드론/쿼드콥터2016. 11. 22. 11:14

얼마전 고정익 드론을 조립했습니다. 이번엔 저혼자 조립한 게 아니라 Dronewe에서 시행하는 픽스호크 조립교실(고정익)에 참가해서 조립했습니다. 

언젠가 한번 고정익 드론을 조립해야겠다... 라고 생각하고 있었는데, 조립교실을 보자마자 신청했습니다. 제가 좌충우돌하는 것보다 시간을 절약할 수 있고, 픽스호크를 잘 아는 분과 만나는 것도 의미가 있다고 생각했기 때문입니다.

아래는 이번에 제가 조립한 드론입니다. 밥상하고 비교해보니 상당히 커보입니다. 하지만, 재질이 강화스트로폼이라서 별로 무겁지 않습니다.

참고로 저는 부품을 따로 따로 주문하지 않고 교육키트를 구매했습니다. 만약 처음으로 조립을 한다면, 교육키트 외에 무선 송수신기와 LiPo 배터리 충전기가 더 필요합니다.

가장 중요한 부품은 아무래도 프레임이겠죠. 이 프레임은 Skywalker X-5 FPV / UAV Flying Wing 1180mm 라고하고 Hobbyking에서 구입하실 수 있습니다. 알리익스프레스에도 많이 나와 있습니다. X5는 Elevon(Elevator+Aileron) 타입입니다. 좌우 날개에 달린 보조날개 두개만으로 승강타(Elevator), 방향타(Rudder), 보조날개(Aileron) 의 기능을 모두 수행하는 구조입니다. 

다음으로 픽스호크(Pixhawk) 비행콘트롤러가 필요합니다. 이번에 사용한 건 Hobbyking의 HKPilot32 입니다. 

그리고 이와 함께 외부 LED+USB 모듈도 구입해야 합니다. 멀티콥터의 경우 반드시 필요한 건 아닌데, X5는 뚜껑을 덮어버리기 때문에 외부에서 확인하기 편하도록 이 녀석을 추가하는 게 좋습니다.

저는 이제까지 모두 3DR에서 나온 Pixhawk 오리지날 제품만 사용했었습니다. 하지만 현재 3DR에서는 Pixhawk를 더이상 판매하지 않고, Pixhawk mini 만 판매중입니다. 그것도 예약판매만 하는 중이죠. 그리고 Pixhawk 2 가 판매를 시작했기 때문에 Pixhawk 2를 사용하는 게 더 좋을 수도 있습니다.

제가 사용한 HKPilot32는 픽스호크 clone입니다. 픽스호크 자체가 오픈하드웨어 프로젝트로 제작된 것이기 때문에 클론이 많을 수 밖에 없습니다. aliexpress에서 검색해보면 정말 많습니다. 어떤 게 정말 쓸만한지... 비교해 놓은 글도 별로 없어서 망설일 수 밖에 없는데, 그나마 HobbyKing에서 제작한 것이고 이 리뷰글에 따르면 벌써 1년 전에 제작된 것이므로 안정적으로 사용할 수 있을 것 같습니다.

다음 모터. X5 프레임에 보면 다음과 같은 내용이 있습니다.

  • Motor: 2212-2215, 1600-1900KV 
  • Prop: 7x4 - 8x6

모터는 2212-2215 크기의 1600-1900 kV 제품을 사용하라는 건데요, 2212, 2215 가 무엇을 의미하는지 찾아봤더니, 회사에 따라 다를 수는 있지만, 모터의 크기를 의미한다고 합니다. 예를 들어 아래는 2822 모터는 아래와 같이 모터의 지름이 28mm 인 경우를 

제가 사용한 모터는 Turnigy 의 2836 1500 kV 모터입니다. 추천한 모터보다 크기는 큰 편입니다. 아마도 힘도 좀 더 세지 않을까 싶네요.

프롭은 8x4.5 크기의 Folding Propeller 입니다. X5 기체의 특성상 착륙시 동체로 착륙하는데, 이때 프로펠러가 땅에 닿아 부러질 가능성이 높기 때문에 접이식 프롭이 필요하답니다. 이 프롭은 핏치가 4.5인치인데, X5 스펙에 8x6 프롭을 추천하였고, 모터도 원래 것보다 약간 힘이 센것이니, 8x6 프롭을 사용하면 더 낫지 않을까 싶네요.

다음은 변속기(ESC). 아래의 Hobbywing XRoter 40A 짜리 ESC를 사용했습니다. 원래는 이게 아니었는데 조립중 문제가 발생해서 이걸로 바꿨습니다.

그다음 배터리. 이건 국내에서 오이엠으로 제작한 것이랍니다. HBZ-B 11.1v 4200mAh 3S 35C

동력계통의 마지막은 서보모터입니다. 서보모터란 피드백이 제공되어, 원하는 속도 및 거리(각도)로 정확하게 동작할 수 있는 모터를 말합니다. 제 드론에 들어 있는 건 3.9kg.cm 인데, 사실 이게 얼마나 강한 모터인지는 전혀 모릅니다. ㅠㅠ 하지만, 워낙 보조날개가 가벼워서 그다지 센 모터가 아니라도 괜찮을 듯 싶고... PX4 조립에서 추천한 건 1.2kg.cm 짜리이므로 좀 강한 서보모터인 듯 합니다. 

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여기까지가 가장 중요한 부품들입니다. 크게 나누면 프레임과 비행콘트롤러, 그리고 동력계통, 이렇게 세부분으로 나눌 수 있겠는데, 저는 이중 동력계통에는 어떻게 해야 가장 적절한 것을 선택할 수 있을지 거의 모릅니다. 그냥 찾아봐서 다른 사람들의 추천을 받거나, 기존 만들어진 부품을 기준으로 만들 수 밖에 없는 정도. 앞으로도 더 많이 공부해야 한다는 뜻입니다.

그리고... 처음부터 테스트목적이니 만큼, Skywalker X5 ARF kit을 사서 테스트해보고 부품을 바꾸는 것도 괜찮은 생각이다 싶네요.

그리고 조립하려면 별도의 송수신기 외에도 나사라던가 드라이버, 열수축튜브 등등 여러가지가 필요하지만 생략하겠습니다. 

rod connector : Staufenbiel

힌지 테이프 : Hinge Tape w=3.8cm, L=5m [힌지테이프];

순간접착제 경화촉진제 : 록타이트 경화촉진제

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참고 글 : PX4 조립


Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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드론/쿼드콥터2016. 10. 26. 18:09

이 간단 가이드는 쿼드콥터 혹은 멀티콥터에 맞는 모터를 선택하는 방법에 대해 기술한다. 이를 결정하기 위해서는 스스로 추력 데이터 테이블(thrust data tables)에 있는 통계를 여러번 테스트하는 게 바람직하다. 다행스럽게도 평판좋은 제조사들은 필요한 테스트를 이미 수행하였으므로, 당신이 직접할 필요없이, 이 테이블만 보면 원하는 정보를 얻을 수 있다. 이 글에서 사용하는 MT1801 모터에 대한 추력데이터 테이블은 아래와 같다.

브러시리스 모터에 대해 아무것도 모르겠다면, 브러시리스 모터 초보자 가이드를 읽어보길 바란다.

어디서 시작할까?

가장 먼저 알아야 할 것은 멀티콥터의 무게이다. 처음 드론을 조립하고자 계획할 때 정확한 무게를 알기는 어렵다. 하지만, 어딘가에서 시작하여 부품을 선택하고 바꾸다보면 무게를 좀 더 정확히 추정할 수 있게 된다.

나는 제일 먼저 어떤 프레임을 사용할 것인지를 아는 것으로부터 출발한다. 프레임 사이즈가 정해져야 모터와 프로펠러 최대 크기를 결정할 수 있기 때문이다. 대부분의 판매용 프레임은 어떤 모터를 사용해야 할 지를 추천하므로, 무엇을 찾아봐야 할 지 어느정도 감을 잡을 수 있을 것이다. 나는 또한 카메라와 짐벌의 무게를 추가할 예정이다.

추력대 무게 비

먼저 제일 중요한 점은 모터의 추력이 드론의 총 무게에 비해 2배 이상 되어야 한다는 것이다. 다른 말로 중간 throttle 에서 호버링이 가능해야 한다는 것이다. 이것은 중요한 법칙으로, 멀티로터를 바람속에서도 조정가능하고, 공격적으로 비행하는 동안에도 조종할 수 있을 정도로 여분의 추력이 충분해야 한다는 뜻이다. 항상 부드럽게 날리는 등 반응성이 떨어져도 되는 드론의 경우 70% throttle에서 호버링해도 무방하다. 따라서 쿼드콥터의 무게가 800g 이라면 쿼드콥터의 모터는 총 1.6kg의 추력을 만들어야 하며, 따라서 최대 추력이 400g 인 모터가 필요하다.

