[논문]장거리 비행을 위한 드론 배터리 팩과 배터리 교환 스테이션의 개발

박재석; 이재필; 이진구; 조한별; 강우철

장거리 비행을 위한 드론 배터리 팩과 배터리 교환 스테이션의 개발
Development of Battery Pack and Battery Replacement for long-range flight Drone 원문보기

박재석 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 이재필 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 이진구 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 조한별 (인천대학교 임베디드시스템공학과) , 강우철 (인천대학교 임베디드시스템공학과)

본 논문에선 드론의 장거리 비행을 합리적으로 수행하기 위한 배터리 교환 스테이션과 스테이션으로의 비행 유도와 균일화된 배터리 형태를 제공해줄 배터리 팩의 개발을 제안하고자 한다. 장거리 비행을 필요로 하는 드론은 제시된 배터리 팩을 사용하여 주변의 배터리 교환 스테이션을 이용할 수 있다. 드론은 주기적으로 배터리를 교환받으므로 장거리 비행 임무를 수행할 수 있게 된다.

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문제 정의

따라서 본 논문에선 배터리 용량 한계를 합리적으로 극복하여 드론의 장거리 비행을 돕기 위한 해결책으로써 자동 배터리 교환 스테이션을 제안하고자 한다.
본 논문에선 광범위한 지역에 주기적으로 설치하여 드론의 장거리 비행을 합리적으로 수행할 수 있도록 도울 드론 스테이션과 스테이션으로의 비행 유도 및 균일화된 배터리 형태를 제공해줄 배터리 팩의 개발을 제안하고자한다.

제안 방법

지지대에 설치된 라즈베리파이는 Pixhawk의 Telem 포트로 연결되며 MAVLink가활성화된 Pixhawk와 MAVROS를 통해 통신하게 된다.[3]그림 3-B와 3-C는 배터리가 수납될 공간이며 앞면엔 리튬폴리머 배터리에 많이 사용하는 커넥터 중 하나인 XT-60형 커넥터 규격을 채택하여 커넥터 공간을 확보하였으며 커넥터 위치를 고정할 수 있도록 설계하였다.
8V 미만으로 떨어질 경우 심각한 전압강하를 일으키며 배터리에 영구손상을 준다.[4] 따라서 각 셀의 전압이 2.8V 보다 아래로 내려가게 해선 안 되므로 안정선 3.0V에서 여유를둔 3.2V를 착륙이 필요한 위험전압량(Low VoltageCut-Off)으로 판단하도록 설계하였다.
표 2는 비행 가능 시간이 5분인 드론을 기준으로 실험한 결과이다. 실험은 드론으로 비행하여 10분 거리에 위치한 목표지점까지 도달하는 것을 임무로 설정하고 임무수행에 소요된 총 시간을 계산하여 비교하였다.
우리는 합리적인 장거리 비행 드론의 운용을 위해 드론 배터리팩과 배터리 교환 스테이션 시스템을 제안했다. 제안한 시스템을 구현하여 적용시켰을 때 기존의 충전 시스템 대비 89%의 임무 수행 시간을 단축시킨 결과를 얻을 수 있었다.
착륙 과정에서 스테이션에 부착된 초음파센서로 드론과의 거리를 측정하여 착륙 여부를 판단한다. 판단된 착륙여부로 드론에게 착륙 확인 메시지를 전송하여 착륙이 완료되었음을 드론에게 알린다.
GPS 좌표에 이동했으면 오차를 줄이고 정확한 위치에 착륙하기 위해 부착된 카메라를 통해 주변 스테이션 위치를 찾는다. 카메라는 드론을 기준으로 하향 배치돼있으며 영상처리를 쉽게 하기 위해스테이션의 상단부는 빨간색으로 표시하여 영상에서의 중앙과 빨간 사각형의 중점 좌표 간 거리를 계산하여 이동할 픽셀 값 dx와 dy를 계산한다.

