고급 멀티콥터 설계(4) - 제작사례 및 기법

드론/쿼드콥터 2015.11.25 17:43 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 마지막 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


조립 사례 및 기법


  • 중대형 고효율, 고적재 쿼드콥터 조립을 위한 몇가지 설계상의 고려사항
    • 간단하고 튼튼하고 다재다능하며, 직경 18" 프롭까지 탑재할 수 있는 프레임을 가진 X 쿼드콥터에는 다음과 같은 것들이 포함된다.
    • EBay 혹은 중국으로 부터 고품질 20mm 탄소섬유 튜브 프레임 암과 SteadiDrone 모터 마운트 및 중심 프레임 튜브 클램프
    • 탄소섬유 혹은 유리섬유 바닥/상판 중심부 프레임 플레이트를 자르고 드릴 뚫고, 플레이트에 클램프와 스페이서 설치
    • 자작 혹은 상업용 랜딩기어 시스템
    • 최적의 프로급 설정에는 최고급 $120 짜리 KDE 4014XF-380KF 모터와 30A 3S-6S 4 in 1 ESC정도로 구성할 수도 있다.
    • 모터와 ESC는 약 $540 fhtj, 총 중량 10kg 이상까지 들어올릴 수 있는 콥터를 만들 수 있다.
    • 이 구성으로 사진 비디오 장비를 실은 채로 60분간의 비행시간을 달성할 수 있다.
    • 약간 보수적인 취미급 구성으로는 $40짜리 SunnySky X4108S 380KV 모터와 25A 4 in 1 ESC 정도로 구성할 수 있다.
    • 모터와 ESC는 약 $200 이며, 총 중량 5kg 까지 들어올릴 수 있는 콥터를 제작할 수 있다.
    • 이 정도 구성으로도 중소형 카메라를 탑재하고 30분의 비행시간을 달성할 수 있다.
  • 기타 추가로 고려해야 할 사항 :
    • 두개의 프레임 플레이트 밑에 프레임 플레이트를 추가하여 배터리/ESC/수신기 등을 넣을 수 있다.
    • 진공성형, 가공, 혹은 제작된 상하부 껍데기를 씌우면 방수방진에 강한 콥터를 만들 수 있고, 사고 위험을 줄일 수 있다.
    • 이 프레임은 끝에서 끝으로 27" 이하지만, 운송시 프롭을 제거할 수 있거나 암을 접는 것도 가능하다.
    • 이 프레임은 아주 가볍고 튼튼하며, 설정 방법의 자유도가 많고 쉽게 업그레이드 할 수 있다.
    • 저렴한 동력계통으로도 큰 프롭을 사용할 수 있어서, 평균 비행시간보다 더 낫게 된다.
    • 콥터의 성능은 선택된 동력계, 배터리 그리고 총 중량에 따라 결정된다.
    • 중심부 플레이트 하부에 카메라 짐벌을 달 수 있는데, 랜딩기어가 카메라 뷰를 방해하지 않도록 조심한다.
    • 랜딩기어는 프롭워시에 의한 간섭을 최소화 해햐 하며, 튼튼하고 탄력이 있으며 안정적이어야 한다.
    • 정말 직접 프레임을 만들겠다면, 바로 여기서 부터 출발하면 좋다.

  • 위에 있는 설계는 아주 기능이 좋은 프로급 쿼드콥터로, 성능과 비행시간 범위가 아주 넓다.

고효율 리튬배터리에 최적화된 소형 쿼드콥터


  • 최신 초고효율 리튬 배터리는 일반적으로 사용하는 LiPo 배터리에 비해 무게당 에너지 밀도가 거의 2배에 달한다.
  • 3300 mAh 3.7volt Panasonic NCR18650B 배터리의 무게는 47 그램임에 비해, 동등한 일반 LiPo 의 무게는 100 그램에 달한다.
  • 다만 최대 방출비율(maximum discharge rater)가 2C 즉 6.6 A 뿐이 안된다는 단점이 있다.
  • 아울러 고효율 리튬배터리는 일반 LiPo에 비해 충방전 회수가 몇배 정도 길다.
  • 적절히만 사용한다면 이 배터리를 사용하는 콥터는 비행시간이 거의 2배정도 길어질 수 있다.
  • 이러한 배터리를 사용하는 콥터를 설계할 때 가장 중요한 점은 전류가 충분할 수 있도록 무게를 낮추는 일이다.
  • 이 쿼드콥터 설계에서는 가벼운 탄소섬유 프레임과 함께 잘 선택된 T-Motor MT2206 1200 KV 30 그램 모터와 10" 프롭을 사용한다.
  • 여기에 2S 2P 6600 mAh 리튬배터리와 비행콘트롤러, 리시버, FPV 카메라와 송신기가 포함되어 있다.
  • 무게는 500 그럼 정도. 배터리가 2개를 병렬로 하여 13.2 A를 제공한다 (최대 전류는 10A 이하)
  • Xcalc 사이트에 따르면 호버링 60분, 비행시간 30분 정도가 가능하다고 한다.

