드론의 구성요소(3)

1. 초음파(Ultrasonic) 센서

초음파와 그의 쓰임에 대해 우선 공부를 해보곘다.

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초음파센서는 음파를 사용하는 센서로써, 음파의 주파수 별로 분류를 하면면,

가청주파수

사람이 들을 수 잇는 음파(20Hz ~ 20kHz) -일반적인 범위 연령과 사람에 따라 16Hz까지 이야기 하기도 함

헤르츠Hz : 1초를 기준으로, 한번의 파형이 있는 영역을 이야기 한다. 

가청주파수의 영역보다 낮은 주파수는 저주파라고 하며, 이보다 높은것을 초음파의 영역이라고 한다.

초음파 (Ultrasonic wave)

사람이 들을 수 없는 20kHz 이상의 높은 범위

동물들이 경우 가청주파수 이상의 초음파 주파수를 들을 수 있는 경우도 있고, 특히 개, 돌고래, 박쥐 등

동물의 경우는 20kHz 이상을 청취 할 수 있으며, 특히 돌고래는 약 180kHz, 박쥐는 100kHz의 높은 주파수를 사용함

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화학에서의 초음파

초음파 화학

하학에 응용되는 주파수 영역으로 20kJz~ 100kHz 범위

반응이 일어나는 액체 내에서 온도와 압력의 지엽적 극한 상태를 만드는 공동현상에 의해 발견되었으며, 이런 극한환경은 물질의 화학반응을 100만배까지 빠르게 만드는 요인이 되었다.

ex) 안경 세척기, 초고순도 불산 제조에 초음파 진동 사용

강한 초음파가 액체를 진동시키면, 액체에 녹아있는 기체들이 외부로 나오면서 공동을 이루며, 이 공동은 물체 표면에서 붕괴되어

상당한 압력이 가해지며, 동시 순간적인 열이 발생한다. 이런 현상을 공동현상 이라고 하며, 당시 공동현상때문에

모터의 프로펠러가 빠르게 부식되었던 것이다. 

잠수함 어로탐지기(소나)라던가 의료진단기기, 가습기 등에 활용되는 초음파로 신소재를 만드는 기술이 화학반응에 

필요한 고온이나 진동같이 까다로운 조건없이 초음파 스프레이 화학반응으로 고성능 화학반응을 일으키게 된것이다.

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의료에서 초음파

의료 초음파

초음파 의료기기에서 사용하는 주파수 영역

가장 대표적으로 많은곳에서 사용하는 곳이  초음파 의료기기이다.

비침습적이며, x선과 달리 전리 부작용이 없다는 특성을 가지고 있어 널리 사용되고있다.

그러나 불필요하고 과도한 초음파 노출을 방지하기 위한 인식이 증가하고 있으며, 국제 초음파 협회, 의료 FDA에서는 

초음파기기에 음향 출력에 대한 경계치를 제시하고 있다. 표를 보면 알다시피 FDA에서 출력제한을 두고있다.

초음파 영상 진단장비처럼 인체 내부 단층을 가시화 할 수 있는 기술이 개발되었다. 산부인과를 중심으로

사용양이 증가하고있으며, 최근 도플러모드를 사용하는 경우 피폭량이 제한치를 초과하기도 한다.

우리나라의 경우 식품안전평가원에서 초음파기기의 안전성에 관하나 가이드를 제시 한바 있다.

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2. 초음파 기술의 발전

1912년 당시 타이타닉 빙하 충돌사고가 계기가 되었다.

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3. 초음파 기술의 응용

둘의 차이점은 소나는 사운드 네이게이션, 즉 음파를 이용해서 항해도와 거리를 측정하는 탐지장치

전자기파를 보내 반향을 이용하는 탐지장치와는 다르다!

일상생활에서 초음파를 이용한 사례는 많다. 가습기라던지, 초음파세척기, 식기세척기, 의료세탁기, 안경세척기

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4. 드론에서의 높이 측정

초음파센서로 드론의 높이를 측정하는데 사용하게 된다.

일반적으로 드론은 다양한 센서장치가 활용되고 있으나, 그중 가장 낮은 고도를 유지할때는 초음파센서이다.

낮은고도에서 정밀한 고도를 측정하기 위해 초음파와 적외선 카메라를이용한 비전센서를 이용하는 기체도 있고,

높은고도에서는 기압계와 기압센서 등을 이용하거나, 인공위성을 이용해 GPS시스템을 이용해 높이를 측정하는 것이

일반적이다.

5. 초음파센서의 감지 범위

초음파센서 선정시 가장 중요한 기준은 센서의 감지범위와 조합된 삼차원 검출영역이다. 센서 측정시 다양한 표준반사체는

측면에서 부터 감지 범위를 타나내며 이런 반사체는 센서에 의해 감지되어 표시된다. 

초음파 센서로 가장 범용적으로사용되고있는 것이 SR04라는 모델인데,  바로 우측 하단에 있는 사진이 그 초음파센서이다.

사진을 다시 보면 원통이 두개가있는데, 좌측원통을 보면, T라고 써있고, 오른쪽 원통 5시방향에는 R이라고 적혀있다. 

즉 소리가 T에서 송신되어서 R로 수신이 되는 것이다.  센서의 감지범위나, 기타사항은 센서 제조회사의 기술이나

Data시트에 사양들이 잘나타나있으니 센서 선정시 참조하면된다. 

6. 초음파 센서의 동작원리

순서대로 , 

T(송신부)에서 나오게 되어 , 나온신호가 물체에 부딪혀서 다시 돌아오는 수신신호, 즉 에코신호를 R이라고 수신

단에서 갔다가 오는 시간을 계산해서 물체와의 거리를 측정하는데 사용한다. 

