파란만장 개발이야기

쿼드콥터는 내부에 제어 소프트웨어뿐만 아니라 하드웨어도 매우 중요합니다. 프레임의 재질, 길이, 프롭(=프로펠러)의 종류, 길이를 비롯해 나사 하나의 조임까지도 쿼드 전체의 안정성에 영향을 끼칠 수 있습니다.

[프레임 그림]

저는 450mm프레임을 썼고 재질은.. 조금 탄력적인 플라스틱이네요.. 이름은 잘 모르겠지만 포맥스랑 비슷하지만 조금 단단한 정도입니다.

여러 블로그를 보면 카본프레임이 좋다고 하는데 저는 한가지밖에 못써봐서 재질에 관해서는 그다지 뭐라 할 말이 없네요. 나중에 한번 더 자작한다면 카본으로 만들어보고 싶습니다.

450mm 길이에 대해서는 선택 실수네요. 제가 인터넷에서 프레임 찾아다닐때는 이거 하나밖에 못찾았었는데 외국사이트까지 보니 더 싸고 좋은 프레임이 많이 있더라구요 ㅠ 국내에는 아직 쿼드콥터같은거에 대한 판매처, 특히 부품만 따로 파는데는 찾기 힘들더라구요. 모터같은것도 다 수입해서 유통하는 업체 뿐이고요.

몇번이나 모터주문하면 재고가 없어서 다른거 고르라 그러고 산 모터에 대해서 질문하면 자기네는 상품페이지에 있는거밖에 모른다고 제조사한테 알아서 전화하라네요.. 상담원이라 그런것도 있겠지만 쿼드 자재 구입하면서 받는 스트레스도 장난 아니었습니다. 잘못 구입하면 호구될까봐요 ㅠ

암튼, 쿼드에 뭔가 싣고 싶다거나 매달고 싶으신 분들은 450mm이 좋겠구요, 그게아니라 단순 띄우는 게 목적이라면 320mm정도를 추천드립니다.

쿼드가 크면 클수록 프롭도 커야되고 그러면 좀 무서워지더라구요.. 지금은 그러려니 하는데 초반에 돌아갈때는 테스트 한번 할때마다 목숨걸고 했습니다 ㅠㅠ

그리고 기체가 크면 클수록 안정성이 높다는 글을 봤는데 기체의 크기는 안정성에 미치는 영향이 크지 않다.. 라는게 제 결론입니다. 오히려 다른 자재(센서나 모터나 변속기)의 조합과 정밀도가 훨씬 안정성에 미치는 영향이 커요. 센서 샘플링타임을 10ms로 하고 테스트할 때 아무리 소프트웨어적으로 노력해도 안되길래 '내가 애초에 불가능한 하드웨어로 하고있나' 싶어서 많이 조사해봤는데 결국 얻은 결과는 센서 샘플링타임을 더 짧게, 정밀하게 하는거였습니다. 이거에 대한 내용은 센서 포스팅할때 자세히 다루기로 하고 넘어가겠습니다~

프롭의 재질은 APC가 제일 좋은거 같아요. 부러져도 큰 부담 없고 충돌하더라도 프롭이 쉽게 부러지니까 다른 기물이 상할일도 없고요. 하지만 사람피부에 닿으면 피를 볼거 같긴 하네요 ㄷㄷ 아 APC는 플라스틱이구요 다른 재질로는 나무나 카본 등등이 있겠습니다. 이런 재질은 보통 3D기체(맞나요?)에 자주 쓰이던데 큰 프롭 1개로 고출력을 뽑아낼 때 많이 쓰는거 같더라구요.. 우리는 4개고 고출력보다는 안정성과 빠른 회전속도 변화가 중요하다고 이전 포스팅에 말씀 드렸습니다.

프롭을 구매하실 때 보시면 10x47이거나 1047이거나 8045등의 숫자가 붙은걸 볼 수 있는데요 이거는 프롭의 사양입니다.

