강풍 속 드론의 자세 유지 원리, 네 프로펠러와 센서는 어떻게 균형을 잡나

드론은 바람에 밀려 기울어져도 모터 출력을 재빨리 조절해 자세를 바로잡는다.

가벼운 기체가 공중에서 제자리 비행을 하는 데에는 프로펠러의 회전 방향, 기울기를 읽는 센서, 그리고 모터를 조정하는 제어기가 함께 작동한다.

먼저 네 프로펠러는 모두 같은 방향으로 돌지 않는다.

앞쪽 왼쪽과 뒤쪽 오른쪽은 시계 방향, 나머지 두 개는 시계 반대 방향으로 회전한다.

프로펠러가 공기를 밀어내면 기체에는 반대 방향으로 돌려는 반작용이 생기는데, 서로 반대 방향으로 도는 프로펠러가 만드는 회전력이 상쇄되도록 한 배치다.

꼬리 프로펠러로 몸통 회전을 막는 헬리콥터와 달리, 드론은 이 구조로 기체가 팽이처럼 도는 것을 억제한다.

하지만 회전력의 균형만으로 돌풍에 대응할 수는 없다.

기판의 IMU(관성 측정 장치)에 들어 있는 자이로·가속도 센서는 기체가 기울거나 움직이는 정도를 감지한다.

센서는 0.1도 기울어진 변화도 포착하고, 자세를 초당 1,000회 이상 측정한다.

사람이 바람을 알아차리기 전에 기울기 정보를 비행 제어기(FC)에 보내는 셈이다.

FC는 측정된 기울기와 목표 자세의 차이를 계산해 모터 출력을 바꾼다.

예를 들어 오른쪽이 들리면 오른쪽 프로펠러의 회전수를 낮춰 양력을 줄이고, 왼쪽은 회전수를 높여 수평을 되찾는다.

이 계산에는 PID 제어 알고리즘이 쓰이며, 제어기는 약 0.001초 만에 계산을 마친 뒤 전자 변속기(ESC)에 신호를 보낸다.

모터 회전수는 초당 수백 번 조정될 수 있어, 드론은 바람에 밀린 방향과 반대로 기울며 위치와 자세를 회복한다.

이 정밀 제어는 촬영뿐 아니라 도서산간 배송과 재난 구조에도 쓰인다.

화물의 무게 중심이 바뀌어도 모터별 출력을 다시 나누고, 화재 현장에서는 열화상 카메라를 안정적으로 비춰 조난자 정보를 전달하는 데 도움을 준다.