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쿼드콥터
쿼드콥터(quadcopter)는 로터(회전날개)가 4개를 이용해 뜨고 추진하는 멀티콥터이다. 쿼드로터(quadrotor)라고도 한다.
각 로터는 연직 아래를 향해 있으며, 두 개는 시계 방향으로, 나머지 두 개는 반시계 방향으로 회전한다. 이들 로터의 회전 속도를 조절함으로써 쿼드콥터의 움직임을 제어할 수 있다.
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개요[편집]
쿼드콥터는 멀티콥터 비행체의 한 종류로, 회전날개(프로펠러)가 4개인 것을 의미한다. Quad = 4라는 의미. 같은 의미로 CPU의 쿼드코어는 4개의 CPU가 집적되어있다.
멀티콥터(회전익, 로터)라는 대분류에는 트라이콥터(3개의 프로펠러) 쿼트콥터(4개의 프러펠러) 헥사콥터, 옥토콥터와 같은 여러 계열이 있으며, 비행체를 안정시키기 위해 최소한 2개를 초과한 회전날개(프로펠러)가 있어야 한다.
멀티콥터의 개념상 양력을 발생시키는 고정날개가 없거나, 의미가 없게 된다. (아래 비행원리 참고) 모터나 엔진을 지지하기 위한 날개처럼 생긴 지지대가 존재한다. 날개가 아니다.
가장 흔한 멀티콥터[편집]
멀티콥터를 프롭(모터)의 수로 분류할 때 가장 흔한 것이 쿼드콥터이다. 쿼드콥터의 구조가 멀티콥터 중 가장 간단하기 때문이다.
내, 외부 부품의 회전 없이 추력을 발생시키는 장치가 만들어지지 않는 한, 수직이 착륙을 할 수 있는 싱글콥터라는 것은 있을 수가 없다. 그 이유는 회전으로 인한 반작용으로 기체가 회전하기 때문이다. 비행기의 경우 양 주익의 양력을 다르게 해서 회전을 막을 수 있지만, 프롭의 추력이 곧 양력이 되는 콥터 종류에서는 이를 해결하기 힘들다. 사실 해결할 수 없는 것은 아닌데, 프롭 아래 커다란 판을 회전축을 중심으로 선대칭이 되도록 적당한 각도로 달아서 회전하는 방향으로 프롭에서 나온 바람의 방향이 꺾이게 만들면 프롭의 회전에 대한 반작용과 판에서 꺾여 나가는 바람의 반작용이 상쇄되어 회전하지 않고 떠오를 수 있다[1]. 그 밑에 판 두 개를 수직으로 붙이고 두 판의 각도를 조절할 수 있게 만들면 원하는 방향으로 기울게 할 수도 있으며, 이를 이용해 원하는 방향으로 비행하게 할 수도 있다. 게다가 넓은 판이 달려 있으니, 적당한 받음각으로 이 판의 양력을 이용하면 보다 효율적으로 비행할 수도 있다. 그리고 우리는 이것을 고정익 항공기, 즉, 비행기라고 부른다.
프롭이 두 개라면 그 둘을 서로 반대 방향으로 회전시키거나, 두 프롭을 앞뒤로 위치시키돠 한 프롭은 아래로, 한 프롭은 옆으로 바람을 내뿜으며 서로의 반토크를 상쇄할 수 있다. 물론 이것만으로는 원하는 방향으로 기울어져 날아가는 것이 불가능하므로, 일반적인 프롭이 아니라 가변피치프롭, 그것도 프로펠러날의 방향에 따라 받음각을 조절할 수 있는 가변 사이클릭 피치 프롭이 필요하다. 그리고 이것을 달고 날아다니는 항공기는 흔히 볼 수 있는데, 그것이 바로 헬리콥터다. 따라서 멀티콥터라고 부를 수 있는 것은 3개의 프롭을 가진 트리콥터부터인데, 프롭이 3개라면 홀수이므로 한 프롭의 반토크를 나머지 한 프롭이 상쇄한다고 쳐도 한 프롭이 납는다! 그래서 이걸 해결하기 위해서는 프롭의 크기가 서로 다르거나 서보를 이용해 모터의 각도를 조절하거나 등 복잡한 구조가 필요해진다.
따라서 프롭의 수가 짝수이며, 각 프롭의 회전축을 이은 선이 평면도형을 이룰 수 있어 그 안에 무게줌심을 둘 수 있기 때문에 사이클릭 피치 조작 없이도 전후좌우비행이 가능한 쿼드콥터가 가장 간단한 구조의 멀티콥터로 널리 사용되고 있다.
