자율비행 드론을 통한 IT 융복합 교육

자율비행 드론을 통한 IT 융복합 교육

4차 산업혁명의 눈부신 기술들이 우리 가운데 너무나 빠른 속도로 다가오고 있다. 인공지능(AI), 로봇, 자율 주행차, 빅데이타(Big Data), 3D 프린팅 기술, 사물인터넷(IoT) 등 우리의 일상을 획기적으로 바꿀 수 있는 기술과 신제품들이 놀랍도록 쏟아지는 시대에 우리는 살고 있는 것이다. 4차 산업시대에는 사람들을 첨단 기술제품을 만드는자(Maker)와 사용하는자(User)로 구분해 볼 수 있다. Maker 중에서도 혁신을 주도하는 계층은 여러 기술들을 융복합 시켜서 고도화된 제품을 시장에 출시하는 전문가 집단이다. 드론(Drone)은 융복합 기술의 결정체로서 드론을 통해 현재 중고생이나 대학생들이 체계적인 교육을 받으면 4차 산업시대 앞서가는 인재로 자라날 수 있다. 시중에 나온 완제품 형태의 드론을 날리는 정도로는 USER 입장에서 드론의 비행 원리나 조종기술 정도를 익힐 뿐이다. 자율비행 드론을 스스로 만들어 보고, 개발해 보자. 우리는 이런 과정을 통해 드론을 통한 융복합 기술 능력을 얻을 수 있는 것이다. 자, 이제 실제 교육용으로 개발된 자율주행 드론 키트를 탐구하면서 어떤 전문 기술 및 학습이 이루어지는지 살펴보자. 아래 사진은 아두이노 컨트롤러 mega2560을 이용한 자율비행 드론으로 교육 및 연구를 위해 개발된 키트다.

드론은 하나의 로봇 시스템으로서 주요 H/W 구성은 제어부, 구동부, 전원부, 센서부, 통신부로 이루어져 있다. 제어부는 시스템을 컨트롤하는 장치로서 아두이노 mega2560 및 라즈베리파이3가 사용되었다. 드론 조종은 보통 조종기(Devo7)나 스마트폰 어플로 이루어지며, 이것과 통신하는 장치로 GPS 모듈이 탑재되어 있다. 드론은 기본적으로 자이로센서가 장착되어 있어서 스스로 균형을 잡을 수 있어야 하며, 드론이 공중을 날다가 장애물을 만났을 때 회피하거나 일정한 비행 경로를 스스로 날게 하려면 센서 인식 장치가 필요한데 이 키트에서는 초음파 센서 4개가 장착되어 있어서 사방의 장애물을 실시간으로 인식할 수 있다. 드론 구동을 위한 모터는 비행제어를 위해 초고속으로 회전해야 하기에 일반 DC 모터와 다르며 이 키트에서는 EMAX2213모터가 사용되었다. 드론은 모터 구동에 따른 배터리 소모가 많이 소모되므로 2200밀리암페어 정도의 Lipo 배터리를 사용했다.

이제, 드론 비행을 위해 필요한 소프트웨어 영역을 알아보자. 소프트웨어 영역은 드론 비행 알고리즘을 위한 C,C++ 소스코드, 드론 비행 시뮬레이션을 위한 텔레메트리 세팅, 라즈베리파이를 통한 영상 촬영 세팅을 위한 파이선(Python) 프로그램, JAVA 및 안드로이드 스튜디오를 이용해 구동되는 드론 비행 스마트폰 어플로 구분해 볼 수 있다.

요약하면, 자율비행 드론을 처음서부터 끝까지 만들고 비행하는 데엔 다음과 같은 기술과 학습이 필요하다. #H/W 기술요구수준 -컨트롤러에 대한 이해 (미니 컨트롤러, 아두이노 및 라즈베리파이 등) -센서에 대한 이해(자이로센서, 초음파센서) -통신 기술(GPS 무선통신, 와이파이 통신, 시리얼 통신) -드론 쉴드의 구조 -드론 전자회로의 구성 -PID 제어

드론의 전자회로 구성

#S/W 기술요구수준 -C언로 구성된 드론 비행 멀티위 알고리즘 -Python으로 구성한 라즈베리파이제어보드에 의한 영상 촬영 세팅 -안드로이드 스튜디오에서 구성한 드론 조종을 위한 JAVA 스마트폰 무선 조종 어플리케이션 프로그램 -텔레메트리 소프트웨어를 통한 드론 조종 세팅

자율비행 드론 개발을 위한 H/W 및 S/W 기술에 대한 요구수준은 대략 공과대 3학년 수준이며, 드론용 PCB 제어보드를 직접 설계하는 정도는 전자공학 계열의 4학년 정도의 수준을 요구한다고 볼 수 있다. (탐구자의 노력이나 수준에 따라 차이가 남) 요사이는 대학 1학년을 대상으로 창의공학 실습용으로 드론을 많이 사용하며, 드론 조립에 필요한 부품을 3D 모델링을 해서 3D 프린터로 직접 출력해 드론을 구성하기도 하며, 드론 비행 소스코드를 새롭게 구성해 드론 비행의 원리를 탐구해 보는 추세다. 드론은 3차원에서 움직이는 물체이므로, 드론 비행의 원리를 탐구하다보면 3차원 공간지각능력 및 3차원 입체 기하의 원리를 잘 파악하게 된다. 아울러 중력, 양력, 추력 등 드론 비행을 위한 다양한 힘의 관계를 통해서 물리학적 지식을 습득할 수 있다.

이상으로 알아본 것과 같이, 드론은 하나의 로봇 시스템이라고도 할 수 있으며, 센서 및 통신장치 그리고 프로그램에 의해 자율주행 기능을 가지게 할 수 있다는 것을 알아보았다. 물론 드론 바디나 부품은 3D 프린터로 뽑아 낼 수 있다. 우리는 드론에 여러 가지 추가적인 센서를 더 부착해 사물인터넷(IoT)기능을 가진 드론을 개발 할 수도 있으며, 드론 하단에 로봇팔 등을 부착해 일정한 장소에서 물건을 집어서 옮기는 프로젝트에 도전할 수도 있다. 보다 기술을 발달시켜 드론에 인공지능(AI) 기능을 접목시켜 스스로 도시위를 자율비행 하다가 위험 요소를 파악하면 즉시로 이동해 위험요소를 제거하는 기능 등에도 투입할 수 있을 것이다. 드론을 통한 로봇시스템 연구 드론을 통한 사물인터넷 연구 드론을 통한 3D 모델링 및 출력 드론을 통한 자율주행 연구 드론을 통한 인공지능 연구 등 드론 개발을 통해 4차산업혁명 시대 앞서가는 IT 융복합 인재가 되어 시대를 혁신하는 Drone MAKER가 많이 나타나기를 기대해 본다.