미니쿼드 레이싱 드론의 경우 상당히 민첩한 쿼드콥터가 필요하므로, 추력대 무게 비가 높은 것이 바람직하고, 항공사진 드론처럼 부드럽게 날리는 경우, 추력대 무게비가 약간 낮아도 무방하지만, 일반적으로 2:1 정도로 계획하는 것이 좋다. 여분이 있다면 좀더 큰 배터리를 사용하여 비행시간을 늘릴 수도 있다.

사례 - 개략적인 중량 추정

silver blade 미니쿼드 제작 가이드에 설명한 미니쿼드를 조립하고 싶다고 가정하자. 어떤 프레임을 사용할 것인지 부터 시작해야 하는데, 이 경우에서는 silver blade 37을 사용한다. 이 제품의 설명에 따르면 1806-2204 크기의 모터를 사용하라고 추천하므로, 인터넷을 검색하여 이 정도 급의 모터의 무게는 대략 100g 정도라는 것을 파악하였다.(약간 과추정임) 이와 비슷하게 1300-1800mAh 급의 3-4S LiPo 배터리가 미니쿼드에서 널리사용되므로, 배터리 무게는 이 크기를 기초로 한다. 이를 기초로 한 추정은 아래와 같다. 이는 시작하기 위한 아주 대략적인 추정임을 명심하라.

  • 비행콘트롤러 - 15g
  • R/C 수신기 - 15g
  • Silver Blade 프레임 - 150g
  • 모터 및 ESC 4 쌍 - 200g
  • 3S LiPo 배터리 (1300-1800mah) - 150g
  • FPV 카메라 및 송신기 - 50g

이제 우리 드론의 무게는 대략 680g 정도 되므로, 적어도 이 값의 배 (1.2kg)의 추력을 뽑을 수 있는 모터가 필요하다. 단, 추력이 더 높다면 더 빨리 날릴 수 있다. 우리는 쿼드콥터를 제작하므로, 각각의 모터는 최소 300g 이상의 추력을 생성할 수 있어야 한다.

이 과정이 힘들다면, 인터넷에서 원하는 드론과 비슷한 정보의 드론을 제작한 분들의 정보를 찾아보라. 이들이 사용하고 있는 부붐을 근거로 무게를 추정하면 된다.

데이터 읽기

추정한 무게로부터, 각각 최대 추력이 300g 정도인 모터를 찾아야 한다는 것을 알았다. 각 모터의 추력 테이블을 조사하면, 필요한 추력 성능을 가진 모터를 몇가지 선별할 수 있을 것이다. 이번 예에서는 MT2204를 찾았다고 가정한다.

이 과정이 어렵다면, 조립가이드를 찾아보거나, 원하는 드론과 비슷한 것을 찾아서, 어떤 모터나 장비를 사용하는 지를 알아봐서 시작하는 것도 좋다.

추력 확인

이제 우리는 위와 같은 표로부터 유용한 정보를 조사하고 추출할 수 있게 되었다. 이 업체가 두가지 전압(2S(약 8V) 와 3S(약 12V))과 두가지 프로펠러를 사용하여 테스트 했다는 걸 알 수 있다. 모터가 끌어다 쓰는 전류에 따라, 생성되는 추력과 효율(힘/전력 : gram/watt) 등의 정보가 표시되어 있다. 우리는 이 표로부터 3S 배터리를 사용하면 이 모터는 5x3, 6x3 프로펠러를 사용할 때 원하는 추력 300g 을 낼 수 있다는 것을 알 수 있다. 

효율성 비교

이처럼, 제일 먼저 해야 할 일은 모터의 추력을 조사하는 일이다. 나는 다음으로 모터를 비교를 할 때 모터의 효율을 고려해야 한다고 생각한다. 효율은 일반적으로 추력 나누기 전력으로 나타낸다. 단위는 gram/watt 이다. 효율이 높은 모터(g/W 값이 높은 모터) 일수록 콥터가 더 오래 날 수 있다. 일반적으로는 효율이 7이상 되면 좋지만, 더 높은 값일 수록 좋다. 일부 대형 모터 (예 : BE 8108919)의 경우 효율이 18 이상되기도 한다.

필요한 추력을 내는 모터를 찾은 후, 이를 비교하는 가장 좋은 방법은 가장 효율이 높은 것을 고르는 것인데, 하지만 이는 필연적으로 가장 비싼 모터로 귀결된다.

하지만, 앞서 언급했듯이 이 것이 우선순위가 아닐 수도 있다. 작고 움직임이 빠른 아크로바틱 드론을 원할 경우, rpm 이 우선이고 효율성은 뒷전일 것이다. 이 경우 kV가 높은 모터가 우선이다. 우리의 예에서는 미니쿼드용 모터를 선택하는 것이므로, 이런 쿼드콥터용 모터는 대부분 위 표에서 볼 수 있는 MT2204 와 비슷하다. 이것이 이 모터의 효율성이 상대적으로 나쁜 이유이다.

모터에 맞는 ESC

이제 이 모터가 우리 응용에 적합하다고 확인하였으므로, 우리가 선택한 모터/배터리/프롭에 대한 전류 소모량을 본다. 우리의 경우, 5x3 프롭을 사용하면 최대 7.5A, 6x3 프롭을 사용하면 11.5V 이다. 우리는 5x3 을 사용하기로 했으므로, 7.5A 이상의 ESC 가 필요하므로, 12A ESC면 좋은 선택일 것이다.

중량 재 추정 및 배터리 선택

이제 몇몇 부품을 선택했으니 처음 무게를 추정한 것을 실제 무게로 갱신할 수 있게 되었다. 이 모터에 5x3 프롭을 달면 각각 최대 310g 의 추력을 발생시키므로, 우리 쿼드콥터의 무게는 620g 이하여야 한다. 모든 부품과 프레임의 실제 무게는 368g 이므로, 무게 250g 이하의 배터리를 달면 된다. 괜찮은 배터리를 장착할 만큼 무게가 충분히 남아 있지 않다면, 처음으로 돌아가서 좀더 큰 모터나 큰 프롭을 검토해야 한다.

남은 무게를 모조리 배터리용으로 쓰는 대신 약간 가벼운 배터리(예 3S 1800mAh 158g)를 사용하면쿼드콥터가 더 민첩해질 것이다. 실제 어떤 브랜드의 제품을 쓸 것인가 하는 것은 개인적인 선호도와 자금에 달렸지만, 좀 더 많은 정보를 원한다면 LiPo 배터리 구입 가이드를 참고하라.

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원문 : How to choose the right motor for your multicopter drone

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. Roy

    안녕하세요 지금 쿼드콥터에 관심이 많은 학생입니다 ㅎㅎ
    포스트는 잘 읽었습니다 모터가 가장 중요한 선택지 인것 같은데 추력계산시 왜 50%에서 호버링이 되야
    되는것이며 호버링이 되는 추력을 찾더라도 만약 최고속도가 25m/s일경우 호버링 추력에 +a가 되어야 할것 같은데 이점이 궁금합니다 지금 계산을 해서 적정 모터를 찾아볼려고 연습중인데 혹시 공식이나 이런것들이 있으면 조언좀 부탁드립니다 흠.... 예를 들면 550Kg의 쿼드콥터의 경우 550X2(50퍼 스로트일경우)X안전계수 를 해서 동축반전 쿼드콥터이면 나누기 8을 하면 207Kg이 나오는데 모터 하나당 207Kg의 추력이 필요한것인가요?

    2017.06.29 20:27 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 500kg 이면 사람이 타는 건가요? 엄청 크네요. ㅎㅎ 50%추력이라는 것은 일반적인
      드론에 대해 여유분을 고려한 경우입니다.

      레이싱드론과 같이 빠른 동작이 필요한 드론은 30%에서 호버링하도록 맞추고, 사진촬영용 드론처럼 천천히 움직이는 드론은 60-70%도 가능하다고 합니다.

      만약 100% 추력에 맞췄다면 겨우 뜨기만 한다는 거고 아무 작업도 수행할 수 없다는 거니까요.

      2017.06.29 22:10 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. Roy

    역시 그렇겠죠? ㅎㅎ 도움 감사합니다 혹시
    이런 계삭식들이 공인받은 논문이나 이런 전문지같은데를 추천해주실수 있을까요?

