28.1.2.1.1. 수동 제어 상태 군: `MANUAL`, `ALTCTL`, `POSCTL`, `ACRO`, `STAB`

28.1.2.1.1. 수동 제어 상태 군: MANUAL, ALTCTL, POSCTL, ACRO, STAB

PX4 시스템 중앙 vehicle_status 토픽에서 조종사의 물리적 타각 관여도가 가장 높은 첫 번째 비행 모드 카테고리가 바로 수동 제어 상태(Manual & Assisted Control Dimension) 군이다. 이 그룹에 속한 5개의 핵심 상수(MANUAL, ACRO, STAB, ALTCTL, POSCTL)들은 기계적으로 완전히 날것(Raw)인 하부 상태부터 EKF2 필터망이 융합된 가장 고도화된 3차원 위치 보조 제어까지 단계적이고 계층적인 조종 보조(Hierarchical Flight Assistance) 소프트웨어 스펙트럼을 견고하게 이룬다.

1. NAVIGATION_STATE_MANUAL (순수 수동 패스스루 모드)

  • 동역학적 의미: 비행 제어기(FC)의 어떠한 소프트웨어적 개입도, 외란 보상을 위한 피드백 제어 루프도 일절 존재하지 않는 100% 쌩(Raw) 아날로그 물리 제어 레이어 파이프라인이다. 조종기의 스틱 타각량을 그대로 PWM 출력으로 1:1 직결 및 믹싱하여 서보 모터나 ESC로 쏴버린다.
  • 아키텍처 활용: 프로펠러 4개가 모두 종속적인 멀티로터에서는 인간의 뇌신경만으로 4축 불균형을 동시 유지하는 것이 물리적으로 불가능하므로 원천적으로 아키텍처망에서 차단되어 사용 진입이 불가능하다. 오직 전통적인 고정익(Fixed Wing)이나 RC 글라이더에서 조종사가 퓨어 다이렉트(Pure Direct) 공기역학 비행을 원할 때만 제한적으로 허가 및 활성화되며, 사실상 소프트웨어 구조 상 ’FC 컨트롤러 보드가 로직적으로 꺼져 있는 상태의 패스스루(Passthrough) 파이프’에 가깝게 동작한다.

2. NAVIGATION_STATE_ACRO (곡예 및 다이렉트 각속도 제어 모드)

  • 동역학적 의미: 모터 출력망 직전 가장 기저 바닥에 깔린 최하단의 1차 PID 피드백 루프인 각속도(Rate) 제어기 단 한 겹만이 단독으로 깨어나 시스템을 주도한다. 조종사가 타각을 치고 스틱을 놓아도 기체가 수평으로 돌아오는 자세 안정화(Self-leveling Attitude Control) 복원 기능이 전혀 제공되지 않으며, 조종사는 오로지 기체가 동체 축 기준으로 초당 몇 도(deg/s) 뱅글뱅글 회전할지만을 지시명령으로 던진다.
  • 아키텍처 관점: 인간 조종사가 3D 쿼터니언 자세(Attitude)의 위치값을 본인의 눈과 뇌로 직접 적분 추정하며 미세한 펄스 타각을 넣어야 하는 극단적 하드코어 통제 모드다. FPV 레이싱 드론 레이서들의 묘기 비행이나, 드론 튜닝 전문 엔지니어가 극한의 루프(Acrobatic Loop) 동역학 한계 피치 비행 테스트를 수행할 때 할당 전환된다.

3. NAVIGATION_STATE_STAB (수평 자세 평형 제어 모드)

  • 동역학적 의미: 진정한 의미의 드론 제어라 일컬어지는 자세 제어기(Attitude Controller) 루프가 상부에 비로소 덮어 활성화되는 상태다. 파싱된 조종기의 롤/피치 십자 스틱 각도가 기체의 우주 공간상 절대적인 기울임 앵글 각도(Euler Angle Setpoint, 예: 30도 기움)로 직통 매핑 파싱된다. 만약 스틱에서 손을 떼어 스프링 복원력으로 센터 영점 복귀를 달성하면, 컨트롤러 내 자이로(Gyro)와 센서망을 통해 기체는 즉각적으로 평형(Level) 상태를 회복하는 강력한 오토 밸런싱(Auto-balancing)을 달성 수행한다.
  • 아키텍처의 한계: 자세 계층은 수평을 보장하지만 기압계(고도)나 GPS(위치) 같은 초장기 포지셔닝 융합 센서는 이 상태 머신 단계에서 철저히 격리되고 무시된다. 따라서 스로틀 스틱을 조종사가 기체 무게에 맞추어 섬세하게 유지 조율하지 못하면 드론은 끝없이 추락하거나 성층권으로 솟아 상승하며, 옆으로 바람이 불면 수평 자세만을 우아하게 유지한 채 횡풍 부는 방향으로 기약 없이 영원히 떠밀려가게(Drift off) 된다. 완전 시야 의존적 시계 비행(VFR)의 교과서적 표준 상태다.