앞 두자리, 뒷 두자리가 정보구요 1047을 예로 들어 설명 드리겠습니다.

[프롭 그림]

10의 단위는 인치입니다. 프롭의 길이구요, 450mm프레임에 맞는 사이즈입니다.

47은 피치라고 하는건데요. 우리가 자주 사용하는 볼트와 너트의 나선형 홈도 피치라고 하죠. 프롭에서 피치란 프롭이 얼마나 비틀어졌냐라고 보시면 되겠습니다. 많이 비틀어져 있으면 바람을 많이 생성 하겠죠? 하지만 모터에 걸리는 토크도 셀겁니다. 피치의 숫자가 클수록 많이 비틀어졌다고 보시면 됩니다.

적은 회전수에 고출력을 뽑아내려면 프롭의 길이는 길게, 피치는 크게 하시면 되지만 무작정 크게 할 순 없는게 모터의 토크도 고려를 해야 한다는 점입니다.

그리고 프롭 밸런스라는게 있습니다. 모터가 돌아가면 아무래도 진동이 발생할 수 밖에 없는데 이 진동은 최대한 줄일 수 있는 방법입니다.

여담을 하자면~ 진동모터라는 말을 들어보셨나요? 진동모터가 따로 있는게 아니라 일반 정상 모터를 가지고 모터축 옆에 납덩어리를 붙혀놓은 격입니다. 모터가 돌 때 무게중심이 모터축이 아니라면 덜덜 떨리게 되는 원리로 진동모터가 작동하게 됩니다. 실제로 여러분들이 들고다니는 스마트폰 내부에도 이런 진동모터가 소형으로 장착되어 있습니다.

우리가 지금 프롭을 달아서 진동모터를 만드려고 하는건 아니니까~ 프롭의 균형을 맞춰줘야겠죠?

[프롭밸런서 그림]

저는 수소문끝에 이런 기구를 사다가 맞췄습니다 ㅠ 자석 사이에 축을 두고 프롭을 끼운다음 전기테이프를 붙혀서 균형을 맞춰갔습니다. 그러니까 훨씬 진동이 덜하더라구요. 진동 방지를 위해 방진고무 등등 이것저것 많이 해봤는데 이것 역시 센서 포스팅할 때 다시 언급하겠습니다. 결과만 미리 말씀드리자면 프롭밸런스나 방진고무 같은 장치들은 안정성이 있는 기체를 좀 더 안정하게 만드는 역할이지 이런 장치로 진동을 없애는건 불가능하다고 미리 말씀드릴게요.

다음 포스팅에서 만나요~

쿼드콥터에서 제일 기본이 되는 모터입니다.

모터는 BLDC모터를 사용하는데 BLDC모터에 대해 간략한 설명을 해보겠습니다. DC모터와 BLDC모터의 자세한 설명은 http://www.kyungmintech.com/bbs/skin/ggambo7002_boardgallery/print.php?id=techinfo&no=8 를 참고하시면 될거 같습니다. 정말 자세하게 설명 되어있네요.

옛날 달려라부메랑같은 만화가 유행할때 미니카를 해보신 분이라면 이해가 훨씬 쉽겠네요. 거기에 쓰이는 모터가 DC모터(brushed Direct Current Motor)입니다. 분해해보면 가운데 코일이 감겨있고 모터 내벽에 자석이 달려있고 코일이 돌아가는 구조죠. 돌아가면서 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌면서 계속 한방향으로 돌아가는 구조입니다. 이것의 단점이 왼쪽 그림의 bursh(브러쉬)인데요, 코일이 돌아가면서 저곳에 닿아서 전류의 방향이 바뀌는건데 마찰때문에 뜨거워지고 브러쉬가 닳아서 영구적으로 사용 못한다는 단점이 있습니다.

