고급 멀티콥터 설계(3)-멀티콥터 프레임

드론/쿼드콥터 2015.11.23 17:36 Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

Copter Wiki 페이지에는 멀티콥터 제작 혹은 조립에 관한 유용한 정보들이 많습니다.


그중에서 제가 제일 도움을 많이 받았던 문서는 멀티콥터 제작방법(Build your own Multicopter) 입니다. 멀티콥터를 어떻게 조립할 수 있는지에 대한 얼개를 알려준 글입니다.


이번 글은 고급 멀티콥터 설계(Advanced Multicopter Design)입니다. 멀티콥터를 제작 혹은 조립하고자할 때 가장 중요한 프레임 선정, 동력계 선정 등을 다루는 글입니다. 글이 상당히 길어서 네 부분으로 나누어 번역합니다. 이 글은 그중 세번째 글입니다.


고급 멀티콥터 설계(1) - 인기있는 멀티콥터 프레임 유형

고급 멀티콥터 설계(2) - 모터, 프로펠러, ESC

고급 멀티콥터 설계(3) - 멀티콥터 프레임

고급 멀티콥터 설계(4) - 제작 사례 및 기법


멀티콥터 프레임


프레임은 아주 다양한 유형이 있으며, 용도에 적합한 프레임을 구성하는 것이 가장 중요하다.

  • 아주 많은 멀티콥터 프레임 유형이 있는데, 많은 것이 단순 프레임 키트 또는 반완제품 혹은 완제품 콥터로 나와 있다.
    • 가장 전문가급 멀티콥터는 유리섬유와 탄소섬유 튜브과 플레이트로 제작된다.
      • 탄소섬유는 매우 튼튼하지만, 부스러지기 쉽고 충격에 산산조각이 나며, 가공과 접착도 힘들다.
      • 유리섬유는 동등한 힘에 비해 약간 더 무겁지만, 파쇄 우려가 덜하며 가공과 접착도 쉽다.
      • 유리섬유 또는 탄소섬유 튜브/플레이트는 자작 콥터를 제작할 때 가장 적합하다.
    • 많은 소비자급 멀티콥터는 주입 몰드 플라스틱 부품과 알루미늄 튜브로 만들어져 있다.
      • 일부 주입 몰드 플라스틱 부품은 아주 튼튼할 수 있지만, (예를 들어 Iris의 Zytel 프레임 암), 대부분 저렴하며 부서지기 쉽다.
      • 사각형의 알루미늄 튜브 프레임 암을 많이 사용하지만, 휘어지기 쉽거나 일반적인 사고에서 너무나 잘 부서진다.
      • 특별하게 용접한 H 형 혹은 박스형 프레임을 제외하면 알루미늄 튜브 프레임 암은 별로 좋은 편이 아니며 여기에서 자세히 다루지 않는다.
    • 일부 새로운, 소형, 상업적 쿼드콥터는 일체형 주입식 몰드 플라스틱 외형을 사용한다.
      • 소형 콥터에서 이런 외형도 상당히 튼튼하지만, 대형이 되면 너무 부서지기 쉽다. 
    • 일부 쿼드콥터는 진공성형 박판 케덱스 또는 기타 플라스틱 시트로 제작된 일체형 외형으로 되어있다.
