[번역] 드론 만드는 법 - 파트 3: 모터, 프로펠러 그리고 추진력

by Philbert | 2016-11-02 14:53
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파트 3는 지문도 다소 길고 첨부된 유튜브 동영상 분량도 전체가 1시간 정도로 꽤 되네요. 그렇지만 모터, 전자변속기 그리고 배터리에 대해 배울 수 있는 시간이었습니다. 원문 외에 이해를 돕고자 보조 그림과 동영상 요약 스크립트를 추가하였습니다.

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드론 만드는 법 - 파트 3: 모터, 프로펠러 그리고 추진력

드론 만드는 법을 배우는 여정의 지금 시점에서는 기본 용어들을 익혔고 프레임 구성과 프레임 제작에 사용할 수 있는 재료에 대해 익숙해졌을 것입니다. 이번 섹션에서는 추진력에 대해 말씀드리려 합니다. 좀 더 구체적으로, 실제 드론이 공중에 뜨게 하는 모든 것들(모터, 프로펠러, 배터리 등)에 대해 애기합니다. 드론 만드는 법을 배울 때, 이 부분은 특별히 중요합니다. 그러니 집중하시길 바랍니다.

모터
모터는 드론의 심장과 영혼입니다. 모터는 지면으로부터 프레임을 들어 올리고, 호버링(역자 주: 움직이지 않고 그 자리에 머물게 하는 것)하고, 선택한 방향으로 비행하게 하는 것입니다. 경험으로 비추어 볼 때, 각 모터는 동일한 양의 추진력을 전달해야 합니다. 그렇지 않으면 안정성에 문제가 생깁니다. 이어지는 이번 섹션에서는 RC 모터의 해부학적 구조와 기능에 대해 말씀드리며 연달아 드론 만드는 법을 배울 때 사용할 수 있는 모터의 여러가지 종류에 대해 논하겠습니다.

RC 모터는 어떻게 작동하는가
모든 전자 모터는 두 가지 부품으로 만들어집니다. 바로 자석과 권선(전선다발)입니다. 걱정하지 마세요. 여러분은 제가 교육하는 것을 파악하기 위해 물리학 교과서를 참고할 필요는 없습니다. 간단히 말씀드리면, 코일은 자장 내에서 움직여 회전자를 빙글빙글 돌리는 요인인 전류를 생성합니다. 헷갈리시면, 더 잘 설명하고 있는 아래 비디오를 참고하세요.


(역자 요약: RC 비행체에서 일반적인 모터는 바깥쪽이 돌아가는 브러시리스 아웃러너 모터라고 하며 그 실제 모양새를 보실 수 있습니다. 주로 토크가 더 큰 아웃러너 모터를 사용하고, 토크는 작지만 rpm이 높은 인러너 모터는 주로 (꼭 그렇진 않지만) 일종의 Jet 엔진을 대신하는 EDF(Electric Ducted Fan)에 사용된다고 합니다.)

브러시모터 vs 브러시리스 모터 - 차이점은 무엇인가?

브러시모터(Brush Motor):
모든 RC 모터처럼, 브러시 모터는 권선과 자석을 포함하고 있습니다. 이 특별한 종류의 RC 모터를 사용하게 되면, 코일이 회전하는 중에 자석은 고정되어 있습니다. 일반적으로 말하자면, 브러시 모터는 작고, 저렴한 모델의 쿼드콥터 사이에서 꽤 인기가 있습니다. (Syma X5C나 Cheerson CX-10처럼 말이죠)

이런 종류의 모터의 잠재적인 단점이라면, 브러쉬가 다소 빨리 닳아 없어져버린다는 겁니다. 그래서 브러시리스 모터보다 이들의 수명은 작은 편입니다. 분명히 예외도 있지만 이는 일반적인 기준으로 여겨집니다. 개인적으로 브러시 모터를 사용해서 작은 드론 몇 개를 만들었는데, 그 때마다 상대적으로 짧은 기간이 지난 후에 항상 문제를 겪곤 했습니다. 
브러시리스 모터(Brushless Motor):
드론을 만드는 법을 배울 때에는 브러시리스 모터가 어떻게 동작하는지 이해해야 할 필요가 있습니다. 브러시리스 모터는 정확히 반대로 동작합니다. 즉, 자석이 회전하는 중에 코일은 고정되어 있습니다. 이름이 암시하듯이, 브러시리스 모터는 브러시가 전혀 없는데, 이로 인해 RC 모터보다 실제 오래 장수할 수 있게 됩니다.