    2017.07.04 21:49 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 논문 같은 건 못봤습니다. 멀티콥터의 경우, 모터의 추력만 알면 기체 전체의 추력/부하 등을 계산할 수 있으니까, 고정익이나 헬기처럼 복잡한 계산이 필요 없기 때문이 아닐까 합니다.

      2017.07.08 16:52 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]

드론/쿼드콥터2016. 10. 24. 18:00

이제 프레임을 선택 또는 제작하였다면, 다음 단계는 적절한 추진 시스템을 선택하는 것이다. 완전한 추진계는 모터, 프롭, ESC와 배터리가 포함된다. 모든 소형 멀티로터 드론, UAV는 모두 전기식으로, 동력식은 전혀 없다. 따라서 브러시리스 DC 모터를 사용하는 전기식 추진계를 구현하는 방법에 초점을 맞춘다.

1. 모터

사용하는 모터는 적재(총 적재량) 및 비행시간에 커다란 영향을 미친다. 모든 곳에 동일한 모터를 사용하는 것이 좋다. 모터가 동일한 브랜드에 동일한 모델이고 동일한 생산라인에서 나왔더라도 속도는 약간씩 다르다. 이 차이는 비행 콘트롤러가 처리한다.

브러쉬/브러쉬리스

브러쉬 모터는 영구자석이 케이스에 고정되어 있고, 그 내부에 코일이 회전하는 형태이다. 브러시리스 모터는 반대로 코일이 안쪽 혹은 바깥쪽에 고정되어 있고 자석이 회전한다. 대부분의 경우, 브러쉬리스 DC 모터만 고려한다. 브러시리스 모터는 헬리콥터, 비행기로 부터 RC 카나 보트까지 다양한 취미용 RC 산업에서 널리 사용되고 있다. "팬케이크" 브러시리스 모터는 지름이 크고 기본적으로 납작한 형태로, KV 는 낮고 회전력(torque)이 강하다. 초소형 UAV(손바닥 크기)의 경우 작은 브러시 모터를 사용하는 경향이 많다. 가격이 저렴하고 선이 두개만 필요하기 때문이다. 브러시리스 모터가 크기와 사양이 매우 다양하지만, 작은 브러시리스 모터가 반드시 저렴한는 것은 아니다.

내부회전식과 외부회전식

브러시리스 DC 모터의 종류는 다음과 같다.

  • 내부회전식(Inrunner) - 코일이 바깥쪽 통에 고정되고, 영구자석이 내부 전기자 축에 설치되어, 축이 통 내부에서 회전하는 방식. (KV가 높아 RC 카에 많이 사용됨)
  • 외부회전식(Outrunner) – 자석이 외부 통에 고정되어 있으며, 모터 축 중심에 코일이 고정되어 있고 통이 회전하는 방식 (모터의 바닥은 고정됨)
  • 하이브리드 외부회전식(Hybrid Outrunner) - 기술적으로는 외부회전식이지만, 외부 통이 고정되어 있어, 내부회전식처럼 보이는 형태

내부회전식 브러시리스 DC 모터는 RC 카, 항공기, 헬리콥터 등에 많이 사용된다. KV가 빠르기 때문이다. 기어를 사용해 회전력을 높이는 경우도 있다. 외부회전식이 회전력이 높은 경향이 있다.

"KV"

KV rating 혹은 KV 값은 주어진 전압에 대해 얼마나 빨리 회전하는가와 관계가 있다. 대부분의 멀티로터 기체는 KV가 낮은 것이 좋다. (예를 들어 500에서 1000 사이) 안정성이 좋기 때문이다. 하지만 아크로바틱 비행의 경우 KV가 1000에서 1500 사이에 있고 프롭 지름이 작은 것을 고려하는 게 좋다. KV 값이 650 rpm/V 라면, 11.1V 에서 모터는 11.1V x 650 = 7215rpm으로 회전한다. 낮은 속도에서 회전시키면 (예 7.4V) RPM은 7.4V x 650rpm/V = 4810rpm 가 된다. 참고로 낮은 전압에서  동일한 출력을 내려면 전류 유입량이 더 높아지게 된다. (power = current x voltage).

추력(Thrust)

일부 브러시리스 모터 제작사는 여러 프로펠러별 모터의 추력 정보를 제시한다. (대부분 테이블 형태로) 추력의 단위는 kg, lbs 또는 N 이다. 예를 들어 쿼드콥터를 조립중으로 11인치 프롭으로 0.5kg 추력을 제공하는 특정 모터를 찾았을 경우, 이 모터와 프롭 4쌍은 최대추력으로 0.5kg * 4 = 2kg 을 들어올릴 수 있다. 따라서 쿼드콥터의 무게가 2kg 보다 약간 작다면, 최대추력으로 이륙만 가능하다. 따라서 추력이 더 큰 모터+프롭 쌍을 선택하거나, 기체의 무게를 줄여야 한다. 

추진력 시스템(모든 모터와 프롬)이 최대 2kg 추력을 제공한다면, 전체 콥터는 최대 이 무게의 절반(모터 등 모든 부품을 포함한 무게)인 1kg 이하여야 한다. 이러한 방식으로 어떠한 구성도 계산할 수 있다. 예를 들어 헥사콥터의 무게(프레임, 모터, 전자부품, 배터리, 액세서리 등)가 2.5kg이라고 하자. 각각의 모터는 따라서 2.5 kg / 6 / 2 = 0.83 (또는 그이상)의 추력을 제공할 수 있어야 한다. 이제 모터의 사양을 계산할 수 있게 되었지만, 결정을 내리기 전에 아래쪽 글을 모두 읽어보길 바란다.

기타 고려사항

  • 커넥터 : 브러시 DC 모터는 두개의 커넥터가 있다. 하나는 양극 다른 하나는 음극. 선을 바꾸면 모터의 회전이 반대로 바뀐다.
  • 커넥터 : 브러시리스 DC 모터는 세개의 커넥터가 있다. 결선하는 방법이나 회전 방향을 바꾸는 방법은 아래 ESC 부분을 참고할 것 
  • 와인딩(Windings) : 와인딩은 모터의 KV에 영향을 미친다. KV는 낮추되 회전력을 유지하려면 대형 팬케이크 형 브러시리스 DC 모터를 고려할 수 있다.
  • 마운팅 : 대부분의 제조사들은 브러시리스 DC 모터를 위한 일반적인 마운팅 패턴이 있어, 프레임을 생산하는 업체들이 별도의 어댑터를 설계할 필요가 없다. 이 패턴은 일반적으로 미터법에 따라 두개의 구멍이 16mm 떨어진 두개의 구멍과 19mm 떨어진 또다른 두개의 구멍 (앞의 구멍과는 수직방향)으로 구성된다.
  • 나사 : 브러시리스 모터를 프레임에 결합하는데 사용되는 마운팅 나사는 여러가지가 있다. 일반적인 미터법 방식의 스크류는 M1, M2, M3 등이 사용되고, imperial 단위의 경우 2-56, 4-40 등이 사용된다.

2. 프로펠러

멀티콥터 프로펠러는 RC 비행기에서 사용되는 프로펠러를 사용하고 있다. 헬레콥터 프롭은 안되는가? 적용사례가 없는 건 아니지만, 헬리콥터 프롭을 사용하는 헥사콥터의 크기를 상상해 보라. 참고로 헬리콥터 형 시스템은 깃(blade)의 각도를 변경할 수 있어야 하는데, 이는 기계적으로 상당히 복잡하게 된다. turbojet, turbofan, prop-jet 등은 왜 사용하지 않느냐고 물을 수도 있다. 이들은 높은 추력을 제공하는데는 매우 좋지만, 높은 전원이 필요하다. 드론의 목표가 한정된 지역에 떠 있는게 아니라, 빠르게 이동하는 것이라면 이런 옵션을 사용할 수도 있을 것이다.

깃과 지름

대부분의 멀티콥터는 로터 깃이 2개 또는 3개로, 2개인 경우가 대부분이다. 깃의 갯수를 늘린다고 추력이 높아지는 것은 아니다. 각각의 깃은 앞선 깃의 wake(궤적?)를 통해 나가야 하는데, 깃이 많아질 수록 wake가 더 많아지게 된다. 직경이 작은 프롭은 관성이 적어, 속도를 쉽게 변화시킬 수 있고 따라서 아크로바틱 비행에 유리하다. 

