SiP 드론 컨트롤러를 사용하여 빠르게 드론 성능을 향상시키고 비행 시간을 늘리는 방법

하늘에 띄워지는 배터리 구동 드론이 늘면서 드론 제조업체는 경쟁사보다 앞서 설계의 기능과 성능을 확장하는 동시에 전력 소비를 최소화하여 비행 시간을 연장해야 하는 압박에 시달리고 있습니다. 시장 요구를 맞추기 위해 설계자는 보다 정밀하고 정확한 가속도계와 자이로스코프를 추가하고 향상된 센서를 활용하기 위해 관련 펌웨어를 업그레이드하고 있습니다. 드론의 물리적 기능도 확장되어 운반 패키지와 장비도 포함하게 되고, 늘어난 무게를 감당하느라 안정성 향상과 공기 제동 루틴도 필요하게 되었습니다.

설계자에게 문제는 드론의 늘어난 무게와 더불어 계산 요구 사항이 추가되어 전력 소비가 증가하고 결과적으로 배터리 크기가 정해져 있어 가능한 비행 시간이 준다는 것입니다. 추가 기능 및 관련 전자 부품도 개발 시간과 테스트 비용을 늘립니다.

해결 방법은 고집적에서 찾을 수 있습니다. 이 기사에서는 기본적으로 소형 드론 컴퓨터인 Octavo Systems의 시스템 인 패키지(SiP) 솔루션을 소개합니다. 여기서는 이 자급형 솔루션의 특징을 활용해 상당한 공간과 무게를 줄여 비행 시간을 연장하는 동시에 부품 명세서(BOM), 재고, 개발 시간 및 테스트 비용도 낮추는 방법을 보여줍니다.

드론 기술

드론의 응용 분야는 계속 확장되고 있습니다. 가족사진 촬영이나 친선 경기에서 사용되는 카메라가 장착된 소형 소비자용 드론에서부터 운송업체를 위한 상품 배달, 목장주를 위한 가축 추적, 농부를 위한 작물 모니터링, 환경운동가들을 위한 해안선 변화 모니터링, 응급 구조대원들을 위한 수색 및 구조 작업 등 더 까다로운 역할을 맡는 드론도 있습니다. 응용 분야와 관계없이 배터리 수명은 비행 시간과 관련되므로 드론을 선택할 때 고려하는 매우 중요한 요소 중 하나입니다.

배터리 수명은 드론 무게와 확실히 관련이 있으므로 드론은 동력 비행의 응력과 스트레인을 받는 중에도 비행체의 틀을 유지할 수 있는 한 최대한 가벼운 재료를 사용합니다. 가벼운 무게에 초점을 두는 방침은 구조적 무결성에서 드론을 제어하는 전자 장치까지 전체적으로 적용됩니다.

적절한 비행 동역학을 얻기 위해 드론은 프레임과 온보드 전자 부품의 무게를 균등하게 분산하여 균형을 제대로 잡아야 합니다. 전자 부품의 크기가 작을수록 드론의 무게 균형을 맞추기가 더 쉽습니다. 무게 중심은 비행체의 물리적 중심에 있는 것이 좋습니다. 무게가 불균형하면 아무리 작더라도 프로펠러 속도를 조정해 균형을 맞춰야 하며, 시간이 지날수록 조정하느라 추가 전력이 소비되고 사용자의 소중한 비행 시간을 앗아갑니다.

소비자 드론과 대부분의 상업용 드론은 제어와 데이터 전송을 위해 Wi-Fi 기술을 사용합니다. 드론이 비행할 수 있는 거리가 늘수록 드론과 컨트롤러의 연결을 유지하기 위해 Wi-Fi 무선 통신에서 더 많은 전력을 내보내야 하며, 이는 배터리의 전력을 소비하는 또 다른 요소입니다.

드론 센서 및 처리

드론 제조업체는 시스템의 무게와 비용을 줄이기 위해 노력하지만 사용자는 더 많은 기능과 더 높은 성능을 바랍니다. 따라서 드론과 펌웨어가 더 복잡해집니다. 이 때문에 온보드 전자 부품의 양과 무게가 늘 뿐 아니라 드론의 균형도 영향을 받습니다.

