A. 멀티콥터에 초음파센서 사용하기

 많은 수의 multi-copter에서 맥스봇틱스 초음파 센서를 성공적으로 사용하고 있습니다. multi-copter는 UAV라고 불리기도 하고 rotorcraft, quardotor 헬리콥터, 혹은 쿼드콥터라고 불리기도 합니다. 많은 사용자들이 센서를 신뢰성 있게 동작시키기 위해서 여러가지 이슈들을 가지고 있습니다. 쿼드콥터가 비행하는 환경은 초음파 센서를 신뢰성 있게 동작 시키기에 도전적인 환경 중 하나 인것은 분명합니다. 가장 명확한 이슈는 초음파센서가 반드시 통과해야 하는 난기류의 양이며, 또다른 이슈하나는 프로펠러가 만들어 내는 소리 노이즈 입니다.

 

모터가 사용하는 전기 에너지는 일반적으로 비행을 조정하고 센서를 읽어 들이는 동작을 하는 마이크로컨트롤러와 같기 때문에 전기적인 노이즈가 발생 할 수 있습니다. 게다가 전류가 빠르게 on/off 되고 있는 환경이며, 지그비와 같은 양방향 통신 채널로 인한 전자기적 노이즈도 발생이 가능합니다. 또 몇몇 멀티콥터에서는 프레임에 진동이 생기기도 합니다. 이러한 모든 이슈가 신뢰성있는 동작에 중요합니다.

난기류

난기류가 센서에 어떠한 영향을 미치는지 예를 들어 설명하여 보면,, 눈앞에 육각형의 얼음 조각이 있다고 가정하고 그것을 통해 사물을 보았을때 사물은 보이지만 많은 양의 빛은 다른 쪽으로 반사됩니다. 난기류는 빛이 얼음을 통과하며 분산되는 것과 같이 비슷한 형태로 초음파의 음향적 파동의 방향과 강도를 변화 시킵니다.

 

프로펠러는 많은 양의 난기류를 유발합니다만 예측가능한 형태로 만들어 냅니다. 센서를 이러한 난기류가 발생하는 지역에 장착하는 것을 피하고 프로펠러와 할 수 있는한 가장 먼곳에 장작하십시오. 만약 센서를 멀티콥터와 지면과의 거리를 측정하기 위해서 사용한다면 센서를 장착하기 가장 좋은 곳은 프레임 밑의 중간부분이 좋습니다. 프레임은 멀티콥터의 여러 부품들을 지지하고 있는 부위 입니다.

강력한 힘을 가진 멀티콥터에서 측정하였을때 어디에 센서를 장착하느냐에 따라 센서의 수신신호가 낮아 지며, 최악의 경우 열배까지 차이가 나는 것을 확인했습니다. 이러한 문제는 XL-MaxSonar-EZ 계열 센서를 사용함으로써 해결이 되지만 여전히 센서 장착 부위는 중요한 문제입니다. 센서를 잘 장착한다면 경우에 따라서는 LV-MaxSonar-EZ 계열 제품을 가지고도 훌륭한 결과를 얻을 수 있습니다.

 

쿼드 콥터의 난기류를 피해 센서가 장착된 모습

 

 

프로펠러의 음향적 노이즈

프로펠러의 음향적 노이즈가 센서에 미치는 영향을 예를 들어 본다면,, 머리 뒤 부분에서 눈으로 빛이 들어오도로 플래시 라이트로 빛을 비추고 약간 먼 곳을 바라본다고 하였을 경우 눈으로 들어오는 빛때문에 먼 곳이 잘 보이지 않을 것입니다. 프로펠러의 음향적 노이즈는 이와 비슷하게 센서에 영향을 미치며, 센서에 추가적인 음향적 에너지를 주게 됩니다.

 

프로펠러의 음향적 노이즈는 난기류와 매우 비슷합니다. 난기류가 센서가 실제적으로 검출하는 에너지의 양을 변화시키는 것에 비해, 프로펠러의 음향적 노이즈는 센서로 추가적인 외부의 음향 에너지를 램덤하게 증가시킵니다. 이러한 음향적 에너지 증가는 프로펠러 끝에서 발행하는 소용돌이에 의해 발생합니다.

