UAV 및 스러스트 스탠드의 진동 저감

작성자: Mila Kanevsky

진동은 드론을 제작할 때 극복해야 하는 일반적인 장애물입니다. 과도한 진동은 비행이나 테스트 중에 문제를 일으킬 수 있습니다.

이 글에서는 드론 추력 스탠드에서 진동 문제를 해결하는 두 가지 접근 방식인 시뮬레이션과 실험 테스트를 소개합니다. 댐퍼를 사용하여 고유 진동수를 변경하는 데 사용한 솔루션은 드론에 사용하는 방식과 유사합니다.

요약:

1. 배경
2. 추력 스탠드의 진동
3. 진동 시뮬레이션
4. 실험 테스트
5. 드론의 진동

배경 - 비행 스탠드 설계

최근 당사는 최대 50kgf의 추력을 견딜 수 있는 드론 테스트용 추력 스탠드/다이나모미터인 새로운 Flight Stand 15/50을 출시했습니다. 이 스탠드는 더 나은 공기역학적 성능과 개선된 케이블 관리를 제공하기 위해 중공 튜브 구조로 제작되었으며, 케이블은 외부를 따라 배치하는 대신 튜브 내부에 통과됩니다.

추력 스탠드를 설계할 때 가장 큰 과제는 추진력 테스트 중 진동을 제한하는 것이었습니다. 앞서 언급했듯이, 스탠드의 기본 형태는 수직 튜브로, 힘 측정 장치(FMU)를 수용하고 상단에 모터와 프로펠러를 장착해야 합니다(그림 1).

스탠드는 모터와 프로펠러를 테스트하는 데 사용되는데, 이들은 본질적으로 진동을 유발하여 도구에 손상을 줄 수 있습니다. 스탠드를 최적화하고 보호하기 위해 쿼드콥터 암과 같은 드론 구성 요소에 사용되는 것과 유사한 일련의 진동 테스트를 수행했습니다. 실험 절차와 결과는 이 글에 설명되어 있습니다.

그림 1: Flight Stand의 초기 설계 개념. 

추력 스탠드의 진동

추력 스탠드는 고객의 모터와 프로펠러에 맞게 조정할 수 있으며, 이에 따라 설계 매개변수도 달라집니다. 시스템 주파수에 큰 영향을 미치는 매개변수 중 하나는 전체 질량입니다.

아래 방정식은 질량이 증가함에 따라 시스템의 고유 진동수가 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 스탠드는 넓은 범위의 추력을 측정할 수 있으므로 다양한 질량의 프로펠러와 모터가 사용됩니다. 사용자의 프로펠러와 모터 질량에 따라 고유 진동수가 달라집니다 [1]: 

테스트 가능한 추진 시스템의 질량, 프로펠러 크기 및 추력의 차이로 인해 추력 스탠드는 넓은 주파수 범위에서 작동할 가능성이 있습니다.이로 인해 구조물의 공진 주파수가 스탠드의 작동 범위에 포함될 수 있습니다.

공진은 구조물의 고유 진동수가 자극될 때 발생하며, 진동의 진폭이 커지거나 구조물의 움직임이 더 크게 나타납니다. 해당 주파수를 유지하면 자극이 증가하여 구조적 손상이나 고장으로 이어질 수 있습니다.

공진의 위험을 보여주는 대표적인 사례는 1940년 타코마 다리 붕괴 사고입니다. 붕괴에는 여러 원인이 있었지만, 다리가 비틀리고 통제 불능으로 움직이게 만든 공진이 주요 원인이었습니다.

진동 시뮬레이션

스탠드를 설계할 때, 고유 진동수가 작동 범위에 포함될 수 있음을 확인했습니다. 추력 스탠드는 1.5kgf에서 50kgf까지 측정할 수 있으며, 이는 1,000~10,000+ RPM 범위에서 작동하는 프로펠러에 해당하고, 약 16Hz~200Hz의 주파수와 관련이 있습니다.

그림 2에 표시된 것처럼 다양한 진동 모드에 대한 스탠드의 반응을 관찰하기 위해 몇 가지 진동 시뮬레이션을 실행했습니다. 진동 모드는 특정 진동이 유지될 때 발생하는 움직임을 나타냅니다. 공진을 피하려면 이러한 모드에서 스탠드를 장시간 작동하지 않는 것이 중요합니다.

그림 2: 추력 스탠드의 진동 모드 (*이것은 초기 테스트이며 Flight Stand 15/50의 현재 수치를 반영하지 않음에 유의하십시오*)

실험 테스트

이러한 진동이 실제로 스탠드에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하기 위해 프로토타입 스탠드를 제작했습니다. 시뮬레이션도 매우 유용하지만, 실제 테스트 중에 진동이 스탠드에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 것이 중요합니다.

