드론/쿼드콥터2016. 10. 24. 10:29

맞춤식 혹은 반맞춤식 멀티로터 UAV를 제작하기로 했다면, 먼저 해야할 일이 프레임을 선택하는 것이다. 직접 제작할 수도 있고, 기존 UAV 프레임키트를 기반으로 시작할 수도 있다. 멀티콥터 UAV를 제작하는데 사용되는 프레임과 구성은 아주 다양하다. 이 가이드는 일반적/기본적인 프레임 유형과, 프레임을 만드는데 사용되는 재료, 그리고 설계시 고려사항을 다룬다. 어떤 의견이라도 댓글로 남겨주시길 바란다.

UAV 프레임 종류

트라이콥터(Tricopter)

  • 설명 : 세개의 팔에 모터가 하나씩 붙어 있는 UAV. UAV의 전면은 두개의 팔 사이가 되는 경우가 많다. 팔과 팔 사이의 각도는 달라질 수 있지만, 120도가 일반적이다. 움직이려면 후방 모터가 (일반 RC 서보 모터를 사용하여) 회전할 수 있어야 한다. 로터의 숫자가 짝수가 아니기 때문에 발생하는 회전 효과를 상쇄하고, 요(yaw) 각을 변경시키기 위한 목적이다. Y4는 후방 팔에 두개의 모터를 다는 약간 다른 형태로, 회전효과를 처리해 줄 수 있어 서보가 필요하지 않다.
  • 장점 : UAV와 다른 모습. 전방으로 이동할 때 비행기처럼 비행한다. 모터와 ESC 숫자가 작기 때문에 여기에 설명한 모든 드론중 가격이 가장 저렴하다.
  • 단점 : 콥터가 비대칭적이어서, 일반 RC 서보를 사용하여 후방모터를 회전시키므로, 다른 멀티콥터에 비해 설계가 복잡하다. 후방팔은 더 복잡하다. 축에 서보를 설치해야 하기 때문이다. 대부분의 비행콘트롤러가 이 형태를 지원하지 않는다.

쿼드콥터(Quadcopter)

  • 설명 : 4개의 팔에 모터가 하나씩 붙어 있다. UAV 전방은 두개의 팔 사이(X 형)이 많지만, 축을 향하는 경우(+ 형)도 있다.
  • 장점 : 가장 인기있는 형태로, 구성이 간단하고 아주 다양하다. 팔/모터가 두개의 축을 기준으로 모두 대칭적인 것이 표준적 구성이다. 모든 비행콘트롤러가 이 형태를 지원한다.
  • 단점 : 잉어성(redundancy)가 없어서 시스템내 어디라도(특히 모터나 프롭) 문제가 생기면 기체가 추락하게 된다.

헥사콥터(Hexacopter)

  • 설명 : 팔이 여섯개 있고 각각 모터가 하나씩 부착된 형태. UAV의 전면은 두개의 팔의 사이가 일반적이지만 축을 향하는 경우도 있다. 
  • 장점 : 쿼드콥터 설계에 두개의 팔을 다는 것은 쉽다. 이렇게 하면 총 추력이 증가하여 더 많은 하중을 실을 수 있다. 또한 하나의 모터가 망가지더라도 추락하지 않을 수도 있다. 헥사콥터는 동일한 모터와 팔을 사용하여 시스템을 모듈화하는 경우가 많다. 대부분의 비행콘트롤러가 이 형태를 지원한다.
  • 단점 : 이 형태는 부품이 추가되므로, 최소한의 부품을 사용하는 쿼드콥터에 비해, 동일한 모터와 프롭을 사용하는 동급의 헥사콥터는 좀더 비싸고 크기도 커진다. 이들 추가 모터와 부품은 무제를 증가시켜 동일한 비행시간을 유지하려면 더 큰 배터리가 필요하다.