비행 제어[편집]
쿼드콥터는 네 개의 로터의 상대적인 속도를 조절함으로써 기체의 자세와 움직임을 제어한다.
x,y,z축과 대응하는 롤링,피칭,요잉이 있다. 각축을 중심으로 회전할때 즉 x축은 롤링이, y축은 피칭이 z축은 요잉이 된다.
roll과 pitch[편집]
기체의 앞(진행 방향)과 나란하며 기체의 무게중심을 지나는 축에 대한 기체의 회전을 roll(롤 또는 롤링)이라 하고, 이 축과 수직한 축에 대한 기체의 회전을 pitch(피치 또는 피칭)라고 한다. 즉, 기체가 전후좌우로 기울어지도록 자세를 제어하기 위해서는 높이고자 하는 쪽의 로터의 출력을 다른 로터보다 강하게 한다. 예를 들어 후방 로터의 출력을 상대적으로 강하게 할 경우 기체가 전방으로 기울어져 전진하게 된다.
yaw[편집]
기체를 세로로 관통하는 축에 대한 기체의 회전을 yaw(요오 또는 요잉)라 하며, 이는 회전 방향이 반대인 두 쌍의 로터의 출력을 다르게 함으로써 조종할 수 있다.
만약 네 개의 로터가 정확히 같은 출력을 낸다면, 기체의 세로축을 중심으로 한(yaw) 돌림힘의 합력은 0이 되어 기체는 평형을 유지한다. 즉, 헬리콥터에서 yaw 방향의 회전 제어를 위해 로터가 필수적으로 추가될 필요는 없다. 회전 방향이 서로 반대인 두 쌍의 로터의 출력이 같지 않도록 하면 세로축을 중심으로 한 돌림힘이 발생하여 출력이 강한 로터의 회전방향으로 기체가 회전한다.
드론의 구조[편집]
이들 주요 구성에서 FC 회로기판은 통신 및 연산 그리고 각각의 모터 파워(BEC포함), 변속기 제어등 모든 부품의 기능이 모여서 컨트롤되므로 비행기능유지에 중요한 역할을 담당하는 핵심 부품이다. 대중적인 FC로는 아트멜 AVR MCU칩을 장착한 아두이노계열 또는 ARM Cortex-MX칩을 장착한 아두파일럿 계열이있다.[1]
한편 드론을 움직이는 동작제어의 추진기는 프로펠러 및 모터 그리고 전자변속기(ESC)로 구성된다. 이를 서보모터라고 한다.[2][3]
특히 이와는 별개로 구성되는 무선조종기는 드론의 통신기와 데이타를 주고받는 장치로 FC보드와 동등하게 중요한 외부 장치이다. 무선조종기는 경로비행에 핵심이다.
쿼드콥터의 종류[편집]
멀티콥터는 크게 x형과 +형으로 구분할 수 있다.
X형 쿼드콥터[편집]
X형 쿼트콥터란 기체의 앞쪽을 12시 방향으로 놓고 봤을 때 X자 모양이 되는 콥터이다. 전진 시 전방에 위치한 두 모터의 출력이 줄어들고 후방에 위치한 두 모터의 출력이 증가해 앞으로 기울어져 날아가게 된다.
피치(비행기의 엘리베이터), 혹은 롤(비행기의 에일러론) 조종키 중 하나만 조작할 경우에도 모든 모터의 출력이 변하므로 반응이 빠르고 안정적이어서 쿼드콥터 중에서도 주류를 차지한다. 다만 피치와 롤을 동시에(특히 똑같이) 조작하면 +형 쿼드콥터의 전진 시처럼 한 모터의 출력이 크게 줄어들고 한 모터의 출력이 크게 늘어나므로 비스듬한 방향으로의 진행에선 상대적으로 반응이 느리다. 촬영용 드론이나 장난감 드론의 경우 피치나 롤 중 한 쪽만 조작하는 경우가 많다 보니 아무래도 X형은 쿼드콥터 중에서도 대세를 이루고 있다.
+형 쿼드콥터[편집]
+형 쿼트콥터란 기체의 앞쪽을 12시 방향으로 놓고 봤을 때 +자 모양이 되는 콥터이다. 전진 시 전방에 위치한 한 모터의 출력이 크게 줄어들고 후방에 위치한 한 모터의 출력이 크게 증가해 앞으로 기울어져 날아가게 된다.
X형 쿼드콥터와 반대로 피치, 롤 중 하나만 조작하면 그에 해당하는 한 쌍의 위치의 모터만 출력이 변하고 다른 한 쌍의 모터 출력은 그대로이므로, 두 쌍의 모터가 함께 변하는 X형 쿼드콥터에 비해 한 키만 쳤을 때의 반응은 다소 둔하다. 대신 한 키에 한 쌍의 모터가 독립적으로 조작되므로 움직임이 직관적이다. 예컨데 X형 쿼드콥터는 이론상 피치와 롤을 둘 다 끝까지 조작했을 때의 각속도가 오히려 피치 하나만 끝까지 조작했을 때의 각속도보다 느린데, +형 쿼드콥터는 둘 다 끝까지 조작했을 때 더 빨리 기울어진다. 그래서 극히 일부나마 명맥을 이어오고는 있다.