사람들에게 드론 만드는 법을 교육할 때, 내구성, 유용성 그리고 큰 추진력을 생산하는 능력으로 인해, 저는 거의 오롯이 브러시리스 모터만 추천합니다. 브러시 모터와 비교해 브러시리스 모터에 더 많은 돈을 지불하게 되는 된다는 것을 그냥 알아 두시길 바랍니다. 다음은 여러분이 만나게 될 브러시리스 DC 모터의 매우 일반적인 종류입니다.

인러너(Inrunner)이 종류의 브러시리스 모터는 케이스 내부에 모바일 자석이 회전하며 케이스 외부에 고정된 코일이 있습니다. (역자 주: 말그대로 안쪽이 돕니다)

아웃러너(Outrunner): 추측한 바와 같이, 이 종류의 브러시리스 모터는 케이스 외부에 자석이 있는데, 이들은 모터 케이스 중간 사이에 놓인 고정된 코일을 회전합니다. (역자 주: 바깥쪽이 돕니다.)



RC 모터에 대해 흰 건 종이이고 까만 건 글자인 것 밖에 몰라도 이것만은 알아두시길 바랍니다. 즉, 아웃러너 브러시리스 DC 모터는 일반적으로 (높은 KV로 인해) 헬리콥터, 비행기 그리고 RC 자동차 전용이고 다른 브러시리스 아웃러너 DC 모터에 있는 것보다 토크가 작은 편입니다.

KV의 이해
모터에서 KV 지수는 모터가 어떤 전압에서 얼마나 빨리 회전할 수 있는지를 가리킵니다. (구체적으로 1KV는 1V 전압을 걸때 1000번 회전하는 것과 동일) 평균적인 RC 드론일 경우, 500~1000 사이의 낮은 KV를 추천합니다. 왜냐하면 드론을 공중에 안정적으로 띄우기 때문입니다. 곡예 비행을 할 계획이라면, 1000 ~ 1500 사이의 높은 KV를 추천합니다. KV 지수에 대해 훨씬 더 알기쉽게 설명하는 정말 유용한 포럼 포스트를 찾았습니다.

계산하기
어느 모터의 KV 지수가 650RPM/V 이라고 한다면, 그 모터는 11.1V에서 거의 7,215 RPM으로
회전합니다. (650 x 11.1 = 7,215) 그러나, 완전히 동일한 모터가 예를 들어 7.4V의 낮은 전압에서 작동한다면 RPM은 1480(650 * 7.54) 이 됩니다. 모터의 하드웨어 사양에서 KV 지수를 확인 가능해야 한다는 것을 기억하시길 바랍니다.
보다시피, KV 지식은 매우 직관적입니다. 드론 만드는 법을 배우실 거라면, KV나 모터 종류와 같은 것들에 대해 정말로 고려해보시는 게 중요합니다. 그래야 커스텀 쿼드콥터를 만들기로 마음 먹었을 때, 다른 누구의 도움이나 지도없이 해나갈 수 있습니다. 하지만 우리는 아직 전부 배우지 않았습니다! 이제 드론의 또다른 중요한 부분인 추진력 시스템, 프로펠러에 대해 말씀드리겠습니다.

프로펠러
모든 다중 로테이터(multi-rotor) RC 비행체는 뜨기 위해 프로펠러(헬리콥터의 회전깃(날개깃)과 혼동하지 마세요)를 사용합니다. 프로펠러는 드론의 모터에 부착됩니다. 모터가 회전할 때, 프로펠러도 회전합니다. 드론 프레임과 유사하게 프로펠러는 다양한 크기가 있을 뿐만 아니라, 여러가지 다양한 재료들로 만들어 질 수 있습니다.

다수의 RC 드론은 날개가 3개 혹은 2개가 달려 있는데, 가장 일반적인 구성은 2개입니다. 날개가 작을수록  속도를 늦추거나 높이기 쉬운 편인데, 곡예 비행 하는 것에 관심이 있다면 유용하게 쓸 수 있습니다. 날개가 클수록 또는 지름이 큰 날개일수록 날개의 속도를 높이거나 늦추기가 어렵기 때문에 좀 더 안정적으로 비행하는데 좀 더 적합합니다.