예를 들어 드론은 일반적으로 다양한 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 및 기타 센서를 사용하여 비행 경로와 속도를 모니터링하면서 안정적인 비행을 유지합니다(그림 1). 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 모듈은 항공기 위치와 방향을 확인하는 데 사용되고, 자이로스코프는 피치와 요를 측정하는 데 사용됩니다. 가속도계는 드론 가속도와 충격력을 측정하고, 기압계는 현재 대기 조건에서 최적의 프로펠러 회전 속도를 결정하는 데 도움이 되는 기압을 측정하는 데 사용됩니다(기압이 낮을수록 회전자의 속도가 더 빨라야 하고, 기압이 높으면 속도를 늦춰야 함). 카메라 및 근접 센서를 사용하면 장애물을 감지하고 피할 수 있습니다. 또한 안전을 위해 여러 개의 중복 센서를 사용할 수 있습니다.

그림 1: 최신 4개 프로펠러 드론은 다양한 MEMS 센서, 하나 이상의 카메라, 마이크로 컨트롤러 펌웨어나 사진 저장을 위한 외부 메모리 카드, 프로펠러용 모터 드라이브를 포함하고 있습니다. (이미지 출처: Octavo Systems)

이러한 각 센서의 출력은 드론을 작동하는 마이크로 컨트롤러에 공급됩니다. 마이크로 컨트롤러는 이러한 센서 입력을 모두 처리하고 활용하여 프로펠러를 구동하느라 전력 소모가 큰 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 전력을 공급하는 가장 효율적인 방법을 결정해야 합니다. 하지만 센서 기술이 매년 향상됨에 따라 드론 제조업체는 최신 드론에 가장 정확한 고정밀 최신 센서를 배치하고 있습니다. 따라서 이러한 센서의 향상된 기능을 활용하기 위해서는 더 복잡한 펌웨어가 필요합니다. 또한 비행 제어 펌웨어도 계속 개선되고 있고, 자율 주행 드론의 경우 특히 그렇습니다. 이렇게 모든 영역의 개선으로 펌웨어 양이 늘었을 뿐 아니라 데이터를 정확하게 처리하기 위해 향상된 처리 능력과 상당히 더 많은 메모리도 필요합니다.

확장되는 전자 부품과 기능에 맞춰 엔지니어는 늘어난 요구를 충족하면서도 개발 및 테스트 비용을 최소로 유지할 수 있는 저전력, 소형 솔루션을 개발해야 합니다.

SiP 드론 장치

기능 향상 요구를 해결하는 방법은 전자 장치 통합의 수준을 높이는 것입니다. 이를 위해 Octavo Systems는 단일 패키지의 드론 중심 자급형 컴퓨터 시스템인 OSD32MP15x 제품군을 개발했습니다. 예를 들어 OSD32MP157C-512M-BAA는 18mm x 18mm 크기의 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지 하나에 100개가 넘는 이산 소자 부품과 개별 다이 부품을 함께 포함하는 강력한 장치입니다(그림 2).

그림 2: Octavo Systems의 OSD32MP157C-512M-BAA는 단일 패키지의 완전한 드론 시스템으로, 18mm x 18mm 패키지 안에 100개가 넘는 이산 소자 및 다이 부품을 함께 포함하고 있습니다. (이미지 출처: Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA에는 800MHz로 실행되는 Arm® Cortex®-A7 코어가 2개 있습니다(그림 3). 이처럼 고성능 드론의 충분한 처리 능력을 통해 센서 데이터를 원활하게 처리하는 동시에 정확하고 끊임없이 변하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 BLDC 프로펠러 모터에 전력을 공급하는 4개의 구동기에 전송합니다. 각 Cortex-A7 코어에는 33KB의 L1 명령 캐시와 32KB의 L2 데이터 캐시가 있습니다. 두 코어는 256KB의 L2 캐시를 공유합니다. 비행 제어 펌웨어는 반복적일 수 있으며 이 캐시 크기는 탐색 및 센서 융합 처리 속도를 크게 높입니다.

또한 세 번째 프로세서로, 부동 소수점 처리 장치(FPU)가 있는 209MHz Arm Cortex-M4도 패키지에 포함되어 있으며 카메라 관리, 배터리 모니터링 및 Wi-Fi 통신 제어와 같은 보조 처리에 사용될 수 있습니다. 3개의 eMMC/SD 카드 인터페이스는 microSD 메모리와 같은 외부 플래시 카드에 연결하는 데 사용할 수 있습니다. 펌웨어를 SiP에 로드하는 데 유용할 뿐 아니라 카메라 사진 및 동영상, 비행 데이터 기록, 이벤트 로그 및 MEMS 센서 로그를 저장하는 데에도 유용합니다.