Y6

  • 설명 : 헥사콥터의 한 종류로 팔의 숫자가 6개가 아니라 3개로서, 팔마다 두개의 모터가 부착된 형태이다. 참고로 아래쪽에 부착된 프롭도 아랫쪽 방향으로 추력을 실어야 한다.
  • 장점 : 지지대가 줄어든다. 일반 헥사콥터에 비해 적은 부품으로 쿼드콥터보다 더 많은 하중을 실을 수 있다. Y6는 반대로 회전하는 프롭이 쌍으로 있어 Y3와 같은 회전효과가 없다. 아울러 모터가 망가지더라도 콥터를 착륙시킬 기회가 생길 수 있다.
  • 단점 :  이 형태는 부품이 추가되므로, 최소한의 부품을 사용하는 쿼드콥터에 비해, 동일한 모터와 프롭을 사용하는 동급의 Y6는 좀더 비싸진다. 또한 이들 추가 모터와 부품은 무제를 증가시켜 동일한 비행시간을 유지하려면 더 큰 배터리가 필요하다. Y6의 추력은 동일한 구성의 헥사콥터에 비해 약간 낮은데, 상부 프로펠러의 추력이 아랫쪽 프롭에 영향을 주기 때문이다. 모든 비행콘트롤러가 이 구성을 지원하지는 않는다.

옥타콥터(Octacopter)

  • 설명 : 지지대 8개에 모터가 각각 하나씩 부착. UAV의 전면은 두개의 팔 사이인 경우가 많다.
  • 장점 : 모터가 많아 추력이 크고, 안정성이 높다.
  • 단점 : 모터가 많아 가격이 비싸고 대형 배터리가 필요하다. 이정도 수준이라면 DSLR 카메라와 무거운 짐벌과 같은 매우 무거운 하중을 실을 수 있다. 이러한 시스템의 가격을 고려할 때, 잉여성(redundandy)은 매우 중요하다.

X8

  • 설명 : 옥타콥터의 일종이나 팔이 4개로 각각 2개의 모터가 부착된 형태이다.
  • 장점 : 모터가 많아 추력이 크고 안정성이 높다. 
  • 단점 : 모터가 많아 가격이 비싸고 대형 배터리가 필요하다. 이정도 수준이라면 DSLR 카메라와 무거운 짐벌과 같은 매우 무거운 하중을 실을 수 있다. 

UAV의 크기

UAV 크기는 매우 다양하다. 손바닥보다 작은 "나노"급으로 부터 트럭에 옮겨야 하는 "메가"급까지 있다. 아주 크거나 매우 작은 UAV도 관심을 끌기는 하지만, 대부분의 hobbyist 들에게는 별로 실용적이지 않다. 초보자들에게 종류나 가격이 다양한, 적당한 크기는 350mm 부터 700mm 수준이다. 이 값은 모든 모터 중심을 지나는 가장 큰 원의 지름으로 측정된다. 이 정도 급의 UAV에 필요한 부품은 가격도 매우 다양할 뿐 아니라, 현재까지 제품의 종류도 가장 많다.

UAV 크기가 작다고 해서 중간급보다 반드시 저렴한 것은 아니다. 주된 이유는 소형 브러시리스 모터 혹은 소형 콘트롤러를 생산하는데 필요한 시간과 기술이, 대형 드론용 부품과 동일하기 때문이다. 비행콘트롤러, 송수신기 카메라 등의 추가 장비 가격도 변하지 않는 경향이 있다. 프레임은 일반적으로 UAV 에서 가장 저렴한 부품이므로, 소형 UAV의 프레임가격이 대형에 비해 반값이라고 해도, 전반적인 가격은 그다지 달라지지 않는다.

UAV 재료

아래는 멀티로터 드론에서 사용대는 일반적인 재료이다. 이 목록이 모든 가능한 재료를 다 담고 있는 것은 아니므로, 어떤 재료의 프레임을 사용할까 고민할 때 지침/의견 정도로 사용하기 바란다. 이상적인 프레임은 가능한한 견고하면서도 진동 전달이 최소화될 수록 좋다.

목재

가장 저렴한 프레임을 원한다면 목재가 훌륭한 대안으로, 제작시간과 추가 부품을 많이 줄일 수 있다. 목재는 상당히 견고하며, 오랜시간 검증되었다. 시각적으로는 좀 떨어지지만 추락했을 때 지지대 교환이 아주 쉽다. 팔에 색을 입히면 목재라는 걸 숨길 수 있다. 목재를 사용할 경우, 똑바른 것을 사용해야 한다.


폼(Foam)

폼 단독으로는 프레임에 사용되는 경우가 드물며, 내부 골격이나 강화구조로 사용되는 경향이 있다. 전략적으로 프롭 가드나 착륙장치 혹은 진동흠수재로 사용될 수도 있다. 폼은 매우 다양하여 강도가 모드 다르다. 따라서 실험이 필요하다.



