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Quadrotor20132013. 12. 13. 19:15

쿼드의 핵심인 센서와 보드에 대해 다뤄보겠습니다.

 

일반적으로 RC하시는분들은 제어보드를 FC보드(Flight Control Board)라고 하더라구요. 갑자기 생각난건데 처음 쿼드만드시는 분들은 용어가 생소해서 고생하실 겁니다.. 프롭이니 리포배터리니 통돌이모터 프롭밸런서 등등 이런 단어를 알아야 검색도 하고 공부도 하는데 모르면 난감해요 ㅠ


제어보드의 종류는 많습니다. 아두이노 같이 빵판처럼 온갖 프로그램을 올릴 수 있는 보드에도 제어 소스만 올리면 제어가 가능하니까요. 쿼드콥터 제조 회사나 커뮤니티에서 만들어 지는 것 같습니다. AeroQuad, MultiWii 등 오픈되어있는 소스도 있구요, 이 오픈소스들을 그대로 보드에 올려서 사용하려면 해당 소스에 맞는 하드웨어에 올려야합니다. (센서나 하드웨어사양이 충족되어야 한단 소리입니다)


제어보드의 사양은.. 당연한 소리겠지만 빠르면 빠를수록 좋습니다. 제어 알고리즘을 돌리는데 1초가 걸린다면 전혀 쓸모없는게 되어버리니까요. 

뜨기 위한 보드의 제어 주기는 최소 5ms는 되어야 뜰까말까입니다. 10ms로 하면 시소제어는 되는데 전혀 뜨질 않고, 5ms로 하면 불안정하게 뜨고, 3ms로 하니까 나름 안정적으로 뜨는것 같습니다. 제가 직접 겪은 이야기입니다 ㅠ 이 글을 읽는 여러분은 이런 고생 겪지 않길 바랍니다.


이 제어 주기라는 것은 센서와 깊은 연관이 있습니다. 보드가 아무리 빨라봤자 센서의 최대 샘플링 간격이 1초라면 보드 제어주기는 1초로 맞춰질수밖에 없기 때문입니다. 센서 구매시 잘 선택하시길 바랍니다. 제 경우는 최대 10ms의 속도를 가지는 50만원짜리 센서를 가지고 제어를 해 왔는데.. 지금 보면 되지도 않는 하드웨어 사양을 가지고 엄청 고생한거네요. 50만원짜리 고급 센서보다 9천원짜리 MPU6050이 더 빠른데 말이죠. 



위 표는 MPU6050의 사양입니다. 밑의 Update rate를 보시면 자이로는 최대 0.125ms, 가속도는 최대 1ms 이네요. 왜 범위로 되어있냐면~ MPU6050센서 내부의 레지스터를 조작해서 LPF를 쓸 수 있게 되어있는데, 그 LPF설정에 따라 유동적이기 때문이라는 생각이 드네요.

아무튼, 센서마다 이런 사양이 있으니까 꼭 참고해서 결정하시기 바랍니다.


MicrocontrollerATmega2560
Operating Voltage5V
Input Voltage (recommended)7-12V
Input Voltage (limits)6-20V
Digital I/O Pins54 (of which 15 provide PWM output)
Analog Input Pins16
DC Current per I/O Pin40 mA
DC Current for 3.3V Pin50 mA
Flash Memory256 KB of which 8 KB used by bootloader   
SRAM8 KB
EEPROM4 KB
Clock Speed16 MHz

위 표는 제어보드인 아두이노 Mega2560의 사양입니다. 메인 클럭 주파수가 16MHz인데, 이걸 가지고 제어 루프의 주기를 계산하기에는 좀 막연하네요. 빠르면 빠를수록 좋긴 한데 쓸데없이 빠른건 굳이 필요 없을테니까 잘 고르시기 바랍니다. 


아두이노의 16MHz는 실시간 영상처리하기에는 턱없이 부족한 주파수인데요, 700MHz이상가는 라즈베리파이를 사용하면 굳이 저처럼 휴대폰을 달지 않고도 영상처리를 할 수 있을거 같다는 생각을 요새 하고 있는 중입니다. 근데 라즈베리파이는 불안정하다는 이야기가 들리기도 하네요.


