드론을 담는 그릇 : FRAME
STUDY
기체(Frame)는 멀티콥터의 부품을 담는 그릇입니다. 좋은 기체의 조건은 좋은 비행성을 가지면서도 민감한 전자 장비를 보호할 수 있도록 튼튼해야 합니다. 특히 멀티 콥터는 프로펠러와 같이 양력을 만드는 부분이 2개 이상이기 때문에 변형이 없는 기체가 가장 이상적입니다. 그 밖에도 휴대가 간편하거나 멋진 외관을 가지면 좋습니다. RTF (Ready To Fly : 구매 후 바로 날릴 수 있는 제품) 멀티콥터 제품은 기체 선택에 큰 문제가 없지만 특수한 목적을 가진 즉 촬영이나 레이싱용 멀티콥터의 경우 그 용도에 맞도록 조립이나 수리가 용이한 구조가 좋습니다.
재질
기체는 가벼울수록 그리고 튼튼할수록 좋습니다. 멀티콥터용 기체는 얼마나 질긴가, 얼마나 단단한가로 평가할 수 있습니다. 단단할수록 모터와 프로펠러가 만드는 양력의 방향이 변하지 않기 때문에 좋지만 반면 모터나 프로펠러에서 발생하는 진동이 흡수되지 않고 기체 전체에 영향을 미칠 수도 있습니다.
- 카본 프레임 : 카본과 탄화규소의 혼합물로 만들어진 카본 판재를 에폭시 접착제 등으로 점층 시켜 만든 기체입니다. 카본 판재는 가볍고 단단하여 멀티 콥터에 가장 많이 사용되는 재질입니다. 카본 판재의 재질을 설명하는 3K는 카본 판재를 만드는 카본 원사 한가닥에 몇 개의 카본 필라멘트가 사용되었는지를 의미합니다. 즉 3K는 3000개의 필라멘트로 이루어진 카본 원사로 만든 판재라는 의미입니다. 카본 프레임의 독특한 바둑판무늬는 이 카본 원사를 교차해서 만들어지기 때문에 생기게 됩니다. 카본 프레임은 가공이 쉽지 않고 충격에 의해 카본 판재 사이의 접착면이 떨어질 수 있습니다. 또한 전도체(전기가 통하는 재질)이기 때문에 부품의 납땜부가 기체에 닿았을 때 전기가 통할 수 있어 부품 절연에 신경을 써야 합니다. 또한 전파를 차단하는 특성도 가지고 있기 때문에 안테나의 위치와 방향도 고려해야 합니다.
카본 프레임 Kim 210 FPV Racing Drone from hobbykin.com
- 복합재 프레임 : 서로 다른 재질을 혼합한 재료로 만든 프레임입니다. 대표적으로 유리섬유 (Glass Fiber) 프레임이 있습니다. 유리섬유 프레임은 FRP (Fiber Reinforced Plastic) 즉 플라스틱에 유리섬유 등의 강화재를 기타 첨가제와 함께 성형해서 원하는 특성을 가지도록 만든 것을 말합니다. 복합재 프레임은 판재를 잘라서 가공할 수도 있지만 틀에 찍어서 만들 수도 있기 때문에 여러 가지 모양의 기체가 가능합니다. 복합재 프레임 중 에는 미려한 외관과 강화를 위해 FRP에 카본 판재를 앞뒤로 접층하여 만들어지는 경우도 있습니다. 복합재 프레임은 유리섬유로 인해 카본 프레임에 비해 다소 무겁습니다. 우리 주변에 흔히 볼 수 있는 복합재 FRP는 전자 기판입니다. 전자 기판의 재질 종류인 FR4나 G10은 복합재 프레임에 동일하기 쓰이기도 합니다.
Fiberglass Frame, Hobbyking Fiberglass Quadcopter Frame 500mm from hobbyking.com
- 발포 플라스틱 프레임 : 가벼운 무게의 중점을 둔 플라스틱 프레임으로 EPP (Expanded Polypropylene : 발포 폴리프로필렌)가 있습니다. EPP는 폴리스티렌을 고온 고압 상태로 틀에 넣었다가 압력을 제거하여 폴리스티렌 내부의 압력을 팽창시켜 만들어집니다. 급격히 팽창하면서 내부에 많은 기공을 가지게 되기 때문에 대단히 가볍습니다. 저가 RTF 모델에 많이 사용하지만 부피에 비하여 가볍고 튼튼하게 만들 수 있어 멀티콥터 외관용으로 많이 사용됩니다.