피치 / 받음각(Angle of Attack) / 효율성 / 추력(Thrust)

프로펠러에 의해 생산되는 추력은 공기의 밀도, 프로펠러의 RPM 과 직경, 깃의 형태와 면적, 피치 등에 의해 영향을 받는다. 프롭의 효율성은 받음각(angle of attack : 깃의 피치에서 helix 각을 뺀 것(helix 각은 깃의 회전 방향과 상대속도를 고려한 각도))과 관련이 있다. 효율성 그자체는 입력과 출력의 비율이다. 대부분의 잘 설계된 프로펠러는 효율성이 80% 이상이 된다. 받음각은 상대속도에 영향을 받으므로, 프로펠러는 모터 속도에 따라 효율성이 달라진다. 


또한 효율성은 프로펠러 깃의 leading edge에 의해서도 크게 영향을 받으므로, 가능한한 매끄럽게 처리해야 한다. 가변 피치 방식이 최선이기는 하지만 복잡성을 더하기 때문에, 단순성으로부터 출발한 멀티로터에서는 거의 사용되지 않는다. 깃의 설계와 추력에 관한 이론에 대해서는 MDP 프로젝트와 같은 온라인 사이트에서 찾을 수 있다. 아울러 프롭의 추력을 계산할 수 있는 온라인 도구도 여럿 있다. eCalc와 같은 사이트에서는 다양한 모터를 나열하여 추력을 계산할 수 있다.

회전(Rotation)

프로펠러는 시계방향(CW) 또는 반시계방향(CCW)으로 설계된다. 어떤 부분이 위로 향하게 해야하는지 아는 것이 중요하다. (둥근면이 위쪽으로 가야함) 멀티로터 설계시 일부 모터를 뒤집었을 경우(예 Vtail, Y6, Y8 등), 프로펠러의 방향을 뒤집어 추력이 아래쪽으로 내려가도록 해야 한다. 프로펠러 윗면이 항상 위를 향해야 한다. 비행콘트롤러 문서를 보면 일반적으로 각각의 프롭이 어떤 방향으로 회전하는지 알 수 있다.


재료(Material)

프로펠러 재료는 비행 특성에 중간정도의 영향을 미치지만, 특히 초보자의 경우엔 안전을 가장 우선순위에 두어야 한다.

플라스틱

사출 플라스틱(Injection-Molded Plastic. ABS / 나일론 등)은 멀티로터에서 가장 인기있는 재료이다. 가격이 저렴하고 비행 특성이 좋으며, 내구성이 뛰어나기 때문이다. 일반적으로 추락을 하면 적어도 하나의 프롭은 깨지는데, 드론을 교정중이거나 비행연습 중에는 많은 프롭이 망가질 수 있다. 탄소섬유로 강화한 플라스틱 프로펠러가 견고성과 저렴한 가격 등으로 인해 아마도 가장 최고의 선택이라고 할 수 있다.

강화 섬유 폴리머(Fiber-Reinforced Polymer)

강화섬유 폴리머 프로펠러 (탄소섬유, 나일론 강화 탄소 등)는 여러가지 면에서 최신 기술이다. 탄소섬유 부품은 여전히 생산이 쉽지 않아, 동일한 사양의 플라스틱 프로펠러에 비해 상당히 많은 비용을 지불해야 한다. 탄소섬유 프로펠러는 추락시 깨지기 힘들어 접촉하는 것에 많은 피해를 입힌다. 강화 섬유 폴리머는 일반적으로  잘 제작되었고 밸런싱이 거의 필요하지 않으며, 딱딱하며(유연함으로 인한 효율성 저하가 덜함) 무게도 가볍다. 다만, 자신있게 비행이 가능해진 연후에 이들 고성능 프로펠러를 고려하길 바란다.

자연재료

나무와 같은 자연재료는 멀티로터용 프롭으로는 잘 사용되지 않는다. 생산하는데 특별한 가공이 필요하여 플라스틱보다 가격이 높기 때문이다. 나무의 주요 장점으로는 상당히 튼튼하며 잘 휘지 않는다는 것이다. 나무 프로펠러는 RC 비행기에는 아직 사용되고 있다.


접이식(Folding)

접이식 프로펠러는 중심부에 두개의 깃을 연결하는 부품이 있다. 중심부(모터 출력축과 연결됨)가 회전하면 원심력이 깃에 작용하여 깃을 바깥쪽으로 밀어 프로펠러를 "딱딱하게" 하여 고정된 프로펠러와 동일한 효과를 갖게한다. 수요가 많지 않고 부품수가 많기 때문에 고정식 프롭에 비해 널리 사용되지는 않는다. 예상하겠지만, 접이식 프롭을 채택한 기체는 운송이 쉬워서, 접이식 프레임과 함께 사용할 경우 상당히 작은 크기로 만들 수 있다. 접이식 프롭은 아울러 추락이 발생했을 때 하나의 날만 교체하면 되는 장점도 있다.


탑재(Mounting)

항공기체는 크기가 매우 다양하므로, 프로펠러의 크기도 매우 다양하다. 따라서 산업에서 "표준"적으로 사용되는 모터 축 직경이 몇가지 있다. 프로펠러는 어댑터링(가운데 구멍의 직경이 여러가지인 와셔처럼 생긴)과 함께 공급된다. 어댑터링을 프로펠러 구멍에 눌러 끼우면 모터의 축에 중심을 맞출 수 있다. 프로펠러의 중심("bore")이 모터 축보다 너무 클 경우, 스페이서/어댑터 링이 필요하다. 프로펠러를 구매하면 어댑터가 꼭 있다고 가정하지 말고, bore와 모터 축 직경을 반드시 확인해야 한다.

프롭을 모터에 설치하는 방법을 맞춤화한 제조사들도 있다. 모터 축을 D 형태로 가공하여 비행중 풀리지 않도록 한 것도 있다. "male/female" 모터로 프롭을 결합하도록 한 경우도 있다. ??? 최신 프로펠러중에는 구멍이 아닌 나사가 되어 있고, 회전과 반대방향으로 되어 있어, 프로펠러가 회전하면 자동으로 조여지도록 된 것도 있다.

프롭보호기(Prop Saver)

프롭보호기는 모터의 일반 어댑터를 대신해 작은 부품(예 : O 링)으로 프롭을 고정시킨 것이다. 추락하여 프롭이 물체에 닿아 회전을 멈추면, 모터는 계속 고속으로 회전중이므로 O 링이 떨어져나와 이상적으로는 모터와 프롭을 보호할 수 있다. 대신 다음과 같은 단점이 있다.

  • 프롭이 축상에 더 멀리 설치된다.
  • 프롭보호기 설계가 잘못되거나 중심을 맞추지 못하면 진동의 원인이 된다.
  • 오링이 딱딱해지거나 비행중 약해질 수 있으므로 주기적으로 오링을 점검해야 한다.

프롭 가드(Prop Guard)

프롭가드는 프레임에 부착하여 프로펠러 둘레에 링이나 쿠션형태로 설치한다. UAV가 물체에 접촉하면 이상적으로는 프롭가드가 먼저 물체에 닫아 충격을 견딤으로써, 프롭이 직접 접촉하지 않는다. 소형 토이급 멀티로터는 탈부착 가능한 플라스틱 프롭가드가 포함되어 있다. 프롭가드의 단점은 다음과 같다.

  • 주요 진동 원인이다.
  • 약한 충격에만 좋다.
  • 프로펠러 바로밑에 지지대가 너무 많으면 추력을 낮출 수 있다.


밸런싱(Balancing)

저렴한 프롭은 균형이 안맞는 경우가 많다. 중심에 연필을 꽂아 보면 쉽게 알 수 있다. (한쪽면이 다른쪽 보다 무거울 경우) 이와 같이 모터에 프롭을 고정하기 전에 프롭의 균형을 잡는 게 매우 좋다. 프롭이 밸런싱이 되지 않으면 진동이 발생하고, 이것이 비행콘트롤러에 전파되어 비행에 오류를 발생시킬 수 있으므로, 밸런싱은 매우 중요하다. 프롭 밸런싱은 여러가지 방법이 있지만, UAV를 직접 조립한다면 저렴한 프롭 밸런서(prop balancer)가 좋다. 프롭 밸런서는 프로펠러 어느 위치에서 무게가 맞지 않는지 보여주는 기기이다. 무게를 조정하려면 무거운 부분을 사포질로 밀어주거나(프롭의 중심 부분... 날이 시작되고 끝나는 모소리는 건드리면 안되며, 프롭의 일부를 잘라내면 안됨) 가벼운 쪽에 아주 얇은 투명 마스킹 테이프를 붙여준다.(균형이 맞을 때까지 고르게 붙임) 참고로 중심부에서 먼 부분을 조종할 수록 회전력의 원리에 따라 더 많은 효과를 일으킨다.