      • 박판 키덱스 진공성형 외형은 소형 콥터의 경우 매우 튼튼하며, 방수용으로 매우 좋다.
      • 적어도 한가지 built in blade gaurds 가 있는 진공성형 콥터가 제작됐다. Safe Flight 4410 (불행히도 중단).
    • 고급 쿼드콥터의 경우, Hand laid 유리섬유 또는 탄소섬유도 많다.
      • 아주 매혹적이며 구하기는 힘들지만 저렴한 hand laid 유리섬유와 탄소섬유 외형을 "DeX"에서 제작한다. 
      • 또한 수륙양용을 포함하여 일반용/상용/군용 유리섬유 외형도 여러가지 존재한다.
      • 유리섬유 외형은 비싼 경향이 있고, 사용시 파손될 수 있으며 수리가 힘들 수 있다.
    • 각각이 장단점이 있으므로, 자신의 용도에서 가장 중요한 것이 무엇인지 파악하는 것이 중요하다.
    • 프로펠러 사이간격 및 프롭과 프레임 간격이 프로펠러의 최대 크기를 결정한다.
      • 여러가지 프롭 크기를 허용하면, 현재의 무게, 배터리, 기능을 위해 콥터를 튜닝해야 한다.??
      • 일반적으로 프롭의 끝과 끝 사이에 비대칭 프롭 워시(prop wash) 진동을 방지할 수 있도록 1/2 인치 이상이 떨어져 있어야 한다. 
      • 중요한 설계 기준은 프레임을 사용하고자 하는 가장 큰 프로펠러에 적당한 프레임을 고르는 것이다.
      • 일반적으로 큰 프롭이 효율이 좋고, X 프레임 형이 가장 큰 프롭을 탑재할 수 있다.
      • 물론 모터 속도와 힘과 프레임 강도가 프로펠러 직경 및 총 적재 하중과 맞아야 한다.
      • 팬케이크 형 낮은 KV, 낮은 RPM 모터가 큰 프롭을 효율적으로 돌릴 수 있다.
      • 프롭을 위아래로 배치하는 방식으로 프롭 끝을 겹치게 할 수도 있지만, 효율에 영향을 미치고 비대칭 진동을 유발한다.
      • 크고 느린 프롭은 부정적인 진동, 불안정성, 돌풍 보상이나 반응 속도 등의 문제가 있을 수 있다.
    • Hexa 혹은 Octo 콥터는 모터가 추가됨으로써, 모터 하나에 문제가 생겨도 복구가 가능하며, 사진 촬영용으로 보다 부드럽게 비행을 할 수 있다.
      • 그러나 모터 사이의 간격문제로 작은 프로펠러를 사용해야 하며, 이로인해 효율성이 떨어지고 비행시간도 짧아진다.
      • 또한 비용도 추가되고, 프레임/추가된 모터와 프롭으로 인하여 무게도 증가된다.
      • 그리고 복잡성의 증가로 인해 신뢰성도 감소한다.
      • 고품질 확장서비스?? 대형 팬케이크 모터 및 프롭은 이제 막 사용가능하게 되고 있다.
      • 따라서 전문가 및 상업용에서조차 헥사/옥로로부터 대형 쿼드콥터로 이동되는 것을 보게될 것 같다.

