드론 DIY | 드론의 기본 구성 부품

드론 DIY | 드론의 기본 구성 부품 

2편. 드론을 구성하는 모터와 변속기, 프로펠러, 배터리

드론의 개념이라 함은 참 복잡하다. 단지 쿼드콥터만 의미하는 건 아니니까.

여기선 개념자체를 얘기한다기보다는 쿼드콥터를 기준으로 드론에 대해 설명해보려고 한다.

먼저 드론이 어떻게 구성되어 있는지를 알 필요가 있다. 우리가 일상에서 흔히 볼 수 있는 드론은 방송용 촬영드론이 아닐까 싶다.

쿼드는 아닌거 같고 보통 헥사 이상으로 이루어져 있는 것 같은데.. 

사실 일상생활이라기 보단 TV에서 많이 보던거지만.. 한번 홍대에서 실제로 이걸 본 적이 있는데, 생각보다 굉장히 묵직해보이고 크다.

위 사진에서 볼 수 있듯이, 기본적으로 드론은 뼈대라고 볼 수 있는 프레임, 모터, 그리고 사진에는 안보이는 변속기와 컴퓨터, 배터리 등이 있다.

가장 기본적이라고 볼 수 있는 것들이 바로 모터, 변속기, 배터리, 컴퓨터, 프레임이다. (이해하기 쉽게 표현하도록 하겠음.)

하나하나 살펴볼 것인데, 필요한 개념들만 챙겨갈 것이다. 구체적인 것은 나열하지 않는다.

이 글의 목적은 누구나 쉽게 만드는 드론 DIY 이기 때문에, 어려운 개념까지 굳이 써가면서 할 필요는 없을 것 같아서!!

1. 모터

bldc 모터

어렷을 적, 미니카를 만들어본 적이 있는 사람이라면 모터에 친숙할 것이다. 미니카에 들어가는 모터는 일반 dc 모터다. 흔히 아는 상식처럼 +- 극이 나와있어서, 배터리의 +-극을 연결해주기만 하면 모터가 돌아간다.

그런데 드론의 경우, 일반적으로 bldc 모터라는 것을 사용한다. 이것도 미니카처럼 dc 모터이긴한데, brushless 라고 하여 브러쉬가 없는 dc 모터라고 한다.

그래서 그게 무슨 차이인지는 인터넷에 많이 나와있으니, 우리는 좀 더 실용적인 부분만 알고 가도록 하자.

일반적으로 사용되는 bldc 모터는 3개 선이 나와있다. 미니카는 2개인데 왜 이건 3개일까? 그 원리도 알 필요 없다. 그냥 3개의 선에 각각 전원이 공급되어야 돌아가는 구나~ 하고 이해하면 된다. 왜? 우린 가장 쉽게 드론을 만드는 것만 알면 되니까. 일단 한번 가보고 싶은 사람들이니까!!!!!!!!!!!!!!!!가는거야!!

모터 정리.     

- bldc 모터라는 것을 사용한다. 가격대는 사양별로 다르지만 사진에 있는 녀석은 개당 1만 8천원짜리다.

- 선이 3개 나와있어서 3개 다 연결해서 사용해야 한다. 연결 순서에 따라 회전 방향이 달라진다.

2. 변속기 (esc)

변속기의 모습. 크게 3가지로 나뉜다.

변속기란 무엇일까. esc라고도 한다. 속도를 변하게 해주는 거? 대충 맞다. 모터의 속도를 변화시켜야 드론이 뜨기도 하고 내려오기도 하고 방향 전환도 할 게 아닌가?

일단, 컴퓨터와 개념을 혼동하면 안된다.

직접적으로 모터의 속도를 줄여라! 출력을 줄여라! 라고 명령을 하는 건 컴퓨터다. 그런 컴퓨터의 명령, 즉 전기적 신호를 받고 해석하여 배터리로부터 모터로 가는 출력량을 조절하는 것이 바로 변속기이다. 즉 컴퓨터의 오른팔인 느낌? 컴퓨터가 시키고 변속기가 한다.

크게 3가지로 나뉘어있다. 전원 연결부, 컴퓨터 연결부, 모터 연결부.

아까 모터는 3개 선으로 되어있다고 하지 않았는가? 변속기 모터 연결부도 3개 선이다. 이 두개를 딱 맞게 끼우면 된다. 순서에 따라 모터 회전 방향이 달라지니 이 점을 참고하면 된다. 

