픽스호크 드론의 정석

공현철 , 한기남 , 김지연 , 서동훈 지음

성안당 2023년 07월 19일 출간 종이책 : 2022년 10월 07일 출간

작품소개

책소개

무인 항공기 드론에도 리눅스같은 오픈 소스 소프트웨어와 하드웨어가 있다. 바로 ‘픽스호크’다. 이번에 픽스호크 드론의 표준과 활용법을 소개한 책이 출간된지 2년여 만에 Pixhawk4 학습용 드론 조립 가이드를 약 112여 쪽 보강하여 개정 증보판으로 선보여 드론 교육과 개발, 활용 분야에 종사하는 드론 개발자와 매니아들에게 반가운 소식이 될 것으로 보인다.

‘픽스호크(Pixhawk)’는 교육, 취미와 개발 용도로 누구나 쉽게 저비용 고품질 자동 조종 장치 하드웨어 설계의 표준을 제공하고자 무인항공기(드론)을 위한 개발 결과를 오픈소스 플랫폼으로 공유하는 프로젝트 독립적인 공개 하드웨어 프로젝트의 이름이자 드론을 위한 오픈소스 자동 조종 장치(FC, Flight Controller)를 의미하기도 한다. 이 픽스호크는 취리히의 스위스 연방 공과대학의 박사후 연구원이었던 약관 32세의 로렌츠 마이어(Lorenz Meier)가 개발했으며 상표 등록도 마쳤다. 로렌츠 마이어는 픽스호크 프로젝트의 주요 멤버인 오픈소스 드론을 개발하는 소프트웨어 스타트업 오터리온(Auterion)의 공동 설립자이자 PX4의 설립자이기도 하다.

픽스호크는 리눅스 재단이 지난 2014년 10월 발표한 아두파일럿(http://ardupilot.org/)을 기반으로 한 드론코드 프로젝트(Dronecode Project)가 전신이 된 오픈 소스 프로젝트의 다른 이름이다. 이 프로젝트에는 3DR(3D로보틱스), 바이두(Baidu), 박스(Box), 드론디플로이, 인텔, j드론스(jDrones), 레이저 내비게이션, 퀄컴, 스카이워드(SkyWard), 스콰드론 시스템(Squadrone System), 월케라(Walkera), 유닉(Yuneec) 등이 창립멤버로 참여했으며, 드론 코드 개발에 나서고 있는 수많은 스타트업 하드웨어 기업들과 소프트웨어 기업들, 개발된 플랫폼을 채택하는 드론 생태계에서 픽스호크는 큰 비중을 차지하고 있다. 픽스호크(Pixhawk®)는?PX4® 및?아두파일럿(ArduPilot®)의 비행 스택을 지원하는데, PX4(https://px4.io/)는 드론·기타 무인 차량을 위한 오픈 소스 비행 제어 소프트웨어, 아두파일럿은 무인 차량·드론 등 소프트웨어적으로 조작 가능한 기기에 대한 원격 조정/자동화 오픈소스 소프트웨어이다.

이 책에서는 드론코드 프로젝트의 핵심인 아두파일럿(http://ardupilot.org/)의 내용을 철저히 분석하고 마브링크(MAVLink), 픽스호크(Pixhawk), PX4, 큐그라운드 컨트롤(QGround control)같은 무인항공기(드론) 표준 외에 미션 플래너 등도 다루고 기체 조립 방법과 튜닝, 각종 설정 방법도 다룬다. 또, 다양한 이해를 돕기 위한 동영상 시각 자료 QR코드와 픽스호크 연결도, 멀티콥터 관련 도해, 사진 등을 빠짐없이 수록했으며 책 말미에는 중국 CUAV 사의 픽스해크(pixhack) 연결도도 등장한다. 중요한 픽스호크 연결 다이어그램과 프레임 유형별 모터 방향은 한 장의 브로마이드로 별도 삽입되어 있다.

목차

프롤로그
저자 소개

Part 1 픽스호크란 무엇인가?