전자변속기(ESC)

전자변속기(ESC : Electronic Speed Controller)는 비행 콘트롤러가 모터의 속도와 방향을 제어하는데 사용된다. ESC는 모터가 소모하는 최대 전류까지 처리가능해야 하며, 적절한 전압으로 공급할 수 있어야 한다. 대부분의 취미용 ESC는 모터를 한쪽 방향으로만 회전시킬 수 있지만, 적절한 펌웨어가 있으면 양쪽 방향 모두 작동시킬 수 있다.


커넥터(Connectors)

ESC에는 양쪽으로 여러선이 나와 있어 처음에는 어리둥절할 수 있다.

  • 전력 입력선 : 두개의 두꺼운 선(일반적으로 검은색과 빨간색)은 전원배분판(power distribution board) 등의 장치로부터 전원을 받는다. 전원판은 주 배터리에 직접 결선된다.
  • 3개의 불릿 커넥터 : 이 핀들은 브러시리스 모터에 있는 3개의 핀에 연결한다. 이들은 표준적인 크기가 있지만, 두개가 맞지 않는다면 한쪽을 교체해야 한다.
  • 3핀 R/C 서보 커넥터 : RC 신호를 받아들이는 커넥터이지만, 빨간/검정 핀을 통해 5V를 공급받는 대신, 대부분의 경우 내부 BEC에서 5V를 제공한다.

경우에 따라서는 제조사에서 어떤 커넥터를 사용할 지 가정하지 않고 그냥 모터 연결 및 전원 입력선을 그냥 놔둘 수도 있다. (블릿 커넥터를 따로 넣어줄 수도 있는데, 어쨌든 전원선에 납땜을 해야 한다.) 모터와 함께 받은 불릿 커넥터가 ESC와 맞지 않을 수 있는데, 그냥 서로 바꾸는 게 제일 좋다. 회전 방향을 바꾸려면 3개의 코낵터중 아무거나 두개를 바꾸면 된다.

BEC(배터리 절감 회로)

대부분의 ESC에는 배터리 절감회로 BEC(Battery Elimination Circuit)를 포함하고 있다. 이것은 역사적으로 RC 차량에는 단 하나의 브러시리스 모터가 필요한데, 배터리를 분산시키는 것보다, 전압조절기가 내정되어 있는 ESC에 연결하기만 하면 되었기 때문이다. 일반적으로 전류는 1A 이상이고, 전압은 5V 가 거의 대부분이나, ESC의 BEC가 제공하는 전류를 아는 것이 중요하다. 

멀티로서에서는 모든 ESC를 비행콘트롤러에 연결하지만, BEC는 단 하나만 필요하고 여러군데에서 전원이 들어오면 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 ESC에 있는 BEC를 비활성화시킬 수 없으므로, 하나만 빼고 나머지 BEC 선의 빨간선을 제거하고 테이프로 감아두는 게 최선이다. 검정선(접지)는 "공통 접지"를 위해 그대로 두어야 한다.

펌웨어(Firmware)

ESC는 모두 멀티로터용으로 좋은 것은 아니다. 멀티콥터가 유행하기 전에 취미용 브러시리스 모터는 주로 RC 카, RC 비행기, 모형 헬기의 주 모터로 사용되었다는 것을 이해해야 한다. 대부분의 이러한 응용에서는 빠른 반응시간이나 빠른 갱신이 그다지 필요없다. SimonK 또는 Bheli 펌웨어를 탑재한 ESC는 입력의 변화에 빠르게 (훨씬 빠른 주파수로) 반응을 할 수 있어, ????

전력배분(Power Distribution)

각각의 ESC는 메인 배터리에서 전원을 공급받기 때문에 주 배터리에 달린 하나의 커넥터를 어떻게든 4개의 ESC로 분산시켜야 한다. 이를 위해 전원배분판(Power Distribution Board) 등의 장비가 필요하다. 이 보드(또는 케이블)은 주 배터리의 양극과 음극을 4개로 분리한다. 중요한 점은 배터리에 사용되는 커넥터와 ESC/전원배분판에 사용되는 커넥터가 동일하지 않기 때문에 가능하면 표준적인 커넥터(딘 커넥터 등)을 사용하는 것이 좋다. 저렴한 보드의 경우엔 납땜이 필요할 수 있다. 간단한 전원배분기로는 그냥 2개의 입력부에 양극 음극 각각 4개씩 한꺼번에 납땜하면 된다.

배터리(Battery)

화학

UAV 에 사용되는 배터리는 극히 예외적으로 리튬망간 등 다른 리튬 계통 배터리도 일부 사용되지만, 이제 거의 리튬폴리머(LiPo, Lithium polymer)로 통일 되었다. Lead acid는 간단히 옵션 아니라, NiMh/NiCd 은 용량에 비해 무겁고, 방출비율(discharge rate)이 충분히 높지 않다. LiPo는 무게에 비해 용량이 크고, 방출률이 높다. 단점으로는 상대적으로 비싸고, 안전상의 문제가 있다는 것이다.


전압

현재 사용되는 대부분의 배터리는 리튬 기반으로 1S = 3.7V 로 3.7볼트 배수이다. 따라서 4S로 표시된 배터리는 4x3.7V 는 14.8V가 된다. 하지만 셀의 숫자를 알면 어떤 충전기를 사용해야 하는지 결정하는데 도움이 된다. 용량이 큰 1S 배터리와, 용량이 적은 다중 셀 배너리는 외관상으로는 비슷하다.

용량

배터리의 용량은 암페어-시간(Ah)로 측정된다. 작은 배터리는 0.1Ah(100mAh) 정도이며, 중간급 드론용 배터리는 2-3Ah(2000mAh - 3000 mAh) 정도이다. 용량이 클 수록 비행시간이 길어지지만 배터리 무게도 커진다. 일반적으로 UAV의 비행시간은 10-20분 정도로 예상할 수 있는데, 긴시간이 아닌 것 같지만, 멀티콥터는 비행기와 달리 항상 중력과 싸워야 하며, 상승을 도와주는 날개면이 없다는 것을 고려할 필요가 있다.

방출률(Discharge Rate)

리튬 배터리의 방출률은 C로 표시된다. 여기에서 1C는 배터리의 용량이다. (손바닥만한 드론이 아니라면 대부분 Ah 이다. 대부분의 LiPo 배터리의 방출률은 적어도 5C(용량의 5배) 이지만, 멀티콥터에 사용되는 대부분의 모터는 높은 전류를 소모하므로, 놀랄만큼 높은 전류를 방출할 수 있어야 하며, 30C 이상이 되기도 한다.

안전(Safety)

LiPo 배터리는 가압 수소 가스가 들어있고 뭔가 잘못되면 화재가 나거나 폭발하는 경향이 있어 완전히 안전한 것은 아니다. 따라서 가지고 있는 배터리가 뭔가 의심이 간다면 UAV나 충전기에 꽂지말고, 적절하게 처리후 버려야 한다. 뭔가 잘못됐다는 드러나는 표시로는 한군데가 들어갔다거나, 배터리가 처음 구입했을 때보다 커졌다던지 하는 경우이다. LiPo 배터리를 충전할 때는 안전백에 보관하는 것이 좋다. 배터리를 보관할 때도 LiPo 백에 넣어두는 게 좋다. 추락발생시 제일 먼저 해야 할 일은 배터리를 분리하고 배터리를 점검하는 것이다. 배터리를 완전히 둘러싸는 케이스에 넣으면 무게는 증가하지만, 충돌시 배터리를 안전하게 하는데는 도움이 된다. 일부 배터리 공급사는 하드케이스에 넣어서 배터리를 공급하기도 한다.

충전

대부분의 LiPo 배터리는 커넥터가 2개가 있다. 하나는 주 "방출" 선으로 높은 전류를 처리할 수 있으며, 다른쪽은 일반적으로 짧고 가는데 이것이 충전용 커넥터이다. 이 충전용 커넥터는 거의 대부분 하얀색 JST 커넥터를 사용하며, 한개의 선은 접지이고 나머지는 배터리의 셀의 수와 동일하다. 즉 배터리 셀의 수보다 하나가 더 많다. 이것을 LiPo 충전기에 연결해야 하며, 배터리는 각각의 셀을 충전과 함께 밸런싱을 하게 된다. 충전기는 완료되었을 때 표시가 있어야 하며, 충전이 완료되면 배터리와 충전기를 분리하는 게 최선이다.

설치

배터리는 UAV에서 가장 무거운 물건으로 모터에 동일한 하중을 줄 수 있도록 무게 중심에 설치해야 한다. 배터리에는 특별한 설치방법이 없으며 (특히 LiPo 배터리를 스크류로 구멍을 내면 화재가 발생함) 현재 널리 사용되는 설치 방법으로는 벨크로, 고무, 플라스틱 케이스 등이 사용된다. 배터리를 벨크로를 이용해 프레임 밑쪽에 매다는 방식이 접근성이 좋아 상당히 널리 사용된다.