그에 반해 BLDC모터는 약자인 Brushless Driect Current Motor 처럼 브러쉬가 없고 대신 자석이달린 모터 내벽이 돌아가는 구조로 되어있습니다. 마찰이 없어서 영구적으로 사용 가능한데다가 DC모터보다 더 좋은 속도비 토크를 낼 수 있고 같은 속도비 저소음 이라고 합니다. 

자, 쿼드에 쓰이는 모터는 물론 속도(RPM)도 중요하지만 토크도 중요합니다. 제가 쓴 모터 보면서 설명 할게요.

KV는 v(볼트)당 RPM이라고 보시면 되겠습니다. 물론 전류가 충분히 공급될때 말이죠. 저 모터는 900KV니까 11.1v배터리에 전류, 쿨롱 모두 충분하다면, 그리고 아무것도 달려있지 않아서 부하가 0이라면 9990RPM의 속도로 회전한다 라고 보시면 됩니다. 이거는 높으면 좋다고 생각하시는 분들이 많은데, 보통 모터의 최대 회전속도와 토크는 trade-off관계에 있기 때문에 무작정 높다고 좋은게 아니예요. 자세 제어를 하기에 토크가 모자라면 아무리 신호를 빠르게 주어도 회전속도가 안바뀌기 때문에 제어가 소용없게 되는 불상사가 일어납니다.. 쿼드에서는 최대 회전속도도 중요하지만 회전속도 변화속도(토크)도 중요하다고 알아두세요. 이 중 최대 회전속도는 쿼드의 무게에 따라 결정하셔야됩니다~

shaft지름은 모터 중심에 돌아가는 축의 지름이죠 위 모터는 위에 샤프트 축을 새로 끼기 때문에 3mm이 아니라 5mm입니다. 

나머지 외형에 관한건 읽는 그대로니까 넘어가기로 하고요

Idel Current는 연결후 회전하지 않는 상태, 즉 돌기위해 준비되어있는 상태에서 0.3A가 흐른다는 말입니다. BLDC모터는 일반 DC모터와 달라서 돌기 전에 준비하는 상태가 있다고 하네요.

No.of Cells는 사용 배터리의 셀 개수입니다. 2~4s니까 배터리도 2~4s중에 골라서 써야한단 말이죠. 전압으로는 7.4v~14.5 까지 쓸 수 있단 소리네요.

그리고 Max Contiuous Power은 17A인데 이거는 부하가0이고 11.1v배터리에 900KV모터라면 17A를 공급 받아야 무부하에서 9990RPM까지 돌아갈 수 있단 소립니다.

Max efficiency current는 80%정도로 사용해야 부담 없이 모터가 돌아간단 소리지요. 만약에 10A가 모터에 흐르는데 정해진 속도만큼 회전속도가 안나온다면 더 많이 흐르게 합니다. 이게 변속기의 역할이죠. 

모터가 돌고있는데 손으로 세게 잡는다면 회전속도가 줄어들테고, 변속기는 이를 감지하여 더 전류를 흘려보내서 속도를 높여서 원래 속도를 맞추려고 합니다.  음.. 요부분은 제가 이렇게 알고있는 좀 애매하네요.. 혹시 틀린점이 있다면 지적 부탁드립니다~

이제 위 그림의 표를 보시면 Prop은 장착할 프로펠러의 종류입니다. 프로펠러와 프레임에 대해서는 다음 포스팅에서 다루기로 하고, 저의 경우를 풀어 쓰면 

1047프로펠러를 달고 11.1v전압에 10.5A전류를 공급한다면 한 모터에서 960g의 무게를 들어올릴 수 있다 

라는 말이죠. W나 oz나 능률은 그냥 계산이 이렇다~란 소리니 넘어가겠습니다. 즉, 쿼드는 4개니까 약 4Kg의 무게를 들어올릴 수 있고, 모터 최대 효율을 고려했을 때 80%인 3.2Kg을 들어올릴 수 있단 계산결과가 나옵니다. 하지만 실제 안정성을 위해서는 최대 2.5~3.0이라고 보아야되겠네요..