이것은 기능이 뛰어나고 비행시간이 2배가 되는 실용적이고 튼튼한 설계이다.


특정 멀티콥터 조립법에 대한 링크




  • 또 여기는 Luke Cook 씨가 제작한 아주 심각하고, 매우 잘 고려하였으며 꼼꼼하게 실행한 옥타콥터 제작법이다.


  • Stuart Dodin씨의 정말 멋진 X8 고하중 옥타콥터에 대한 링크(원본 글에도 링크는 없음)



첨단 설계 개념을 채택한 상용 멀티콥터 


여기는 훌륭한 쿼드콥터 설계의 예이다. : 고급 UAV 임무를 위한 Aeryon SkyRanger



이 콥터는 많은 것이 잘 되어 있고, 설계 및 품질 등의 면에서 매우 강고하다.

  1. 카메라 짐벌을 완전히 감싸는 회전식 공 형태로 날씨 문제를 해결하고 좋은 성능을 발휘한다.
  2. 모터는 암 아래쪽에 달려 있다.
    1. 프롭워쉬 간섭이 없고, 흡입 간섭도 거의 없어 공기역학적으로 효율적이다.
    2. 비행시간이 확실히 증가하고, 적재하중이 커지며 소음도 준다.
  3. 회전력이 크그 KV 가 낮은 팬케이스 형 모터와 낮은 회전 속도, 크기가 크고 고효율의 프롭 사용
    1. 전통적인 설계의 작은 직경의 빠른 모터보다 훨씬 더 효율적이다.
    2. 이로 인해 비행시간과 적재하중을 증가시키고, 소음을 줄인다.
  4. 끝이 가늘어지는 형태의 탄소섬수 암은 공기역학적으로 효율이 높고 가벼우며 튼튼하다.
  5. 완전히 감싼 형태의 방수 프레임에 걸쇠방식으로 조작함으로써 콥터의 유지관리가 쉽다.
  6. 간단한 스프링 방식의 착륙장치를 사용하여 평평하지 않은 곳에도 쉽게 착륙하고, 프롭워시 간섭도 최소화된다.



이 쿼드콥터는 몇가지 뛰어난 설계 개념을 갖고 있어, 예산 제한이 없다면 어디까지 가능한지를 보여준다.


Skyranger 기능은 우리가 설계할 때도 사용할 수 있지만, 모든 설계는 서로 절충적이라는 것을 이해하라.


3DRobotics Iris는 가장 잘 설계된 쿼드콥터중 하나로, 정말 저렴하게 구입할 수 있다.



결론 및 추가 고려사항


  • 나는 3D 프린팅이나 CNC 는 언급하지 않았다.
    • 이 두가지 기술은 모두 프레임 전체 혹은 부품을 만드는데 아주 좋은 기술이다.
    • 하지만, 대부분의 사람들은 장비가 없어가 기술이 부족하여 여기에서 다루지 않았다.
    • 몇백히 이런 기술이 있다면 멀티콥터 프로젝트를 훨씬 더 성공적으로 이끌 수 있다.
  • 또한 레이드 유리섬유 혹은 탄소섬유 혹은 진공성형에 대해 많이 다루지 않았다.
    • 아주 튼튼한 프레임 또는 외형을 만들 수 있지만, 이또한 아주 심각한 기술이 필요하다(특히 탄소섬유)
  • 또한 멀티콥터의 공학적 기준에 대해서도 상세하게 다루지 않았다.
    1. 잘 모른다.
    2. 내 관점에서 볼 때 극히 일부 사람들만 가능하다.
    3. Paul Pounds 박사정도는 가능하며, 이 주제에 대한 논문을 참고하라 : Quadrotors
  • 간단한 설계를 원하고, 프레임암을 간단한 단일 튜브를 프롭 밑에 설치하는 거라면 잘 동작할 것이다.
    • 둥근 튜브는 동일한 크기의 사각 튜브에 비해 flat plate 면적(프롭워시 간섭)이 반이다.
    • 모터 프롭을 프레임 암 아래에 배치하면 효율성이 향상되나, 프레임 설계 및 clearance 문제가 발생한다.
  • 가능한 한 무게를 중심으로 모으도록 하고, 비행콘트롤러를 가능한한 무게 중심에 가깝게 배치하라.
    • 이렇게 하면 무게 중심 및 비행콘트롤러를 중심으로 콥터가 회전하게 된다.
    • 하지만, 사람들이 생각하는 것처럼 중요한 것은 아니다. stablizing throttle이 자동으로 보상해주기 때문이다.
  • 초보적인 힘의 이해만 있어도 많은 것이 해결된다. 좀더 많은 걸 원한다면 취미의 범주를 벗어난다.


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