연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 오재환, 김준성, 이청화, 정희윤

1. Introduction

▶ 연구배경

미국 네바다 주에서 열리는 ARLISS라는 대회는 로켓에 국제적인 학생들이 직접 만든 로봇을 담아 상공 3km로 쏘아 올린 후, 로켓 안에 있떤 로봇이 목표 지점(Target)까지 자율주행으로 도달하게 하는 미션을 가지고 있는 대회이다. 대부분의 참가팀들은 Rover라는 지상에서 움직이는 로봇을 개발하는데, 우리팀은 공중에서 바로 움직 일 수 있는 드론을 제작하여 참가하였다.

▶ 설계목적

‌대회에 참가하기 위해서는 만든 로봇이 지름 146mm, 높이 240mm인 원통안에 들어가야 하고, 그 무게가 1050g을 넘지 않아야한다.

‌2. Mechanical Design

▶ 기구부 설계

‌제작하기에 앞서 CATIA V5를 이용하여 3D 모델링하였다. 기구부는 위와 같이 구성되어 있으며, 기구부는 크게 본체와 Arm(팔), 다리, BLDC 모터 지지대, 프로펠러, 배터리 거치대로 이루어진다. 소재는 프로펠러는 카본, Arm은 알루미늄 나머지 본체 부분은 3D 프린터의 ABS로 이뤄졌다. 본체는 중앙에 위치하는 파란색 부분이며 이번설계의 핵심인 ‘Arm 지지대’가 포함되어 있다. 본체 아래에는 배터리가 위치하며, 본체 위쪽은 MCU와 GY-68과 NEO-6M 등 전장이 거치되며, 본체 각 대각선 방향으로는 드론의 Arm이 연결되고, Arm의 중간지점에는 ESC를 끝 지점에는 BLDC 모터를 연결한다.

‌▶ 접이식 메커니즘

‌위 그림은 기구부 설계에서 언급한 ‘Arm 지지대’를 설명 하는 그림이다. 드론의 Arm이 스프링에 의해 펼쳐지면서 Arm지지대를 움직이고, Arm이 펼쳐지면 Arm 지지대가 Arm을 스프링에 의해 움직이고 고정할 수 있도록 하였다. 또한, 토글스위치가 날개가 펴지면서, 자율주행 출발 신호를 받도록 메커니즘을 설계했다.

‌3. Hardware
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‌▶ 시스템 개략도

‌본 설계의 하드웨어 구성도는 위의 그림과 같으며, 11.1V인 리튬폴리머 배터리를 PCB BOARD와 Motor driver(ESC)에 직접 연결한다.  MCU인 ARDUINO를 비롯한 센서와 통신모듈은 정격전압이 3.3V~5V이기 때문에 전압을 줄여주는 Voltage Regulator를 이용하여 Votage를 5V로 감소시킨다. GY-86과 GPS NEO-6M은 I2C통신을 하며, Bluetooth 통신모듈인 HC-06은 UART통신을 한다. GPS NEO-6M은 원래 UART 통신이지만, I2C-GPS모듈을 이용하여 I2C통신방식으로 설정하고, Bluetooth 통신모듈을 이용하여 현재 쿼드콥터의 상태나 위치정보를 받는다.

‌4. Control System Design
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‌▶ 제어 시스템 설계

- 쿼드콥터의 시스템 구성도는 위와 같이 구성되며, 큰 부류로 나누면 Sensor와 Micro Controller Unit(MCU), Actuator 3가지로 이루어져 있다.
- 사용하는 Sensor :  GY-86(10축 센서), NEO-6M(GPS:Global Positioning System) 2가지, PCB BOARD를 통해 MCU인 ARDUINO와 연결되어 있다.
- GY-86에서 자이로(GYRO), 가속도(ACC), 지자기(MAG), 기압(BARO)의 값을 측정가능하다.
   측정한 데이터들은 noise가 크기 때문에 이를 줄이기 위해 저역통과 필터를 구현한 후, noise가 제거된 데이터들을 이용하여 제어에 필요한 쿼드콥터의 ROLL, PITCH, YAW를 알 수 있음.
- 지자기센서에서 측정된 값을 이용하여 자북을 기준으로 쿼드콥터의 진행 방향 각도(YAW)를 측정한다.
   이때 자북과 진북에 차이가 있으므로 자기 편차(구미기준 -8.5)를 반영한다.
- NEO-6M(GPS:Global Positioning System)으로는 현재 드론의 위치를 인식 할 수 있다.
- 쿼드콥터의 자세, 고도, 방향, 속도는 PID제어를 이용하였고, 쿼드콥터의 프로펠러를 돌리기 위한 모터의 출력을 위한 신호는 PWM(Pulse Width Modulation)이다.
- 측정한 Roll, Pitch를 이용하여 원하는 값(평형을 유지할 때, 0)과 현재 측정된 값을 Error로 두고 Output을 구한다. 
   마찬가지 방식으로 고도와 이동속도 목표 방향에 대한 Output을 구한다. 
   각각의 Output들을 모두 반영하여 각각의 ESC(Electronic Speed Control)에 보내주는 신호인 PWM을 조절한다. 
   ESC에서 받은 신호를 계산하여 각각의 모터에 다른 출력속도를 내게 하여, 드론이 원하는 행동을 취할 수 있게 한다.

‌5. Experiment
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‌▶ PID Gain Tuning

완성된 쿼드콥터의 자세와 방향을 위한 PID Gain Tuning을 실시하였다.

▶ Assembly and Outdoor Experiment

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▶ 대회 기록

▶ 기대효과

• 접이식 메카니즘 시스템   
‌→ 드론을 사용하는 모든 시스템에 사용 가능. 특히, 군사용 드론 및 물류용 드론 관리 및 유지보수에 용이

• GPS기반 자율주행 시스템   
→ 군사 정찰용 및 물류용 드론 등 에 실제 적용가능
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‌Award
‌‌• 2017 제18회 경상대학교 자작모형항공기 경진대회/ 회전익 부문 3등
• 2017 제19회 한국로봇융합연구원 한국지능로봇경진대회 / 장려상
• 2017 ARLISS / Technical Comeback System Award
• 2017 ARLISS / Good Design Award