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Nikkei Monozukuri_2022.2 뉴스 심층 (p27-29)

소니 혼신의 드론 분해
이상 실현을 위해 모든 것을 독자 개발

중국 DJI의 시장 점유율이 높고, 하드웨어가 범용화됐다는 평가까지 나오는 멀티콥터형 드론 시장에 소니 그룹이 도전장을 내밀었다. 소니는 2021년 11월 중순, 드론 제1탄으로서 ‘Airpeak S1’를 출하했다. 소니의 협력을 얻어 실시한 드론 분해를 소개한다.

Airpeak S1는 크리에이터가 지금까지 없는 영상을 촬영할 수 있는 기체를 목표로 하여, 높은 운동 성능을 실현했다. 예를 들면, 호버링 상태에서 속도 80km/h에 도달할 때까지의 시간이 3.5초로, 타사 제품과 비교해 가장 높은 가속 성능을 자랑한다. 또한 최대 상승 속도는 7m/s, 하강 속도는 4m/s, 최대 각속도는 180°/s 등으로 상승과 하강, 반전 등의 리스폰스도 높다.

GNSS(위성을 이용한 측위 시스템)의 전파가 닿지 않는 실내나 다리 아래에서도 안정적으로 비행할 수 있다. 이 때문에 다수의 스테레오 카메라와 센서를 탑재하고, 자기위치, 자기자세를 고정밀도로 추정함과 동시에 주위 공간을 실시간으로 인식한다.

2018년 봄에 시작한 개발은 완성까지 약 3년이 걸렸다. 기체 설계는 물론 프로펠러와 모터, 각종 센서의 정보를 처리하는 프로세서 등을 자체적으로 개발했다. 시판 부품으로는 목표로 하는 성능을 실현할 수 없었기 때문이다.

-- CFRP제 섀시로 강성 확보 --
분해하는 모습을 쫓아가 보자. 우선은 2개의 배터리 팩을 본체에서 분리하고, 그것을 덮는 상판을 벗긴다. 상판의 안쪽에는 적외선 측거 센서와 GNSS 칩이 장착되어 있다.

Airpeak S1은 적외선 측거 센서를 2개 탑재하고 있다. 기체 윗면과 물체와의 거리를 측정할 수 있기 때문에 다리 밑을 통과할 때 등에 사용한다. GNSS 칩은 업계 대기업인 스위스 u-blox의 칩을 채용했다. 측위 위성은 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 일본의 QZSS에 대응한다.

다음으로 배터리를 고정하는 배터리 홀더를 분리한다. 이 때 드러나는 것은 몸체의 강성을 확보하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)제 섀시다. 기민하게 움직이려면 가볍고 높은 강성을 확보해야 한다.

섀시를 분리하자 Airpeak S1 심장부가 나타났다. 프로세서를 실은 메인 기판이나 방열용의 공냉 팬 등이 보인다. 기판 주위에는 열경화성의 CFRP제 암과 바디부를 접합하는 4개의 조인트가 있다. 조인트에는 가벼우면서 강도를 확보할 수 있는 마그네슘 합금을 채용했다.

메인 기판 칩에는 전자파 대응용의 금속제 실드판(Shield Plate)을 씌웠다. 드론은 프로펠러를 회전시키면 모터에 큰 전류가 흐른다. 이때 발생하는 전자파의 영향을 줄이면서 RF 신호의 간섭이나 감도 열화를 피하기 위해서다. 실드판을 벗기자 메인 기판에 장착된 여러 개의 칩이 드러났다.

-- Airpeak S1이 처음 채택한 자체 프로세서 --
메인 기판 표면에는 주로 3개의 칩을 탑재한다. Sony Semiconductor Solutions의 ‘비전 센싱 프로세서’와 미국 퀄컴의 애플리케이션 프로세서 ‘Snapdragon 845’, 그리고 퀄컴의 Wi-Fi/Bluetooth 칩이다. 비전 센싱 프로세서에는 방열핀이 장착되어 있었다. 한편, 뒷면에는 비전 센싱 프로세서용 메모리와 Snapdragon 845용 전원관리IC를 탑재하고 있었다.

비전 센싱 프로세서는 자기위치 추정이 필요한 자율이동형 기기용으로 개발한 프로세서로, 거리 정보나 특징점을 검출하는 엔진, 심층학습의 추론 기구를 갖추고 있다. 제품에 탑재한 것은 Airpeak S1가 처음이라고 한다.

Airpeak S1은 기체의 다섯 방향(전, 후, 좌, 우, 밑)으로 배치된 스테레오 카메라의 영상에서 DNN(Deep Neural Network) 처리로 장애물이나 사람, 차량 등의 물체를 감지한다. 앞으로는 특정 사람을 추종해 촬영하는 것도 가능해진다고 한다.

또한 지자기, 기압, 적외선 측거 등의 센서 정보를 통합함으로써 자기위치, 자기자세를 고정밀도로 추정한다. 자기위치 추정 소프트웨어는 R&D센터에서 개발한 기술을 드론용으로 최적화한 것을 사용하고 있다.