Chapter 1 픽스호크란 무엇인가?
[1] 픽스호크로 무엇을 구현할 수 있을까?
1 근거리 FPV(First Person View)
2 다양한 형태의 비히클 제작
QR 01_VTOL
3 VTOL 비행체 제작 운용
QR 02_수직착륙기
4 LRS를 활용한 장거리 FPV
5 AAT(Automatic Antenna Tracker)의 구성 영상을 장거리로 전송
QR 03_픽스호크 AAT
6 마브링크를 통한 GCS 운용
7 컴패니언 컴퓨터(Companion Computer)를 통한 다양한 확장성

Chapter 2C픽스호크 드론을 만들기 위한 기본 상식
1 픽스호크는 직사광선을 피해 배치해야 한다
2 픽스호크의 Aux, Main 단자는 위쪽부터 ‘-’(GND), ‘+’(Vcc), ‘S’(Signal) 순으로 배열된다
3 픽스호크 RC에서는 수신기에 필요한 전력만을 공급한다
4 픽스호크 서보 레일에만 전원을 공급해 사용하는 방법은 매우 위험하며, 특히 디지털 서보(Digital Servo)와 함께 사용 시 더 위험하다
5 기체의 크기와 상관 없이 가능하다면 방진(진동 방지/흡수) 처리를 해준다
6 전자적 간섭이 발생할 수 있는 부품은 FC에서 최대한 멀리 배치하거나 차폐 처리를 해줘야 한다
7 기체의 무게중심을 정밀하게 설정하고 가능한 GPS와 FC는 CG점에 설치해야 한다
8 픽스호크의 버저는 반드시 5cm 이상 이격시켜 설치해야 한다
9 픽스호크 LED 지시기로 자신의 상태를 나타낸다
10 나사는 적당히 죄고 록타이트로 보강한다
11 펌웨어 업로드를 제외한 모든 설정 및 비행 시에는 텔레메트리 모듈을 연결하고 HUD 창의 경고 메시지를 항상 주목한다
12 픽스호크에 대한 정보가 필요할 때는 구글 검색이나 해외 포럼을 이용한다

Chapter 3C픽스호크 설정을 위한 프로그램 선택
1 데스크톱 컴퓨터 지원 프로그램
2 태블릿 및 스마트폰 지원 프로그램
3 픽스호크를 지원하는 대표적인 GCS 프로그램

Part 2 픽스호크 입문하기

Chapter 1C하드웨어 & 소프트웨어 준비
[1] 픽스호크 학습용 드론 조립 가이드
1 재료 구매
2 기체 선정
3 FC(픽스호크) 구매
QR 04_폭스테크 픽스호크 실습 키트
4 RC 송·수신기 선택
5 GCS용 컴퓨터
6 기체 조립
QR 05_차폐 처리 픽스호크
7 픽스호크 연결 상세도

[2] GCS 프로그램 설치
QR 06_미션 플래너 설치 링크
1 미션 플래너 설치
2 정상 설치 확인 및 설정

[3] 펌웨어 선택 및 업로드
1 미션 플래너를 통한 픽스호크 최신 펌웨어 업로드
2 미션플래너를 통한 픽스호크 사용자 지정 펌웨어 업로드
3 픽스호크 펌웨어 정상 업로드 확인
QR 07_펌웨어 정상 업로드 확인 부팅음

[4] 텔레메트리 연결
1 픽스호크와 텔레메트리 모듈 연결 및 미션 플래너 접속

Chapter 2C기본 설정
[1] 프레임 클래스 및 유형 설정
1 DJI F450 설정
2 초기 파라미터 설정(Initial Paramater Setup)
[2] 가속도계 교정
1 가속도계 교정(Accelerometer Calibration) 방법
QR 08_가속도계 교정
[3] 컴퍼스 교정
1 컴퍼스 교정 방법
QR 09_지자계 교정
2 Large Vehicle MagCal 기능 사용법
[4] 라디오 교정
1 라디오 교정 방법
QR 10_라디오 교정
[5] 변속기 교정
1 변속기 교정 순서
[6] 모터 배열 및 회전 방향 확인
1 모터 배열 확인
QR 11_ESC 교정
2 모터 회전 방향 확인