플라스틱

대부분의 사용자는 플라스틱 시트만 접근가능하며 사용한다. (3D 플라스틱 형태나 물체는 제외) 플라스틱은 탄성이 있어 이상적인 재료는 아니다. 전략적으로 (커버나 착륙장치) 사용하면 훌륭한 대안이 될 수 있다. 3D 프린팅 프레임을 고려할 경우, (플라스틱 프레임 키트 구입비용 대비) 부품 인쇄에 들어가는 시간을 고려하고, 공중에서 부품이 얼마나 딱딱해야 하는지 고려하라. 3D 프린팅 부품(혹은 전체 부품)은 현재까지 소형 쿼드콥터에 성공적이었다. 플라스틱 사출 방식도 소형 혹은 중급 드론에 사용할 수 있는 옵션이다.

알루미늄

알루미늄은 크기와 형태가 다양하다. 알루미늄 시트를 몸체 판으로 사용하거나, 사출 알루미늄으로 지지대로 쓸 수 있다. 알루미늄은 탄소섬유나 G10보다 가볍지 않지만, 가격이나 내구성면에서 매력적이다. 금이 가지 않는 대신 휘어지는 특성이 있다. 알루미늄만으로 작업하려면 톱과 드릴만 필요하며, (가벼우면서도 튼튼한) 적절한 단면을 찾아내고, 불필요한 재료는 잘라내는데 공을 들여야 한다.


G10

G10(유리섬유의 일종)은 탄소섬유의 저렴한 대안으로 사용된다. 외양과 기본 특성은 거의 동일하다. G10은 시트 형태로 대부분 제공되며, 상판 및 하판에 널리 사용된다. 반면 탄소섬유를 튜브형태로 가공하는 것은 (G10에 비하여) 많이 비싼편이 아니어서 지지대에 잘 사용된다. G10은 탄소섬유와는 달리 RF 신호를 차단하지 못한다.


PCB

PCB(Printed Circuit Boards)는 기본적으로 유리섬유와 동일하지만, 유리섬유와는 달리 항상 평면이다. 600mm 보다 작은 프레임의 경우 상판 및 하판에 PCB 재료를 사용하기도 한다. PCB에 전기적 연결이 포함되어 있어 부품을 줄일 수 있기 때문이다. (예를 들어, 전력배분판(power distribution board)를 하판에 통합하는 경우) 소형 쿼드콥터 프레임은 하나의 PCB에 모든 전자부품을 통합할 수도 있다.


탄소섬유(Carbon Fiber)

탄소섬유는 가볍고 매우 튼튼하여 최고의 재료이다. 탄소섬유를 제작하는 공정은 여전히 수작업이 많아, 평면 시트나 튜브와 같은 간단한 형상만 대량 생산되고, 복잡한 3D 형태는 한개씩만 만든다. 탄소섬유는 RF신호를 차단하므로, 전자기기(특히 안테나)를 설치할 때 이를 고려해야 한다. 

추가적으로 고려할 사항

짐벌(Gimbal)

짐벌은 카메라(FPV 또는 비디오)를 안정시키기 위해 사용한다. 카메라를 UAV 프레임에 직접 연결하면 프레임과 동일한 방향만 가르키기 때문에 최적의 비디오 경험을 생산할 수 없다. 대부분의 김벌은 프레임 아래에 장착하되, UAV의 무게중심에 나란히 설치한다. 짐벌은 UAV 아래에 직접 연결할 수도 있지만, 레일에 연결하기도 한다. 따라서 짐벌 시스템을 설치하면 착륙장치가 더 길어져야 한다. 짐벌이나 카메라를 UAV 앞쪽에 설치하는 것도 가능한데, 이 경우 배터리를 후방으로 설치하여 무게 균형을 맞춘다.


적재(Payload)

드론에 "운송" 적재를 싣는 것은 사치에 가깝다. 무게를 늘리면 비행시간이 줄어 필수적인 기능으로 추가하고 싶은 다른 기기를 줄여야 하기 때문이다. 정말로 뭔가를 실어야 한다면 설치기기를 가능한한 가볍게 하고, 비행중 이동하지 않도록 해야 한다.




