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