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  1. 2015.11.23 고급 멀티콥터 설계(3)-멀티콥터 프레임
드론/쿼드콥터2015. 11. 23. 17:36

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!!!)

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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