센서와 보드의 통신 환경도 결정할때 고려해야할 요소 중에 하나인데요, 센서 표를 보시면 인터페이스가 I2C방식이라도 되어있습니다. 저는 운좋게 아두이노 보드에서 I2C전용 핀과 통신용 라이브러리를 제공해서 쉽게 통신할 수 있었는데요. 만약 다른방식이고 보드가 그 방식을 지원하지 않는다면 아날로그 신호를 분석해서 통신을 구현해야할 수도 있습니다. 저는 그렇게까지 하고싶진 않았는데 다행히 보드가 지원해줬네요.. 참고로 아두이노는 I2C통신과 시리얼통신을 지원합니다.


I2C방식(TWI통신이라고도 함)에 대한 자세한 내용은 제 블로그(http://hs36.tistory.com/29)를 참고하시구요 


mpu6050와 통신하는 라이브러리와 예제도 첨부하겠습니다.

MPU6050.zip

 

그밖에 각종 I2C를 사용하는 장치들과 아두이노간 통신 라이브러리는

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino

참고하시면 되겠습니다~ 














Posted by 너를위한노래

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  1. 안녕하세요 이번에 4학년이 되는 컴퓨터 학과 학생인데 저희팀도 이번에 졸작으로 아두이노를 이용해
    쿼드콥터를 만드는것을 선정했는데 어떤것부터 해야할지 갈피를 못잡아 문의드립니다.
    아두이노에 대해서는 평소 교수님과 연구실 자체에서도 배우는 지라 각종 엑츄에터 장비와 센서는 다뤄봤습니다.
    저희가 생각하는 것은 블루투스 통신을 이용해 아두이노를 띄우고 나아가 gps모듈을 장착해서 해당 지점을 찍고 돌아오는 것을 목표로 하고 있는데 첫시작이 너무 힘드네요.. ㅜㅜ
    대략 블로그에 관한 글을 전부 읽어보았지만 아직 부품에 대해서는 어떤 종류의 프레임을 쓸지 그에 따른 모터나 프롭등을 정하지 못하여서 도움을 청하고자 문의드렸습니다.
    읽어주셔서 감사하고 꼭 답변 해주시면 정말 고맙습니다.

    2014.03.11 19:13 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 쿼드에 뭔가 장비를 실으실게 아니라면 320mm~350mm프레임을 쓰시는게 좀더 나을것 같습니다. 저는 450mm썼는데 생각보다 크기도 크고 무게도 나가더라구요. 320mm 쓰실거면 모터는 제가 쓴거랑 비슷한 크기와 성능으로 쓰시면 될거 같고~ 프롭은 10인치 말고 좀더 작은거 쓰시면 될거 같아요 8인치인가.. 여러 사이트 돌아다니면서 정보 수집하는걸 권해드리고싶네요~!

      2014.03.14 15:18 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. Alex

    안녕하세요~! 저도 졸업작품으로 아두이노를 이용해서 쿼드콥터 제작을 계획하고 있는데요.
    우선 블로그에서 좋은 정보를 많이 올려주셔서 감사드립니다. 많은 도움 되고 있습니다.^^
    그런데 아두이노와 함께 사용하는 센서 관련해서 질문이 생겨 이렇게 댓글을 답니다.
    위에서 말씀하신대로 멀티위나 aeroquad에 맞는 하드웨어를 달고 함께 제공되는 Software를 사용해 기체를 쉽게 제어 할 수 있다라고 알고 있는데요, 만약 mpu6050 같은 센서를 직접 달아서 사용하면 이에 맞는 software는 모두 다 직접 코딩해야하나요?
    예를 들어, 기체 제어나, 안정화 알고리즘, 칼만필터 이런 것들을 직적 코딩하여 아두이노 보드에 올리는 것이 맞는지..?
    이렇게 한다면 너무 어렵지 않을 까요? 혹시 해보셨다면 어떠한 방법을 추천하는지 궁금합니다.
    그리고 이에 관련된 오픈 소스나 참고할 만한 것이 있으면 알려주시면 감사하겠습니다.

    2014.03.19 00:22 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. rktkwlak

    안녕하세요. 블로그통해 많은 도움 받고있습니다.!!
    참고해가며 쿼드 제작중인데요 진동을 잡는게 정말 어렵네요 ㅜㅜ
    혹시 방진처리는 어떻게 하셨나요??
    그리고 mpu6050레지스터로 lpf사용하는 방법을 알 수 있을까요?
    글을 전부 읽어봤는데요 혹시 LPF사용하면 반응이 많이 느린가요??