다만, 그 차이가 미세한 데 반해 FC가 거기까지 반응해 주지도 않기 때문에, 일반적으로는 느낄 수가 없는 차이이며, 왠만한 경우 두 키를 동시에 조작하는 경우보다 하나만 조작하는 시간이 더 길기 때문에 그다지 널리 쓰이지는 않는다.
원격조정[편집]
무선조종기는 드론의 경로비행 차원에서 드론의 목표를 달성하는 주요한 수단이라고 할 수 있다. 스로틀(throttle)은 드론이 원격으로 무선조종기에 의해 조작되는 모터의 속도조절을 가리킨다. 한편 무선조종기가 보내는 통신 신호의 데이타 축적은 미션 플래너같은 무인비행의 기초 참고자료의 중요한 부분을 제공한다.
쿼드콥터의 균형[편집]
4개의 모터를 추진력으로 사용하는 쿼드콥터의 특성상 초기 작동 및 비행시 각각의 모터들은 자신뿐만 아니라 서로간에 영향을 미치므로 온전한 수평을 유지하기 어렵다. 따라서 중심이 잡힌 안정된 비행을 하기 위해서 균형값을 PID 제어를 통해 구현할 수 있다.
호버링[편집]
호버링(hovering)은 드론이 공중에서 비행시 정지상태를 일정기간 유지하는 능력을 말한다. 호버링 능력의 주요 요소는 모터의 추력(thrust)이다.
E = G/W
E 효율, G 무게(추력), W 와트
따라서 1.000g의 비행체를 들어올리기 위해서는 250g의 추력을 갖는 모터가 필요하다. (4개의 모터를 갖는 쿼드콥터 기준) 그러나 호버링을 위해서는 이러한 설계값의 약 2배의 추력이 안정성에서 필요한 것으로 테스트상 실측된다. 즉 각 모터 1개당 500g의 추력이 필요하다.
볼트(V) 전류(A) 추력(G) 전력(W) 효율(G/W) 스피드(RPM) 비고 11 6 480 66 7.3 5270 예시 11 7 540 77 7.0 5980 예시
따라서 위의 예에서 11V 기준에서 6A는 호버링이 불안정하며 7A이상에서 안정된다고 설계할 수 있다.
호버링의 안정성은 바람같은 외적 환경이나 가속도가 붙는 상황에서의 통제력에 큰 영향을 미친다.
비행시간[편집]
위의 예에서 안정된 호버링을 위한 모터 효율이 70%이므로
필요전력 (W) = G / E
E 효율, G 무게(gram), W 와트
필요전력은 W = 1,000g / 7 = 142.85 이고 배터리(60분기준)용량이 11V 2500mAh라면
비행시간(분) m = B / W = (11× 2.5× 60m)/142.85 = 11.55m으로 약11분이다. B 배터리용량, W 와트 여기에 다시 배터리 전류 손실율을 70%로 설계하면 약 7.7분정도로 비행시간을 예상할 수 있다.
프로그래밍[편집]
교육적인 프로그래밍으로는 아두이노 보드를 위한 아두이노 IDE 환경이 사용되며 통신 API로는 역시 오픈소스인 멀티위 시리얼 프로토콜(MSP)이 주로 사용된다. 특히 블루투스나 와이파이를 통한 멀티위 확장 프로토콜인 MSP(Multiwii Serial Protocol)는 아두이노 보드인 FC와 무선조정장치(RC)를 서로 연동하는 무선 메시지를 주고받는 교환 프로토콜로 자주 사용된다.
산업용 및 연구용으로는 리눅스재단이 관여하고 있는 오픈소스인 아두파일럿의 드론코드(Drone Code)프로젝트가 있으며 이의 계열인 아두콥터(arducopter)나 픽스호크(pixhawk)하드웨어가 주로 사용되고 있다. 통신 프로토콜로는 마브링크(MAVLink)를 사용한다.
IDE로는 이클립스 (소프트웨어)가 있으며 터미널에서 기트가 WAF 빌드를 지원하고 있다. 한편 펌웨어 로딩에는 빌드도구외에도 원격조정 프로그램인 큐그라운드컨트롤도 지원한다.
제품[편집]
SureFly[편집]
'SureFly'는 차세대 교통 및 운송 수단 제조회사인 미국의 'Workhorse'에서 개발한 쿼드콥터로 수직 이착륙(VTOL)이 가능하다. 이 자가용 쿼드콥터의 경우 동체 전반적으로 탄소섬유 소재로 구성되어 있으며, 수직 이착륙의 단점인 최대 이륙 중량의 한계를 보완하고 있다.