참고로 제 쿼드는 1.3Kg정도였습니다. 

모터에 관한 설명은 이정도로 하고 변속기 설명을 해볼게요.

변속기 설명을 하기에 앞서, PWM에 대해 아셔야 합니다. (모르시면 http://aerowaysg.tistory.com/14 참고하시구요.) 변속기와 모터가 연결되어있다면, 우리의 할 일은 변속기에게 PWM신호를 주는겁니다. PWM신호란 간단히 말해 모터에 전류를 얼마나 흘려라 라는 신호입니다. 

왜 번거롭게 제어보드에서 변속기로 신호를 보내고 변속기에서 모터로 전류를 보내느냐~ 그냥 제어보드에서 바로 모터로 전류를 보내면 되지 않느냐 라고 생각하시는분들이 계신데 ! 불가능합니다. 제어보드 특히 아두이노같은 경우는 몇십~몇백mA의 전류만 흐르도록 설계되었기 때문에 모터가 필요로 하는 10A이상이나 그 이상의 고전류는 흐르지 못합니다.. 칩이 타버리니까요.. 

DC모터도 마찬가지로 모터드라이브라는게 있죠.. 우리 모두 조심하여 칩을 보호해줍시다 ㅠ

그리고 변속기마다 세팅 방법이 존재하는데요, 보드에서 출력해주는 PWM값이 0~100까지라 가정한다면 어느부분이 최소값인지 변속기한테 알려줘야 합니다. 그래야 어느 PWM에 얼만큼 전류를 보내야하는지 아니까요. 설정 방법은 변속기 제조회사에서 메뉴얼을 받으셔야 할겁니다. 저는 하비윙 스카이워커 20A x4 를 썼는데 메뉴얼이 영어로되어있어서 애먹었어요 ㅠ 

세팅 후 throttle bottom 하신 후 천천히 스로틀을 올리시면 모터속도도 같이 올라가는게 보이실겁니다. 

생각나는 대로 두서없이 막 적었는데.. 한번 검토 해봐야겠습니다.. ㅠ

쿼드콥터나 RC카등 stand-alone이 가능한 기기들은 배터리가 필수입니다.

그리고 전동모터를 사용하는 기기는 배터리의 상태에도 많은 영향을 받습니다.

이번 포스팅에서는 배터리에 관해 알아보려 합니다. 제가 쿼드만들면서 스스로 습득하고 나름대로 정리한 내용을 바탕으로 쓴거라 틀릴 수도 있습니다~ 댓글로 지적해주시면 수정할게요 ㅠ

배터리의 종류에는 여러가지가 있는데 내부에 축전지 재료(?)에 무얼 쓰느냐에 따라 LiPo(리튬폴리머), 리튬이온, NiMH(니켈수소), 수은전지 등이 있습니다.

다른 배터리는 완전 방전 후 충전을 해야 배터리 사용 기간이 길고 용량을 충분히 쓸 수 있는데,(http://blog.daum.net/frei77/14439478 - 메모리효과 참고) 리튬이온, 리튬이온폴리머(=리튬폴리머) 배터리는 완충 또는 방전 주기를 거칠 필요 없이 편할 때 아무 때나 충전해도 최대용량이나 수명에 별로 영향을 끼치지 않는다고 합니다. 또한 가벼우면서도 밀도가 높기 때문에 배터리 사용 시간이 길고 휴대기기에 많이 쓰인다고 합니다.

배터리를 구매할 때 S, V, mAh, C라는 단위가 보이실 겁니다. 차례대로 뭔지 설명 해보겠습니다.

S 는 셀입니다. 배터리 안에 배터리 덩어리 하나가 들어있는게 아니라 여러개가 들어있는 셈이죠.

왼쪽 그림처럼 직렬로 연결하면 각 전지의 전압 합이 출력이 되고, 병렬로 연결하면 출력은 그대로 입니다.