대상 데이터

그림 2는 시스템 개발에 사용된 드론으로써 가장 범용적인 4익 형태의 드론을 채용하였다. 사용된 FC(Flightcontroller)는 Pixhawk 2.4.8이며 F450급 PCB 프레임을 이용하여 개발을 진행하였다. 드론은 이후 후술할 배터리팩 지지대에 라즈베리파이를 장착한 상태이다.
그림 1은 전체적인 시스템 동작 구조를 나타낸다. 시스템에서의 드론은 정해진 비행 임무를 수행하며, 배터리팩에 장착되어 있는 라즈베리 파이와 센서 정보를 주고받는다. 현재 드론 배터리의 전압이 기준치보다 낮아졌을 경우 파이는 주변 스테이션에게 착륙 허가를 요청한 후 MAVROS[3]를 통해 FC(Flight Controller)에게 착륙 명령을 내려 드론을 착륙 시킨다.

성능/효과

교환시스템은 4분 비행 후 5분 동안 배터리를 교환 받고 다시 4분 비행 후 5분 동안 배터리를 교환받아 남은 2분을 비행하고 임무를 끝마쳐 총 임무 수행시간은 20분이였다. 교환시스템은 충전시스템에 비해 총 임무 수행시간을 약 89% 단축시킨 결과를 얻을 수 있었다.
우리는 합리적인 장거리 비행 드론의 운용을 위해 드론 배터리팩과 배터리 교환 스테이션 시스템을 제안했다. 제안한 시스템을 구현하여 적용시켰을 때 기존의 충전 시스템 대비 89%의 임무 수행 시간을 단축시킨 결과를 얻을 수 있었다. 보다 더 정밀한 GPS 모듈을 사용하거나 라즈베리파이보다 전력대비 효율이 좋은 MCU 보드를 사용한다면 오차를 보다 더 줄일 수 있고 비행가능 시간 또한 확보할 수 있을 것이다.

후속연구

제안한 시스템을 구현하여 적용시켰을 때 기존의 충전 시스템 대비 89%의 임무 수행 시간을 단축시킨 결과를 얻을 수 있었다. 보다 더 정밀한 GPS 모듈을 사용하거나 라즈베리파이보다 전력대비 효율이 좋은 MCU 보드를 사용한다면 오차를 보다 더 줄일 수 있고 비행가능 시간 또한 확보할 수 있을 것이다. 본 시스템의 스테이션은 다양한 외부 전원공급 수단을 이용할 수 있기 때문에 태양광 충전패널이나 축전지를 이용하여 각기 다른 지형에서 활용할 수 있으며 광범위한 지역에 일정하게 배치하는 것으로 장거리 비행 임무를 합리적으로 수행할 수 있도록 만들어줄 것이다.
보다 더 정밀한 GPS 모듈을 사용하거나 라즈베리파이보다 전력대비 효율이 좋은 MCU 보드를 사용한다면 오차를 보다 더 줄일 수 있고 비행가능 시간 또한 확보할 수 있을 것이다. 본 시스템의 스테이션은 다양한 외부 전원공급 수단을 이용할 수 있기 때문에 태양광 충전패널이나 축전지를 이용하여 각기 다른 지형에서 활용할 수 있으며 광범위한 지역에 일정하게 배치하는 것으로 장거리 비행 임무를 합리적으로 수행할 수 있도록 만들어줄 것이다. 이를 통해 배터리 용량 제약으로 정체되었던 다양한 드론 산업을 활성화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 시스템의 스테이션은 다양한 외부 전원공급 수단을 이용할 수 있기 때문에 태양광 충전패널이나 축전지를 이용하여 각기 다른 지형에서 활용할 수 있으며 광범위한 지역에 일정하게 배치하는 것으로 장거리 비행 임무를 합리적으로 수행할 수 있도록 만들어줄 것이다. 이를 통해 배터리 용량 제약으로 정체되었던 다양한 드론 산업을 활성화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

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