EPP 프레임, Extra Large EPP Quadcopter Frame 450mm from hobbyking.com
- 나무 프레임 : 전통적으로 RC에 많이 사용되는 재질입니다. 나무는 셀룰로스 섬유를 리그닌(Lignin)으로 고착시킨 복합재로 이해할 수 있습니다. 그렇기 때문에 목재의 종류에 따라 다양한 특성을 가지고 있고 가공이 쉽기 때문에 자작 기체를 만드는데 많이 사용됩니다.
나무 프레임 from https://grabcad.com/library/quadcopter-frame--1
위에 언급한 재질 외에도 더 가볍고 단단한 재질이 끝없이 연구되고 있습니다. 비행에 적합한 재질에 대해서 재질의 탄성(변형 후 원래의 형태로 돌아오는 성질) 특성과 비중량(부피에 대한 무게의 비율), 비강도(비중에 대한 인장강도 - 당기는 힘에 대한 저항성) 특성 등에 근거한 연구가 계속되고 있습니다. 일반적인 재질의 비중량은 다음과 같습니다.
- 백금 (Platinum) : 21.4
- 금 (Gold) : 19
- 은 (Silver): 10.5
- 구리 (copper) : 8.9
- 철 (Steel) : 7.8
- 아연합금 (Zinc) : 6.6
- 티타늄 : 4.5
- 알루미늄 (AL) : 2.8
- 마그내슘 합금 (Mg) : 1.8
- 카본 (Carbon) : 1.7
- 에폭시 (Epoxy) : 1.2
- 물 : 1
예를 들어 금으로 기체를 만든다면 카본으로 만들어진 기체보다 11배나 무거운 데다 가격도 비교할 수 없게 됩니다. 이 밖에도 재난 구조용으로 비상식량으로 사용될 수 있는 먹을 수 있는 재질로 만들어진 멀티콥터도 소개되고 있는 만큼 새로운 소재와 기술이 끝없이 연구되고 있습니다.
먹을 수 있는 드론 from http://www.businessinsider.in/This-is-the-worlds-first-edible-drone/articleshow/54249914.cms
두께
멀티 콥터의 프레임은 주로 판재 형태로 제작되기 때문의 프레임의 두께는 높은 강도를 위해 두꺼울수록, 비행성을 위해서는 가벼울수록 좋습니다. 통상 1.5~3mm 두께가 많이 사용되지만 양력이 발생하는 모터 고정부는 변형이 적어야 하기 때문에 3mm 이상의 두께를 가진 판재를 사용하거나 원통형 봉재가 사용되기도 합니다. 충돌과 추락이 자주 발생하는 레이싱 드론의 경우 강도를 위해 다리와 기체의 하판에 3mm 이상의 두꺼운 판재가 적용되기도 합니다.
모터 Arm의 두께가 3mm 인 레이싱 드론 (RCX H250CF-3K)과 4mm인 레이싱 드론 (QAV-R FPV Racing Quadcopter)
종류
기체는 다음의 특징에 따라 구분할 수 있습니다.
- 크기 : 기체 명칭에 붙는 숫자로 흔히 표현되며 모터 축에서 모터 축까지 기체 중심을 가로지르는 길이를 의미합니다.
- 프로펠러 숫자 : 멀티콥터를 구분하는 가장 기본적인 구분법으로 프로펠러의 숫자에 따라 각각 다른 이름으로 불립니다.
어떤 종류의 멀티 콥터가 있을까
- 용도 : 크게 촬영용과 레이싱용의 레저용 멀티 콥터와 상업용, 산업용 등 특수 목적을 가진 멀티 콥터로 나눌 수 있습니다.
기체는 용도에 따라 달라집니다. FPV 레이싱이나 가볍게 비행을 즐기는 멀티 콥터는 빠른 반응을 위해서 소형 기체가 선호됩니다. 하지만 촬영 등의 목적을 가진 기체는 돌발적인 상황에서도 큰 변화 없이 비행을 유지해야 하기 때문에 대형 기체가 선호됩니다.
이상적인 기체를 위한 구조
모터와 프로펠러를 제외한 다른 부품들은 기체 어디에 설치해도 크게 문제 되지 않습니다. 하지만 기체를 선택하거나 만들 때 몇 가지 주의사항을 고려해야 합니다.
- 기자체를 포함한 전체의 무게 중심은 가능한 기체 가운데에 있어야 합니다.
