드론 위치 보정장치

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드론이 정확하게 비행을 하기 위해서는 정확한 드론 비행 계획을 세울 수 있어야 한다. (너무 당연한 이야긴가..) 드론은 3차원 공간을 비행하고, 그 공간에는 전봇대, 건물, 도로, 교량 등 여러 구조물과 나무, 절벽, 산 등의 자연지형이 있다. 예를들어 비행고도 30미터로 계속 비행을 하다보면 아마 어딘가에 부딧히게 될 것이다.

위 그림처럼 오래된 성을 inspection하기 위해 드론을 날리려면, 건물을 중심으로 3차원 비행미션을 만들어야 한다. 만약 도시공간을 비행해야 하는 경우라면 더 복잡한 비행 미션을 수행해야 하고 이를 위해서는 1)정확한 3차원 지도와 2)정밀한 드론의 위치확인 장치가 요구된다.

1 정확한 지도

우선, 지도는 정확할 수 없다. 정확하다는 용어가 맞지않는 분야라고 할 수 있다. 지도는 필요에 의해 만들어지는 상대적이고 추상적인 개념의 이미지라고 볼 수 있다. 그 이유에 대해서 생각해 보면, 우리가 서 있는 위치는 땅을 불규칙하고 다양한 형태의 3차원 공간(대부분 구체형태의 지구로 이해하고 있으나 사실은 아닌..)인데 이것을 이해하기 쉽게 구로 정의한 다음, 지구 회전축(자전축)을 기준으로 수직 수평 선으로 분할한(이 위도 경도도 정확한 좌표를 재현할 수 없다) 다음, 해수면(달 중력의 영향으로 계속 변화하며 또한 지구의 형상에 의한 중력의 차이로 기준을 정할 수 없는)으로부터의 높이를 통해 3차원 위치좌표(x, y, z)를 생성하게 된다.

위 그림이 첨단 측량기술로 생성된 지구의 형태모델. 위키페디아에서는 다음과 같이 설명하고 있다.

지오이드(영어geoid)는 지구상에서 높이(해발고도)를 측정하는 기준이 되는 가상면이다. 이 면은 중력 퍼텐셜이 같은 등퍼텐셜면이고, 중력 가속도를 측정할 때 기준면이 된다. 물체는 이 면에 대해서 수직 방향의 중력을 받는다. 지오이드의 형태(즉, 위치에 따른 중력의 작용선)의 변화를 측정하면, 지표 아래에 주변과 다른 밀도를 갖는 물질의 존재를 파악할 수 있다.

지오이드는 바다에서는 평균 해수면으로 정의하고, 육지에서는 바다에서 시작하여 가상의 수로를 팠을 때, 수로의 수면으로 정의한다.

이 설명이 잘 이해가 가지 않지만, 현재 해수면 기준으로 만들어진 지구모델? 로 나는 이해했다. 다음 그림을 보면 왜 이런 모델이 필요한지 설명할 수 있다.

우리가 생각하는 지구타원체가 연두색 선이라면, 실제 지구 땅의 표면은 갈색 처럼 울퉁불퉁 하고 해수면은 그림처럼 중력이나 물의 특성 때문에 타원체와는 다른 형태가 된다. 이러한 해수면의 중력값을 기준으로 만든 지구 모델이 Geoid지오이드 모델인데, 이상적인 지구타원체 모델보다 실제 지구 표면과 비슷한 형상을 나타내게 된다.

지오이드 모델처럼 지구상의 높이를 표현한 Earth Topography 이미지를 나사에서 제공하고 있다. 구글어스에서는 이러한 높이정보를 반영한 3D 지형모델을 제공한다. (게다가 요즘 구글어스는 별도 프로그램 설치하지 않고 브라우저에서 돌아가고, 심지어 건물도 3d로 제공된다.)

위 사진은 구글어스에서 강원도 쪽 지형을 살펴본 것이다. 나무는 표현되지 않았지만 지형정보가 반영되어 산맥이 나타나고 있다.

구글어스에서 오키나와를 보면 건물들이 3D로 다 만들어져 있다. 구글어스가 정확한 지도라고는 할 수 없지만 최소한 실제와 비슷한 지형정보와 건물 정보를 가지고 있다고 할 수 있다. 우리가 알고 있는 3d photogrammetry 프로그램인 pix4dmapper에서는 프로젝트별로 임시 좌표공간을 만들고(GPS기반), 첫번째 비행 결과물을 기준으로 3D point cloud를 만들어 준다. 그리고 나서, 두번째 세번째 비행 결과를 추가로 attach할 수 있는 기능을 가지고 있다. 만약 pix4dmapper에서 첫번째 비행결과물 기준으로 3D 비행 미션을 생성할 수 있다면, 정확한 지도 없이도 비행계획을 세우고 (여러번의 비행을 통해), 결과물을 report할 수 있을수도 있을거란 생각을 했다.(아래그림 참조)

2 정밀한 위치확인 장치

현재 드론의 위치확인은 GPS/GNSS장치를 통해 확인하고 있다.

GPS는 지상에 설치된 기점과 위성이 통신하여 위성의 위치를 확인하고, 지상의 GPS수신장치로 위성의 좌표를 전송하여 수신기의 위치를 계산하는 기술이라고 할 수 있다. 지상에는 지상위성관측소가 있고, GPS위성으로 좌표를 송신하게 된다. 이 정보를 바탕으로 GPS위성은 위성의 위치를 파악할 수 있다.