음파의 속도가 기온과 밀접하나. 보통 상온을 15도라고 설정하고, 약 초당 340/s를 기준으로 삼는다. 

대신, 소리가 부딪히고 돌아와햐는데 만약 물체가 흡음하는 물체라면, 초음파센서는 에러가 나타나기도 한다.

(스펀지, 굴곡있는 원형이라던지 등)

그래서 초음파센서를 쓸때 초음파센서가 잘 반사되어 돌아올수있는 것들인지 확인해야 한다.

7. 초음파 센서의 장점과 확장

실제 현재 초음파센서가 실제 드론에서 어떻게 사용되어 있는지 동영상을 통해 확인해보자

https://www.djivideos.com/video_play/3b7b0411-37ff-4323-b4a5-04756db05b8b

web player

DJI사의 매트릭스 모델의 드론이다. 산업용 드론이며, 드론위가 평평하기 때문에 프로젝트 물건이나 다른 제품을

올려놓고 테스트하기에 좋은 드론이다. 여기 사용되는 센서모듈을 가이던스라고 하는데, 사진에서같이 

사람눈처럼 동그란게 두개나있다. 이것이 T,R 이며, 잘보면 렌즈처럼 있다. 이것은 비전센스로 

가디언스 모델은 실제로 초음파센서와 이미지센서를 동시에 사용한 모델이기도하다. 4방을 전부 거리측정할 수 있게

되었다.

  낮은곳에서 초음파센서를 사용하는 장점중 하나가 짧은 파장을 지양성을 가지며 공기중의 전파가 일정하기 때문에

지상과의 거리측정을 할때 많이 쓰는것이다 .3m~ 5m 이내..

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1. GPS시스템 구성

1973년 미국에서 시작된 프로젝트중 하나이다. 미국국방부에서 실시간 위치정보를 가져다 주고있다. 

일반적으로 다수의 위성을 20000km높에 정지 시키고, 특정주파수를 통해서 자신의 위치정보를 발신하는 것으로 한다.

원래는 군용으로 사용되었던게 일반화 된것이다.

2. 위치계산

GPS의 위치 계산은 3개의 GPS위성을 연결한 삼각측량법을 기본으로 한다. 세개의 위성을 통한 삼각 측량 범의 원리를

낸것이다.

하나의 위성으로 부터 거리를 안다고 가정하면, 나의 위치는 위성을 중심으로 하여 반경이 , 그 위성으로 하여금, 도면의 어느곳에 위치하게 된다. 

이것이 지구의 반경이 되고, 다른위성으로 부터의 거리를 안다고 가정하면, 현재의 위치는 두 구가 원주상으로 서로 한정된다. 

또 세번째 위치의 거리를 안다고 가정하면, 삼각 측량에 의해 3개의 면이 겹치는 것으로 점이 생기게 된다. 

경도와 위도 높이를 동시에 파악하기 위해서는 3개의 위성신호가 필요하며, 위성간 시간 오차를 제거하기 위한

신호형 위성이 필요하기 때문에 총 4개의 위성을 사용한다. 즉 정확한 위치를 계산하기위해서는 4개의 위성이 필요하다.

- 차량이나 다른 기기를 보면 최대 4개~ 8개의 위성과 연결하고 있다는걸 확인하는 기능도 있다.

3. GPS vs GNSS

인공위성을 이용한 범지구적인 시스템

위치정보를 수신하기 위한 방법중 하나인 GPS의 경우 미국에서 운영중인 위성항법 시스템으로 , 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 위성항법 시스템이다. GNSS의 경우 다양한 나라의 위성들이 제공하고 있는 정보를 삼각측량 방식으로

이용하여, 거리와 고도 위치에 관한 정보를 계산하는 방법으로 , 많은 위성신호를 수신하여야 정밀한 위치를 수신받을 수

있다. 전 지구적인 위성을 위해 중계소라는 위성을 적어도 24개는 되어야한다. 

지금 현재 많은 국가들이 위성을 띄운 이유는 특정국가가 자원독점화, 무기화 를 할까봐 각나라마다 항법시스템을 구축함

4. GPS와 GLONASS의 비교

우리가 지금 편하게 쓰고있는 시스템은 미국의 GPS이다 이는 군사용목적으로 만들어져있으며, 작전위치나 미사일의 표적 등 

전시목적으로 사용될 수 있다. 그러나 다른국가는 민간용 위성 서비스만 사용할 수 있다. 그래서 우리가 쓰는 GPS는

원래의 정보보다 아주 제약적인 정보만 받아서 사용하는 것이다. 우리는 위치정보만 사용할 수 있다.

5. GPS 오차 요인

일부러 다른나라에서 군사적으로 이용할까봐 품질을 저하시키는 이유도있다. 

그러나 2000년도 5월에 중지되어서 2000년 5월부터 해결되었다.

6. GPS원인별 오차범위의 비교

이런 오차들을 조정해서 항법시스템에 오차를 줄여서 정보를 수신토록하는 기술들이 발전했다.

반송파 고정항법 시스템을 국내에서도 운용하고 있고, 이것을 이용하면 cm단위로 정확히 잡아준다 .

그래서 요즘은 차선을 구별할 정도로 정교하게 보안해서 활용하는데 사용되고 있다 .

7. GPS서비스 이용분야

8. 드론에 GPS 모듈 연결하기

u-blox? GNSS를 개발하는 스위스 기술 회사이다. 특징 및 장점으로는

합리적인 가격과 작은 크기, 가벼운 무게로 인해 인기가 많다. 그리고 우수한 성능(7 및 8시리즈)

최대 10Hz업데이트(최소 5Hz 이상 자동 비행에 사용가능)

5V 허용 UART(높은 호환성을 가지고 있다.)