안녕하세요, 쿼드(QUAD) 드론연구소의 이근찬 선임연구원입니다.

지난 편에서는 911 FALCON 드론의 영상송신기·OSD·카메라 배선 및 세팅 과정을 정리했습니다. PX4 펌웨어의 아날로그 OSD 미지원으로 인해 Holybro Micro OSD V2 모듈을 사용하였으며, FC로부터 MAVLink 프로토콜로 비행 데이터를 수신하여 아날로그 영상 위에 OSD를 오버레이하는 방식으로 구현했습니다. 배선부터 QGC 파라미터 설정, OSD Configurator 세팅, 그리고 PAL/NTSC 설정 문제 해결까지 순서대로 진행했습니다.

이번 편에서는 MG90 서보모터를 활용한 수색 카메라 짐벌 설계 및 배선 과정을 다루겠습니다. 레퍼런스 방식과의 차이점, Pan·Tilt 각 마운트의 설계 과정, 그리고 동심원 핀-홀 방식의 회전축 구현까지 순서대로 정리해 보겠습니다.

---

1. 설계 개요

1-1) 레퍼런스 방식

https://www.youtube.com/watch?v=CBHTAzudm68&t=240s

짐벌 설계는 Painless360의 2축 서보 틸트 짐벌 제작 영상을 참조했습니다. 해당 영상은 아래 사진 하단의 유튜브 링크를 통해 확인할 수 있습니다.

레퍼런스 방식은 하단에 Pan 축(좌우 회전) 서보를 베이스로 배치하고, 그 위에 Tilt 축(상하 회전) 서보를 올린 뒤 카메라를 Tilt 서보 앞에 장착하는 구조입니다. 이 방식은 첫 번째 회전축(Z축)과 카메라 사이의 거리가 짧아 서보모터에 가해지는 부하가 적고 구조적으로 안정적입니다. 다만 Tilt 축 장비가 상하 방향으로 적층되는 구조이기 때문에 전체 높이가 커지는 단점이 있습니다.

1-2) 911 FALCON 적용 방식

911 FALCON은 기체의 제한된 프레임 공간 안에 짐벌이 들어가야 했기 때문에 레퍼런스 방식을 그대로 적용하기 어려웠습니다. 이에 따라 서보 배치 방식을 변경하여, Pan 축 서보를 뒤쪽에 배치하고 Tilt 축 서보를 그 앞에 배치하는 방식으로 설계했습니다. 카메라는 Tilt 서보의 서보혼에 직접 연결하여 상하 방향으로 구동됩니다. 이를 통해 전체 높이를 낮추고 프레임 공간 안에 짐벌이 수납될 수 있도록 했습니다.

2. 짐벌 구조 설계

2-1) Pan 서보 마운트

배치

Pan 축 서보는 짐벌의 가장 후방에 배치됩니다. Pan-Tilt 마운트 전체가 기체 전방 스탠드오프에 끼워지는 방식으로 장착되며, Pan 서보는 마운트 내부에 삽입되어 고정됩니다.

설계

Step 1 — 서보 삽입 공간 설계

Pan 서보 마운트는 프레임 공간과 서보모터의 치수를 함께 고려하여 설계했습니다. 서보가 마운트 내부에 정확히 삽입·고정될 수 있는 형상으로 설계했습니다. Pan 서보혼은 마운트 외부로 노출되어 Tilt 마운트의 서보혼 소켓과 맞물려 회전을 전달합니다.

Step 2 — 원형 핀 설계

서보혼만으로는 Tilt 마운트를 고정할 수 없으며 안정적으로 회전시키기도 어렵습니다. 서보혼은 회전을 전달하는 역할을 하지만, 반대쪽이 고정되지 않으면 마운트가 흔들리거나 이탈할 수 있습니다. 이를 위해 Pan 서보의 회전 중심과 동일한 위치에 원형 핀을 설계했습니다. 이 원형 핀은 Tilt 마운트의 원형 홀과 맞물려 Tilt 마운트를 고정함과 동시에 회전축을 형성하며, 원형 핀의 위치가 Pan 서보의 회전 중심과 동일해야 Tilt 마운트와 동일한 회전 중심을 공유할 수 있습니다.

2-2) Tilt 서보 마운트

배치

Tilt 축 서보는 Pan 서보 전방에 배치됩니다. Tilt 서보 마운트는 하나의 구조물로 설계되었으며, Pan 서보의 서보혼에 의해 좌우로 구동되는 동시에 내부에 삽입된 Tilt 서보를 통해 카메라를 상하로 구동하는 역할을 합니다.

설계 — Pan 마운트 연결부

Step 1 — 서보혼 소켓 및 원형 홀 설계

상방(서보혼 소켓 쪽) 에는 Pan 서보의 서보혼 소켓을 설계했습니다. Pan 서보혼이 이 소켓에 맞물리면 Pan 서보의 회전이 Tilt 마운트 전체에 전달되어 좌우로 구동됩니다.

이 회전을 안정적으로 지지하기 위해 하방(원형 홀 쪽) 에는 Pan 마운트의 원형 핀이 끼워지는 원형 홀을 설계했습니다. 이 원형 홀이 Pan 마운트의 원형 핀과 맞물려 서보혼 소켓 반대쪽의 회전축을 형성합니다. 원형 홀은 핀과 동심원으로 끼워지되 회전이 가능하도록 적절한 유격을 반영했습니다.

