Design of Low Cost Flight Control System for Multirotor UAV using MEMS Sensor

Abstract

흔히 드론(Drone)이라고 불리는 멀티로터형 무인항공기는 저렴하고 조종하기 쉬우며 간단한 구조와 수직 이착륙이 가능하여 군사적인 용도를 비롯하여 상업적인 용도로 널리 쓰이고 있다. 멀티로터형 무인항공기는 가속도 센서, 자이로스코프 센서를 포함하는 관성 측정 유닛(IMU)을 이용하여 지표면에 대한 자세를 측정하여 각 모터의 회전속도를 제어하는 방식으로 비행하며, 비행 방향을 추정할 수 있는 지자기 센서와 고도를 측정할 수 있는 기압계를 내장한다. 비행체에 탑재되는 비행제어유닛(Flight Control Unit, FCU)은 이러한 센서 데이터와 조종 명령을 이용하여 각 모터를 제어한다. 이러한 계산을 수행하기 위해서 기존의 비행 제어 시스템은 하나 이상의 32-bit 마이크로프로세서를 사용하며 이에 따라 비행제어를 위한 펌웨어를 개발하는데 있어 회로 및 패턴 설계 및 소프트웨어 개발 환경(SDK)을 구성하는데 있어 많은 시간과 인력, 비용을 필요로 하여 전체 시스템의 가격이 저렴하지 않다. 또한 작은 크기의 멀티로터에 사용되는 저렴한 비행제어유닛은 프로그래밍이 불가능하거나 확장성에 제약이 있어 하나의 제어 시스템으로 하나의 비행체 모델에만 적용하는 한계가 있다. 따라서 빠르고 간편하게 프로그래밍이 가능하며 저렴하고 구하기 쉬운 8-bit AVR 프로세서와 MEMS 센서, C/C++언어를 이용하여 비행제어시스템을 구성하였으며 그 결과 확장성을 갖추면서 가격이 저렴하면서 효율적인 비행 제어 시스템을 구성할 수 있었다. 부족한 8-bit 프로세서의 성능은 프로세서의 수량을 늘리는 병렬 컴퓨팅 방법으로 해결할 수 있었으며 상보필터의 간결한 구조로 인해 8-bit 프로세서의 낮은 컴퓨팅 성능으로도 초당 약 250Hz의 제어 주기를 가질 수 있었다. 자세 제어 알고리즘으로 Cascade controller를 선택하여 외란에 강하며 빠른 제어 속도를 얻을 수 있었다. 결과적으로 진동이 상대적으로 큰 팜 사이즈의 쿼드로터 UAV에서도 안정적인 비행 성능을 구현할 수 있었다.