피치와 롤 기동에 최소한의 토크로 기동 할 수 있기 때문입니다. 기체 무게에 가장 영향을 미치는 부품은 모터와 배터리, 촬영용 멀티 콥터의 경우 카메라와 카메라 짐벌입니다. 모터는 기체의 가장 바깥쪽에 위치하기 때문에 위치를 선택할 여지가 별로 없지만 다른 부품들은 기체에 모두 장착했을 때 기체의 무게 중심(Center of Gravity)이 가운데 위치하는 것이 좋습니다. 무게 중심(Center of Gravity)은 중력의 의한 토크(Torque, 회전하는 힘)가 0이 되는 점을 말합니다. 예를 들어 수평을 이루는 시소의 무게 중심은 시소 가운데 경첩이 됩니다.
시소가 균형을 잡는 이유는 양쪽의 무게로 인해 생긴 토크(Torque)가 같기 때문입니다.
시소에 사람이 올라탔을 때 균형이 잘 이루어져 있으면 시소를 움직이기 쉬워집니다. 멀티 콥터에서도 같은 원리가 작용합니다. 만약 무게 중심이 양 끝의 프로펠러 축을 연결하는 선위에 있지 않다면 기울어진 기체를 바로 세우는데 원하지 않는 힘이 더 들게 됩니다. 기체를 원하는 각도에서 정지시키려고 해도 원하지 않는 무게가 더 발생하기 때문에 FC가 추가로 제어를 하게 됩니다. 높은 성능의 FC 덕분에 어느 정도 무게 중심이 기체 가운데 위치하지 않아도 제어할 수 있지만 이를 위한 불필요한 에너지가 소비되기 때문에 가능한 가운데 위치하도록 기체를 선택하거나 만들어야 합니다.
그러나 기체를 완성하기 전에는 컴퓨터 시뮬레이션을 해보지 않는 한 계산으로 무게 중심을 알기 어렵습니다. 기체를 완성한 후에도 정확한 무게 중심을 알기 어렵기 때문에 기체의 가운데를 들어 무게 중심이 가운데 있는지 간단하게 확인하는 방법이 주로 사용됩니다. 무게 중심에 가장 큰 영향을 주는 배터리는 설치 위치를 고정하기보다는 전후 좌우로 이동하여 무게 중심을 잡을 수 있도록 공간을 마련하는 것이 좋습니다.
- 기체는 위에서 보았을 때 상하 좌우로 대칭이 되어야 합니다.
모터는 중심으로부터 각각 가능한 대각에 위치해야 하며 중심으로부터 피치 움직임에 관여하는 모터까지의 거리와 롤 움직임에 관여하는 모터까지의 거리가 같아야 합니다. 같지 않은 경우 해당 움직임의 모터에 제한을 두어 일치하게 만들어 주는 것이 좋습니다. 위에서 봤을 때 가로가 긴 직사각형의 모양의 쿼드 콥터의 경우를 예로 들어봅시다. 앞서 설명한 바와 같이 프로펠러의 피치란 프로펠러가 한 바퀴 회전했을 때 전진하는 거리를 의미합니다. 피치 동작을 위해 프로펠러가 1바퀴 돌아서 1 피치만큼 이동한다면 롤 동작을 위해 프로펠러가 1 피치만큼 이동한 것보다 더 많은 각도로 회전합니다. 조종기나 FC에서 별도의 조정을 하지 않으면 피치 동작이 롤 동작보다 민감하게 움직이게 됩니다. 그래서 이상적인 기체는 세로의 길이와 가로의 길이가 일치해야 합니다.
10도 피치 회전을 위한 힘은 10도 롤 회전을 위한 힘보다 작습니다.
이런 경우 피치 동작에 제한을 두어 롤과 같은 양의 움직임을 가지도록 FC에서 제한을 줄 수 있습니다. 이것을 모터 믹싱(Motor Mixing)이라고 합니다. FC에 따라서 각각 다른 방법으로 모터 믹싱을 설정할 수 있습니다.
- FC와 GPS 안테나는 기체 중심에 설치하는 것이 좋습니다.
기체가 얼마나 회전을 하였는지 (Gyro Sensor) 얼마나 빠른 속도로 움직였는지 (Accelerometer) 측정하는 센서는 일반적으로 FC에 내장되어 있습니다. 이 FC는 통상 기체의 가운데 즉 회전 중심에 두어야 한다고 알려져 있습니다. 하지만 이것은 맞기도 하고 틀리기도 합니다. 기체의 회전 각도를 센싱 하는 자이로(Gyro)는 반드시 기체 가운데 위치할 필요는 없습니다. 어느 위치에서건 피치, 롤, 요우 회전에 의해 변경된 각도가 동일하기 때문입니다.