이 상방 소켓과 하방 홀을 잇는 암(arm)의 길이에 따라 Pan 마운트와 Tilt 마운트 사이의 간격이 결정됩니다. 두 마운트 간 거리가 너무 가까우면 회전 시 간섭으로 회전각이 제한되고, 너무 멀면 고정부에서 카메라까지의 팔 길이가 길어져 토크가 커져 불안정해집니다. 따라서 회전에 충분한 공간을 확보하면서도 두 마운트 간격이 최대한 가까워지는 적절한 암 길이를 설계했습니다.

설계 — 카메라 홀더 연결부

Step 1 — Tilt 서보 삽입 공간 설계

카메라를 상하로 구동하기 위해 Tilt 서보는 마운트 왼쪽으로 뉘어서 삽입되도록 설계했습니다. 서보가 마운트 왼쪽에 정확히 삽입·고정될 수 있는 형상으로 설계했습니다. Tilt 서보혼은 마운트 외부로 노출되어 카메라 홀더의 서보혼 소켓과 맞물려 회전을 전달합니다.

Step 2 — 원형 핀 설계

서보혼만으로는 카메라 홀더를 고정할 수 없으며 안정적으로 회전시키기도 어렵습니다. 서보혼은 회전을 전달하는 역할을 하지만, 반대쪽이 고정되지 않으면 카메라 홀더가 흔들리거나 이탈할 수 있습니다. 이를 위해 Tilt 서보의 회전 중심과 동일한 위치에 원형 핀을 설계했습니다. 이 원형 핀은 카메라 홀더의 원형 홀과 맞물려 카메라 홀더를 고정함과 동시에 회전축을 형성하며, 원형 핀의 위치가 Tilt 서보의 회전 중심과 동일해야 카메라 홀더와 동일한 회전 중심을 공유할 수 있습니다.

Step 3 — 신호선 인출 홀 설계

Tilt 서보의 신호선이 마운트 외부로 인출될 수 있도록 홀을 설계했습니다.

2-3) 카메라 홀더

배치

카메라 홀더는 Tilt 서보 전방에 배치되며, Tilt 서보혼의 회전에 의해 상하로 구동됩니다. 카메라 홀더는 좌측과 우측 두 파트로 구성됩니다.

설계

Step 1 — 좌측 홀더: 서보혼 소켓 및 우측 홀더: 원형 홀 설계

좌측 카메라 홀더에는 Tilt 서보의 서보혼 소켓을 설계했습니다. Tilt 서보혼이 이 소켓에 맞물리면 Tilt 서보의 회전이 카메라 홀더 전체에 전달되어 상하로 구동됩니다.

이 회전을 안정적으로 지지하기 위해 우측 카메라 홀더에는 Tilt 마운트의 원형 핀이 끼워지는 원형 홀을 설계했습니다. 이 원형 홀이 Tilt 마운트의 원형 핀과 맞물려 카메라 홀더를 고정함과 동시에 서보혼 소켓 반대쪽의 회전축을 형성합니다. 원형 홀은 핀과 동심원으로 끼워지되 회전이 가능하도록 적절한 유격을 반영했습니다.

이 좌측 소켓과 우측 홀을 잇는 암의 길이에 따라 Tilt 마운트와 카메라 홀더 사이의 간격이 결정됩니다. 마찬가지로 회전에 충분한 공간을 확보하면서도 간격이 최대한 가까워지는 적절한 암 길이를 설계했습니다.

Step 2 — 카메라 고정

좌측과 우측 홀더 모두 카메라의 마운팅 홀에 마운팅되도록 설계했습니다. 서보혼 소켓과 반대쪽 원형 홀이 원점을 기준으로 동일한 위치에 오도록 설계하여 회전 시 틸팅 축이 흔들리지 않도록 했습니다.

3. 배선

서보모터의 배선은 FC의 AUX 포트를 통해 이루어집니다.

• Pan 축 서보 신호선 → AUX 6번 포트
• Tilt 축 서보 신호선 → AUX 5번 포트
• 전원: FC의 RC IN 포트에서 인출하여 두 서보를 병렬로 연결

4. 출력 후 장착

설계한 Pan·Tilt 2축 짐벌을 3D 프린팅으로 출력한 뒤 기체 전방에 장착하여 조종사의 시야를 자유롭게 제어할 수 있는 구조를 완성했습니다. 좌우 Pan 축과 상하 Tilt 축을 통해 카메라 각도를 독립적으로 조절할 수 있어 넓은 수색 구역을 효율적으로 탐색할 수 있습니다. 또한 이착륙 시에는 Tilt 축을 활용해 카메라를 하방으로 향하게 하여 착륙 지점을 직접 확인할 수 있어 정밀한 이착륙 조작에도 유용합니다.

---

이번 글에서는 911 FALCON 드론의 수색 카메라 짐벌 설계 및 배선 과정을 정리했습니다. 레퍼런스 방식과의 차이점을 바탕으로 프레임 공간에 맞는 구조로 설계하였으며, Pan·Tilt 두 축의 서보를 활용한 2축 짐벌 구조와 동심원 핀-홀 방식의 회전축 구현까지 정리했습니다.

다음 편에서는 이번에 완료한 짐벌 구조를 바탕으로, 헤드트래킹 구현 과정을 다루겠습니다. PX4에서의 서보 AUX 채널 설정부터 시작하여, 고글과 조종기의 트레이너 시그널을 활용한 헤드트래킹 구현 과정까지 순서대로 정리해 보겠습니다. 감사합니다.