4. NAVIGATION_STATE_ALTCTL (고도 보조 정지 제어 모드)

  • 동역학적 의미: 앞선 STAB 상태의 수평 밸런싱 지분을 100% 흡수 계승하되, 시스템 스택 상단에 기압계(Barometer) 센서 퓨전 위치 제어기가 추가로 덧대어 결합하여 삼차원 중 Z축 스코프 하나를 완전히 봉쇄 통제하는 진보된 상태다.
  • 아키텍처적 진화 매핑: 조종기의 좌측 스로틀(Throttle) 스틱이 더 이상 단순한 모터 출력 파워(PWM %)가 아닌 공간 상승/하강 속도(Climb/Descend Rate, m/s) 타겟이라는 고등 물리 단위계로 파싱 문법이 진화 적용된다. 조종사가 스로틀 스틱을 50% 데드존(Deadzone) 중앙에 멈춰 세우면, 고도 제어 PID 락 온 루프가 깨어나 밖앗의 기압차 및 가속도계 Z축 이중 적분값을 락 온(Lock-on)하여 어떠한 상황에서도 동적 고점 높이를 단단히 말뚝 박아 유지(Altitude Hold)해 준다. 수평 X, Y 위치 제어(GPS)는 여전히 개입하지 않으므로 바람에 의한 횡단 표류(Horizontal Drift)는 방임된다.

5. NAVIGATION_STATE_POSCTL (위치 고정 보조 제어 모드)

  • 동역학적 의미: PX4 수동 제어 카테고리의 완벽한 최종 완성형 끝판왕으로서, 기압계 및 IMU 관성에 더해 위성 GPS와 비전 오도메트리(VIO) 컴퓨터 비전 센서 퓨전망 결합이 X, Y, Z 우주 3D 공간 벡터면을 모조리 제압 및 통제하는 방석 깔린 상태다. 민간인 멀티로터 조종 시 단연코 가장 흔하고 광범위하게 디폴트로 쓰이는 심안의 평안 모드다.
  • 아키텍처적 궤적 완성: 조종사의 액션, 롤/피치 방향 제어 스틱이 더 이상 기체의 기울임 각도라는 미개한 1차원 데이터로 무식하게 번역되지 않는다. 이 인텐트(Intent)는 3D 공간상에서 기체가 나아가 헤엄쳐 이동해야 할 **목표 지면 활주 속도 매트릭스(Ground Velocity Vector, m/s)**로 가장 최고차원적으로 우아하게 치환 번역된다. 조종사가 피치, 롤, 요, 스로틀 모든 스틱에서 손을 떼어 중앙 데드존에 스프링 텐션 배열을 만족시키면, 그 즉시 허공의 X, Y, Z 절대 좌표가 백그라운드 램(RAM) EKF2 망에 락 온(Lock-on)되며, 사방에서 돌풍이 몰아쳐도 미친 듯이 스스로 모터를 비대칭 가동하며 3차원 우주 공간의 그 1픽셀 위치 좌표를 육탄 사수하는 궁극의 3D 공간 점유 호버링(Hovering Position Hold)을 마침내 달성해 낸다.

6. 계층 전이(Hierarchical Transition)의 물리적 진실

위의 5가지 핵심 nav_state 열거형은 평면에 메모리로 단순히 옆으로 나란히 늘어선 대등한 선택지 모드들이 결코 아니다. 시스템 코드는 MANUAL \rightarrow ACRO \rightarrow STAB \rightarrow ALTCTL \rightarrow POSCTL 순서로 밑바닥부터 위로 탑을 쌓듯이 상위 캐스케이드(Cascade) 제어기 피드백 루프 모듈들이 양파 껍질처럼 한 겹씩 지속적으로 덧씌워지며 사용자 의도를 철갑처럼 캡슐화해 내는 고차원적인 마이크로서비스적 아키텍처 진화 과정 선형도 그 자체를 도면으로 의미한다.

반대로 역산하여, 비행 중 높은 수준의 위성 GPS 교란(Spoofing/Jamming)이 발생하여 최고사령관인 위치 추정 신뢰도(EKF Innovation Variance)가 산산이 와해되면, Commander는 기체의 생존율을 높이기 위해 강압적으로 시스템 nav_state를 POSCTL 층계에서 한 단계 하위의 안전망인 GPS 생략 모드 ALTCTL로 계단 파기 강등(Fallback/Degrade) 시켜 버리는 치명적 비상 안전 폴백 스위칭 시퀀스를 무자비하게 단행하게 설계되어 있다.