하지만 가속도 센서의 경우는 다릅니다. 만약 아래 그림과 같이 반 시계 방향으로 요우 회전을 하는 경우 기체의 회전 중심의 있는 센서는 가속도의 변화를 감지하지 않지만 중심에서 멀어진 경우 가속 운동을 감지하게 됩니다.
가속도 센서가 필요하지 않은 아크로 비행 (Acro Flight, Manual Flight Mode)에는 FC가 어느 위치에 있건 문제가 되지 않지만 가속도 센서가 관여하는 자동 수평 비행 (Auto Leveling Flight, Angle Flight Mode)에서는 기체 제어에 문제가 발생할 수 있습니다. 기체에 FC의 정면이 기체 정면과 다른 게 설치하여야 하는 경우는 FC에서 설정을 통해 전방으로 인식하도록 조정할 수 있습니다.
기체의 위치를 판단하는 GPS는 기체의 가운데 그리고 위성 신호를 막지 않는 위치에 설치할 수 있어야 합니다. GPS를 기체 중심에 설치할 수 없는 경우 설정을 통해 기체 중심 위치를 설정할 수 있습니다.
GPS 안테나 중심에서 떨어져 설치되어 있습니다.
- ESC는 공기의 흐름이 좋은 곳에 설치할 수 있어야 합니다.
멀티콥터는 전기 에너지를 회전 에너지로 회전 에너지를 떠오르는 힘 즉 양력을 만드는 기구입니다. 에너지의 성질이 변할 때 일정량의 손실이 발생하고 그 손실은 보통 열이나 소음으로 나타납니다. 이렇게 손실로 인해 발생한 열은 내부 부품 구동에 영향을 주기 때문에 발생하는 열을 식힐 수 있는 구조가 고려되어야 합니다. 크게 에너지 손실이 발생하는 곳은 앞서 설명한 바와 같이 배터리, ESC, 모터입니다. 모터의 경우 프로펠러에 연결되기 때문에 프로펠러에서 발생한 바람으로 열을 식힐 수 있지만 ESC는 그렇지 못하기 때문에 방열을 위한 방열판(Heat Sink)이 부착된 경우도 있습니다. 따라서 ESC를 모터 암이나 모터 바로 아래쪽에 설치할 수 있는 구조가 선호되기도 합니다.
모터 아래 ESC from http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2054477&page=38
- 안테나는 전파가 가려지지지 않는 곳에 설치할 수 있어야 합니다.
멀티콥터가 사용하는 라디오 주파수는 2.8 GHz입니다. 2.8 GHz 안테나 수신을 위해서 필요한 안테나 길이는 불과 31.23mm 에 불과해서 설치가 간단하지만 안테나를 기체에 가깝게 설치하면 카본과 같이 전기가 통하는 재질의 기체에 의해 전파가 차단될 수도 있습니다. 이렇게 전파가 수신이 되지 않는 곳을 전파 그늘 또는 전파 사각이라고 합니다. 안테나는 이러한 특성을 피하여 설치할 수 있어야 합니다. 수신 효율을 높이기 위해 2개의 안테나로 수신하는 수신기의 경우 각각 발생할 수 있는 전파 그늘을 피하기 위해 각각 90도 각도로 벌려 설치하기도 합니다.
- 내부 부품들의 전선은 짧게 연결되는 것이 좋습니다.
모든 전선은 안테나의 성질을 가지고 있습니다. 전류가 흐르는 전선을 통해서 전파 노이즈가 발생할 수 있고 반대로 발생한 전파 노이즈가 신호를 실어 나르는 전선에 감지되어 전기적인 문제를 일으킬 수 있습니다. ESC 중 신호선에 원형 자석이 설치되어 있거나 영상 신호 전선 내부에 (-) 선이 신호선을 감싸는 구조로 되어 있는 경우를 볼 수 있습니다. 이것은 모두 외부에서 발생하는 전파에 영향을 받지 않도록 하기 위한 설계입니다. 그렇기 때문에 정비에 영향을 미치지 않는 정도로 내부 부품들을 연결하는 전선은 가능한 짧게 연결할 수 있는 구조의 기체가 이상적입니다.
ESC의 신호선의 노이즈를 막기 위한 원형 자석 Turnigy AE-45A Brushless ESC from hobbyking.com
노이즈를 막기 위해 그라운드(-) 선이 다른 선을 덮고 있는 구조
더 많은 드론 이야기를 만나보세요 : FPV미니드론