그림 3의 스탠드는 FMU 대신 상단에 조정 가능한 모터 마운트를 장착하여 조립하고 테스트했습니다. 시스템에 불균형을 만들기 위해 한쪽을 다듬은 프로펠러를 사용했습니다.

 

그림 3: 진동 테스트용 프로토타입 추력 스탠드

진동 역학은 Flight Stand 소프트웨어를 사용하여 기록되었습니다. 한 가지 중요한 관찰 결과는 안정적인 베이스의 중요성이었습니다. 스탠드가 지면에 단단히 고정되지 않으면 베이스가 더 많이 움직여 공진 주파수가 낮아지고 진동 수치가 높아집니다.

그림 4는 테스트를 통해 공진 주파수를 어떻게 결정할 수 있는지 보여줍니다. 모터를 가동하고 프로펠러 속도를 천천히 높이면 테스트 전반에 걸쳐 진동이 크게 튀는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 공진과 관련이 있을 수 있습니다.

그림 4: 프로펠러 속도 증가에 따른 추력 스탠드의 진동 

샌드위치 마운트와 같은 일반적인 댐핑 방법이 고려되었지만, 진동 댐퍼는 진동이 발생하는 방향과 동일한 방향으로 사용해야 합니다. 스탠드에서 댐핑을 장착할 수 있는 위치는 수직 방향이지만, 진동은 주로 측면에서 발생하므로 어려움이 있습니다.

초기 테스트는 자체적으로 설계하고 조립한 프로토타입에서 수행되었습니다. 두 번째 테스트는 올바른 공차와 맞춤으로 작업장에서 가공된 공식 프로토타입으로 수행되었습니다. 이 테스트에서는 소음이 거의 없었고 스탠드는 매우 견고했습니다. 이전 테스트와 마찬가지로 베이스의 안정성이 매우 중요하다는 것을 확인했습니다.

스탠드를 콘크리트에 직접 고정했을 때 스탠드는 진동이 거의 없었으며 가장 높은 진동에서 기록된 소음도 최소화되었습니다. 레일에 장착했을 때도 소음과 스탠드의 움직임은 여전히 최소화되었지만 진동 수치는 더 높았고 스탠드는 약간 덜 안정적이었습니다.

레일에 장착한 스탠드에서 상당한 진동이나 소음 문제가 발생하면 레일의 움직임을 제한하기 위해 더 많은 콘크리트 고정 장치를 추가할 것을 권장합니다.

드론의 진동

추력 스탠드에서 관찰된 진동과 드론에서 관찰된 진동 사이에는 유사점이 있습니다. 두 경우 모두 진동은 프로펠러와 모터의 움직임으로 인해 발생하며, 드론은 지속적인 움직임을 갖도록 설계되고 취약한 전자 장치를 탑재하기 때문에 추가적인 복잡성이 있습니다.

드론에는 시스템을 모니터링하고 기체의 위치와 속도에 대한 유용한 데이터를 제공하는 많은 센서가 장착되어 있지만, 실험실에서의 추가 테스트는 구조물과 취약한 전자 부품에 대한 진동 기반 손상을 예측하고 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그림 5: 카메라 페이로드를 장착하고 비행하는 드론

멀티로터 프레임의 진동 분석은 참고 자료 [2]에서 자세히 설명되어 있으며, 이 글에서 설명한 테스트와 몇 가지 유사점이 있습니다. 먼저, 프로펠러가 가장 많은 진동을 유발하는 회전 속도를 결정하기 위해 추진 실험을 수행합니다.

이 정보를 바탕으로 모드 시뮬레이션 분석을 완료한 후, 주파수가 시스템에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 여기 테스트를 수행합니다.

불균형은 드론의 주요 진동 원인입니다. 자세한 내용은 당사의 백서를 확인하십시오: 프로펠러 불균형이 드론 성능에 미치는 영향.

결론

보여준 바와 같이, 진동 테스트 프로세스는 추력 스탠드와 드론 구성 요소에 유사합니다. 시뮬레이션과 계산은 프로세스의 중요한 부분이며, 그 뒤에 실험 테스트가 이어집니다.

이러한 실험은 설계자에게 중요한 통찰력을 제공할 수 있으며, 궁극적으로 테스트 도구와 그들이 테스트하는 항공기에서의 진동을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

추가 읽을거리: 추력 스탠드 제작 방법(베어링 및 힌지)

참고 문헌

[1] Engineering ToolBox, (2017). Beams Natural Vibration Frequency. [online] Available at: https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html

[2] J. Verbeke, S. Debruyne, “Vibration analysis of a UAV multirotor frame,” In Proc. ISMA2016, 2016, pp.2329-2338.