컴퓨터 연결부는 2개 선으로 되어있는데, 하나는 접지(ground)이고 하나는 컴퓨터로부터 받는 신호 선이다. 뭔지 잘 모르겠다면 일단 이정도로만 알아두자. 

전원 연결부는 선이 2개다. 빨간색, 검은색. 왜냐? 배터리는 dc 전원이기 때문이다. dc라는 것은 전류 흐름이 일정한 방향으로 흐른다는 것이다. 어려울 것없이, 우리가 흔히 생각하는 건전지가 다 dc 형태이다. 건전지에 +-가 있듯이, 배터리에도 +-가 있다. 읭? 배터리=건전지네? 당연하다. 배터리는 영어잖소. 극에 맞게 변속기와 연결만 해주면 된다.

다만 주의할 사항이 있다. 변속기는 암페어, 즉 전류를 기준으로 버젼이 나뉜다. 구매할 때 모터의 최대출력 암페어에 맞게 구매해야 한다. 모터마다 사양이 있으므로 이를 참고해서 변속기를 구매하면 된다.

변속기 정리.

- 컴퓨터의 명령을 따르는 오른팔 같은 녀석.. 배터리와 컴퓨터, 모터 사이를 연결해준다.

- 구매할 때는 암페어(A) 를 반드시 고려해서 사야한다. 모터에서 요구하는 암페어보다 높은 암페어를 가진 녀석으로 구매하면 된다.

3. 배터리

리튬폴리머 배터리

배터리란 무엇일까. 말그대로 건전지이다. 그렇다면 드론에서 일반적으로 사용하는 배터리는 무엇일까?

크기에 따라 용도에 따라 다르겠지만 우리는 11.1V 3셀 리튬폴리머 배터리를 사용한다. 11.1V는 말그대로 전압, 3S은 셀이 3개 짜리. 쉽게 말해서 3.7V짜리 건전지 3개가 붙어있어서 11.1V를 만들어낸다고 보면된다. 배터리는 보통 2개로 나뉜다.

먼저 배터리+-단자. dc 전원인 만큼, +-선이 나와있다. 이거 잘못 접촉 시키면 팍팍 튀니까 조심하자. 이 +-단자는 변속기의 +- 접합부분과 접합시키면 된다.

두번째는 밸런싱을 위한 단자다. 나중에 배터리를 충전한다고 생각해보자. 분명 3개 건전지가 붙어있는 형태니까, 충전할 때 어떤 것이 먼저 충전되고 그러면 문제가 발생한다. 그래서 밸런싱, 즉 균형있게 3개의 셀에 골고루 충전이 되도록 하기 위해 존재하는 단자가 바로 요녀석이다.

참고로 배터리 성능은 기대안하는 것이 좋다. 그 만큼 모터에서 많이 잡아먹기 때문에 비행시간이 매우 짧다. 보통은 10분 이내.

배터리 정리.

- 11.1V 리튬폴리머를 사용한다.

- 밸런싱으로 충전하는 것이 중요하다.

4. 컴퓨터

우리가 사용할 아두이노 컴퓨터

쉽게 이해하기 위해 컴퓨터라고 했지만 굳이 얘기하면 컴퓨터와는 또 다르다. 그래도 뭐 컴퓨터라고 하자.

우리가 사용할 컴퓨터는 아두이노라는 녀석이다. 일반인들이 가장 쉽게 다룰 수 있는 녀석이면서, 동시에 많은 것들을 수행할 수 있는 아주 똑똑한 녀석이다.

자, 그럼 컴퓨터는 대체 뭐하는 녀석이길래 드론에 존재할까?

모터를 동작시켰다고 생각해보자. 쿼드콥터라면 4개의 모터가 있을 것이다. 그런데 모터 출력이 다르면, 그에 따른 양력(뜨려는 힘)도 다를 것이고 결국 균형을 잃고 드론은 잠깐 날다가 곧바로 추락하고 말 것이다. 그래서 균형을 잡아줘야할 필요가 있는데, 이에 필요한 수치적인 계산을 해주는 녀석이 바로 컴퓨터이다. 아두이노!

현재 드론의 상태가 평형을 이뤘는지를 판단하고(즉 데이터를 읽어들이고), 이에 따라 모터의 출력을 바꾸도록 변속기에 신호를 주는 것이 모두 아두이노의 역할이다.

뭐, 두뇌라고 볼 수 있다. 보기에는 뭔가 전기전자적인 지식을 요구하는 것 같은데..

