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비행 제어
2016.08.11 01:03

비행 제어 - 1. RC 기자재의 신호 체계

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 이전부터 해 보고 싶었던 큰 계획의 일환으로 고정익 RC 항공기의 비행 제어를 천천히 진행해 보려고 합니다. 현재는 제어 알고리즘만을 구현할 것이기 때문에 하드웨어는 일반적으로 많이 사용하는 RC용 기자재를 사용할 것입니다. 그렇기 때문에 우선 RC 기자재에서 신호를 주고 받으며 하드웨어를 어떤 방식으로 제어하는지 알 필요가 있습니다. 이 시리즈에서는 비용 절감을 위해 제가 기존에 가지고 있던 PPM 송수신기를 사용할 것이며, 신호 체계도 PPM 기준으로 설명드리겠습니다.


신호 체계 1.png

PPM 송수신기를 사용하는 RC 항공기의 신호 체계


  우선 일반적인 RC 항공기의 정보 흐름을 그림으로 나타내 보았습니다. 이 경우는 사용자가 모든 것을 수동으로 조작하는 RC 항공기입니다. 사용자가 물리적 조작을 통해 송신기의 스틱이나 레버를 움직이게 되면, 각각의 채널에 해당되는 조작 부품의 현재 상태(위치)가 상대적 값으로 디지털화됩니다. 송신기 내부에 있는 MCU가 ADC를 이용해 물리적 상태를 디지털 값으로 변환하기 때문입니다. 이렇게 변환된 값은 PPM 변조를 통해 모든 채널의 상태 정보가 담긴 신호 세트로 변하게 됩니다. 송신기는 최종적으로 이 PPM 신호에 주파수 변조를 가하여 전파 형태로 무선 신호를 전달하게 됩니다. 무선 전파 신호는 공간을 거쳐 가다가 수신기의 안테나에 도달하게 됩니다. 수신기 안테나를 통해 수신기로 전달된 신호는 주파수 변조가 이루어지기 전의 신호로 변환됩니다. 즉 각 채널의 조작 상태 정보가 담긴 PPM 신호가 되겠죠. 수신기는 이 PPM 신호를 각 채널 별로 끊어 하위 제어기들(변속기나 서보 내부 MCU)이 알아들을 수 있는 PWM 신호로 변환합니다. 그 다음 수신기가 각 하위 제어기들에게 PWM 신호를 전달하면, 하위 제어기들은 이 신호의 정보대로 하드웨어(대부분 모터)를 구동하게 됩니다. 오토파일럿이 적용된 시스템의 경우엔 수신기와 하위 제어기 사이에서 신호를 제어하게 됩니다. 사용자가 직접 제어하는 경우엔 수신기 신호를 그대로 통과시키고, 오토파일럿이 구동되는 경우엔 컨트롤러가 만든 신호를 대신 보내는 방식이죠. 결국 RC 기자재를 가지고 비행 제어를 한다는 것은 수신기와 하위 제어기 사이에서 신호를 제어하는 오토파일럿을 만드는 과정이 됩니다. 상용 시스템을 제작한다면 입맛에 따라 송수신기와 무선 프로토콜, 또는 하위 제어기와 제어 신호 등을 자기가 직접 만들 수도 있겠죠.


 그렇다면 RC 기자재 중 하위 제어기를 제어하는 PWM 신호는 어떤 형태로 되어 있는지 알아보겠습니다. 사실 MCU를 접해 보신 분들은 쉽게 아실 수 있는데, PWM(Pulse Width Modulation)은 한 주기 내에서 펄스의 길이(폭) 비를 조절하여 신호를 전달하는 방식입니다. 모터 같은 것을 직접 구동하는 경우엔 전력 전달을 위해 사용했지만 RC 기자재의 신호 체계에서는 하위 제어기의 제어 신호로 사용이 가능합니다.


PWM.png

PWM 신호


 대부분의 RC 하위 제어기들은 20ms를 한 주기로 가집니다. 즉 50Hz로 제어 명령을 보낼 수 있습니다. 한 가지 짚고 넘어갈 부분은 50Hz가 제어 주파수이며 실제로 모터나 서보가 반응하는 속도는 하드웨어의 동적인 특성에 따른다는 것입니다. 펄스 폭의 범위는 일반적으로 1ms가 최솟값, 2ms가 최댓값이며 그 범위 내에서 펄스 폭을 조절하여 변속기 스로틀이나 서보 위치를 조절할 수 있습니다(그림의 주기 대비 펄스 비율은 실제와 다릅니다). 최근에는 쿼드콥터의 더 빠른 모터 제어 명령 갱신을 위해 OneShot125 신호 체계를 사용하는 변속기가 판매되고 있습니다. OneShot125의 경우 125~250μs 길이의 펄스를 사용하고 2ms의 주기를 가져 500Hz의 제어 명령 업데이트가 가능합니다. 주기가 다른 신호 체계를 사용하게 된다면 변속기 뿐만 아니라 오토파일럿도 이를 지원해야만 합니다.


 송신기 쪽에서 보내는 PPM 신호는 이러한 PWM 신호의 정보를 일렬로 이어 붙인 것입니다. PPM 신호에서 각 펄스의 rising edge는 각 채널의 시작과 끝 시각을 알려 줍니다. 시간에 대한 신호 변화 그림을 통해 실제로 PPM과 PWM 간에 어떠한 관계가 있는지 확인해 보도록 하겠습니다.


PPM and PWM.png

PPM과 PWM 신호


우선 위 그림에 PPM 신호가 5채널 PWM 신호 정보를 가지고 있다고 가정하여 나타냈습니다. PPM 신호의 가장 첫 번째 rising edge는 채널 1의 PWM 펄스 시작을 알립니다. PPM 신호의 두 번째 rising edge는 채널 1 PWM 펄스의 끝이자 채널 2 PWM 펄스의 시작을 알립니다. 이 과정에서 채널 1의 PWM 펄스 길이는 PPM 펄스의 첫 번째와 두 번째 rising edge간 시간 차이라는 것을 알 수 있습니다. 즉 MCU를 이용해 PPM 신호의 rising edge를 인터럽트로 받으면 각 채널의 PWM 펄스가 어느 정도의 길이를 가져야 하는지 알 수 있습니다. PPM 신호는 모든 채널의 정보를 보낸 다음 일정 시간 0 레벨을 유지하여 모든 채널에 대한 정보 전송이 끝났음을 알리게 됩니다. 이 또한 MCU를 이용해 측정이 가능하고, PPM 신호의 한 프레임이 종료되었음을 알 수 있습니다. 이러한 한 프레임의 일반적인 길이는 20ms 전후가 됩니다. 송신기 종류에 따라서는 펄스의 rising edge가 아닌 falling edge를 이용해 PWM 펄스의 경계를 나타내기도 하며, 보통 송신기에서 어떤 방식으로 보낼 것인지 선택이 가능합니다. 




업데이트 중...


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