탄소섬유 혹은 유리섬유 튜브 및 플레이트 프레임


탄소섬유 또는 유리섬유 튜브 및 플레이트 프레임은 튼튼하고 가볍고 쉽게 가공할 수 있기 때문에 인기가 많다.


  • Tarot 650 은 17인치 프롭까지 사용할 수 있는 전형적인 형태의 중형 탄소섬유 쿼드콥터 프레임이다.
    • 암을 접을 수 있고 착륙장치도 있다.
    • 팬케이크 모터와 17" 프롭을 지원할 수 있어 비행시간이 매우 길다.
    • 어떤 사람에 따르면 조립 품질이 그다지 좋지 않다고 하지만, $125 이면 완전 헐값이다.

  • 유리섬유와 탄소섬유 튜브/플레이트 콥터를 위한 조립 요구사항 및 기법
    • 위에 있는 콥터에서 부착방법은 알루미늄 브래킷을 사용하여 탄소섬유 튜브 암을 클램프로 고정하는 방식이다.
      • 이는 탄소섬유부품을 부착하는데 따는 어려움 및 튜브에 구멍을 낼때 발생하는 스트레스 때문이다.
      • 유리섬유는 탄소섬유에 비해 튼튼하지도 가볍지도 않지만, 유연하고 가공하기 쉽다.
    • 원하는 것이 상용 프레임키트로 가능하다면, 그냥 구입하는 것이 더 좋다. 직접 제작하면 비용이 더 많이 든다.
      • 아울러 콥터를 설계하고, 부품을 구하고 자르고 구멍을 뚫고, 가공하는 데는 많은 시간과 노력이 필요하다.
      • 또한 설계나 제작 실수나 판단 미스로 인해 모든 것을 새로 시작할 가능성이 높다.
    • 직접 프레임을 제작할 충분한 이유가 있다면, 일반적으로 가정에서 제작하기엔 튜브와 플레이트 구조가 가장 현실적이다. 
    • 여러가지 재료를 쓰는 것이 합리적이다. 보통 탄소섬유 프레임 튜브와, 유리섬유로 중심및 모터 마운팅 플레이트를 쓴다.
      • 탄소섬유와 유리섬유 튜브/플레이트는 쇠톱이나 전기톱이나 전동기계톱으로 자를 수 있다. (금속 또는 유리섬유 날을 사용)
        • 또한 HSS 또는 TC 코팅 드릴과 밀링머신으로 구멍을 뚫거나 자를 수 있으나, 이러한 재료를 자르면 모든 도구가 빨리 닳는다.
      • 탄소섬유는 특히 자르기/구멍뚫기, 가공하기가 어려워서, 부드럽게, 천천히 하지않으면 찢어지거나 부서지거나, 박막이 일어나기 쉽다.
        • 탄소섬유의 경우, 미리 작은 구멍을 뚫어둘 수 없기 때문에 정확한 위치에 고정시킬 수 있도록 드릴프레스가 반드시 필요하다.
        • 가능하다면 탄소섬유에 대해 밀링작업은 피하는 게 좋다. 만족스러운 결과를 얻기 매우 힘들다.
        • 소비자용 콥터에 달린 탄소섬유 플레이트에 구멍이 있는 것이 있지만, 이것은 일반적으로 워터넷으로 잘라낸 것이다.
        • 긴 구멍을 밀링머신으로 잘라내는 것보다, 드릴로 정확하게 구멍을 뚷는 것이 일반적으로 좋은 결과를 얻을 수 있다.
        • 탄소섬유판 바깥쪽 경계는 전기톱으로 주의 깊게, 천천히 잘라낸 후, 드레멜로 부드럽게 다듬을 수 있다.
        • 긴 구멍이 반드시 필요하다면, 양쪽 끝을 드릴로 구멍을 뚫은 후, 드레멜에 작은 원형 톱 또는 flex shaft??를 사용하여 두개를 연결하는 것이 좋다.
    • 모터 마운트와 중심 판을 프레임 암 튜브에 클램프로 고정시키려면 적당한 브래킷이 필요하다.
      • 튜브를 클램프로 고정해야지만, 부서져서는 안된다. 실리콘, 고무 개스킷을 사용하면 보호도 되고 진동도 막아줄 수 있다.
      • 하드웨어는 알루미늄이나 스레인레스 나사를 사용하고, Nylok 너트 또는 일반 너트에 "Blue" 록타이트를 사용할 수 도 있다.
      • 플레이트 분리와 마운팅은 니일론 또는 알루미늄 spacer를 사용하면 된다.
      • (참고 : 누군가 뭔가를 만들어주면 좋겠지만, 아직까진 그런 게 없다. It would be really nice if somebody made an X internal slip-glue fit ferrule for the center of the frame tubes but they don’t – yet!)
    • 아주 다양한 탄소섬유와 에폭시 유리섬유 부품이 존재한다.
      • 탄소섬유 제품... RockWest Composites , Carbon Fiber Tube Shop, Dragon Plate
      • 탄소섬유 절단 및 접착용 제품... Carbon Fiber Tube Shop
      • 유리섬유 및 탄소섬유 제품... CST Sales, ACP Sales
      • 3M 2216 Epoxy Glue의 데이터 시트. 판매하는 곳Amazon
      • Loctite 9430 Glue의 데이터시트. 판매하는 곳 Loctite 9340 Amazon