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원문 : http://www.robotshop.com/blog/en/make-uav-lesson-3-propulsion-14785

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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드론/쿼드콥터2015. 11. 17. 09:11

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 두번째 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



모터, 프로펠러, ESC


멀티콥터의 경우, 모터/프로펠러/ESC(전자변속기)는 매우 중요하며, 과거에는 오류가 가장 많이 발생한 부품이었다. 


EClac 기반의 Xcopter: motor – propeller – battery – ESC 계산기를 사용하면, 원하는 콥터를 위한 최적의 조합을 맞출 때 도움이 된다.

  • 여기에서는 쿼드콥터 설계를 예로 든다. 가장 널리 사용되고 있고 가장 다양하기 때문이다.
    • 그러나, Hexa/Y6 나 Octo/X8 설계에도 적용할 수 있다. 
  • 브러시리스 외부회전(out-runner) 방식의 모터는 고속으로 회전하는 가운데 콥터 전체의 무게를 계속적으로 지지해야 한다.
    • 취미용 모터는 부적절한 콘라드(Conrad) 유형의 봉인되지 않은 베어링을 사용하는 경우가 종종 있지만, 축방향으로는 좋아도 추력에는 좋지 않다?
      • 아울러 이런 모터는 대부분 프레임이 개방되어 있어 냉각에는 뛰어나지만 보호에는 취약하다.
      • 이로 인해 불필요하게 오류가 많이 발생하였으며, 특히 습도가 높거나 먼지가 많은 환경에서는 살아남기 힘들다.
      • 저렴한 중국제 모터는 문자 그대로 공중에서 모터에 지지하는 데는 좋은 선택이 아니다.
    • 일부 최고의 모터는 2개 또는 3개의 쉽게 교체 가능한 ABEC-7급 베어링을 사용한다. 예로는 RCTiger-Motor Pro 시리즈와 KDE 가 있다.
      • 최고의 모터는 환기가 잘되고 고온에 견디는 부품을 사용하고 환경적 보호를 위해 코팅과 보호가 잘된 것이다.
      • TMoter와 KDE와 같은 최고의 모터는 성능비교표(performance comparison chart)가 있으므로, 콥터를 설계할 때 이를 검토해야 한다.
      • 최고의 모터-프롭-배터리 조합을 이루면, 50% 추력시 10% 이상의 G/W 효율성을 보이게 된다.??
      • 아울러 최적의 효율성과 비행시간을 얻으려면, 콥터 설계 하중을 약 50%의 추력에 호버링할 수 있도록 설계해야 한다.
      • 최고의 모터는 상당히 비싸지만, 신뢰성, 성능, 효율성을 고려할 때 장기적으로 훨씬 더 좋고 가치가 있다.
      • 낮은 전압에서 큰 프로펠러를 사용하는 KV가 낮은 모터가 가장 효율적이며, 비행 시간이 길다.
    • 최고의 모터/프로펠러/배터리 조합을 이루면 카메라를 포함해서 비행시간이 30분이 되는 콥터를 조립할 수 있다.
      • 8인치 짜리 330 콥터로부터, 18인치 700 콥터까지, 카메라/짐벌 무게에 따라 다르지만, 비행시간 30분은 가능하다.
      • 어떤 "유용한" 멀티콥터도 크기와는 관계없이 30분 이상의 유효 비행시간을 얻는 것은 아주 힘들다.
      • 취미급 부품이라면 최대 20분의 비행시간 정도가 가장 이상적인 목표이다.
  • ESC도 매우 중요하다.
    • 고품질 ESC는 저가의 ESC보다 신뢰성이 높다.
    • 필요 최대 전류를 보장하려면, ESC가 적절한 크기어야 한다.
      • 적절한 범위내에서 사용하는 것이 효율적이기 때문에, 일반적으로 크기를 초과하지 말고 적절한 것을 사용하라. (가볍고)
    • 충분한 냉각이 아주 중요하다. 특히 "대형(Heavy Lift)" 콥터의 경우. ESC는 공기 흐름이 있는 곳에 설치할 필요가 있다.
    • 소형에서 중간 크기의 쿼드콥터에는 20-30 암페어 급의 4 in 1 ESC가 있는데 여러가지 장점이 있다.
      • 배전판이 필요없고 전선처리가 간결하다.
      • 직류 전선이 상당히 줄어들기 때문에 전자나침반에 대한 직류 전자파 방사 간섭도 줄어든다.
      • 주로 콥터 프레임 중앙부에 깔끔하게 설치할 수 있다.
      • 20-25 암페어급 4 in 1 ESC는 3S - 4S LiPo 배터리와 사용가능하며, 30 암페어급은 3S - 6S 배터리와 사용가능하다.
      • ESC는 한쪽면에 알루미늄 방열판이 있다. (Finned 방열판을 사용하면 방열 효율을 높일 수 있다.)
      • Finned 방열판이 필요할 경우, Fujik 실리콘 열전도성 접착체를 얇게 바르면 된다.
      • 각각의 ESC보다 일반적으로 안정성이 높으며, 가격도 저렴하다.
  • 크고 속도가 느린 프로펠러가 일반적으로 작고 속도가 빠른 프로펠러보다 훨씬 더 효율성이 높다. 
    • 하지만, 한계와 단점이 있다. :
      • 용량보다 큰 프로펠러를 달면 과열이 발생할 수 있어, 모터에는 대부분 최대 프롭 크기가 정해져 있다.
      • 아울러 정말 크고 느린 프로펠러는 멀티콥터의 반응성이 떨어지고, 공중에서 진동이 발생할 수 있다.
      • 극단적이지만 않다면 이러한 어려움은 별로 심각하지 않으며, 여러가지 방식으로 보완할 수 있다.
      • 처리 특성이나 모터 스트레스가 생각과 다르다면 그냥 프로펠러의 크기를 조금 줄이면 해결할 수 있다.
    • 프로펠러 디자인은 매우 다양하며, 특히 저속의 대형 프로펠러는 설계가 매우 중요하다.
      • 중심부는 넓고 가장자리는 얇은, cupped blades형 탄소섬유 설계가 14인치 이상의 대형에서는 최고이다.
      • 14인치 이하의 프로펠러의 경우, 날이 넓고 플라스틱이나 탄소섬유로 만들어진 일반적인 설계도 무방하다.
      • 모터중에는 특정 프로펠러와 함께 표시되는데, 최적의 성능을 내기위한 가장 좋은 시작점이다.
      • TMotor 는 프리미엄 프로펠러로 인정받지만, RC-Timer와 Tarot의 대형... 날이 가늘어지는(tapered) 프로펠러를 사용해야 좋은 결과를 얻을 수 있다.
      • APC, DJI, GemFan, RC Drones , Graupner 등은 모두 14인치 이하급에서 좋은 프로펠러를 생산한다.

대형 쿼드콥터용 전문가급 동력계통(28인치 이상)


  • Tigermotor U8 Pro 시리즈는 현재 상업적으로 판매되는 (대형) 콥터 모터 중 최고이다.
    • 환경으로부터 보호되고, 폐쇄형 구조, 쉽게 교체 가능한 베어링

    • 아울러 two piece 27/28/29 인치 탄소섬유 프로펠러도 판매함

    • 이에 맞는 최고급 70 암페어 ESC 도 있음

    • U8 Pro T-Motor는 $300.00, 28″ 탄소섬유 프롭은 한쌍에 $370, 70 A 프로 ESC $110.00. 4개 한세트를 구성하려면 총 $2380
    • 이들은 위에 있는 대형 Steadidrone Quadcopter에 사용되며, 명백히 최고 품질의 전문가용 고가의 제품이다. 
    • 이는 매우 무거운 짐까지 들수 있고, 오래 날수 있는 콥터로 대부분의 사용에서는 극히 과도하고 위험하다.
    • 이 조합은 총중량 12 kg 까지 가능하며 총 40분의 비행시간이 가능하다.
    • 이는 무거운 적재와 오랜 체공시간이 필요한 매우 심각한 사용분야를 위한 콥터로 아마추어용이 아니다.
    • 재난 구조, 검색, 화재 감시, 정찰, 생태/지리적 측량, 지도제작 등에 적합하다.


