FPV

FPV; First Person View

1 개요

UAV + 실시간 화상 전송 시스템 + 1인칭 전방카메라 = FPV
그러나 원래 영어는 First_Person_View 로, UAV 의 하위 기술에 속하는 것이다.
자매품으로, 지상 스테이션과 HUD가 있어야 운용 가능하다.

FPV를 사용가능한 항공기는 관측 카메라를 제외하고 전방만 보는 카메라가 별도로 장착되며, 이를 통해 항공기의 전방을 1인칭 시점에서 관찰할 수 있다. 또한 이 카메라 링크는 OSD 프로세싱 이후 별도의 전파체널로 송신되기 때문에 어떤 경우에 있어서도 Out of Range Error 를 일으키지 않도록 한다.

당연하지만, 대부분의 UAV 프로세서는 FPV를 지원하도록 하고있다.

2 RC에서의 FPV

2.1 사용

군사적, 혹은 개인이 구매/관리하기 어려운 본격적인 UAV가 아니더라도 평범한 RC 항공기에 카메라를 달아 FPV를 즐기는 경우도 있다. 물론 RC카에도 사용하지 않는 것은 아니지만 일반적으로 항공기 쪽이 더 FPV의 매력이 강하므로 주로 항공RC인들이 즐긴다. 안정적인 활공성을 살릴 수 있는 비행기에 장착하는 경우가 가장 많지만 헬기나 멀티콥터에도 장착한다. 특히 항공촬영을 하려는 경우, 상공에서 찍힌 사진을 매번 착륙시켜 확인하기에는 너무 번거롭기 때문에 FPV를 이용해 위치와 구도를 지상에서 확인하면서 촬영한다.

2.2 필요 물품

2.2.1 RC항공기

당연하지만 일단 하늘을 날 수 있는 무선조종항공기가 필요하다. 촬영 목적이라면 멀티콥터, FPV 비행 자체가 목적이라면 비행기가 유리하다.
멀티콥터의 경우 카본이나 FRP 등 단단한 재질로 프레임을 만들기 때문에 모터의 진동이 카메라에 전해지기 쉽다, 게다가 모터도 최소 3개 이상 있으니...... 프롭 밸런스를 잘 맞추고 방진에 신경써야 한다. 촬영 목적이니만큼 무거운 카메라를 들고 짐벌도 달아야 할 것이고 비행기는 물론 헬기보다도 배터리를 잡아먹을 멀티콥터로 장시간 촬영을 하기 위한 커다란 배터리도 들어야 하니 추력이 충분한 멀티콥터를 선택해야 한다.
비행기를 선택한다면 EPP 고익 푸셔기가 적절하다. EPP가 진동을 어느 정도 흡수해 주고, 프롭이 뒤에 있는 푸셔기의 특성상 기수에 카메라 달기가 편하다. 외국에서는 FPV가 유행하면서 2m의 윙스팬을 가진 EPP 푸셔기도 나오는 등 FPV에 특화된 비행기도 있다. 참고로 비행기의 경우 CIGS 태양전지를 날개 표면에 실장해서 약간의 무게 상승만으로 런타임이 2배가 되는 기적을 보여줄 수 있다.
드물게 헬기를 이용하는 경우도 있다. 사실 헬기는 멀티콥터처럼 호버링이 가능한 것은 물론 멀티콥터보다 자유로운 기동이 가능하고 기계적으로 멀티콥터보다 안정적이고 기동성이 높은데다 효율적이라 어찌 보면 FPV에 가장 이상적인 기체이지만, 그 이상적인 기계적 롤/피치축 안정성 때문에 자이로 센서를 통해 전자적으로 안정성을 확보하려는 시도가 늦었으며, 자이로 외의 GPS나 지자계 센서 등에는 아예 관심이 없고, 그나마 있는 자이로도 헬기의 과격하고 즉각적인 기동성을 살리는 데 초점이 맞춰져 있는 등 FPV비행과는 전혀 반대되는 방향으로 발전중이다. 게다가 무엇보다....... 크고 아름다운 로터와 복잡한 기계적 구조로 인해 진동을 잡으려면 날밤을 새어야 한다....... 실제로 기본 조립이 되어 있는 RC헬기의 기계적 세팅은 샵 사장님급의 숙련자 기준으로 정말 한나절이 걸린다. 반면 멀티콥터는 프롭 밸런스만 잡으면 더 할 게 없으니......대신 ATMEGA의 코드를 짠다 그 고생을 해서 미친 듯이 잡아돌릴 수 있게 세팅한 헬기에 FPV장비를 싣고 호버링이나 하고 싶은 사람은 없을 것이다. 굳이 하고 싶다면 오토파일럿을 추천. 저가형은 그다지 의미가 없고, 최소한 얼라인APS 쯤은 달아야 멀티콥터 대신 헬기를 선택한 의미가 있다APS값이 FPV기자재값+LRS 총합과 맞먹는 건 안자랑 실제로 수신기랑 병렬로 ARM 을 사용해 만든 FCC 를 장착해 UAV 화 한 헬기도 간혹 존재한다.