Chapter 3C세부 설정C
[1] 파워 모듈 전압 보정
1 설정을 위한 재료 준비
2 전압의 보정
[2] 파워 모듈 전류 교정
1 전류 교정
[3] 비행 모드 설정
1 조종기의 비행 모드 설정
[4] 라디오 페일세이프 설정
1 라디오 페일세이프 설정 방식
[5] 배터리 페일세이프 설정
1 배터리 전압으로 페일세이프 설정하기
2 배터리 용량으로 페일세이프 설정하기
[6] GCS 페일세이프 설정
1 미션 플래너의 GCS 페일세이프 활성화
[7] 시험 비행
1 이륙 전 준비
2 시동/시동 정지
3 이륙
4 이륙 후 점검(Mode 1 기준)
5 시동 시 문제 해결

Part 3 픽스호크 이해하기

Chapter 1C튜닝의 기능과 구성C
[1] 기본 튜닝(Basic Tuning)의 기능과 구성
1 TUNING(Basic, Extended) 탭의 의미와 기능 이해
QR 12_PID와 멀티콥터의 반응
2 확장 튜닝(Extended Tuning) 기능과 구성
3 ‘Rate Roll/Pitch kP’를 활용한 롤과 피치의 설정
4 오토튠을 활용한 요(Yaw)축의 설정

Chapter 2C어드밴스 튜닝(Advance Tuning)
[1] 로그다운 및 분석
1 로그다운
2 자동 분석
3 Create KML + gpx 160

[2] Save Trim, Auto Trim, Calibrate Level(편류 보정)
1 Save Trim
2 Auto Trim
3 Calibrate Level

[3] 기체 편향 보정(Compass Declination)

[4] 호버링 자동 학습
1 호버 스로틀(Hover Throttle) 구간 설정
2 호버 스로틀(Hover Throttle) 구간 확인

[5] 센서 오프셋 값 조정
1 오프셋 값 설정 방법

[6] 전류 제한 및 전압 스케일링
1 전류 제한
2 전압 제한

[7] 진동 측정
1 미션 플래너를 활용한 실시간 진동 확인
2 로그 분석을 통한 진동 확인 178

Chapter 3C항목별 중요성 및 세부 사항의 이해
[1] 텔레메트리(TM)
1 미션 플래너상의 텔레메트리 정보 확인
2 Sik Radio 각 항의 의미(원문 번역)

[2] 프레임유형
1 트라이콥터
2 Y6
3 쿼드콥터(Quadcopter: X, H, 유형)
4 헥사콥터
5 옥토콥터(Octocopter)
6 X8
7 프레임 유형별 모터 방향 및 프로펠러 설정
8 픽스호크와 ESC 신호선 연결
9 모터 회전 방향 및 배선 확인
[3] 컴퍼스 교정
1 Compass 탭의 이해
2 송신기를 이용한 컴퍼스 교정
[4] 라디오 교정(Radio Calibration)
1 PPM-Sum
2 S.Bus를 지원하는 수신기
3 Spectrum DSM, DSM2 및 DSM-X Satellite 수신기
4 MULTipLEX SRXL version 1 및 version 2 수신기
5 Radio Calibration
6 교정 후 점검(Mode 1 기준)
[5] 비행 모드(Flight Mode)
1 GPS 및 설정을 위한 비행 모드
2 초기 세팅을 위한 모드
QR 13_Heli 3D
3 Loiter Mode
4 RTL(Return-to-Launch)
5 최초 비행 시 픽스호크 비행 모드 설정(Futaba 14sg 기준)
6 설정 확인
[6] 페일세이프(Fail Safe)
1 라디오 페일세이프의 의미
2 라디오 페일세이프 방법
3 PWM 신호(Throttle)에 의한 Radio 페일세이프 설정(기본 설정)
4 수신기(Receiver)의 ‘페일세이프’ 기능 활성화
5 배터리 페일세이프의 의미
6 배터리 관리
7 배터리 관리를 위한 충전기
8 배터리 페일세이프의 동작
9 GCS 페일세이프 의미
[7] 파워 모듈(전압)
1 파워모듈의 기본 기능
2 파워 모듈 참고 및 점검 사항
3 파워 모듈 전압(Voltage) 설정
4 파워 모듈 전류(Amperes) 교정

Part 4 픽스호크 응용하기

Chapter 1A미션 플래닝
[1] 웨이포인트 및 이벤트로 미션 계획하기
1 Home(복귀 장소)
2 WP 지정
3 WP의 기본 고도 설정
4 지형 정보를 포함한 ‘WP’ 설정
5 ‘WP’ 임무 설정
6 자동 그리드 생성
7 미션 업로드 및 파일 저장
8 ‘Home’의 위치가 잘못 지정됐을 경우의 조치