중형 쿼드콥터(16인치 프로펠러)를 위한 전문가급 동력계통


  • 명백히, 좀더 적당한 크기의 콥터에 비슷한 정도의 품질을 적용하는 것이 훨씬 더 실용적이다.
    • 380KV T-Motor 4008 - $85.00, 16×5" 탄소섬유 프롭 한쌍에 $90, 30 A 프로 ESC $50 - 4개 한세트를 갖추는데 $720.
    • 이 부품은 5kg 내외의 콥터까지 잘 작동하며, 뛰어난 내구성, 효율성, 체공능력을 제공한다.
    • 이는 DSLR급 카메라와 브러시리스 짐벌을 장착한 전문가용 사진/비디오 쿼드콥터를 위한 매우 실용적인 설정이다.
    • 4S 14.8V, 5S 18.8V, 6S 22.2V 배터리까지 선택 가능하며 총 중량에 따라 14″ ~ 17″ 프롭을 장착할 수 있다.
    • 적절하게 설정하면 장비를 완전하게 갖춘 상태로 30분의 비행시간을 확보할 수 있다. 

  • 아래는 매우 뛰어난 ($120.00) KDE 4014XF-380KV 모터로서 3개의 대형 교체가능 ABEC 베어링이 있다. 200시간 가능?
    • 이 모터는 13"에서 18" 프로펠러를 사용할 수 있으며, 3S - 6S 의 다양한 배터리를 사용하여 매우 효율적으로 운영된다.
    • 이 KDE 모터는 작동범위가 매우 놀랄만하여, 3kg 에서 10kg까지의 쿼드콥터에 사용할 수 있다.
    • 모든 부품과 제조 기법은 어떤 타협도 없이 가장 최고의 모터를 생산하는데 최적화되어 있다.
    • 이 모터에는 빗모양의 열방출 케이스와, 고온 캡슐화 부품과 자가 환기형 설계가 있다.
    • 사실 이 제품은 필요하다면 다른 모터들은 즉각 파괴될 수 있는 온도에서도 계속 사용할 수 있다.
    • 다양한 구성으로 카메라까지 포함하여 1시간 정도 이상 날릴 수 있다면 꽤 괜찮은 편이다.
    • 약간의 비용으로 15000 불 짜리 Steadidrone의 성능에 접근하는 쿼드콥터를 생산하는데 알맞다.
    • 18인치 프롭 정도를 장착하면 비슷한 정도의 적재 능력과 거의 40분에 달하는 비행시간을 구현할 수 있다.
    • 아울러 극한적인 설계 및 모터의 튼튼함을 볼때, 비슷한 정도의 신뢰성과 수명도 기대할 수 있다.
    • 나는 다음번 쿼드콥터에 이 모터를 사용할 예정으로, 18인치 프롭까지 설치해볼 것이다.


장시간 체공을 위한 고효율 중소형 전문가급 동력계통



  • $70.00 짜리 T-Motor MN3508 380KV Navigator 시리즈 모터는 장시간 체공형 응용에 이상적이다.
  • 이 크기급중 50 % 쓰로틀에서 G/W 효율이 17 이상이 나오는 유일한 모터이다.
  • 최고의 체공시간이 나오는 2-4kg 급 콥터를 원한다면, 이 모터와 4S Lipo 배터리를 사용하면 된다.
  • 호버링 범위가 극히 고효율이기 때문에, 고효율 리튬배터리의 후보이다.
  • 파나소닉 또는 LG의 고전력 리튬배터리는 우리가 일반적으로 사용하년 LiPo 배터리보다 약 두배의 에너지 밀도를 갖고 있다.
  • 하지만, 최대 출력이 2C 에 불과하므로, "low current draw " 가 필요하다. 이들 모터는 효율성이 높기 때문에 그것이 가능하다.
  • 14″ to 16″ 탄소섬유 프로펠러가 필요하다.


소형 쿼드콥터(10" - 14" 프롭)용 전문가급 동력계통


  • 현재 쿼드콥터에서 가장 큰 시장을 형성하고 있는 것은 10" 에서 14" 프롭의 1.5-3.5kg 급 이다.
    • $65 짜리 650 KV T-Motor MT3506 는 고품질, 소형이나 강력한 팬케이크 모터로, 11" 에서 14" 프롭까지 돌릴 수 있다.
    • 3S LiPo 배터리와 $73짜리 T-Motor 14" 프롭을 함께 사용하면, 3.5kg 까지 들어올릴 수 있고, 체공시간도 상당히 확보할 수 있다.
    • $27.00 짜리 T-Motor 18 Amp ESC 까지 함께 해서 총 4개 = $514.00 이면 최고급 모터/프롭/ESC를 확보할 수 있다.
    • 이 작은 팬케이크 모터는 3S 혹은 4S LiPo 배터리 및 적절한 프롭을 사용할 때 효율성이 높다.
    • 프레임은 14" 프롭까지 수용할 수 있어야 하며, 여러가지 배터리 구성을 받아들일 수 있어야 한다.
    • GoPro 크기의 카메라 와 브러시리스 짐벌, FPV, 텔레메트리 를 탑재하고 20분 이상 비행할 수 있도록 구성될 수 있어야 한다.
    • 이는 매우 성능좋고 튼튼하며, 전문가급 결과와 신뢰성을 거들 수 있는 쿼드콥터가 될 수 있을 것이다.

  • 위의 모터/프롭/ESC 구성은 모두 현재 만날 수 있는 것들 중 전문가급 품질에 근접한다.

중형 쿼드콥터(15"-16")를 위한 소비자급 동력계통


  • 조금 저럼한 부품을 이용하여도 상당히 신뢰성있고 효과적인 쿼드콥터를 구성할 수 있다.
    • $45 짜리 SunnySky 390KV X4112S 모터 또는 진짜 저렴한 $18.00짜리 RCTimer 5010-14 360KV 모터
    • 이러한 모터는 설치하기 쉽고 EMF가 낮은 $40 짜리 Hobbywing 4 in 1 ESC와도 잘 작동한다.

  • 또한 이들 모두 RCTimer 15x5.5" (4개에 $28.00) 또는 16 x 5.5" (4개에 35.00) 탄소섬유 프로펠러와 잘 동작한다.

  • Sunnysky 모터와 프롭을 모두 사용하면 약 $260 으로서, 5kg 까지의 콥터에 매우 효율적이다.
  • RCTimer 모터와 프롭을 모두 사용하면 약 $150 으로서, 약 3kg 까지의 콥터에 대해 상당한 비행시간을 확보할 수 있다.
  • 이들 모터는 모두 실제로는 17" 프롭과, 3S 에서 5S LiPo 배터리를 지원한다.
  • 필요하다면 GoPro와 짐벌을 달고 약 30분간의 비행이 가능한 콥터를 설계할 수 있다.
  • 이들 모터용 프레임은 적어도 16" 인치 프롭을 지원해야 한다. 17"면 더 좋다.
  • 이들은 앞서 언급한 T-Mortor 보다는 내구성과 신뢰성이 떨어지지만, 다양한 용도에 적용가능하다.

소형 쿼드콥터(8″ – 12″ 프롭)용 소비자급 동력계통


  • 여기는 소형의 취미용, 혹은 준 프로급 2.5kg 정도의 쿼드퀍터를 위한 튼튼한 저가의 시스템이다.
    • Flamewheel ARF 쿼드콥터에 포함된 DJI 2212모터는 아주 튼튼하고 하나에 $24 이다.
    • 아울러 DJI의 10인치 플라스틱 프롭 (한쌍에 $8.00)은 균형이 잘 맞고 효율적이며, 튼튼하다.

  • 그리고 사용하기 쉬운 $40짜리 4 in 1 ESC를 사용하면 전력배분 보드가 필요없고 전자파를 줄이고 신뢰성이 높다.

    • $150 이면 소형 2.5kg 급 쿼드콥터용으로 유용하고 튼튼한 동력계를 구성할 수 있다.
  • $40.00짜리 SunnySky X4108S 팬케이크 모터도 5kg 까지의 쿼드콥터를 구성할 수 있다.
    • 평판이 좋고 효율적이며 튼튼하다. 14" 또는 15인치 프롭과 4S 에서 6S LiPo 배터리와 사용하는데 적합하다.