2.2.2 카메라

영상을 촬영해야 하므로 당연히 카메라가 필요하다. 일반적인 디카도 영상 출력 기능이 있다면 사용할 수 없는 것은 아니지만, 똑딱이 디카라 해도 무게가 상당한데다 굳이 LCD가 달려 있거나 영상을 저장하는 등의 다양한 기능이 필요하지는 않으므로 보통 자동차의 후방 카메라에 쓰는 것과 비슷한 기본적인 카메라 모듈만 사용한다. 다만 굳이 고화질을 요구한다면 고프로 등이 많이 쓰인다.
FPV에 사용되는 카메라는 화질도 중요하지만 그 이상으로 화각이 넓은 쪽이 좋다.

카메라는 보통 2개가 장착되는데, 하나는 일반 NTSC 를 사용하여 실시간 영상 송수신에 쓰이는(특히 OSD 에 씌우는) 카메라, 그리고 짐벌이나 서보에 장착해 녹화 및 고속 링크에서의 영상 전송을 위한 고해상도 카메라로 구성된다. 고해상도 카메라의 경우 짐벌에 다는 경우가 많은데, 이 짐벌을 장착하기 애매한 경우, 비행기의 경우! 네트워크 CCTV 용 카메라 중에 스피드돔이나 돔 카메라를 사용하면 초경량에 상하좌우회전 + IR 과 줌 컨트롤이 가능해진다. 물론 드라이버는 알아서 짜야하지만!

2.2.3 영상 송수신 장치

카메라로 촬영된 영상을 무선으로 송신하는 송신장치와 그것을 수신하여 영상신호로 변환하는 수신장치도 필요하다. 매우 민감한 부분인데, 국내에서 구매할 수 있는 CCTV용도의 무선 영상 송수신기는 실질적인 사용 거리가 수십m에 불과한 경우가 대부분이다. 국내 전파법에 따라 출력이 10mW로 제한되기 때문.
이 문제를 합법적으로 해결하기 위해서는 안테나에 본격적인 투자를 하는 수밖에 없다. 그러나 안테나는 매우 난해하고 돈이 많이 드는 부분이므로 대부분은 영상 송수신 장치 쪽에서 알아서 해결한다(?). 200mW급이 가성비는 좋다는 듯.
주파수는 900MHz, 1.2GHz, 2.4GHz, 5.8GHz 등의 대역을 사용하는데, 안테나를 작게 구성할 수 있으며 RC송수신기의 2.4GHz와 간섭이 가장 적은 5.8GHz가 많이 사용된다. 다만 전파는 주파수별로 그 용도가 할당되어 있는데, 그 외의 용도로 전파를 사용하면 불법이 된다. 물론 FPV용으로 할당된 주파수 따위는 없으니 알아서 잘 하자(?). 당연한 얘기지만 그런 이유로 국내에서 이 영상 송수신 장치는 구할 수 없으니 해외 사이트에서 알아서 잘 하자(?).

