[테크월드=정환용 기자] 항공 드론은 택배에서 엔터테인먼트, 스포츠 이벤트에 이르기까지 다양하게 쓰이고 있다. 2022년까지 전 세계 무인 항공기(UAV) 시장은 210억 달러에 달하며, 1270억 달러 이상의 비즈니스 서비스를 목적으로 세계 시장 경제를 주도할 것으로 전망된다. 드론에 빠르게 영향 받게 될 산업으로는 인프라, 농업, 교통, 보안, 엔터테인먼트와 미디어, 보험, 이동통신, 광업 등이 있다.

 

특정 산업 분야의 드론 설계와 맞춤화는 생산성을 최적화하고 안전성을 향상시키며, 현재 방식이 환경에 미치는 영향도 줄인다. 하지만 드론 설계자는 실생활에서의 드론 배치를 실현하기 위해 다음과 같은 몇 가지의 기술 과제를 해결해야 한다.

▲모든 상황에서 작동 날씨나 일광 조건, 연기나 안개로 인한 시야 방해 또는 나무와 다른 물체로 인한 장애물 등을 이유로 드론이 이륙을 못하면 배치된 드론 시스템의 실제 생산성에 큰 영향을 줄 수 있다. 주변 환경 조건에 따라 정확하게 작동할 수 있는 드론을 설계해야 한다.

▲경량 설계 드론 플랫폼의 무게를 줄이면 주어진 배터리에서 비행 시간이 늘어난다. 드론 시스템이 가벼울 수록 배치도 더 쉬워진다. 또한, 드론 플랫폼의 무게를 줄이면 유상하중 예산이 늘어나서 온보드 애플리케이션 특화 툴에 이용할 수도 있다. 이 모든 고려사항이 드론 플랫폼의 생산성을 크게 향상시킨다.

▲빠른 속도 드론의 비행이 빠를수록, 생산성은 늘어나지만, 설계자는 속도와 안전 고려 사항의 균형을 유지해야 한다. 드론은 최대 수평 속도를 70kph 이상 달성할 수 있다. 두 개의 드론이 서로를 향해 바로 날아가면 클로저 레이트(Closure rate)가 초당 40m인데, 감지와 회피(Sense-and-avoid) 기능에 큰 문제가 생긴다.

▲지능형 작동 지상에서는 오차 한계가 줄어들기 때문에, 드론이 작동하기 가장 위험한 시기는 이륙이나 착륙 시 지상에서 가까울 때다. 조작자가 실수로 드론을 망가뜨리거나 분실하면, 생산성에 크게 영향을 주고 여러 가지 안전 문제를 발생시킬 수 있다. 핵심은 드론이 지상에 가까워질 때의 속도로, 센티미터 단위에서 거리를 정확하게 감지할 수 있는 능력이 중요하다. 또 반드시 갖춰야 할 기능은 안전한 착륙을 위한 지면의 종류와 그 지면의 상태를 드론이 감지하는 것이다.

▲물체 감지와 회피 드론 플랫폼은 물리적인 장애물이 있는 환경에서도 작동한다. 이에따라 드론은 장애물을 감지하고 회피 조치를 취하는 기능은 드론의 손상이나 손실 가능성을 줄이고, 주변 환경의 손상 가능성도 줄여준다.

 

밀리미터파(mmWave) 실리콘 센서의 애플리케이션
TI의 밀리미터파(mmWave) 센서는 RF 프로세싱과 캘리브레이션, 고속 ADC, 마이크로컨트롤러(MCU), 디지털 신호 처리(DSP), 단일 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 모놀리식 칩에 통합된 메모리다. 이 메모리는 센서와 드론 주변 물체 사이의 거리, 속도, 각도를 정확하게 알려준다. 통합 레벨에 따라 디바이스의 확장형 제품군이 [그림 1]처럼 서로 다른 프로세싱 출력을 처리하고, 이것을 여러 가지 시스템 아키텍처에 사용해 주변 환경과 잠재적 장애물에 대한 실시간 정보를 드론 제어 시스템에 출력할 수 있다.

[그림 1] mmWave 신호 처리

이 실시간 정보를 통해 설계자는 실제 배치에서 높은 생산성을 발휘하고 앞에서 언급한 설계 문제점까지 해결하는 드론 시스템을 제작할 수 있다. 복수의 센서와 감지 방식을 적용하면 안전성이 중첩되고, mmWave 감지는 이런 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시한다.

 

모든 상황에서 작동
우리가 흔히 알고 있는 레이더 기술은 새로운 것이 아니다. 영국의 물리학자 로버트 왓슨 와트(Robert Watson Watt) 경이 1935년에 최초로 실용화된 시스템으로 만들었다. 현대의 항공기에 사용되는 마이크로파 레이더와 마찬가지로 30–300GHz 스펙트럼의 mmWave 디바이스는 모든 기후 조건에서 작동한다. [그림 2]의 주파수 스펙트럼을 살펴보면, mmWave 센서는 광자와 마이크로파 사이의 스펙트럼에서 작동한다.