실험 결과, 감도가 좋은 센서류( LV-MaxSonar-EZ 와  XL-MaxSonar-EZ 의 EZ0, EZ1계열 센서류, 때때로 EZ2)의 제품들이 때때로 이러한 프로펠러의 음향적 노이즈를 잘못 탐지하는 영향을 받을 수 있습니다. 프로펠러의 음향적 노이즈를 탐지하면 원래 탐지해야할 거리보다 짧게 거리를 출력할 수 있습니다. 이러한 노이즈를 피하기 위해서는 난기류와 마찬가지로 센서를 잘 장착 함으로써 LV-MaxSonar-EZ나  XL-MaxSonar-EZ 센서 제품군을 사용이 가능합니다. 센서가 프로펠러에 직접적으로 노출되는 지역에는 센서를 설치 하지 않기를 권장합니다. 만약 센서가 직접적으로 노출된다면 프로펠러의 노이즈가 센서로 들어오는 방향을 스폰지로 막아 장착하는 것도 좋은 방법입니다.

 

그라운드와 전원 연결

UAV에서는 컨트롤 시스템과 모터가 전원과 그라운드를 공유하게 됩니다. 초음파 센서도 보통 센서를 읽어 들이는 컨트롤 시스템에서 전원을 공급 받게 됩니다. 컨트롤시스템, 모터, 초음파 센서등을 선으로 연결할때 전자회로에 언급된 노이즈가 발생할 수 있습니다. 컨트롤시스템의 ADC는 ADC의 파워나 그라운드에 노이즈가 낄경우 성능에 심각한 영향을 끼칠수 있습니다. 그렇게 되면 센서가 노이즈 없는 데이터를 출력하더라도 ADC는 노이즈가 있는 데이터를 읽게 됩니다.

 

 

파워와 그라운드 연결시 위의 그림과 같은 Star형태의 연결이 제일 좋습니다. Star형태 연결은 twised pair 전선으로 전원을 필요로 하는 부품을 각각 전원소스와 연결하는 방식을 말합니다. 이러한 방식은 각각의 부품이 각각 그라운드와 파워를 가지게 됩니다. 만약 모터와 같은 어떤 부품이 전류를 많이 끌어다 쓰더라도 부품이 사용하는 전압만 낮아지게 됩니다. 전류를 많이 쓰는 부품은 다른 전원이 공급되는 부품과 isolated되어야 합니다. 많은 경우 그라운드만 스타 형태로 결선되는 경우가 많은데, 만약 그라운드만 스타형태로 연결된다면, 전류를 많이 쓰는 제품으로 부터의 전압 강하가 시스템상의 좀더 전류를 적게 쓰는 부품으로 퍼저나갑니다.

 

데이지 체인 방식은 전원을 나누어 주기에 일반적으로 좋은 방법이 아닙니다. 데이지 체인 시스템에서는 모든 파워와 ㅡ라운드가 서로 서로 연결되어 있고, 체인으로 연결된 부품들이 서로 서로 영향을 미칩니다. 이런 시스템에서는 twised pair 전선이 일반적으로 사용되지 않고 연결된 부품이 사용할 전력이나 전류를 많이 고려하지 않은 시스템입니다. 센서와 컨트롤러와 같은 예민한 부품은 반드시 스타형태로 연결되어야 합니다.

 

 

전도성 전기적 노이즈

 

쿼드콥터의 모터가 동작할때에는 전기적인 노이즈가 생성됩니다. 많은 량의 전류가 모터를 돌리기 위해 사용이 되고 모터가 속도를 바꿀때마다 전압 레벨은 위로 튀거나 아래로 내려가게 됩니다. 그리고 지그비와 같은 라디오를 사용하여 테이터를 전송할때도 전압에 노이즈를 생성 시킬 수 있습니다. 센서가 사용하는 전압에 생기는 이러한 노이즈는 센서의 동작을 방해할 수 있습니다. 간단한 전원 필터로 이러한 노이즈 문제를 제거 할 수 있습니다. RC 필터(100uF 캐패이시터, 10오옴/100오옴 저항)를 사용하여 제거가 가능합니다. 대부분의 멀티콥터에서 노이즈로 생기는 거리측정 이슈를 이 간단한 RC필터로 해결이 가능합니다. 아래의 그래프는 필터 적용전과 후의 거리측정 결과를 보여줍니다.

 


그림1) 위의 그림은 불안정한 전원에 연결된 센서에서 오는 신호를 보여주는 그림입니다.

 


그림2) 위의 그림은 그림1의 실험환경에 전원필터만 추가하여 센서에서 오는 신호를 측정한 그림입니다.

