[쿼드콥터] 쿼드콥터 조립에 앞서서 기본 지식 <기체 좌표계>

기체 고정 좌표계에 대해서

 좌표계에 이론에 대해 들어가기에 앞서서 쿼드콥터를 만드는데 센서값을 받아오는 것이랑 제어공학 이론만 잘하면 될것이지 왜 이런 좌표계의 지식이 필요하다는거지? 라고 의문을 가질 수 있다. 나 또한 처음에는 그렇게 생각했었다. 하지만 한번 조금만 더 곰곰히 생각해 본다면 좌표계의 개념과 좌표변환은 필요하겠구나 라는 생각을 가질 수 있다. 왜냐하면 쿼드콥터가 공중에서 추락하지 않기 위해서 수평을 맞추는 것은 지면을 기준으로 생각해야 하는 것이기 떄문이다. 하지만 여러 센서가 기체(쿼드콥터)에 부착되어 있다 그렇기 때문에 이 센서에 대한 출력값은 기체 좌표계를 따를 것이다. 그러므로 이 출력값들을 지면을 기준으로 한 좌표계로 바꿔서 수평을 맞추기 위해서 계산해야 한다는 것을 알 수 있다. 여기서 좌표변환이 필요하다는 사실도 눈치가 빠르신 분들은 어렴풋이 느낄 수 있을 것이다. 

•  직교 좌표계

오른쪽 그림과 같이 각 축에 대한 사이각이 90도인게 직교 좌표계이다.

좌표계라고 하면 가장 많이 접했을 모양의 좌표계 일 것이다. 

보통 축을 잡는 방법은 x축 y축을 수직으로 그린후 z 축을 오른손의 법칙에 따르는 방향으로 잡아주는 방법이 일반적이다.

• 관성 좌표계

 뉴턴의 제 1법칙이 성립하는 좌표계를 말한다. 정지 또는 

⊙뉴턴의 제 1 법칙 : 관성의 법칙 -> 물체의 질량 중심은 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 움직인다.

 즉  관측자가 속한 상태가 가속도와 회전이 없는 좌표계이다. 

• 지면 고정 자표계 (Earth Fixed coordinate)(E 좌표계) 

 지면의 한점에 대한 좌표를 원점으로 두는 좌표계이다. 위의 과정에 따라 관성 좌표계이다. 

 보통 x 축을 북쪽 y 축을 동쪽 z 축을 비면방향으로 향하도록 정의하는 좌표계이다. 

• 기체 고정 좌표계 (Body Fixed corrdinate)(B 좌표계)
  

  비행기에 고정되어 있으며 보통 무게중심을 좌표계의 원점으로 둔 좌표게를 말한다. 

 관행적으로 x 축을 기체의 앞방향 z 축은 기체의 아랫방향 y 축은 z-x평면의 오른손의 법칙으로 방향을 결정해준다. 

 비행체를 만들다 보면 Roll, Pitch, Yaw 라는 단어를 많이 들을 것이다. 

 회전에 대한 요소라고 말할 수 있다. 기체 고정 좌표계의 축을 그대로 회전축으로 잡아서

 축을 기준으로 오른손으로 주먹을 말아쥐고 엄지를 들었을때 엄지의 방향이 회전축이 

되고 말아쥔 손가락의 방향(반시계 방향)이 회전의 양의 방향이 된다. 

그런식으로 아까 기체 고정 좌표에서 말한 x 축을 기준으로 회전하는것이 Roll y축을 기

준으로 회전하는 것이 Pitch z축을 기준으로 회전하는 것이 Yaw 가 되게 된다.

 

 그래서 어떻게 지면 고정 좌표계에서 기체 고정 좌표계로 변화를 주는가 또는 기체 고정 좌표계에서 지면 고정 좌표계로 이동하는 가에 대해서는 다음 글에서 소개하겠다.