영상 링크의 경우 대체로 OSD 나 탑제된 FCC 에서 고속 데이터링크로 10Hz 의 갱신률로 기체의 Status 를 쏴주는데, 베이스스테이션에서는 기체의 위치와 베이스스테이션의 위치를 계산해 지향성 안테나를 해당 방향으로, 기체에서는 베이스스테이션 방향으로 지향성 안테나를 향하게 해 통신이 이루어지게 한다. 또한, 어느나라에서던지 마찬가지로 전파출력에 대해 매우 민감한 관계로 송수신장치에서 지속적으로 RSSI 를 검토해 상호간의 RSSI 가 - 90dB 이하가 되지 않을 정도로, 고급 수신기는 -120dB 이하가 되지 않을 정도로 서로의 출력을 조절한다. 즉, 멀리갈수록 Tx 측과 Rx 측의 출력이 다들 포풍상승한다. 이러니까 1W 5W 이런물건이 FCC 승인을 받고 시판될 수 있는 것이다.

FCC의 구성에 따라 영상을 데이터링크에 밴딩해서 부호화 한 다음 데이터망으로 쏠 수도 있는데 이 경우엔 지터와 레이턴시 관리를 잘 해야 한다.

2.2.4 안테나

영상을 안정적으로 수신하기 위해서 꼭 필요한 것이 안테나이다. 기본적으로 RC용 조종기나 인터넷 공유기에 사용되는 것과 비슷한 다이폴 안테나도 사용되지만, 이득이 떨어지기 때문에 다양한 안테나를 사용한다. 영상 송신장치에는 클로버 모양의 안테나가 많이 쓰이고, 수신장치에는 넓은 판 모양의 지향성 패치 안테나가 주로 쓰인다. 드물게 접시형 안테나나 야기 안테나를 사용하는 경우도 있는 듯한데, 효과는 좋겠지만 주파수에 맞는 걸 찾기 힘들고 워낙 비싸 일반적이지는 않다. 다만 본격적으로 사용하는 경우는 기체에 장착된 GPS에서 신호를 받아 안테나가 기체 방향을 자동으로 지향하도록 하여 최대의 효율을 노리기도 한다.

주로 비행체 쪽에는 다이폴이나 모노폴 안테나가 쓰이고 베이스쪽에서 지향성 안테나를 사용하는게 정석이지만, 개발의 여하에 따라 비행체 쪽에도 지향성 패치 안테나를 사용할 수 있다.

2.2.5 디스플레이 장치

수신기에서 받은 영상 신호를 표시할 장치로 가장 이상적인 것은 고글형 디스플레이 장치다. 고글 안에 작은 LCD가 들어 있어 주위 밝기에 상관 없이 크게 느껴지는 화면으로 비행을 즐길 수 있다.
다만 가격이 비싸기 때문에 일반적인 LCD를 사용하는 경우도 있다. 주로 후방카메라 기능을 지원하는 자동차 네비게이션 등을 이용하며, 영상 수신장치에 따라서는 컴퓨터 모니터나 노트북 화면을 이용하기도 한다. 이 경우 주위가 너무 밝으면 화면이 잘 보이지 않기 때문에, 네비를 골판지 박스 안에 넣어서 본다거나 자동차 안에서 보는 등의 방법을 사용하게 되는데 고글에 비해 좀 없어보이는 것이 단점.
단 모니터에 따라서 영상 신호가 조금이라도 약해지는 경우 블루스크린 혹은 블랙스크린을 띄우는 경우가 있는데, FPV 비행 중에는 영상 신호에 일시적으로 쉽게 노이즈가 낄 수 있으니 이런 모니터를 사용하면 수시로 블루스크린이 뜨게 되어 비행이 어려워진다. 가급적 약한 신호라도 그대로 화면에 뿌려 주는 모니터를 찾아 보자. 대안으로 NTSC/PAL 신호를 HDMI신호로 바꿔 주는 컨버터를 사용해 모니터에 연결하면 아무리 약한 신호라도 비춰 준다고 하니 참고할 것.