리튬폴리머의 1S은 3.7v입니다. 직렬이니까 2S는 7.4v이고 3S는 11.1v.. 이런 식입니다. 자기가 사용하는 모터에 맞는 전압을 골라야겠죠?

V는 S에 직결되니까 넘어가겠습니다.

mAh 는 밀리 암페어 아워로 2000mAh인 경우에는 "한시간동안 정해진 전압으로 2000mA(2A)를 뿜어낼 수 있다"라는 이야기입니다. 많은 분들이 착각하시는데 이거는 배터리 용량이지 출력이 아닙니다. 용량이 10000000mAh라도 출력이 모자라면 모터가 제 속도를 못낼 수 있습니다.

C 는 쿨롱으로, 바로 출력량입니다. 최대 출력량이므로 RC나 쿼드콥터 할 때는 이게 크면 클수록 좋겠죠. 고등학교 물리에서 배웠던거같은데 단위 시간에 전자가 몇개 지나가느냐 이런 개념인거같은데 이걸 계산해서 최대 A(암페어)출력을 구한 다음에 나누기 모터 개수 하면 각 모터에 공급될 수 있는 최대 전류를 알 수 있겠죠.. 저는 그냥 생각없이 쿼드에 45C을 썼는데 모자르면 큰일날 뻔 했네요 ㅠ 

그리고 배터리에 보시면 +, -로 추정되는 빨간선, 검은선 두개가 나와있고 다른쪽에 검은선, 흰선, 흰선, 빨간선 요렇게 나와있는 부분이 있을겁니다. 두개짜리는 배터리 출력 선이고 여러다발 나와있는건 충전 선입니다. 3S냐 2S냐에 따라 여러다발의 개수는 달라지구요, 각 선을 전압계로 재보면 3.7v, 7.4v, 11.1v로 나오는걸로 봐서 각 셀에 연결되어있는 것 같습니다. 충전시에 각 셀에 똑같이 충전해주기위해 있는거 같구요.

그리고 팁을 드리자면 리튬폴리머라도 완전 방전내는건 비추입니다. 사용하다보니 모터 출력이 눈에 띄게 저하될 때까지 사용해봤는데 배터리가 좀 뜨끈뜨끈해지고 부풀어 오르더라구요.. 적당히 사용하시다가 충전하는게 나은거 같아요.. ㄷㄷ

보통 전기를 물에 비유하시는데 딱 맞는거같아요. 정리 해보겠습니다. 아래 그림을 참고해주세요

배터리는 물탱크입니다. 얼마나 많이 가지고 있느냐(mAh)에 따라 용량이 결정되지만 바닥에 달려있는 배수관(=수도관?)이 작으면 조금씩밖에 물을 내보내지 못합니다.

그리고 전압은 물탱크의 높이죠. 물탱크가 11층짜리 건물 위에 있는거랑 3층짜리 건물 위에 있는거랑 1층에서 나오는 물줄기의 세기는 다릅니다. 11층이 훨씬 세겠죠?

전류는 물입니다. 수도관의 크기가 같다고 가정하면 11층이 3층보다 더 많이 나오겟죠. 더 세게 나올테니까요

저항이 수도관의 크기입니다. 저항이 높다는건 수도관의 크기가 작다는 얘기구요. 전압이 아무리 높아도 저항이 높아서 수도관이 작으면 물줄기는 세지만 물은 조금밖에 못나오게 됩니다.

배터리에 있어서는 저항이 쿨롱이겠네요. 쿨롱이 높으면 수도관이 넓다는 얘기니까 물이 많이 나오게 되는거죠.

마구 휘갈겨 써놨는데 차분히 읽어보시면서 이해해보시길 바랍니다~ 저는 이런게 없어서 고생했어요 ㅠ

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충전에 관해서 안써놓았네요 ㅠ

리튬폴리머 배터리의 충전은 전용 충전기가 필요합니다. 저는 다행히 기존에 쓰던게 있어서 이어받았지만 없는 분은 사야겠네요 ㄷㄷ