착륙장치(Landing Gear)

착륙장치는 여러면에서 UAV에 도움이 되지만, 일부 드론은 하판으로 직접 착륙하기도 한다.(무게를 줄이기 위해) 착륙장치의 장점은 다음과 같다.

  • UAV 바닥면과 평탄하지 않은 표면(풀이나 자갈 등)사이에 공간을 제공
  • 배터리/짐벌 과 땅 사이의 공간을 제공
  • 강하게 착륙할때 착륙장치가 있으면 프레임대신 착륙장치가 부서짐
  • 적절한 착륙장치가 있으면 floatation도 제공??? (lightweight pool noodles 등??)


탑재(Mounting)

UAV는 일반 헬리콥터보다 설계/제작이 훨씬 쉽지만, 생각할 거리는 아직 많고 설계 과정 초기에 어떻게 탑재할 것인지를 고려해야 한다. 경험에 기초하여, 탑재에 관해서 고려할 일반적인 사항은 아래와 같다.

  • 맞춤형 프레임을 제작할 계획이라면, 탑재가 어려운 지역은 모터와 프레임 사이로서, 4개의 탑재용 구멍을 설치 혹은 정확하게 드릴로 뚫어야 한다. 대부분의 400-600 mm 프레임은 탑재구멍 형태가 동일하므로, 어떤 프레임을 사용하든 다른 회사의 모터를 사용하는 것이 가능하다.
  • 모든 추가 부품의 설치는 한 축에 대해 대칭적으로 설치하는 것이 이상적으로, 기체의 무게 중심을 변경하는데 편하다.
  • 비행콘트롤러는 모든 모터를 연결하는 원의 중심(따라서 무게 중심)에 설치하는 것이 이상적이다.
  • 비행 콘트롤러는 일반적으로 스페이서(standoff), 고무 진동흡수체(rubber dampener) 혹은 양면테이프를 사용하여 프레임에 고정한다. 대부분의 회사에서 비행콘트롤러 설치용 구멍의 위치를 동일하게 하고 있는 것으로 보이지만 (예를 들어 35mm 또는 45mm 간격) 표준은 없다.
  • 배터리는 상당히 무거우므로, 무게중심이 조금 어긋나면 배터리를 조금 이동시키면 바로 잡을 수 있다. 배터리가 약간 왔다갔다 할 수 있지만, 완전하게 고정할 수 있도록 탑재하도록 한다. 벨크로 띠를 사용하여 배터리를 고정하는 게 좋다. 배터리 바닥과 프레임에 별도의 벨크로를 부착하는 것도 좋다.

가이드라인(Guidelines)

1 단계 : 어떠한 재료나 가공기기를 사용가능한지 살펴본다.

  • 가공기기가 없거나 좀더 전문적인 프레임을 원한다면 프레임키트를 구매할 것
  • 기본적인 도구와 재료로 멋진 프레임을 만들 수는 있지만, 구조적으로 약하거나, 공명을 일으키거나 정렬이 되지 못하는 등, 예리한 눈과 경험이 필요한 곳이 반드시 존재한다.
  • 맞춤형 프레임을 제작할 계획이라면 모터, 전자부붐등 필요한 모든 탑재요소를 고려하여 설게해야 한다.

2 단계 : 추가하고자 하는 모든 추가 부품을 나열한다.

  • 추가 장비로는 1축/2축/3축 짐벌, 낙하산, 온보드 미니컴퓨터, 탑재물, 장거리 전자기기, floatation 등이 있을 수 있다.
  • 이러한 추가/중요하지 않은 장비를 나열하면 드론의 크기와 총 무게 등에 대해 감을 잡을 수 있다. (추후 계산)

3 단계 : 원하는 프레임 프기를 대략 잡는다.

  • 프레임이 크다고 능력이 많아지는 것은 아니며, 프레임이 작다고 저렴해지는 것은 아니다.
  • 400-600 정도가 초보자에게 적당하다.

4 단계 : 프레임을 설계/제작/테스트 한다.

  • 프레임 키트를 구입하기로 했다면, 내구성/강도/조립 등에 대해 걱정할 것이 좀 덜하다.
  • 프레임을 직접 설계/조립하기로 했다면 내구성 테스트가 중요하다. 무게를 확인하고, 진동을 견지는지 확인한다.
  • CAD 소프트웨어(구글 스케치업등 무료도 많음)을 사용하여 프레임을 설계하고, 치수가 맞는지 확인한다.