[그림 2]주파수 스펙트럼

이 스펙트럼에서 작동하는 mmWave 센서가 흥미로운 이유는 다음과 같다. ▲플라스틱, 석고 보드, 의복 등을 통해 재료를 꿰뚫어볼 수 있음 ▲진눈깨비, 비, 눈, 안개, 기타 위험한 상태를 볼 수 있음 ▲1도의 각도 정확도를 가진 고도의 방향성 콤팩트 빔 스티어링 기능을 제공 ▲밀리미터 이하의 거리 정확도로 작은 파장을 제공 ▲초점과 스티어링을 위한 표준 광학 기술을 사용 ▲두 개의 물체를 구분할 수 있는 크고 절대적인 대역폭 제공

 

경량 설계
CMOS 실리콘 기술을 이용해 가장 필요한 기능을 모놀리식 다이에 통합한 TI의 밀리미터파 디바이스와 전력 관리와 부트 프롬 집적 회로, PCB 보드 안테나는 모두 풀 센서를 구현하는데 필요하다. [그림 3]은 3개 송신 안테나와 4개 수신 안테나 구성에서 TI mmWave 센서를 이용한 D3 엔지니어링에서 기존의 모듈 크기를 보여준다. [표 1]은 mmWave 모듈의 크기와 무게를 최신 LIDAR 거리계와 비교한 것으로, 크기는 거의 3배 감소하고 무게는 절반 이하로 줄어들었다.

[그림 3]전형적인 mmWave 모듈 설계
[표 1]D3 mmWave 센서 모듈과 LIDAR 모듈의 크기와 무게 비교

솔루션의 소형화로 플라스틱 인클로저 뒤에 센서를 쉽게 배치할 수 있어, 최소한의 무게로 견고한 설계를 만들 수 있다. 이를 제조 테스트 과정에서 렌즈 하우징 툴링과 교정이 필요한 광학 또는, 적외선(IR) 기반 솔루션과 비교하면 조립 비용도 낮아진다.

 

빠른 속도
드론은 최대 72kph 사양으로 매우 빠르게 비행할 수 있다. 따라서 모든 감지 기술은 드론과 비슷한 속력으로 속도를 측정할 수 있어야 한다. Vmax, 즉 최대 측정 가능한 속도(센서와 물체가 모두 움직이는 경우 최대 상대 속도)는 다음 방정식과 같이 mmWave 송신 신호의 총 처프 기간(Total chirp period)과 관련이 있다.

여기에서 Tc는 처프 지속 시간/기간의 합이고, l는 한 사이클에서 이동한 거리이며 Vmax는 미터/초이다. IWR1443 디바이스의 데이터 시트를 보면, 76.5GHz의 시작 주파수는 λ=3.9이다. 반비례 관계를 기준으로, Tc가 48.75µs보다 작으면, 72kph보다 큰 Vmax가 감지될 수 있다. Vmax 값의 범위에서 Tc를 계산하면 [그림 4]와 같은 곡선이 생긴다.

[그림 4] 최대 측정 속도와 처프 기간 합의 비교

 

지능형 작동
실제 애플리케이션에서 드론의 생산성을 극대화하려면 조작자가 드론의 센서에서 제공되는 정보를 제공받는 것이 중요하다. 앞에서 설명한 것처럼 드론이 가장 위험한 시간은 착륙할 때처럼 지면에 가까울 때다. mmWave 기술은 착륙 과정에서 운항 정보를 제공하고, 착륙 지면의 적합성을 평가할 수 있다. 이 센서는 다른 센서 기술과는 달리 지상 가까이에 있을 때 바람으로 인한 진동이나 드론 프로펠러가 일으키는 먼지에 민감하지 않다. IWR1443 mmWave 평가 모듈(EVM)을 이용하면 지면에서 40m까지의 고도 범위와 공중에서 초당 25cm 이상의 속력에서 2cm 정확도를 달성할 수 있다. [그림 5]는 드론의 착륙 시연과 지상에서 19.73cm 고도에 있는 초당 22.55cm 속력의 드론을 캡처한 것이다.

[그림 5] 드론 착륙 시연의 스크린 캡처

또한, mmWave 센서의 정확도는 마지막 터치 다운 직전 드론의 프로펠러가 지면근처에서 일으키는 움직임을 바탕으로 착륙 지면의 종류를 알아낼 수 있다. IWR1443 mmWave EVM 를 이용해 TI에서 실행한 실험에 따르면(드론 비행이 없는 고정된 조건에서), [그림 6]과 같이 반사율 차이와 물질 표면의 미세한 진동의 측정을 바탕으로 지면을 수면과 구분할 수 있었다. 물을 감지할 경우, 드론은 착륙을 멈춰 화물이나 드론 자체의 손상이나 손실을 방지할 수 있다.

