AirUnit O4 Lite 영상 튐 문제와 PWM Frequency의 연관성 탐구

 

1. AirUnit O4 Lite 영상 튐 문제와 PWM Frequency의 발견
AirUnit O4 Lite를 설치하고 Rocksteady 기능을 활성화한 상태에서 녹화한 영상을 확인했는데, 영상이 부자연스럽게 튀는 현상이 발생했습니다. 흔들림(jello effect)이 아니라 EIS(전자 영상 안정화)가 잘못 보정되며 화면이 불규칙하게 움직이는 문제였습니다. 해결 방법을 찾던 중 FPV 커뮤니티에서 다음과 같은 제안을 발견했습니다:
  • BLHeli32 펌웨어에서 PWM Frequency를 24kHz에서 48kHz로 변경.
  • 카메라 모듈을 Soft Mount로 설치.
Soft Mount는 진동을 줄이는 물리적 방법으로 납득이 갔지만, PWM Frequency가 영상 튐과 무슨 관련이 있는지 궁금해졌습니다. 그래서 이 설정을 깊이 조사하게 되었습니다.
2. PWM에 대한 혼란의 시작
PWM Frequency를 알아보다가 혼란이 생겼습니다. PWM은 Betaflight에서 DShot, OneShot, MultiShot, PWM 같은 통신 프로토콜을 설정할 때도 등장하는 용어로 기억하고 있었습니다. FC와 ESC 간 통신에서 쓰이던 것과 BLHeli32에서 ESC-모터 간에 적용되는 PWM Frequency가 동일한 개념인지 구분이 모호했습니다. 이로 인해 두 PWM이 같은지 다른지 명확히 파악하고 싶어졌습니다.
3. 통신 단계별 이해: FC-ESC와 ESC-모터의 차이
조사를 통해 드론의 통신이 두 단계로 나뉘며, 각 단계에서 통신 방식이 다르다는 점을 깨달았습니다:
  • FC와 ESC 간 통신: PWM, DShot 등 다양한 프로토콜이 사용됩니다.
  • ESC와 모터 간 통신: PWM 방식만 사용됩니다.
즉, 혼란의 원인은 FC-ESC 통신에서의 PWM과 ESC-모터 간 PWM이 이름은 같아도 역할이 다르다는 데 있었습니다. 이를 통해 통신 단계를 구분할 필요성을 느꼈습니다.
4. 통신 프로토콜의 단계별 분석
드론의 신호 흐름에 따라 통신 방식을 두 주체별로 나눠 정리합니다.
가. FC와 ESC 간 통신 프로토콜
FC가 ESC에 명령을 전달하는 단계입니다. 사용되는 프로토콜은 다음과 같습니다:
  • PWM: 펄스 폭으로 정보를 전달하며, 초당 50에서 500회(50Hz에서 500Hz) 작동합니다. 느리고 노이즈에 취약해 과거에 주로 사용되었습니다.
  • OneShot: PWM을 개선한 방식으로 초당 약 2,000회(2kHz) 작동합니다.
  • MultiShot: 초당 2,000에서 4,000회(2kHz에서 4kHz)로 더 빨라졌으나 아날로그의 한계가 있습니다.
  • DShot: 디지털 방식으로, DShot300은 8kHz, DShot600은 16kHz로 초당 8,000에서 16,000회 명령을 보냅니다. 현재 표준으로 자리 잡았습니다.
나. ESC와 모터 간 통신 프로토콜
ESC가 모터에 전력을 공급하는 단계입니다. 여기서는 PWM만 사용됩니다. BLHeli32에서 설정하는 PWM Frequency가 이에 해당합니다.
  • 주파수: 24kHz(초당 24,000회), 48kHz(초당 48,000회) 등으로 조정 가능합니다.
  • 특징: 모터에 전력을 공급하는 펄스의 주기를 나타냅니다.
5. ESC-모터 PWM Frequency: 24kHz에서 48kHz로의 변화
ESC와 모터 간 PWM Frequency에 초점을 맞춰, 24kHz에서 48kHz로 변경 시 어떤 변화가 생기는지, 그 이유와 단점을 분석합니다.
개선되는 점과 원인:
  • 모터 반응의 부드러움: 48kHz는 초당 48,000회 펄스를 보내며, 24kHz보다 신호가 촘촘해 중간 스로틀에서의 진동이 감소합니다. 이는 모터가 더 세밀한 제어를 받기 때문입니다.
  • 노이즈 감소: 주파수가 높아지면 전기적 노이즈가 높은 대역으로 이동하며 자이로에 미치는 영향이 줄어듭니다. 이는 자이로 데이터의 정확성을 높입니다.
  • 효율성 증가: 일부 경우 열 발생이 줄고 효율이 약간 향상됩니다. 이는 전력 전달의 최적화로 발생합니다.
단점과 원인:
  • 브레이킹 파워 약화: 주파수가 높아 펄스가 촘촘해지면 순간적인 힘 전달이 약해져 제동력이 감소합니다.
  • 저속 토크 감소: 낮은 RPM에서 힘이 분산돼 토크가 약해집니다. 펄스가 너무 빠르면 강한 충격을 주기 어렵기 때문입니다.
  • ESC 과열: 펄스 빈도가 높아 ESC의 부하가 증가하며 열이 발생합니다. 냉각이 부족하면 문제가 될 수 있습니다.
6. 원점 회귀: PWM Frequency가 AirUnit O4 Lite 영상 튐을 해결하는 이유
처음 문제로 돌아가, AirUnit O4 Lite에서 Rocksteady 활성화 시 영상이 튀던 현상이 PWM Frequency를 48kHz로 올리면 해결되는 이유를 정리합니다.
  • 핵심 원인: PWM Frequency가 낮을 때 발생하는 전기적 노이즈가 자이로에 영향을 주며 부정확한 데이터를 생성합니다. Rocksteady는 이 자이로 데이터를 기반으로 EIS를 수행하는데, 잘못된 데이터로 인해 영상이 부자연스럽게 튀었습니다.
  • 해결 과정: 24kHz에서 48kHz로 올리면 노이즈가 높은 주파수 대역으로 이동하며 자이로에 미치는 간섭이 줄어듭니다. 자이로 데이터가 정확해지면서 EIS가 올바르게 보정돼 영상 튐이 사라집니다.
실제로 PWM Frequency를 48kHz로 변경 후 테스트한 결과, 영상 튐이 크게 개선되었습니다.
마무리
AirUnit O4 Lite의 영상 튐 문제에서 시작해 PWM Frequency의 역할을 탐구했습니다. FC-ESC 간 통신은 DShot 등으로, ESC-모터 간은 PWM으로 나뉘며, PWM Frequency를 48kHz로 올리면 자이로 데이터가 개선되어 EIS 성능이 향상된다는 점을 확인했습니다. 이 과정을 통해 PWM의 두 가지 사용처도 명확해졌습니다. Rocksteady 관련 문제를 겪고 있다면 PWM Frequency 조정을 고려해 보세요. 추가 질문이 있다면 언제든 남겨주시길 바랍니다. 즐거운 비행 되세요!

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