'SureFly'의 제원을 살펴보면 컴퓨터로 제어되는 쿼드콥터 형식이며 각 날개 당 2개의 고정 프로펠러가 장착되어 있다. 이 프로펠러들은 가솔린엔진과 전기 모터로 구성된 하이브리드 엔진에 의해 작동되어 지면으로부터 1 km 높이에서 112 km/h 의 속력으로 112 km 항속거리를 자랑한다. 그리고 자체 중량 498 kg, 최대 이륙 중량의 경우 680 kg으로 성인 남성 두 명이 탈 수 있는 무게를 감당할 수 있다
안전장치의 경우 일반적인 비행 시 가솔린 엔진으로 작동하며 만약 엔진 고장으로 비행 도중 위급상황이 오면 전기 모터가 가동된다. 또한 이마저도 작동하지 않을 경우를 대비하여 낙하산이 내장되어있어 최종적으로 5분 이내에 착륙이 가능하다. 위와 같은 안전에 대한 종합적인 성능은 우수하다고 볼 수 있다.
그 밖에 날개의 경우 아래로 접을 수 있게 설계되어있어 좁은 공간에서도 수월하게 보관할 수 있다는 장점이 있다. 이 자가용 쿼드콥터의 경우 사람이 탑승할 수 있다는 점에서 도심지 출퇴근용으로 사용할 수 있으며 응급 구조가 필요한 상황에 대처하기 위한 구조용 쿼드콥터로 사용할 가능성을 생각해 볼 수 있다.또한 약 200 kg의 화물운반 능력이 있기 때문에 특수 화물칸을 설치하여 택배 쿼드콥터로 활용할 수 있다. 특급배송이 필요할 경우 이 쿼드콥터로 정해진 장소에 직선거리로 배달이 가능하다면 이보다 빠른 유통 수단은 존재하지 않을 것이다.
그 밖에 농약 살포기를 설치하여 농업용 으로 활용할 수 있으며 군용 으로 사용될 경우 소음이 적다는 점을 이용하여 야간 침투 작전에 투입될 수 있다.
정식으로 판매가 될 경우 가격은 20만 달러(2억 2천만 원)로 책정될 것으로 예정되어 있다.[1]
용도[편집]
쿼드콥터를 비롯한 멀티콥터의 원리와 기본 설계는 20세기 중반에 이미 확립되었으나, 네 개의 로터를 동시에 조종하는 것이 인간 파일럿에게 많은 부담을 주어 본격적인 실용화에는 이르지 못했다. 그러나 로터 컨트롤은 컴퓨터에게 맡기고 인간은 속도와 방향만 지정해주면 되는 플라이 바이 와이어 방식의 조종이 구현되면서, 21세기 들어 원격조종 또는 자율비행 무인기(드론)로 각광받고 있다.
물론 쿼드콥터 등의 멀티콥터를 사람이나 대형 화물을 수송하는 풀사이즈 회전익기로 사용하는 것이 불가능하지는 않다. 애당초 최초의 멀티콥터인 "비행 문어"(보티자트 헬리콥터, 1920년대)나 커티스-라이트 VZ-7(1950년대) 등은 파일럿이 탑승하는 유인기였다. 풀사이즈 쿼드콥터의 문제는 기체를 둘러싸며 배치된 여러 로터들 때문에 덩치가 너무 크다는 것이다. 이는 작은 드론에겐 별 문제가 되지 않지만, 4~6인승 캐빈이 달린 쿼드콥터가 착륙하려면 일반적인 헬리패드보다 25%~200% 가량 넓은 헬리패드가 필요하다. 헬리콥터의 가장 큰 장점은 자기 덩치보다 좀 넓은 평지만 있으면 수직 이착륙이 가능하다는 것인데, 멀티콥터는 자기 덩치가 워낙 크다보니 이 장점이 상당부분 상쇄된다는 것이 문제. 물론 탑승 인원을 줄이거나(예를 들어 1~2인승) 수송 중량을 낮추면 로터의 크기를 크게 줄일 수 있다.
드론 경기대회[편집]
일반적으로 국제 드론 스포츠 대회나 국내 드론 레이싱 대회에서는 쿼드콥터를 주로 채택하고 있다.
각주[편집]
- ↑ 올그라운드, 〈출퇴근용 하이브리드 쿼드콥터 등장! 항공 교통 시대 오나?〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-13
참고자료[편집]
- 〈쿼드콥터〉, 《위키백과》
- 〈쿼드콥터〉, 《나무위키》
- 민연기, 〈어떤 종류의 드론이 있을까〉, 《브런치》, 2016-06-06
같이 보기[편집]