프로세서 코어의 추가 메모리에는 256KB의 시스템 RAM과 384KB의 마이크로 컨트롤러 RAM이 포함되어 있습니다. 또한 4KB의 배터리 백업 RAM과 3KB의 일회성 프로그래밍 가능(OTP) 메모리도 포함되어 있어, 드론 일련 번호나 옵션 패키지와 같은 장치 맞춤 설정에 사용할 수 있습니다.

그림 3: Octavo Systems의 OSD32MP157C-512M은 단일 장치 안에 고도로 집적된 컴퓨터로, 고성능 드론 시스템에 적합합니다. (이미지 출처: Octavo Systems)

외부 플래시 프로그램 메모리 인터페이스에는 2개의 QSPI 인터페이스와 8비트 오류 수정 코드(ECC)를 지원하는 16비트 외부 NAND 플래시 인터페이스가 포함되어 있습니다. 따라서 외부 플래시 메모리에 쉽게 액세스하면서도 메모리 손상이나 변조를 방지할 수 있습니다.

두 개의 USB 2.0 고속 인터페이스는 장치 구성 및 디버깅에 사용할 수 있고, 데이터 스토리지가 추가로 필요한 경우 외부 USB 플래시 메모리를 연결하는 데에도 사용할 수 있습니다.

512MB의 고속 DDR3L DRAM은 온보드 Cortex 코어의 프로그램 메모리로 사용됩니다. DRAM은 부트할 때 외부 플래시 메모리 인터페이스를 통해 로드될 수 있으며, 고성능 비행 데이터 펌웨어의 프로그램 메모리로 충분합니다. 프로그램 메모리를 외부 메모리 인터페이스를 통해 실행할 수 있지만, DRAM을 통해 실행할 경우 펌웨어가 항상 훨씬 더 빠르게 실행됩니다.

4KB의 EEPROM은 센서 보정 데이터, 비행 제어 상수 및 비행 로그 데이터를 저장하는 데 사용할 수 있습니다. 메모리 보호 기능은 보호된 EEPROM에 대한 의도하지 않은 쓰기를 방지합니다.

시스템 안전은 여러 보안 기능을 통해 보장됩니다. Arm TrustZone 모듈과 함께 AES-256 및 SHA-256 암호화 지원을 활용하여 업데이트 중 펌웨어 무결성을 보장하고 외부 플래시 카드의 데이터를 암호화할 수 있습니다. OSD32MP157C-512M은 펌웨어 보안을 위한 보안 부트와 드론의 시간 기반 변조를 막기 위한 안전한 실시간 클록(RTC)을 지원합니다.

6개의 SPI, 6개의 I²C, 4개의 UART 및 4개의 USART 인터페이스를 비롯한 다양한 직렬 포트를 MEMS 센서 및 GPS 모듈에 연결할 수 있습니다. 2개의 독립적인 22채널, 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 전류 감지 및 폐쇄 루프 모터 제어를 수행할 수 있는 서미스터 및 풍속 센서와 같은 아날로그 센서에 연결할 수 있습니다. 3개의 I²S 인터페이스는 스피커 또는 버저와 같은 오디오 장치에 연결할 수 있습니다. 카메라 인터페이스를 통해 대부분의 RGB 카메라 모듈에 간단히 연결할 수 있습니다.

또한 OSD32MP157C-512M은 저항, 커패시터, 인덕터, 페라이트 비드 등 시스템에 필요한 이산 소자 부품도 모두 통합합니다. 따라서 외부 이산 소자 부품을 최소로 사용하여 드론 시스템을 구축할 수 있습니다.

PWM 모터 제어를 위해 OSD32MP157C-512M에는 2개의 16비트 고급 모터 제어 타이머, 15개의 16비트 타이머 및 2개의 32비트 타이머가 포함되어 있습니다. 따라서 카메라 위치 지정 모터 또는 로봇 암과 같은 액추에이터뿐 아니라 BLDC 프로펠러 모터를 높은 정확도로 제어하는 데 충분한 PWM 신호를 제공합니다.