2.2.6 OSD 혹은 FCC

위의 디스플레이 장치까지가 필수적인 부속이라면, 여기부터는 필수적이진 않지만 있으면 매우 편한 부속. 제품에 따라 다르지만, 배터리 전압(잔량)이나 비행시간, 기체의 기울기(자세), 방위, 출발위치의 방향과 거리, 고도, 속도 등등의 정보를 화면에 표시해 준다.

대개의 경우 OSD 는 그냥 디스플레이의 부속 정도로만 쓰이지만, 이게 좀 많이 진화하면 FCC 로 변신하게 되는데 내부에 장착되는 기능이 매우 많아진다.

• 3축 혹은 6축 자이로 + 가속도 + 지자기센서 콤비. 2016년 기준 보쉬에선 9축모듈이나 12축 모듈도 나온다.
• 위 센서를 사용한 스테빌라이징 동작. 헬기에 들어가는 테일락이나 FLS 용 APS 자이로랑은 비교가 안된다.
• 10Hz 갱신의 D-GPS, GLONASS GNSS 시스템. 보통 외장 모듈로 장착. 2016년 기준 SBAS 시스템과 GBAS 시스템, 중국 북두도 지원한다.
• 고해상도 HD-SDI 카메라 연결이나 2체널 카메라 연결, 네트워크 카메라 연결
• 24~25Ghz(k-band) 민수용 도플러 레이더 및 이를 이용한 GPWS 와 자동 고도 상승 시스템
• 자동 운항(Auto Pilot). WayPoint 만 찍으면 이륙부터 착륙까지 알아서 한다.
• 데이터링크의 전 디지털화. 무선랜이나 LTE 네트워크로 베이스와 통신한다.
• 각종 계기 센서와의 연동. 비행체 내에 존재하는 센서들의 데이터를 전부 읽어서 네트워크로 보내준다.
• 다른 기기를 제어할 수 있는 I2C 인터페이스나 ZigBee, 및 GPIO 포트를 여유롭게 준비하고 있기도 하다. 특히 GPIO 의 경우 서보를 물리면 바로 서보제어가( Servo.h 헤더를 미리 컴파일 및 링크해두자.) 가능해 짐벌 장착시 매우 편리하다.

2.2.7 틸팅 장치

카메라를 기체에 장착하는 가장 기본적인 방법은 전방을 향하도록 기수에 고정하는 것이지만, 아무리 화각이 넓은 카메라라도 고정되어 있는 상태에서는 상공에서의 경치를 마음껏 즐기기 힘들다. 특히 옆으로든 뒤로든 날 수 있는 헬기나 멀티콥터와 달리 앞으로만 날 수 있는 비행기는 옆을 보려면 비행 방향을 바꿔야 하니......
그래서 서보를 이용해 카메라를 좌우로 회전시킬 수 있는 장치를 다는 경우도 있다. RC 조종기의 조작에 따라 카메라를 좌우로 돌려 경치를 즐길 수 있는 것이다. 좀 더 고급스럽게는 상하로도 회전이 가능하게 하기도 하며, 고글형 디스플레이 장치에 자이로 센서를 달고 머리를 돌리는 방향에 따라 카메라가 회전하도록 만드는 괴인도 있다.
항공촬영의 경우 어차피 촬영 카메라용 짐벌을 달아야 하니 논외로 치자.