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원문 : http://www.robotshop.com/blog/en/make-uav-lesson-2-platform-14448

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. 궁금

    안녕하세요 드론에 대한 질문이 있는데요 입문용 드론 SYMA 드론 X5HW 혹은 렉사 w101 드론 같은 4~5만원짜리 드론에 100그람 정도의 물체를 부착 할 수 있을까요?ㅠㅠ

    2016.11.01 22:02 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 대충 말씀을 드리면 드론의 무게가 최대추력의 1/2 정도가 되도록 합니다. 그러니까 현재 SYMA 드론이 120그램 정도 될 건데, 거기다가 100그램짜리 물건을 단다면... 무게가 최대 추력과 거의 비슷해진다는 뜻이됩니다.

      그 결과 겨우 뜰 수 있는 정도나 되겠네요. 자유롭게 움직이는 건 힘들 겁니다.

      2016.11.01 22:39 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. 궁금

    답변 감사합니다 !!

    2016.11.03 02:04 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]

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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드론/쿼드콥터2015. 11. 16. 00:18

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 첫번째 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



인기있는 멀티콥터 프레임 레이아웃


  • 트라이콥터(Tricopter)는 3개의 모터/프로펠러 추진체를 사용하며, 서보(servo)를 사용하여 회전을 상쇄시킨다.
    • 트라이콥터는 브러시리스 모터 및 프로펠러의 등장 초기, 그다지 흔하지 않았던 시기에 많이 사용되었다.
    • 하지만, 성능은 그다지 뛰어나지 않으며, 큰 크기로 확장하기 힘들다.
    • 하지만, 현재에도 소형 취미용에는 많이 사용되고 있다.
    • 기본적으로 구식이므로, 이 글에서는 자세하게 다루지 않는다.


  • 4개의 모터/프로펠러를 장착한 쿼드콥터가 가장 대중적이며, 크기도 다양하다.
    • 쿼드콥터는 설계가 아주 간단하며, 재론이 필요없이 여러가지 면에서 가장 널리 사용되는 형태이다.
    • 쿼드콥터는 대칭이며, 가장 간단한 방법으로 3차원 이동 및 회전을 제어할 수 있다.
    • 간단히 모터의 속도만 바꾸면 3차원 이동 및 회전, 정지 기능을 구현할 수 있다.
    • 상대적으로 비용이 적게 들고, 대량 생산공정 기술과도 잘 맞는다.
    • 여러가지 크기와 형태가 있어, 단순한 비행 뿐만 아니라 유용한 임무도 수행할 수 있다.
    • 중요한 단점으로는 모터가 하나만 고장이 나도 기체가 추락한다는 것이다.
    • 아주 다양한 재료과 기법을 이용하여 유용한 쿼드콥터를 생산할 수 있다.
    • 대중적인 쿼드콥터 형태는 다음과 같다.
      • X 형 : 앞뒤로 2개씩의 프로펠러가 있고, 그 가운데 X 형태의 프레임이 있는 형태
      • + 형 : 위의 X형과 동일하지만, 전후방 및 좌우에 프로펠러가 배치되어 있는 형태
      • "Dead Cat" 형 : X 형의 변형으로서, 앞-앞 및 뒤-뒤의 프레임 간격이 옆쪽 앞뒤의 프레임 간격보다 넓은 형태
        • "Dead Cat"이란 이름은 자신의 죽은 고양이를 쿼드콥터에 장착한, 네덜란드 예술가 Bart Jansen으로부터 유래되었다. 
      • H 형 : 좌측 및 우측의 모터를 각각 사이드암으로 연결하고, 이를 중심부를 지나는 프레임 암으로 연결하는 형태
      • 사각 형 : 모터와 모터 사이를 프레임으로 연결하는 형태(대부분 중간프레임 암이 중심프레임을 고정)
      • 원(바퀴) 위에 모터를 배열하는 변형된 형태도 있음.
      • 대부분 X 형과 비슷한 방식으로 작동됨. X 형은 카메라 배치가 쉬운 장점이 있음
      • X 형을 추천함. 튼튼하고 간단하고, 대칭이라서 추진력의 균형을 잘 맞출 수 있음
    • 아래는 벌새 크기의 Estes Proto X 임.