프로펠러 회전

드론을 만들 때 사용하는 모든 프로펠러는 두 가지 중 하나로 회전하도록 설계되어 옵니다.
  • • 시계방향 (CW)
• 반시계방향 (CCW)

당연히, 프로펠러의 어떤 부분이 위를 향하도록 되어 있고 어떤 부분이 아래를 향하도록 되어 있는지 구별할 수 있는 것은 중요합니다. (이후의 섹션에서 이에 대해 배우실 거에요. 역자 주: 빠진 것 같네요;;)

프로펠러 제작에 사용되는 재료
드론 프레임을 구성할 수 있는 여러가지 재료에 대해 언제 얘기했는지 기억하시나요? 프로펠러도 별반 다르지 않습니다. 다음은 프로펠러를 만드는 데 사용되는 일반적인 재료들입니다.

플라스틱
플라스틱은 지금까지 다중로테이터(multi-rotator) 업계에서 가장 인기있는 프로펠러입니다. 이는 주로 저렴한 비용과 괜찮은 내구성 때문입니다. 불행히도 플라스틱 프로펠러는 단점이 있습니다. 예를 들면, 사고가 날때, 곧잘 그러는데, 프로가드가 없으면 프로펠러가 파손됩니다.(프로가드가 있다해도 파손할 가능성이 있습니다.) 좋은 소식은 플라스틱 프로펠러는 사용 후 버리는 것입니다. 그래서 새 프로펠러를 많이 쓸 걱정을 할 것없이 부수고 또 부숴도 됩니다. 드론을 만드는 법을 배울 때, 추진력을 위해 플라스틱 프로펠러를 사용하는 것은 확실히 좋은 생각입니다.

나무

이제 여러분들은 아마 "나무로 드론을 만들 수 있을까?"라고 생각하고 계시겠죠? 물론입니다. 그러나 제가 나무가 드론 업계에서 흔한 것은 아니라고 여러분에게 말하는 첫번째 사람일 것 같습니다. 이미 추측할 수 있듯이 나무로 된 프로펠러를 만들려면 복잡한 기계가 필요하기 때문에 플라스틱보다 훨씬 더 값이 나가게 됩니다. 좋은 점은 나무 프로펠러는 내구성이 매우 좋은 편입니다. 구부러지지 않고, 가벼운 추락에도 꽤 좋은 상태를 유지합니다. RC 드론 업계에서는 일반적이진 않지만, 다양한 RC 비행체에서 이들을 발견할 수 있습니다.


탄소섬유
드론을 만들 때 부서지지 않는 초고퀄리티의 어떤 것을 찾는 중이라면, 탄소섬유 프로펠러를 고려해보시길 바랍니다. 이 프로펠러는 최고가를 지불하게 됨을 유의하세요. 제가 탄소 섬유 프로펠러(몇 해 전에 사용했는데, 놀라웠습니다)에 대해 좋아하는 점은 부수기 매우 어렵지만 표준적인 플라스틱 프로펠러보다 훨씬 더 유연하다는 것입니다. 전에 드론을 만들어 본 적이 없는 초보자라면, 몇 개를 만드는 경험을 쌓기 전에 플라스틱 프로펠러를 계속 사용해볼 것을 권합니다.
모터에 프로펠러 부착하기

모든 프로펠러는 아니더라도 대부분 드론 모터에 프로펠러는 끼우는 데 사용되는 특수한 어댑터링이 딸려 있습니다. 프로펠러를 끼울 때, 모터 축(shaft)에 프로펠러의 구멍(중심)이 너무 크다는 것을 발견하게 되면, 어댑터 링/스페이서(spacer)를 적당하게 맞춰야할 필요가 있습니다.

구입하는 프로펠러에 어댑터링이 딸려온다고 가정하지는 마세요. 가끔 안 딸려오기도 하니깐요. 불행히도 프러펠러 한 세트가 모터에 제대로 안 맞으면, 이들이 택배로 도착할 때까지 여러분의 DIY 프로젝트를 잠시 중단할 필요가 있습니다. 물론 누가 그걸 원하겠습니까만은. 아래 그림을 보시면, 프로펠러가 어떻게 정확하게 드론 모터에 부착되는지 보실 수 있습니다.




