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
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
- 여기는 Forrest Franz 씨가 제작한 아주 간단하고 가벼우며 매우 강한 탄소섬유 쿼드콥터 프레임에 대한 링크이다.
- 그밖에 Forest 씨가 제작한 여러가지 야심적인 쿼드콥터 제작 기법과 개념에 대한 글을 참고하라.
- 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.
- 카메라 짐벌을 완전히 감싸는 회전식 공 형태로 날씨 문제를 해결하고 좋은 성능을 발휘한다.
- 모터는 암 아래쪽에 달려 있다.
- 프롭워쉬 간섭이 없고, 흡입 간섭도 거의 없어 공기역학적으로 효율적이다.
- 비행시간이 확실히 증가하고, 적재하중이 커지며 소음도 준다.
- 회전력이 크그 KV 가 낮은 팬케이스 형 모터와 낮은 회전 속도, 크기가 크고 고효율의 프롭 사용
- 전통적인 설계의 작은 직경의 빠른 모터보다 훨씬 더 효율적이다.
- 이로 인해 비행시간과 적재하중을 증가시키고, 소음을 줄인다.
- 끝이 가늘어지는 형태의 탄소섬수 암은 공기역학적으로 효율이 높고 가벼우며 튼튼하다.
- 완전히 감싼 형태의 방수 프레임에 걸쇠방식으로 조작함으로써 콥터의 유지관리가 쉽다.
- 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.
- 잘 모른다.
- 내 관점에서 볼 때 극히 일부 사람들만 가능하다.
- 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.