[2] 임무 수행 명령 목록
1 Takeoff
2 Waypoint
3 Spline Waypoint
4 Loiter_Time
5 Loiter_Turns
6 Return-To-Launch
7 Land
8 Delay
9 PayLoad Place
10 Do-Set-ROI
11 Condition-Delay
12 Condition-Distance
13 Condition-Yaw
14 Do-Jump
15 Do-Set-Cam-Trigg-Dist
16 Do-Set-Servo
17 Do-Repeat-Servo
18 Do-Digicam-Control
19 Do-Mount-Control
20 Do-Gripper

[3] 랠리 포인트
1 랠리포인트 설정
2 다중 랠리 포인트

Chapter 2A12kg 이상 대형 기체 조립
[1] 기체 선정(X4-10)
QR 14_포스웨이브 방제 기체
1 X4-10 모델
2 기체 구조에 의한 진동 감쇠
3 조립의 난이도
4 이동 및 보관의 공간 활용성

[2] 기체의 조립
1 대형 드론 조립 기본 수칙
2 부품 확인
3 ESC와 Lower Motor Mount의 조립
4 ESC 전원선 연장
5 메인 프레임 조립
6 하단 구조물 조립

[3] 전문가 및 산업용 픽스해크(Pixhack)
1 산업용 픽스해크의 장점
QR 15_픽스해크 구매
2 픽스해크 연결도
3 픽스해크 핀 맵
4 RTK(Real Time Kinematic) 안테나
5 OLED

Part 5 다른 버전의 플라이트 컨트롤러, Pixhawk4 응용하기

Chapter 1APixhawk4 학습용 드론 조립 가이드
[1] 재료 구입 전 고려 사항
1 처음 조립을 할 경우 조금 비싸더라도 국내 유통 제품을 구매한다
2 오프라인 동호회를 먼저 가입하여 제품에 대한 정보를 습득한다
3 정보를 얻을 수 있는 판매 업체에서 구매한다
4 FC의 경우 자체 테스트나 검증을 거친 국내제품을 구매한다
5 처음부터 복잡한 구조는 피하고 단계별 학습을 진행한다

[2] 재료 준비
1 필수 목록
QR 16_고급자용 장기체공용 드론 세트
2 기체
3 FC(Pixhawk4)
QR 17_Pixhawk4 구매 링크
4 RC 송수신기
5 GCS용 PC

[3] 송수신기 설정
1 오픈소스(Open Source) 기반 송수신기
QR 18_점퍼 T18 송신기 구매
2 송신기의 구성
3 송신기 메뉴 이동 방법
4 송수신기 바인딩 방법

[4] 기체 조립
1 사용 재료
2 사용 공구
3 사용 부재료

[5] 조립해보기
1 조립 전 알아두면 좋은 팁
2 물품 확인
3 전방 설정
4 모터 마운트 조립
5 메인프레임 조립
6 변속기, PM 장착
7 파워 모듈 케이블 연결
8 절연 처리
9 픽스호크 노이즈 보호
10 픽스호크 고정
11 픽스호크 연결하기
12 파워 모듈 연결
13 I/O-PWM, FMU-PWM 케이블 연결
14 텔레메트리 연결
15 GPS와 외부 컴퍼스 연결
16 수신기 연결(Jumper R8)
17 랜딩기어 서보 연결
18 조립 마무리 및 고정

[6] 픽스호크 연결 상세도
1 Telemetry(양방향 데이터 통신) 포트와 3DR radio 연결 상세도
2 GPS 모듈 연결 상세도
3 Power 모듈 연결 상세도
4 DSM/SBUS RC port 연결 상세도
5 FMU PWM OUT port 연결 상세도
6 픽스호크 핀 맵(Pin Map) 종합

[7] GCS 프로그램 설치
1 큐그라운드 컨트롤(QGround Control) 구글 검색으로 설치하기
2 QGC 설치 확인
3 QGC와 픽스호크 연결