프롭 세이버
프롭 세이버는 모터에 프로펠러를 교체하도록 고안되었습니다. 프롭 세이버는 프로펠러가 제자리에 위치시키는 작은 부품들을 있습니다. 드론을 추락시키는 사건이 생길 때, 파손으로부터 프로펠러와 모터를 보호해줍니다. 그렇지만, 몇 가지 결점이 있습니다.

• O형 링은 시간이 지나면 부러지고 갈라집니다.
• 프롭세이버를 잘못 놓으면 떨림이 발생할 수 있습니다.
• 프로펠러는 샤프트에nor 보통보다 높이 배치됩니다.

프롭 가드
프롭가드는 프로펠러를 에워싸는 것으로 외부 환경으로부터 오는 모든 접촉들을 막아줍니다. 드론을 만드는 법을 배울 때, 전 프롭가드를 분명히 기억할 겁니다. 드론을 날려본 적이 없다면, 사고날 가능성이 있습니다. 꽤 높죠. 프로펠러를 보호하는 것에 대해 생각해 볼 수 있는 가장 좋은 방법은 프롭 가드를 사용하는 것입니다. UDI U818A나 FQ777-124 포켓 드론과 같은 RC 쿼드콥터는 제거할 수 있는 플라스틱 프롭 가드가 딸려옵니다. 프롭가드가 완전하지 않다는 것 잊지마시고, 이들의  결점에 대해서도 같이 다루시길 바랍니다.

• 프롭가드는 드론을 무겁게 하는데, 이는 전체 비행 시간을 감소시킬 수 있습니다.
 프롭가드는 가벼운 사고에만 동작할 뿐입니다.
• RC 비행체 진동의 원인이 될 수 있습니다.

전자변속기(Electronic Speed Controller, ESC)
전자변속기는 드론 모터의 방향과 속도를 제어할 수 있는 기능으로 비행 컨트롤러를 제공하는 것입니다. 요컨대, 드론 만드는 법을 배울 때 기억해야 할 매우 중요한 컴포넌트입니다. ESC가 적정 전압을 제공해야할 뿐만 아니라, 모터가 쓰는 최대 전류를 처리할 수 있어야 합니다.

RC 드론 업계의 변속기의 대부분를 프로펠러를 한 방향으로 회전케 합니다. 그러나 알맞은 펌웨어(역자 주: Simon K 혹은 BL Heli 등)로, 두 가지 방향으로 비행하도록 설정할 수 있습니다. 아래는 변속기의 여러가지 부품에 대해 익숙해지도록 하는 짧은 비디오입니다.


(역자 요약:  ESC는 모터에 연결되는 3개의 전선, 모터에 전원을 공급하는 2개의 전원 입력, 그리고 신호 입력 등 전체 3개의 연결단자가 있습니다. 브러시리스 모터는 전선이 3개 달려있는 3상 모터입니다. ESC의 빨간색 전선과 노란색 전선에 전원을 공급하고, 다음으로 검은색 전선과 노란색 전선에 그 다음으로 검은색 전선과 노란색 전선에 전원을 차례대로 공급하는 방식으로 모터를 시계방향으로 돌립니다. 전선 극성을 바꾸어 주면 모터가 역으로 돌게 됩니다. 전통적인 ESC 제어 방식과 Simon K 및 BL Heli 펌웨어에 대해 설명합니다. 큰 프로펠러와 낮은 KV의 모터는 BL Heli 펌웨어가 더 좋은 옵션을 제공합니다. ESC 스로틀(throttle)과 TX 스로틀(throttle)의 범위를 맞추기 위해 - 보통 높은 스로틀이 어디이고 낮은 스로틀이 어디인지를 맞추는 - 교정을 해야합니다. 같은 제조사의 ESC라도 해도 설정이 다를 수가 있어 쿼드콥터에서 3개의 모터가 돌고 있는데, 하나는 약간 느린 것을 발견할 수 있습니다. BEC, 전원 제거 회로에 대해서도 설명합니다. 한글로 설명된 변속기의 원리입니다)

ESC의 연결단자들


커넥터
드론 만드는 법을 배울 때, 변속기를 보게 되면, 몇가지 서로 다른 여러 전선이 양쪽에 있다는 것을 알 수 있습니다. 이들이 무엇인지 살펴봅시다:

• 3핀 R/C 서보 커넥터: RC 신호를 받는 것입니다.
• 3불릿 커넥터: 브러시리스 모터에 있는 3개의 핀에 연결되는 것입니다.
• 전원 입력: 전원 분배 보드로부터 전원을 얻기 위해 두꺼운 전선쌍이 있습니다.