2.3 주의점

위에서 언급한 바와 같이 국내에서 10mW 이상의 전파 송신 장치는 불법이므로 영상 송신 장치는 알아서 잘 하자(?). RC용 송수신 장치도 10mW인데 1km 이상 전파가 닿는 것을 보면 안테나만으로도 어떻게 할 수 있을지 모르나, 자세한 사항은 추가바람. 또한 전파는 주파수별로 용도가 분배되어 있는데, 이 주파수를 어기는 경우에도 불법이 된다. 알아서 잘 하자(?).
일정 거리, 이상에서 FPV 비행을 하려면 고출력의 영상 송수신 장치와 고이득 안테나는 물론 오토트래킹 역시 필수가 된다. GPS센서가 달린 OSD도 필수이고....... 이 쯤 되면 RC송수신기의 수신거리도 문제가 되므로 LRS, 즉 Long Range System이 필요해진다. 433MHz 대역의 주파수로 1W 이상의 강려크한 전파를 쏘아 주는 것이 일반적인데, 주파수로 보나 출력으로 보나 불법이다. 알아서 잘 하자. 다만 강한 LRS라 해도 출력은 10W 정도고, 이 주파수역을 사용하는 아마추어 무선 통신에서는 이보다 몇 배는 강력한 전파를 쏘아 대는 경우도 흔하다. 물론 LRS에도 주파수 도약 기능이 어느 정도 적용되어 있으므로 구형 72MHz처럼 간단히 노콘이 나지는 않겠지만....... 강력한 전파가 있으면 주파수에 상관 없이 노콘이 나는 경우가 있으니 주의하기 바란다.
일단 여기까지는, 불법이긴 하나 실제로는 극단적으로 수십, 수백W의 송신장치를 사용하는 등의 짓을 하지 않고서야 별 피해가 발생하는 부분이 아니고 적발도 어려우니 그냥 넘어가게 되지만, 비행금지/제한구역 등을 비행하는 경우에는 실제로 경찰이나 군인(!)이 출동하는 경우도 있으니 주의.청와대 위에서 날리면 코렁탕을 먹을 것이다 비행금지구역이 아닌 곳이라도 초경량비행장치 비행제한구역에서는 미리 비행계획을 세워 허가를 받지 않으면 날릴 수 없다. 문제는 제한구역 아닌 곳 찾기가 훨씬 쉽다는 것이다. 덧붙여 이는 FPV를 사용하지 않는 일반 RC 항공기, 심지어 고무동력기도 마찬가지이니 미리 비행계획을 세워 국토교통부 장관의 승인을 받거나, 알아서 잘 하자(?).
FPV 비행시 중요한 것은 너무 멀리 보내지 않을 것, 그리고 조종자의 위치(출발위치)를 항상 인식하고 있을 것 등이다. 기체를 지나치게 멀리 보내서 영상송신기의 전파나 RC조종기의 전파가 닿지 않게 되면 시망이다. 기체와 그에 실린 기자재를 잃어버리는 것은 물론이고, 추락시 밑에 사람이 있다면......
그래서 조종자와 거리를 유지하기 위해 조종자의 위치를 인식하면서 비행을 해야 하는데, OSD를 달지 않거나 기본적인 상태만 표시하는 저가형 OSD의 경우 출발위치를 알려 주는 등의 기능이 없으므로 조종자가 비행 중에 자신이 있는 방향을 혼동하지 않도록 신경써야 한다.
또한 당연한 얘기지만 지나친 저고도에서는 전파가 제대로 수신되기 어렵다. 영상신호가 끊어지거나 노콘이 나서 떨어지지 않도록 장거리에서는 고도를 적절히 유지해야 하며, 장애물이 가로막고 있는 경우 5.8GHz같은 높은 주파수의 전파는 근거리에서도 간단히 막혀 버린다. 근거리 저고도 FPV를 하고 싶다면 차라리 72MHzRC송수신기+900MHz영상송수신기를 사용하는 것이 나을 수도 있다.

이 항목에서 알아서 잘 하자는 말이 질릴 정도로 등장하는데, 현행법상 FPV 기자재는(아니, 엄밀히 말하면 비행허가구역 외의 RC비행, 아니 그냥 고무동력기라 해도 비행 자체가) 불법이기 때문이다. 물론 군부대 등 기밀이 요구되는 시설 위를 비행하지 않는 한 이런 걸로 경찰이 찾아 오진 않겠지만, 여차하면 심각한 고초를 겪을 수 있으니 철저히 음지에서 즐기자(?). 설렁탕은 입으로 먹어야 제맛이다

결론은 알아서 잘 하자(?)