사실 그것보다는 프로그래밍적인 지식이 더 요구되는 녀석. 그만큼 쉽게 사용할 수 있다. 다음 포스팅에서 더 정확한 사용법을 포스팅할 예정이다.

컴퓨터 정리.

- 두뇌!!!!!! 두뇌!!!!!!!! 또 두뇌!!!!!!!!!!!!

- 드론과 관련된 모든 수치적인 해석을 하는 녀석. 각도 센서나 무선통신 모듈 등은 모두 이녀석을 통해 제어된다.

5. 프레임

쿼드콥터 드론 프레임 모습. (출처: 레이븐퓨리)

프레임이란 말 그대로 드론의 몸체이다. 특별할 것은 없다. 그냥 본인이 원하는 형태에 따라 프레임을 구매하거나 직접 만들면 된다. 

중요한 부분이 있다면... 가벼워야된다는 점? 배터리 성능이 모터를 못 받쳐주기 때문에 가벼울 수록 당연히 더 많이 날 것이다.

다만 너무 가벼우면 혹시나 충돌했을 때 파손될 염려가......

드론 구매샵 등에서 프레임을 따로 구매하는 걸 추천한다. 모터를 고정시키는 것도 까다로울 수 있고...

이 정도 기본 구성품으로 이루어져있다.

세부적으로 들어가면 각도 센서나 무선 통신 모듈, 그 외 다양한 것들이 있겠지만 크게는 이정도니까!

그렇다면 어떻게 이것들이 모여 작동하는가?

대충 개요도는 요러하다.

먼저 배터리는 변속기에 연결된다.

변속기는 모터, 변속기, 아두이노(컴퓨터)에 각각 다 연결되어 있다.

아두이노는 변속기와 연결된다.

실행 과정은 이러하다.

아두이노에서 각도 센서를 통해 각도 값을 얻는다. 만약 밸런싱이 안맞는다면? 변속기에 신호를 쏴준다. 모터 출력을 바꾸라고.

변속기는 그 신호를 받고, 배터리로부터 전력을 조절하여 모터 출력을 조절한다. 쉽게 생각하면, 배터리는 호수다. 그리고 변속기는 그 호수에서 필요한 물만큼을 떠다가 모터에 먹여주는 것이다. 당연히 많은 물을 먹일수록 모터 출력이 세지고, 그 만큼 배터리라는 호수는 금방 고갈난다.

자, 그렇다면 드론은 어떻게 나는 것일까?

쉽게 선풍기를 생각하면 된다. 날개가 돈다. 바람이 밑으로 분다. 그러면 그 만큼 드론이 반작용의 힘으로 위로 뜨게 된다. 헬리콥터와 똑같은 것.

방향이동은 어떻게 할까?

각도를 기울이면 된다. 예를 들어보자. 일직선으로 드론이 있다면, 그냥 위아래로 왔다갔다만 가능할 것이다.

그런데 기울여져 있으면? 당연히 그 방향으로 쏠리겠지?

어떻게 그런 움직임을 만들까?

출처: http://google.kimsq.co.kr/?c=2/68&uid=1699

먼저 기울이는 방법이 있어야한다. 기울게 하기 위해서는?

그림에서 보다시피, 모터 출력을 한쪽은 크게, 한쪽은 작게 하면 된다. 그럼 그 만큼 기울어질 테고, 힘의 차이에 의해서 좌우로도 이동이 가능할 것이다.

자세한 것은 나중에 pid 제어에서 다루도록 하겠다.

또 한가지, 드론에서 중요한 부분은 전체 모멘텀이 평형을 이루어야 한다는 것이다.

출처: http://www.notegear.com/Content/Content_View.asp?TNum=1784&kind=2&gotopage=

회전 방향을 살펴보자.

두개는 시계방향, 나머지 두개는 시계 반대 방향이다. 이렇게 해줘야 전체 회전력이 같아져서 드론이 회전하지 않는다.

반대로 생각하면, 드론을 회전시키기 위해서는 시계방향과 시계반대방향 모터의 출력 세기를 다르게 하면된다.

이를테면, 시계방향으로 도는 모터의 세기를 증가시키면 시계방향으로 드론이 조금씩 회전할 것이고, 반대로 하면 반대로 회전할 것이다. YAW 컨트롤이라고 한다.

드론의 기본 원리는 이정도면 충분할 듯 하다. 다음 포스팅에서는 아두이노라는 컴퓨터를 어떻게 다루는지에 대해, 프로그래밍 기초 지식과 더불어 설명하도록 하겠다.

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