 

 

방사성 전기적 노이즈

쿼드콥터의 모터를 동작시키기 위한 높은 스위칭 전류는 많은 양의 방사성 전기적 노이즈를 생성 시킵니다. 또한 쿼드콥터로부터 나오는 RF 전송시에도 방사성 전기 노이즈가 생성됩니다. 이러한 방사 에너지는 다른 시스템과 센서에 간섭을 일으키는 원인이 됩니다. 방사성 전기 노이즈는, 위에서 언급한 파워필터를 장착하였다면 일반적으로 초음파 센서에 부정확한 동작을 유발 하지는 않습니다. 파워필터를 장착하고 I2C, Serial, Pulse Width의 디지털 인터페이스를 사용하였다면 방사성 전기 노이즈로부터 센서를 보호할 수 있습니다.

만약 아날로그 전압 출력을 센서의 출력으로 사용하고 있다면 방사성 전기 노이즈 환경에서 센서가 영향을 받을 수 있으며, 이럴 경우는 shielded wire가 사용이 되어야 합니다. 케이블상의 shield는 반드시 적절하게 마이크로컨트롤러쪽에 그라운드 되어 있어야 합니다. 만약 쉴드가 마이크로컨트롤러쪽 그라운드에 연결되어 있지 않다면, 쉴드의 효과는 감소하게 됩니다. 음극(- 혹은 그라운드) 옆의 인접(-) 그라운드 핀이 잘 동작합니다.

높은 출력을 가진 쿼드콥터를 측정하였을때, 쉴드를 사용하지 않으면 아날로그 전압이 10mV에서 260mV peak-to-peak 증가 되는 것을 확인하였습니다. 쉴드된 케이블을 사용하면, 모터를 풀파워로 돌렸을때라도 노이즈가 10mV에서 12mV을 영향을 간신히 주는 것을 확인하였습니다. 쉴드된 케이블을 사용하더라도 쉴드 라인이 연결되지 않으면 노이즈 보호효과는 없습니다. 아날로그 출력을 사용할 경우, 쉴드를 마이크로컨트롤러쪽에 그라운드 하는 것을 잊지마십시오.

 

 

프레임 진동

위에서 언급한 노이즈 소스외에 프레임에 전달되는 진동도 센서의 노이즈 소스가 될수 있습니다. 이러한 프레임 노이즈는 접촉 노이즈이며 에너지가 프레임에서 센서로 전달되게 됩니다. 이럴 경우는 스폰지나, 고무 와셔 등 으로 프레임 진동을 없애 주는 것을 추천합니다.

 

 

추천하는 센서

만약 강력한 쿼드콥터에 초음파 센서를 사용하기를 고려하고 있다면 MB1340이나 MB1240의 센서를 사용하기를 권장합니다. I2C 출력을 사용하길 원한다면 MB1242를 사용하길 추천합니다.

 

 

노이즈 소스 원인 해법 비고
난기류 프로펠러에서 발생하는 난기류 주위에 센서가 있을 경우 센서를 프로펠러의 난기류가 닿지 않는 곳으로 프로펠러와 최대한 멀리 설치 매우 흔한 이슈로 센서를 설치할 최적의 장소를 항상 고려해야함

프로펠러 

음향 노이즈

프로펠러 소음이 센서로 들어갈 경우 센서를 프로펠러의 난기류가 닿지 않는 곳으로 프로펠러와 최대한 멀리 설치 매우 흔한 이슈로 센서를 설치할 최적의 장소를 항상 고려해야함

그라운딩과

파워 연결

그라운드와 파워에 선이 적절하게 연결되지 않았을 경우 모든 부품을 스타 형태로 연결 스타형태의 연결을 항상 고려해야 함

전도성  

전기노이즈

회로에 연결된 다른 부품으로부터 오는 전도성 전기노이즈 파워 필터 사용 대부분의 사용자에게 파워필터를 적용할 것을 권장함

방사성 

전기노이즈

시스템의 다른 부품에서 오는 방사성 전기노이즈 쉴드 케이블 사용 쉴드 케이블은 센서의 성능을 향상 시킴. 만약 사용자가 아날로그 출력을 사용한다면 쉴드 케이블 사용을 매우 권장함
프레임 진동 프레임에 전달되는 기계적인 진동 센서를 진동을 흡수 할 수 있는 물체에 장착 고무 와셔나, 스폰지 등의 충격흡수 물체사용 권장
 

 

 

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