Snapdragon 845는 8코어의 스마트폰용 프로세서이다 (약 3년 전의 스마트폰을 탑재했다. 예를 들면, 소니가 18년 11월에 발매한 플래그십 모델 ‘Xperia XZ3’ 등을 탑재하고 있었다). Airpeak S1에서는 자기위치와 자기자세 추정 정보나 Wi-Fi, FPV(기체 전방 카메라) 정보를 기본으로 기체∙짐벌을 포함한 시스템 전체를 통합 제어한다.

다음으로 메인 기판을 분리하자 ‘플라이트 컨트롤러/전원기판’이 모습을 드러냈다. 플라이트 컨트롤러는 적외선 측거, 지자기, 기압, IMU(Inertial Measurement Unit: 관성계측장치), GNSS 등 각종 센서의 정보를 해석해서 모터나 프로펠러, ESC(Electric Speed Controller)를 제어하는 드론의 요체다.

플라이트 컨트롤러 칩은 기판 뒷면에 탑재되어 있었다. 뒷면에는 전원관리IC와 플라이트 로그 기록용의 SD카드 슬롯도 탑재하고 있었다. 전원관리IC는 하나 위에 설치한 메인 기판이나 플라이트 컨트롤러, 각종 센서에 대한 전원 공급을 관리하는 역할을 맡고 있다. 한편, SD 카드는 각종 명령값과 센서값을 플라이트 로그로서 보존한다. FPV 카메라 영상은 인코딩으로 압축되어 전용 송신기에 무선으로 전송된다.

플라이트 컨트롤러/전원기판의 밑에는 기판이 2장 있었다. 즉, Airpeak S1의 기판은 ‘3층 건물’ 구조로 되어 있다. 1층 부분에 있는 2장의 기판은, 4개의 모터에 전력을 공급하기 위한 전원 분배용의 기판과 6축의 IMU를 탑재한 소형 기판이다.

-- 높은 토크의 자체 개발 모터 --
여기까지 바디부의 분해는 종료다. 다음으로 Airpeak S1의 운동 성능을 실현하는 요체가 된 모터부를 분해한다. 우선 본체를 거꾸로 하고, 프로펠러 반대 측에 돌기처럼 뻗은 외장 부품인 ‘안테나 커버’를 떼어낸다.

이 안에 중요한 부품이 숨겨져 있었다. 전용 송신기와의 무선통신용 안테나 기판이 2개, 지자기 센서를 탑재한 기판이 1개 있었다. 모두 세로로 긴 모양이다. Airpeak S1은 전용 송신기와 2.4GHz대 드론용 확장 Wi-Fi 방식으로 통신한다. 영상 등을 최대 2km 거리까지 전송할 수 있다고 한다. 한편, 지자기 센서는 대전류로 발생하는 자기장의 영향을 피하기 위해 바디부에서 떨어진 안테나 커버 내에 설치한 것으로 보인다.

다음으로 모터부 본체를 분해한다. 안테나 커버 내의 기판이 접속하는 섀시를 떼어내자, 프로펠러를 돌리는 브러시리스 모터와 그것을 제어하는 ESC를 탑재한 기판이 나왔다.

Airpeak S1처럼 높은 추진력을 얻으려면 낮은 회전수에서도 비교적 큰 부력을 얻을 수 있는 프로펠러가 필요하다. 그래서 소니는 프로펠러 회전면과 날개 사이의 각도가 큰 프로펠러를 독자적으로 개발했다. 모터에 부하가 걸리기 때문에 경량으로도 높은 토크를 발휘할 수 있는 브러시리스 모터, 그리고 모터를 제어하는 ESC의 알고리즘도 독자적으로 개발했다고 한다.

-- 2축으로 움직이는 기체 전방 카메라 --
마지막으로 카메라 계열 유닛을 분해한다. 기체의 전면에서 기체의 방향을 영상으로 검출하는 FPV 짐벌 카메라와, 기체 후방에 장착한 스테레오 카메라 유닛이 있다. FPV 짐벌 카메라는, 모터로 롤(회전)과 피치(상하)의 2방향으로 움직인다. 내부에서는 카메라와 짐벌의 제어 기판이 나타났다. 프로펠러의 진동이 카메라에 전해져 영상이 흔들리지 않도록 댐퍼로 진동을 흡수하는 기구를 내장하고 있었다.

Airpeak S1에는 스테레오 카메라를 다섯 방향에 탑재하고 있다. 기체 후방의 스테레오 카메라 유닛은 Sony Semiconductor Solutions의 CMOS 이미지 센서를 내장한 아래쪽과 뒤쪽의 스테레오 카메라 외에, 아래쪽의 적외선 측거 센서를 내장하고 있었다.

이것으로 Airpeak S1의 주요 부품의 분해는 종료되었다. 소니 AI∙로보틱스 비즈니스그룹의 마쓰자키(松崎) 씨는 “높은 강성과 경량화, 센싱의 3개의 밸런스를 잡는 것이 힘들었다”라고 회상했다.

 -- 끝 --

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