    2015.02.01 01:37 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 방진은 방진 댐퍼를 사서 센서 보드와 프레임 사이를 연결했습니다~ 근데 별로 효과는 없어보이더라구요. LPF사용법은 MPU6059.h의 LPF관련 해서 define되어있는 상수를 찾으신 다음 MPU6050.cpp에서 해당 상수를 검색해보시면 금방 아실 수 있을거예요~ LPF 가중치 정도에 따라 많이 느려질 수 있으니까 가중치를 바꿔보시면서 테스트해보세여

      2015.02.13 15:21 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • rktkwlak

      넵 답변 정말 갑사합니다!!!

      2015.02.17 03:15 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  4. 드론

    안녕하세요 저희도 아두이노로 드론을 만들고 있는데요
    정말 큰도움이 되고 있어 감사 드립니다
    다름이아니라 같은 mpu6050을 사용하고 있는데 위의 소스를 사용하면 가속도와 자이로 값이
    수평일때
    a/g: 288 44 14224 -744 148 -412
    a/g: 392 332 14540 -448 596 -601
    a/g: 104 888 15324 -599 322 -86
    a/g: 216 -32 15276 248 -544 158
    a/g: 84 -448 14684 -149 -950 -404
    a/g: 348 328 14068 -331 -498 -754
    a/g: 88 800 14052 -237 48 -143

    이런식으로 예상하지 못한 값이 나옵니다. 이러한 값이 뜻하는 것이 뭔지 잘모르겠네요 ㅠㅠ
    죄송하지만 이 값에 관하여 설명좀 부탁 드려도 될까요?

    2015.08.07 13:49 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 잘 나오고 있네요~!
      왼쪽부터 차례대로 가속도센서 x, y, z, 자이로센서 x, y, z 값이 출력되는 것 같습니다. 맞나요?
      먼저, 가속도센서는 이론적으로는 0, 0, 16384값이 출력되어야 합니다(구매 후 레지스터를 안건드렸을 경우). 하지만 전기적인 노이즈가 섞여있고, 수평이라고 하셨지만 땅바닥이 완전한 수평이 아니기에 약간의 치우침(바이어스)과 노이즈로 시시각각 변하는 값이 출력되게 됩니다.
      그리고 자이로센서는 움직이지 않을 경우 0, 0, 0이 출력되어야 정상이지만, 센서 공정상(?) 바이어스가 포함되어있기 때문에 0이 아닌 값이 출력되는게 일반적이고, 역시 약간의 노이즈로 인해 변화하는 값이 출력됩니다.
      두 센서 모두 -32768~32768의 값을 출력시킬 수 있으니 몇 백정도의 값은 바이어스와 노이즈로 보시면 될 거 같네요.
      출력된 값은 데이터시트에 나와있는 정보를 토대로 스케일링 하셔서 사용하시면 됩니다~!
      제 블로그(http://hs36.tistory.com/18)를 참고하시면 도움이 될 듯 하네요.

      2015.08.07 14:06 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • 공대

      MPU6050을 Atmega128로 처리해서 각도를 계산하는데, 제어 주기가 약 7ms 정도 되더군요.. 128에서 상보필터를 통해 PID계산을 하는데 float 연산이 많아서(부동소수점 연산) 계산 속도가 느린것 같습니다. 혹시 처리 속도가 어떻게 되시나요? 혹시 DMP기능을 이용하시는건지..?

      2015.12.01 23:07 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  5. K_SSUN

    안녕하세요 이번에 대학교내에서 드론으로 영상처리관련 프로젝트를 진행하게되었는데요
    프로젝트 내용이 실시간으로 드론이 촬영한 영상을 받아와야되는데 지원받은 물품은 드론 부품과 mega2560입니다
    찾아보니 쿼드콥터는 uno로 많이 하시던데 mega나 uno로는 실시간으로 영상을 받아오기가 무리일까요?

    2016.03.18 18:40 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • Mega나 Uno의 속도로는 영상처리는 무리일 것 같습니다.. 해상도에 따라 다르겠지만 680*480은 무리일 것 같네요 ㅜ

      2016.03.23 15:42 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]