 위치 센서의 이러한 발전을 보여주는 제품으로서 ams는 자사의 최신 자기 각도 위치 센서 제품으로서 AS5600L의 샘플 공급을 시작했다. AS5600L은 12 bit 출력 분해능을 제공하며, -40~125℃의 전체 동작 온도 범위로 최대 INL(Integral Non-Linearity: 적분 비선형) 오차가 ±1°에 불과하다.

또한 AS5600L은 WL-CSP(2.07×2.63×0.6 mm) 패키지로 제공되며, 자동 저전력 모드로 1.5 mA의 전류만을 소모한다. 〈그림 2〉는 1.5 mm 에어갭(Z)이고 대상 마그넷과 센서 사이에 최대 ±1 mm X/Y 부정정렬일 때 AS5600L의 INL 오차에 관한 2개 샘플 시뮬레이션 플롯을 보여준다. 이 플롯들에서 볼 수 있듯이, 제로의 X/Y 부정정렬일 때는 두 마그넷 모두 ±0.5° 미만의 INL 오차를 달성할 수 있다. 에어갭이 1.5 mm 미만이면 더욱 낮은 INL 오차를 달성할 수 있을 것이다.

〈그림 3〉은 기어 피드백 위치를 제공하기 위해서 AS5600의 표면실장 SOIC-08 버전 제품을 사용한 드론 카메라 짐벌을 나타낸다. 여기서도 역시 3개의 짐벌 축 각각에 AS5600이 하나씩 사용된다.

또한 ams는 모터 제어 시스템용으로 AS5055A를 제공한다. 12 bit 분해능을 제공하고, 저전력 모드로 3 μA의 전류만을 소모하고, 소형 QFN-16 패키지(4.9×6.0×1.75 mm)로 제공되는 AS5055A는 드론 카메라 짐벌에 사용되는 BLDC 모터로 모터 정류 피드백을 제공하는 용도로 사용하기에 적합하다.

맺음말

오늘날 3축 카메라 짐벌을 장착한 드론을 사용하면 기존에 유인 항공기를 사용할 때에 비해 놀랄 만큼 저렴한 비용으로 놀랄 만큼 선명한 항공 촬영과 3D 맵핑 이미지 센싱을 할 수 있다. 또한 3축 카메라 짐벌을 사용함으로써 토지 항공 촬영, 3D 지형 맵핑, 농업용 항공 촬영 토양 분석 등을 비롯해 다양한 새로운 애플리케이션과 새로운 비즈니스 기회가 열리게 됐다.

2축 및 3축 카메라 짐벌을 구현하기 위해서는 프로세서와 IMU 같은 다양한 센서 기술을 비롯해서 다양한 혁신 기술들이 사용된다. 텔레비전, 컴퓨터, 태블릿, 휴대전화기 화면 등에 이러한 4K 비디오를 제공하는 데 있어 매우 중요한 역할을 하는 또 다른 부품이 바로 자기 각도 위치 센서다. 최신 자기 각도 위치 센서는 높은 정확도와 분해능을 제공함으로써 카메라 짐벌 컨트롤러가 모터 움직임을 아주 미세하게 조정할 수 있다.

예를 들어, 드론의 자체 로터에 의해 발생된 아주 작은 흔들림까지도 보정할 수 있다. 또한 저전력 모드로 동작하고 무게를 낮춤으로써 드론의 비행시간을 극대화할 수 있다. 향후에는 더 생생한 영상을 촬영할 수 있는 더 크고 더 높은 해상도의 카메라를 드론에 장착할 수 있을 것이다.