그러나 지상위성관측소에서 송신되는 좌표는 각 지역별로 기준점이 다른 측량좌표로 각각의 다른 기준의 좌표를 정확하게 일치시키는 일종의 통합좌표 같은것이 있긴 하지만 변환에 오차가 발생하게 된다. (지구반지름 계산의 차이에 따른 오차)

 

 

 

Pole mount

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GPS보정장치를 전국에 설치하려면 다음과 같은 기능이 필요할 것 같다. 우선, 전기공급, 인터넷(LTE, WiFi)연결, GPS/GNSS수신, 그리고 정확한 위치 좌표값. 정확한 위치좌표를 알아야 GPS수신오차를 확인할 수 있고, 그 오차를 드론맵 서버로 보내 드론의 GPS/GNSS위치보정을 할 수 있다. 전기는 장치를 동작시키기 위해서 필요하다. 프로토타입에서는 FC와 온보드 컴퓨터(리눅스기반)으로 구성되었다. 온보드를 라즈베리파이라고 한다면,

The Pi 2 drew 3.2W at idle and 3.8W under load while the Pi 3 drew 2.5W and 3.8W, which is a significant improvement, and especially useful if you’re planning to run your Pi 3 on battery power.

위 내용과 같이 부하 상태에서 3.8W의 전력을 소비한다. FC도 라즈베리 파이만큼 사용한다고 가정하고, 약 7~8W정도의 소비전력을 예상할 수 있다. 이 전기를 한전에 임시전기를 신청해서 사용하기에는 너무 양이 적기 때문에, 지자체에 지원을 받아 전기를 공급받던지, 아니면 태양광 패널과 배터리를 이용해 운용해야 할 것 같다.  또 필요한 장치는 LTE 모뎀이나 wifi 모뎀, 그리고 추가적으로 카메라 정도가 필요할 것 같다. (미세먼지 센서나 온습도 센서 등을 붙여 weather station의 기능도 붙이면 좋을 것 같다.)

위에 필요한 기능들을 구성해서 전국 방방곳곳에 설치하기 위해서 디자인을 해 봐야 겠다. 설치하기 쉽고, 유지관리가 용이한 디자인을 하려면 쉽게 기둥(?)을 설치하거나 기존의 전봇대나 가로등 등을 이용할 수 있는 디자인을 고민하다가 폴 마운트(pole mount)를 찾아보았다. 

위 그림은 아시바 같은 철 파이프 구조물에 고정할 수 있는 타입으로 건설현장에서 사용 하기에 적합해 보인다. 또 아시바는 설치하기 쉽기 때문에 임시로 기둥을 설치해야 하는 경우에 직접 할 수 있을것 같다.

이런 스텐레스 밴드로 고정하는 타입도 있고,

U볼트? 같은것으로 고정하는 타입,

양쪽에 톱니처럼 맞물리는 타입도 있다.

우선 궁동 사무실에 설치해 놓고 몇가지 고정방식을 테스트해 볼 필요가 있을듯하다.

 

Day 5

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오늘은 크레인 카메라 내부 보드를 3d프린팅 하고, 인써트를 삽입했다. 처음 인써트를 샀을때는 열융착형이 아니라고 생각해 실망했었는데, 인두기를 사용해 잘 삽입되고 인서트로서의 기능도 잘 되었다. 이만하면 괜찮다고 생각되어 블로그에 공유한다.

인서트 외경은 5mm인데, 설계 홀 크기는 4.7mm, 서보트 외경은 8mm로 제작했다. 깊이는 5mm로 하고, 혹시몰라 관통하는 구멍도 만들어 주었다. 다음 영상은 인서트를 삽입하는 영상이다. 처음에는 잘 못했는데 하다보니 익숙해져서 이제는 잘 하게 됨.

3d 프린팅 제품에 인서트 사용하기

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3d 프린터를 이용한 케이스 제작을 하다보면 위아래 케이스를 볼트로 고정하고 싶어질 때가 있다. 일반적인 플라스틱 케이스는 재료의 탄성을 이용하는 딸깍 고정 디테일을 사용하거나, 셀프태핑나사 등을 사용하기도 한다. 그런데 FDM방식의 3d프린터는 정교함이 부족하고 탄성이 사출된 플라스틱보다 못하기 때문에 딸깍 디테일은 부족함이 있다.  이런경우 Heat-set threaded inserts가 아주 유용하다.

열융착 인서트는 어떻게 삽입하는가?

탭을 내면서 고정되는 인서트가 있으나, 3d프린팅 제품에는 열융착 방식의 인서트가 더 적합해 보인다. 인서트를 위한 볼륨과 홀을 출력한 다음, 그곳에 인서트를 올려놓고 인두기를 이용해 삽입한다. 아래 그림을 참고하자.

디바이스마트에서는 황동으로 된 인서트를 판매하고 있다. 이렇게 인서트를 삽입하게되면, 플라스틱보다 강도가 높은 황동으로 탭핑이 형성되어 여러번 반복해서 사용해도 사용성이 떨어지지 않으며, 더 강하게 볼트를 잠글 수 있다. 맥마스터카에서 인서트 홀 디자인 가이드를 제공하고 있으니 참고하시기 바란다.