    • 잘 만들어졌으며 실용적이며 다재다능한 3DR Iris 쿼드콥터는 GoPro 카메라를 사용하여 사진/비디오 촬영 가능
      • 설계가 뛰어나며, 고강도 Zytel 프레임 암 및 충격 흡수 덮개 등의 고품질 부품을 사용하여 장기간 사용을 보장

    • 1500불 수준의 SteadyDrone Q4D-X는 28인치 프로펠러를 장착하여, 적재하중 8kg, 및 60분 비행이 가능하다고 한다.

  • 전문가용으로는 6개 및 8개의 모터/프로펠러 추진체를 장착한 헥사콥터와 옥토콥터가 널리 사용됨
    • 헥사, 옥토, Y6 및 X8은 무거운 중량도 안정적으로 들어올릴 수 있어 사진촬영 및 기타 여러가지 용도에 적합하다. 
    • 헥사와 옥토콥터는 하나의 모터가 고장나더라도 계속 날릴 수 있는 장점이 있다.
    • 하지만 쿼드콥터에 비해 복잡성이 증가하여 오류 가능성이 더 높다.
    • 프롭의 크기를 줄이고 속도가 빠른 프롭을 사용할 경우, 동등한 성능의 크기가 큰 프롭을 사용하는 쿼드로터에 비해 부드러운 비행이 가능하다.
    • 하지만, 다른 모든 요소가 같다는 가정하에, 어느 정도 비행 효율과 지구력이 떨어진다.


  • 헥사 Y6와 옥토 X8는 하나의 암에 모터/프로펠러가 아래위로 달려있는 형태로, 점점 더 널리 사용되고 있다.
    • 하나의 축에 push/pull 모터/프롭이 있어, 작은 면적에서 가장 높은 추력을 만들어 낼 수 있지만, 효율성은 희생된다.


    • 이들 Y6와 X8 설계는 간단하고 크기에 비해 탑재 용량이 크고 모터 하나가 고장 나도 견뎌낼 수 있다.

  • 싱글콥터(Singlecopter)와 동축콥터(Coax copter)는 아주 새로운 형태로, 특별한 응용에 잇점이 있다.
    • 하나 또는 두 개의 모터/프로펠러를 원통 형태의 몸체에 넣는 형태라서, 실내에서도 보호되는 경향이 있다.
    • 원통형 구조의 특성상 바람에 취약하여, 보상하는데 더 많은 노력이 필요하다.
    • 일반적으로 호버링과 위치조정 능력은 좋지만, 속도와 성능 면에서는 다른 멀티콥터에 비해 제한된다.
    • 싱글콥터는 특히 체공시간을 늘리기 위하여 가솔린 엔진용으로 개조하기에 좋다.
    • 대형 프로펠러 하나로 운영할 수 있어, 전자식에서도 높은 효율성을 실현할 수 있다.
    • 싱글콥터는 하나의 모터/프로펠러와 함께, 서보를 사용하여 날개를 조절함으로써, 회전을 통제한다.


  • 동축콥터(oaxcopter)는 두 개의 모터/프로펠러를 사용하여 추력과 Yaw 회전을 통제하고, 두개의 날개(서보를 이용)를 사용하여 roll 과 pitch를 조절한다.



  • 또한 엄청난 곡예 성능을 내는 가변형 피치 멀티콥터도 있다.
    • 가변형 피치 멀티콥터는 아래에 있는 Curtis Youngblood Stingray 500과 같이 재미있는 잠재적 가능성이 있다.
    • 프롭을 서버로 제어하여 3축방향 회전을 만들 수 있어, 하나의 모터만으로 구동축/벨트로 모터를 제어하는 방식이 많이 사용된다.
    • 하나의 모터를 사용할 경우, 가솔린 엔진도 적용할 수 있어서, 상당한 지구력과 장거리 사용성도 만족시킬 수 있다.
    • 이 방식은 성능이 매우 좋고 거꾸로도 날 수 있으며, 기계적으로는 좀더 복잡하지만 견고하게 제작할 수 있다.


  • 8개 이상의 모터/프로펠러를 탑재한 콥터는 특별하고 극단적인(정신나간) 응용에 사용될 수 있다.



Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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