데이터 흐름

드론의 비행 제어 시스템에서는 다양한 센서와 액추에이터들이 데이터를 주고받으며 시스템의 상태를 지속적으로 업데이트한다. 이러한 데이터 흐름은 시스템의 효율성과 정확성에 직접적인 영향을 미친다. 주된 데이터 흐름은 다음과 같이 구성된다.

센서 데이터 수집

각종 센서 (예: IMU, GPS, 바로미터 등)들은 지속적으로 데이터를 수집하여 FC에 전달한다. 이 과정은 일반적으로 다음 단계로 구분된다:

1. 데이터 샘플링: 센서들은 정해진 주기에 따라 데이터를 샘플링한다.
2. 데이터 필터링: 샘플링된 데이터는 노이즈 제거와 보정 과정을 거친다.
3. 데이터 전송: 필터링된 데이터는 FC로 전송된다.

데이터 처리

FC는 수신된 센서 데이터를 실시간으로 처리하여 드론의 현재 상태를 파악하고 필요한 제어 명령을 생성한다.

1. 상태 추정: 센서 데이터를 이용하여 드론의 위치, 속도, 가속도 등을 추정한다.
2. 제어 명령 계산: 추정된 상태를 바탕으로 PID 제어기와 같은 알고리즘을 이용하여 필요한 제어 명령을 계산한다.
3. 명령 전송: 계산된 제어 명령은 ESC(Electronic Speed Controller)와 같은 액추에이터로 전달된다.

액추에이터 동작

전송된 제어 명령에 따라 액추에이터들은 드론의 모터를 제어하여 실제 물리적인 변화를 일으킨다.

1. 모터 제어: 제어 명령에 따라 모터의 속도와 방향을 조절한다.
2. 상태 피드백: 모터의 상태를 다시 센서로 측정하여 FC로 피드백을 제공한다.

통신 프로토콜

드론 시스템 내의 데이터 흐름을 원활하게 하기 위해서는 다양한 통신 프로토콜이 사용된다. 각 프로토콜은 특정 목적과 요구사항에 맞게 설계되었다.

I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C는 저속, 단거리 데이터 전송을 위한 프로토콜로, 주로 센서 데이터 전송에 사용된다.

• 주파수: 100 kHz 또는 400 kHz
• 특징: 다중 마스터-슬레이브 구조, 클럭 라인(SCL)과 데이터 라인(SDA) 사용

SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI는 고속 데이터 전송이 필요한 경우에 사용되는 프로토콜로, 주로 IMU 같은 고속 센서에 사용된다.

• 주파수: 최대 수 MHz
• 특징: 풀-듀플렉스, 마스터-슬레이브 구조, 클럭 라인(SCK), 데이터 입력(MISO), 데이터 출력(MOSI), 선택 라인(SS) 사용

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

UART는 비동기식 통신 프로토콜로, 주로 GPS 모듈과 같은 외부 장치와의 통신에 사용된다.

• 속도: 보통 9600 bps에서 115200 bps
• 특징: 간단한 하드웨어 구성, 풀-듀플렉스, 스타트 비트와 스톱 비트 사용

CAN (Controller Area Network)

CAN은 노이즈가 많은 환경에서 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 사용되는 프로토콜로, 주로 자동차와 드론의 제어 시스템에서 사용된다.

• 속도: 125 kbps에서 1 Mbps
• 특징: 다중 마스터-슬레이브 구조, 오류 검출 및 수정 기능 제공, 메세지 우선순위 제어

MAVLink (Micro Air Vehicle Link)

MAVLink는 드론과 지상 통제 스테이션 간의 통신을 위해 설계된 프로토콜로, 드론의 상태 모니터링과 제어 명령을 전송하는 데 사용된다.

• 속도: 일반적으로 57600 bps에서 115200 bps
• 특징: 경량, 양방향, 패킷 기반 통신, 다양한 메시지 타입 지원 (예: 위치, 상태, 제어 명령)

PWM (Pulse Width Modulation)

PWM은 드론의 모터 속도 제어에 주로 사용되는 프로토콜로, 주파수와 듀티 사이클을 통해 모터의 동작을 제어한다.

• 주파수: 일반적으로 50 Hz에서 400 Hz
• 특징: 간단한 구현, 높은 호환성, 아날로그 신호 기반

실시간 리눅스 환경 설정

드론의 FC 소프트웨어는 실시간 처리가 중요하다. 이를 위해 실시간 리눅스 환경이 필요하다. 실시간 리눅스 환경 설정에는 몇 가지 중요한 단계가 포함된다.

커널 패치

리눅스 커널을 실시간으로 동작하게 하기 위해 RT-Preempt 패치를 적용한다.

1. 커널 소스 코드 다운로드: 원하는 버전의 리눅스 커널 소스 코드를 다운로드한다.
2. RT-Preempt 패치 적용: 다운로드한 커널 소스 코드에 RT-Preempt 패치를 적용한다.
3. 커널 컴파일: 패치된 커널을 컴파일하여 시스템에 설치한다.

실시간 스케줄러 설정

실시간 태스크를 위한 스케줄러를 설정한다. 일반적으로 FIFO나 RR (Round Robin) 스케줄링 정책을 사용한다.

1. 실시간 태스크 생성: pthread 라이브러리를 이용하여 실시간 태스크를 생성한다.
2. 스케줄링 정책 설정: pthread_setschedparam 함수를 이용하여 스케줄링 정책과 우선순위를 설정한다.

고해상도 타이머 설정

실시간 시스템에서는 고해상도 타이머를 사용하여 정확한 타이밍을 보장한다.

1. 타이머 생성: timer_create 함수를 이용하여 타이머를 생성한다.
2. 타이머 설정: timer_settime 함수를 이용하여 타이머의 주기와 동작을 설정한다.

FC(Fly Controller) 소프트웨어 개발

FC 소프트웨어 개발은 드론의 비행 제어를 실시간으로 수행할 수 있도록 설계되어야 한다.

주요 모듈

FC 소프트웨어는 일반적으로 다음과 같은 주요 모듈로 구성된다.

1. 센서 인터페이스 모듈: 각종 센서와의 통신을 담당한다.
2. 상태 추정 모듈: 센서 데이터를 기반으로 드론의 현재 상태를 추정한다.
3. 제어 알고리즘 모듈: 비행 제어 알고리즘을 구현하여 필요한 제어 명령을 생성한다.
4. 액추에이터 인터페이스 모듈: 제어 명령을 액추에이터로 전달한다.

제어 알고리즘

드론의 안정적인 비행을 위해 다양한 제어 알고리즘이 사용된다. 대표적인 알고리즘으로는 PID 제어가 있다.

• 비례 제어 (P): 현재 오류에 비례하여 제어 입력을 생성한다.
• 적분 제어 (I): 과거 오류의 누적을 고려하여 제어 입력을 생성한다.
• 미분 제어 (D): 오류의 변화율을 고려하여 제어 입력을 생성한다.

코드 최적화

실시간 시스템에서는 코드의 효율성과 최적화가 매우 중요하다.

1. 루프 최적화: 불필요한 연산을 최소화하고, 루프를 효율적으로 구성한다.
2. 메모리 관리: 실시간으로 메모리 할당과 해제를 최소화하여 메모리 누수를 방지한다.
3. 타이밍 분석: 각 코드 블록의 실행 시간을 분석하여 실시간 요구사항을 충족하는지 확인한다.