[8] 펌웨어 선택 및 업로드
1 QGC를 통한 픽스호크 최신 펌웨어 업로드

[9] 텔레메트리(TM) 연결
1 픽스호크와 TM 모듈 연결 및 미션플래너 접속

Chapter 2A프레임 클래스와 유형 설정하기
[1] 프레임 타입 선택과 적용
1 QGC의 메뉴 선택과 픽스호크 재부팅

[2] 가속계 교정(Accel Calibration)
1 수평계 준비
2 가속도계 교정(Accelerometer Calibration)

[3] 지자계 교정(Compas Calibration)
1 지자계 교정 순서

[4] 라디오 교정(Radio Calibration)
1 라디오 교정 순서

[5] 변속기 교정(ESC Calibration)
1 변속기 교정 순서

[6] 모터 배열 및 회전 방향 확인
1 모터 배열 확인 순서
2 모터 회전 방향 확인

Chapter 3A파워 모듈 전압 보정
[1] 파워 모듈 전압(Voltage) 설정
1 준비하기
2 전압 보정

[2] 파워 모듈 전류(Amper) 교정

[3] 플라이트 모듈 설정
1 QGC로 비행 모드 세팅하기

[4] 라디오 페일세이프 설정
1 라디오 페일세이프 설정하기

[5] 배터리 페일세이프 설정

[6] GCS 페일세이프 설정
에필로그

작가정보

저자(글) 공현철

배재대학교 드론로봇공학과 교수

● 주요 경력
ㆍ 1995년 12월 미 Texas A&M University 항공우주공학과 졸업(Ph.D., 공학박사)
ㆍ 1996년 3월~2018년 2월 한국항공우주연구원 책임연구원
ㆍ IT 드론군집비행 연구개발 과제 책임자
ㆍ UTM(무인기교통관리시스템) 실증을 위한 정밀 항법시스템
ㆍ 연구개발 과제 책임자 외 다수 과제 수행
ㆍ 2017년 12월 드론 조종자 자격 취득(한국교통안전공단)
ㆍ 2018년 8월 지도조종자 자격 취득(한국교통안전공단)
ㆍ 2018년 3월~현재 배재대학교 드론로봇공학과 교수
ㆍ 전(前) 목원대학교 산업디자인학과 강사

저자(글) 한기남

● 주요 경력
ㆍ 2008년 3~11월 무인항공 무인방제헬기 개발부 근무
ㆍ 2008년 4월 KOREA 3D MASTERS 2008 2위
ㆍ 2013년 10월 육군참모총장상배 은상
ㆍ 2015년 육군 무인조종사 선발
ㆍ 2015년 10월 IAI UO Certification 획득
ㆍ 2017년 초경량 비행 장치 조종사 획득
ㆍ 2018년 5~9월 동두천 청소년 수련관 드론 교사 봉사

저자(글) 김지연

폭스웨이브(www.fourthwave.co.kr) 대표이사

● 주요 경력
ㆍ 2022년 구매조건부 신제품 개발사업 수행
ㆍ 2021년 창업성장 디딤돌 사업 수행
ㆍ 2021년 청년창업 사관학교 추가 과정 수료
ㆍ 2020년 청년창업 사관학교 졸업
ㆍ 現 (주)포스웨이브 대표이사
ㆍ 現 드론정비사협회 회장
ㆍ 現 폭스테크 대표
ㆍ 現 대진대학교 평생교육원 드론 조종사, 정비사 과정 강사
ㆍ 前 포천 청소년문화의집 드론 과정 강사

저자(글) 서동훈

프리랜서 통·번역사

● 주요 경력
ㆍ 1993년 3월~2016년 6월 대한민국 육군 헬기 및 UAV 정비사 근무
ㆍ 1999년 2~5월 이스라엘 IAI 사 기술 도입 연수(통역 업무 병행) - 텔아비브
ㆍ 2003년 5~11월 미 육군 항법 장치 수리 과정 연수(통역 업무 병행) - 버지니아 주 뉴포트뉴스
ㆍ 2015년 3월~9월 IAI 사 Heron 기종 기술 도입 연수(통역 업무 병행) - 텔아비브
ㆍ 2016년 7월~2018년 2월 ㈜에스코넥 레이더사업팀장·전지사업 해외영업 팀장
ㆍ 2018년 3월~2019년 1월 현재 프리랜서 통·번역사(분야: 국방·항공·무인기·자동차·기술 분야 등)