OSD32MP15x 전력 공급

OSD32MP157C-512M은 2.8V ~ 5.5V 전원 공급 장치 하나만 필요하므로 표준 3.7V 리튬 이온 배터리면 적합합니다. 내부 전력 관리 칩에서 개별 내부 부품 모두에 필요한 전압을 제공합니다. Cortex-A7 코어와 Cortex-M4가 모두 최대 클록 속도로 실행되고 모든 주변 소자가 작동하는 경우 OSD32MP157C-512M은 최대 2A를 소모합니다. 통합 수준이 높고 작동 옵션이 많아서 일반적인 전류 소모 시나리오를 예측할 수 없으므로 개발자가 특정 응용 분야에 맞는 전류 소모를 결정해야 합니다.

OSD32MP157C-512M은 회로 기판에 이산 소자 부품을 사용하여 동일한 기능을 구현하는 경우보다 적은 전류를 소모합니다. 이는 주로 패키징된 부품 대신 조밀하게 압축된 SiP의 단일 다이를 사용하여 누설 전류를 크게 줄이고 PC 기판 트레이스 저항으로의 전력 손실도 줄이기 때문입니다.

OSD32MP15x 제품군의 정전기 방전(ESD) 등급은 인체모델(HBM)의 경우 ±1000V, 충전식 장치 모델(CDM)의 경우 ±500V입니다. 따라서 장치를 취급할 때 매우 주의해야 합니다. 손가락이 볼 그리드 접촉 단자에 닿지 않도록 하고, 장치는 필요한 경우에만 반드시 가장자리를 잡아야 합니다. SiP 장치의 OSD32MP15x 제품군은 습기에도 민감합니다. 드론 전자 장치는 봉인하는 것이 좋으며 높은 습도, 수증기, 구름 또는 비와 접촉할 수 있는 드론 전자 장치도 마찬가지입니다.

고성능 드론을 위해 Octavo Systems는 OSD3358-1G-ISM SiP 장치를 제공합니다. 이는 OSD32MP157과 유사한 기능을 제공하지만 GB의 DRAM이 장착된 더 강력한 이중 1GHz Cortex-A8을 21mm x 21mm BGA 패키지로 제공합니다. 두 개의 Cortex-A8 코어가 높은 성능을 제공하므로 추가적인 Cortex-M4 프로세서를 포함하고 있지 않습니다.

Octavo SiP 개발

코드 개발을 위해 Octavo는 유연한 시제품 제작 플랫폼 기판인 OSD32MP1-BRK를 제공합니다(그림 4). 이 기판에는 디지털 I/O 및 외부 주변 장치 신호 106개에 연결하기 위한 OSD32MP157C-512M SiP 및 확장 헤더가 포함되어 있습니다.

그림 4 : Octavo의 OSD32MP1-BRK는 OSD32MP15x 제품군의 SiP 드론 장치를 위한 유연한 시제품 제작 플랫폼입니다. microSD 카드용 슬롯과 개발 및 디버깅을 위한 마이크로 USB 포트가 있습니다. (이미지 출처: Octavo Systems)

microSD 카드 슬롯을 통해 개발 기판에서 외부 플래시 프로그램 메모리를 OSD32MP517-512M의 DRAM으로 로드할 수 있습니다. 마이크로 USB 포트는 개발 및 펌웨어 디버깅에 사용되며 기판에 전력도 공급합니다. 부트 모드 스위치는 장치를 microSD 카드에서 부트할지 또는 확장 헤더에서 사용 가능한 외부 메모리 인터페이스를 통해 부트할지를 결정합니다.

결론

드론 제조업체에서 시스템 기능을 계속 향상함에 따라 개발자는 이러한 기능을 제공하면서도 전력 소비와 비용을 최소화하여 최상의 사용자 경험을 제공해야 하는 과제가 늘어나고 있습니다.

앞서 살펴본 바와 같이 단일 장치의 고성능 SiP 드론 컴퓨터는 매우 높은 수준의 통합을 제공합니다. 설계 프로세스를 간소화하는 동시에 드론을 더 가볍고 균형 잡기 쉽게 만들어 전류 소모를 줄이고 사용자의 중요한 요구 사항인 비행 시간을 연장합니다.