  • 물론 이 이외에도 대안들은 많다.
    • 지속적이고 전문적으로 사용할 콥터가 필요하다면, 처음 3가지 구성 정도가 좋다.
    • 가끔씩 사용하는 취미용 혹은 중요하지 않은 용도이거나, FPV,  개인용 비디오 혹은 사진용이라면 다른 것들도 무방하다.
    • KDE 및 프로 T-Motor 베어링은 다른 값이 싼 것들보다 내구성이 좋고 외부환경에도 잘 견딘다. 
    • 비싼 탄소섬유 프롭이 다른 저가형 프롭보다 훨씬 효율적이고 균형도 좋고, 내구성도 좋다.
    • 그러나 적절한 콥터에 적절하게 설치한다면 저가형 제품도 오랫동안 안정적인 비행이 가능하다.
    • 나는 저속의 팬케이크 모터를 좋아한다. 대형 프로펠러를 사용함으로써 효율성과 비행시간을 높일 수 있기 때문이다.
  • 이상은 그냥 당신의 프로젝트를 위한 적절한 동력계를 찾아내는 가능성을 예시한 것에 불과하다.


Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. JEONG PRO

    너무 좋은 글을 보고갑니다 :)

    2016.04.12 00:15 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  2. 여치

    30kg 정도의 헥사 콥터에 사용하기 적당한 모터/프로펠라/배터리는 어떤게 좋을지 추천 부탁 드립니다.
    비행시간은 20분 이내 정도..

    2016.04.29 13:55 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]

드론/쿼드콥터2015. 11. 8. 00:35

쿼드콥터에는 대부분 Brushless 모터가 사용됩니다. Brushless 모터는 반드시 전자변속기(ESC : Electronic Speed Controller)가 필요합니다.


ESC에는 두가지 종류가 있습니다. OPTO Type와 BEC Type 입니다. 솔직히 제가 전공한 분야가 아니라서 잘 모르다보니, 배터리 - 모터/ESC - Flight Controller 를 연결하는 게 이해가 힘들었습니다. 특히 ESC의 종류에 따라 연결방법이 달라진다고 하니 더 그랬죠. 


제가 조립했던 DJI F450에는 OPTO 형 ESC가 달려 있었습니다. 얼마전 조립한 3DR 의 DIY Quad Kit은 BEC 형 ESC가 달려있었구요. 이번에 새로 조립할 때는 이 두가지를 조합해서 조립할 예정으로 있습니다. 제가 왜 어려워하는지 이해하시겠죠. :)


그래서... 구글링을 해서 자료를 찾아 정리해봤습니다. 이글은 Black Tie Aerial의 글을 필요에 따라 정리한 것입니다.


  • ESC : Electronic Speed Controller. 전자변속기. 그냥 변속기라고도 합니다.
  • Opto : Optoisolator 의 약어. Aotpisolator라는 전자 신호를 전기로 연결하지 않고 전달할 수 있는 전자 회로 이다. (아주 간략하게 말해서) Optoisolator 안에는 약간의 간격이 있고, 한쪽엔 LED, 다른쪽엔 광검출기(photodetector)가 달려있다. 입력 전자신호(예를 들어 비행콘트롤로에서 들어오는 신호)는 일련의 빛(flash)으로 변환된다. 이 빛을 반대편에 있는 광검출기가 감지를 한다. 마치 어떤 사람이 후레시를 켰다 껏다하면서 모르스 부호를 통신하는 것이라고 생각할 수 있다. 따라서 신호가 전기가 아닌 빛으로 전송된다.
  • BEC/UBEC : 배터리 제거회로(Battery Eliminator Circuit/Universal Battery Eliminator Circuit) BEC와 UBEC는 기본적으로 동일한 회로로서, 몸집이 큰 전압조정기(voltage regulator)라고 생각하면된다. 목적은 멀티로터 배터리(일반적으로 11.1V)의 고전압전기를 저전압(일반적으로 5V)로 변환하는 것으로서, 비행콘트롤러나 서보와 같는 저전압 장치를 구동시키는 데 사용된다. 만약 비행콘트롤러를 배터리와 직접 연결하면 비행콘트롤러가 타버리게 된다. 따라서 배터리와 비행콘트롤러 사이에 BEC/UBEC를 두어 적절한 수준으로 전압을 떨어뜨려야 한다.

전자변속기를 무엇인가?


Brush 모터와 Brushless 모터의 근본적인 차이로, Brushless 모터는 반드시 제어 회로가 필요하다. ESC가 바로 Brushless 모터의 제어기이다. ESC는 모터속에 있는 전자기 코일에 들어가는 전기 흐름을 제어하여 모터를 돌아가도록 한다. ESC는 Brushless 모터의 회전 속도를 제어하는데 사용된다.

ESC에는 두가지 종류가 있다. opto ESC와 BEC ESC이다. 멀티로터를 조립할 때 어떤 ESC를 사용하느냐하는 것은 매우 중요하다. 종류에 따라 전원체계가 완전히 다르기 때문이다. 불행히도 이 두가지 ESC는 라벨만 다를 뿐 형태는 거의 비슷하다.


BEC형 ESC는?


BEC 혹은 UBEC 형 ESC 에는 기본적으로 두개의 전자회로가 한꺼번에 들어있다. 첫번째는 ESC 회로로서, 비행콘트롤러로부터 신호를 받아서 그 강도에 따라 연결된 모터의 속도를 제어한다. 두번째 회로는 BEC 회로로서, 배터리로부터 고전압을 받아, 비행콘트롤러에 필요한 수준으로 전압을 떨어뜨린다.


ESC와 BEC를 결합하면 편리하다. ESC를 비행콘트롤러에 꽂아주기만 하면 되기 때문이다. 한편으로는 모터의 속도를 제어하면서 비행콘트롤러에 전원을 넣어줄 수 이싿. 따라서 BEC ESC를 사용하면 전원부 설정이 간단해진다. 배터리 - ESC - 비행콘트롤러 순으로 연결만 하면 된다.


BEC ESC의 단점은 배터리 전압을 떨어뜨리는 과정에서 잉여 에너지를 열로 바꾼다는 점이다. 이때문에 BEC ESC를 탑재한 멀티로터를 조금 날리다보면 뜨거워지는 것을 느낄 수 있다. 열이 너무 많이나면 ESC를 망가뜨리게 되고 멀티로터를 추락시킬 수 있다.


Opto형 ESC는?


Opto ESC에는 배터리제거회로가 없다. 따라서 Opto ESC는 비행콘트롤러로부터 신호를 받아 모터의 속도를 제어하지만, 비행콘트롤러에 전원을 공급하는 기능은 없다. 이 사실을 모르고 Opto ESC를 주문했다가는 별도의 BEC 회로가 필요하게 된다. BEC/UBEC는 배터리와 비행콘트롤러 사이에 연결하여 비행콘트롤러에 적절한 전압을 공급한다.



Opto ESC는 별도로 UBEC를 구입해야 한다는 단점이 있다 아울러 전원설정이 약간 더 복잡해지고, 선도 더 많아진다.


하지만 Opto ESC는 BEC 회로가 없기 때문에 BEC ESC에 비해 약 20% 정도 저렴하다. 따라서 UBEC를 별도로 구입하더라도 비용을 절약할 수 있다. 


또한 BEC ESC를 사용하여 멀티로터를 만들경우, ESC가 잘못되면 (예를 들어 과열로 인해) 비행콘트롤러로 가는 전원까지 망가짐으로써 멀티콥터가 추락하게 된다. Opto ESC를 사용하면 ESC가 잘못되더라도 비행콘트롤러는 영향을 받지 않아, 나머지 모터들을 사용하여 안전하게 착륙시킬 기회가 생길 수 있다.


Opto ESC와 UBEC을 사용하여 결선하는 방법



  • Opto ESC를 모터에 연결
  • Opto ESC를 비행콘트롤러에 연결
  • Opto ESC와 배터리를 연결
  • 외부 UBEC를 배터리에 연결
  • UBEC를 비행콘트롤러에 연결.
===

이상입니다~


Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. 비밀댓글입니다

    2016.11.19 17:17 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 레이싱 드론이라면 달아야 하는 부품이 한정적이고... 대부분 PMU에서 전원을 공급받을 수 있어서 별도의 BEC는 필요하지 않을 것 같습니다. 물론 구성에 따라 다를 수는 있습니다.

      2016.11.22 10:27 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. esc 사용관련

    Esc고장으로 30암페어짜리를 다시주문했는데 사양이 달라도 같이사용가능한가여 ??

    2018.05.11 16:11 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. esc 사용관련

    Esc 고상으로 30암페어짜리 를 다시주문했는데 사양이다르면 어떻하조 ? 지금쓰는것도 3ㅔ암페어긴한데 같이사용해도 상관없나요??

    2018.05.11 16:12 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 흠... 자세히 모르지만, ESC에 여러가지 모드가 있는 걸로 압니다. 좀 유명한 제품들은 여러가지 모드를 지원하고 설정할 수 있을 겁니다. 저라면 그냥 같은 걸 주문 할 것 같습니다.

      2018.05.15 19:11 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]