[그림 6]mmWave를 이용해 지면이나 수면을 감지

 

물체 감지와 회피
mmWave 센서는 빛, 연기, 먼지, 안개에 상관 없이 물체를 감지할 수 있다는 것 외에도, 다른 센서 기술로는 감지하기 어려운 물체를 감지할 수 있다. 그 한 가지 사례가 드론의 경로에 연결된 송전선이나 전화선, 공중 안테나 또는 철사 울타리 같은 전선을 감지하는 것이다. TI는 무반향실에서 여러 가지 종류의 와이어를 감지하는 몇 가지 실험을 했다. [그림 7]은 실험실 환경을 묘사한 것이다.

[그림 7] 와이어 라인 실험을 위한 무반향실 실험 환경

 

실험에 쓰인 와이어의 종류에는 전기 확장선, CAT. 5 이더넷 케이블, 비금속(고무) 케이블 선, 꼬인 두 가닥의 30 게이지 구리 와이어와 [그림 8]의 한 가닥 30 게이지 구리 와이어가 있다.

[그림 8] 30게이지 구리 와이어

 

IWR1443 mmWave EVM 안테나는 1m 거리의 수직과 수평 위치에서 서픽스 플립(Suffix flio) 측정 값을 수집했다. [표 2]는 실험 결과다. 수직 방향에 비해, 수평 방향이 더 높은 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 수치를 달성했다. SNR이 높아지는 이유는 실험실에서 해당 방향으로 클러터가 더 낮아지기 때문인데, 특히 한 가닥의 얇은 와이어에서 더욱 반응이 나타났다. 또한, IWR1443 EVM에서 4개의 수신 안테나를 이용해 RX 디지털 빔포밍(BF)을 적용하여 6-dB 게인도 관찰했다.

IWR1443 mmWave EVM 외에도 이 와이어 실험용 혼 안테나가 달린 내부 특성화 보드도 사용됐다. 혼 안테나는 안테나 빔이 훨씬 좁아 클러터를 크게 줄일 수 있다. 이 실험 과정에서 와이어를 4.5m 위치에 배치하고, 각각의 와이어 유형에 대해 CFAR(Constant False Alarm Rate) SNR을 측정했다. 다음 방정식은 와이어의 최대 감지 거리를 계산한 것이다: 

 

[그림 9]는 CFAR 감지 쓰레스홀드가 15dB인 경우, 각각의 와이어 유형에서 예상되는 최대 감지 거리를 보여준다.

[그림 9] 와이어 유형별 감지 거리 측정

 

이 분석에 따르면, TI의 mmWave 센서는 9m 추정 거리의 매우 얇고 가장 까다로운 30 게이지 단선 와이어에서 가장 게이지가 큰 21m의 확장선까지 테스트 받은 모든 와이어 유형을 감지할 수 있다. MIMO(Multiple Input/ Multiple Output) 기능을 이용한 IWR1443 mmWave EVM은 실제 공중 전력선의 옥외 데이터를 가져왔다. [그림 10]은 이 사진에서 간신히 보이는 작은 직경의 전선(빨간색 화살표의 네 번째 와이어)에 대해 EVM이 25m에서 38m까지의 전선을 확실하게 감지할 수 있음을 보여준다. 이 실제 데이터는 실험에 쓰인 와이어 샘플 유형의 공격적인 성질과 보수적인 추정 결과를 강조하고 있다.

[그림 10] IWR1443 EVM에서의 옥외 전선 감지

부수적인 관찰로서, 이 실험 사진에 보이는 나뭇잎 또한 센서의 시야에 잘 나타나 있다. TI의 mmWave 센서는 움직이거나 그늘져 있는 잎사귀이든 상관 없이 나무의 잎을 감지할 수 있고, 전력을 소모하는 과도한 계산을 필요로 하지 않는다. 그리고 매우 얇은 단일 와이어에서 40m 거리의 표준 오버헤드 전선까지 와이어 라인을 확실히 감지할 수 있다.

분석에 이 사용 사례를 선택한 이유는 다른 감지 기술로는 감지하기 어렵고 계산도 복잡하기 때문이다. 또한, 이 사례는 산업용 드론의 실생활 배치를 잘 보여주는데, 예상되는 생산성과 안정성을 달성하기 위해 물체를 감지하고 그 주위를 탐색한다.

TI의 모놀리식 실리콘에 mmWave 센서를 통합해 설계자는 산업을 재정립하고 경제적인 생산성을 높여주는 드론 플랫폼을 만들 수 있다. 이런 센서는 어떤 환경에서도 높은 속력으로 작동할 수 있는 탁월한 성능을 가지고 있다. 또한, 착륙과 이륙 정보와 전선 같은 물체의 감지 능력을 제공한다. 

 

작성

데니스 바렛(Dennis Barrett) | 마케팅 매니저
댄 왕(Dan Wang) | 시스템 엔지니어
아딜 아흐마드 (Adeel Ahmad) | 시스템 엔지니어
바이하브 마힘카르(Vaibhav Mahimkar) | 애플리케이션 엔지니어
자료제공=텍사스인스트루먼트

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