기성 플라스틱 및 유리섬유 부품을 프레임으로 사용하기


  • 직접 만드는 것보다는 못할지 몰라도 자신의 설계에 일부 부품을 효과적으로 활용할 수 있다.
  • Team Blacksheep FPV 서브프레임은 DJI Flamewheel 쿼드콥터용 플라스틱 프레임 암을 재활용한다.
  • 이처럼 다른 프레임에서 나온 부품이 자신의 설계에 좋은 효과를 가져올 수도 있다.
  • 명백히 설계를 할 때 그 부품을 판매자로부터 구할 수 있는지 확인해 두어야 한다.
  • 아주 바람직한 부품들의 예

    • 당연히 기성 제품은 사용 가능성과 더불어 적합한지 크기는 맞는지 등을 자세히 조사해야 한다.
      • 하지만 사용할 수만 있다면 프로젝트가 간단해지고 더 좋아진다.

경첩식 전기박스를 사용한 자작 방수 프레임


탄소섬유 암과 플라스틱 전자부품 및 배관자재를 사용한 정말 멋지고 아주 깔끔하고, 튼튼한 방수 설계



  • 원본 링크 : Alec Short’s construction article in Makezine
  • 나는 튜브를 안정하기 위해 중앙부 4 way hub 를 사용한 것과 모터 마운트로 the slip fit adjustable tension T's 를 사용한 것이 정말 마음에 든다.
  • Pixhawk 또는 APM2.x를 설치할 경우 잘 동작하게 하려면 반드시 별도의 GPS/전자나침판 모듈이 필요하다.
  • 여기에 사용 것과 같은 걸쇠방식의 방수 전기 박스는 아주 다양하다.
  • 중요한 요구사항으로는 사용하고자하는 배관/전기제품에 적합한 외경을 가진 탄소섬유 튜브를 확보하는 것이다.
  • 다음번 Home Depot를 방문하게 되면 전기쪽과 배관쪽을 꼭 방문할 예정이다.

진공성형 프레임 및 부품


  • 여기에 서술하는 것은 특별한 기술로 진공성형 프레스가 필요하지만, 몇몇 분야에는 아주 좋을 수 있다.
  • 진공 몰딩 프레스는 소형 외형 형태의 프레임 또는 부품을 만들때 상대적으로 저렴하게 제작할 수 있다.
  • 이런 식으로 만들어진 콥터는 방수가 가능하며 아주 튼튼할 수 있다.
  • Kydex는 박판식 플라스틱 판으로서 상당히 튼튼한 모노코크(외판만으로 하중을 지탱하는 구조) 형태를 만들 수 있다.
  • 현재는 생산되지 않지만, Safe Flight Copter SFC4410-1 진공성형 프로펠러는 H 형 쿼드프레임을 보호하였다. ??


  • 아래는 저렴하고($120.00) 아주 튼튼한 방수 Aquacopter frame 이다.


  • 완벽하게 기능하는 진공성형 시스템은 shop vacuum 과 전기 그릴을 사용해 제작할 수 있다.

  • 진공 성형으로 튜브/플라스틱 혹은 유리섬유 프레임 암이 있는 콥터를 위한 중심부 외형을 만들 수도 있다.
  • 너무 특별한 경우지만, 아주 튼튼하고 가벼운 중심부 프레임 외형이나 덮개가 필요하면 시도해 볼 수 있다.
  • 또는 튼튼하고 방수가되는 중소형 쿼드콥터를 여러개 만들 경우 이것이 가장 좋다.
  • (아니면 그냥 Aquacopter 프레임을 구매하라!!!)

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제 관심사는 계속 바뀝니다. 이 블로그를 유지하는 동안에도 벌써 여러번 주제가 빠뀐 것 같습니다. 돌고 돌아 이제 고향으로 돌아왔습니다. 공간정보입니다. 세계를 측정하고, 그 기준을 세우고, 데이터를 효율적으로 공유하는 것이 공간정보에서 다루는 내용입니다. 4차산업혁명이 데이터 기반이라고들 합니다. 데이터는 그냥 모아둔다고 정보가 되지 않습니다. 표준에 따른 공통 스키마를 기반으로 만들어져야 합니다. 누구나 언제든지, 쉽고 투명하게 데이터를 가져다 쓸
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