BEC
배터리 제거 회로(Battery Elimination Circuit)라고도 알려져 있으며, (높은) 배터리 DC 전압을 여러분이 사용하는 (낮은) 비행 컨트롤러의 DC 전압으로 변환하도록 설계되었습니다.

펌웨어
펌웨어를 갖춘 전자변속기의 또다른 주요 이점은 입력의 변화에 훨씬 더 빨리 반응할 수 있게 된다는 것입니다. 이게 정확히 무슨 뜻이냐구요? 근본적으로 이는 비행사가 더 많은 반응형 제어로 훨씬 더 많은 곡예비행을 경험할 수 있게 해줍니다.

전원 분배 보드
이후의 조립 레슨에서 보시게 될 것이지만, ESC는 RC 드론의 주배터리로 전원을 공급 받습니다. 그러나 드론을 만들 때, 배터리의 싱글 커넥터는 4개의 서로 다른 전자변속기에 분배될 수 있어야 합니다. 이렇게 하기 위해선, 전원 분배 보드(Power Distribution Board)라고 알려진 것이 필요합니다. 이 부품은 배터리의 음극과 양극을 4개로 나눕니다. 정말 간단하죠. 그렇지 않나요?

배터리
거의 모든 RC 드론은 리튬 폴리머(Li-Po, Lithium Polymer) 배터리로 전원을 공급 받습니다. 이 배터러의 다른 변종도 있지만, 드문 편입니다. 이 안내서에서는 독점적인 Li-Po 배터리를 사용해서 드론을 만드는 방법을 배울 것 입니다. 이 배터리가 탁월한 전원 소스인 이유 중 하나는 가볍고, 많은 전력을 방출하기 때문입니다. 아마도 유일한 결점은 일반 배터리보다 값이 비싸다는 것입니다. 그리고 제대로 다루지 않으면 안전상의 이슈가 발생할 수 있습니다. 좀 더 깊이 있게 설명하고 있는 아래 비디오를 확인해보세요.


(역자 요약: Gens와 Turnigy의 각각 1000mh와 1Ah짜리의 배터리를 보여줍니다. 1000mh와 1Ah는 같은 거라고 합니다. Gens 25C라는 것은 25Ah 라는 것을 뜻합니다. 25Ah의 전류를 흐를 수 있다고 합니다. Turnigy는 방전률은 30C~40C입니다. 지속적으로 30C만큼, 짧은 시간 약 15초 동안에는 40C의 방전률을 의미합니다. Gens도 30~35C의 방전률을 지니는데 보수적으로 표기한 것으로 볼 수 있습니다. 나머지는 생략합니다.)

RC 드론을 제작할 때 고려해야할 것은 배터리의 전압니다. 기본적으로, 배터리의 전압은 선택한 모터와 일치해야 합니다. 그렇지 않으면, 문제를 겪게 됩니다. 드론 만드는 법을 배울 때, 배터리의 전압을 계산하는 것은 엄청나게 중요합니다.

배터리 용량과 방전률
배터리팩의 용랑은 암페어시(ampere-hour 또는 Ah)로 측정됩니다. 작은 배터티팩의 용량은 거의 0.1Ah (또는 100mAh)이고 반면에, 큰 배터리팩의 용량은 2-3Ah(2,000mh-3,000mh)입니다. 경험적으로 볼 때, 용량이 높을수록 겪게되는 비행시간이 깁니다. (더 큰 배터리는 무거운 RC 드론을 의미한다는 것도 기억해주세요) 드론 만드는 법을 배울 때, 평균 5분 그리고 최대 20분으로 거의 항상 10분 정도의 비행 시간을 획득하게 됩니다. 

배터리의 방전률은 "C" 단위로 측정됩니다. 대부분 리튬 폴리머 배터리의 방전률은 약 5C (용량의 5배)입니다.

드론 만드는 법에 대한 이 다음 안내서에서는 드론 조작에 숨겨진 "두뇌", 즉 비행 컨트롤러에 대해 배울 것입니다.

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