드론 설계 - 계산 및 가정

· 6 분 소요

Drone under construction

 작성자: Lauren Nagel

드론 엔지니어링 프로세스는 종종 ‘디자인 루프’로 운영되는데, 이는 디자인 프로세스의 순환적인 특성을 의미합니다. 드론의 첫 번째 버전을 제작할 때는 몇 가지 가정을 바탕으로 하는데, 부품을 선택하고 디자인이 완성됨에 따라 그중 상당수가 변경됩니다.

이 글에서는 다음 내용을 다룹니다:

  1. 비행 시간을 늘리기 위한 배터리 찾기
  2. 드론 모터와 프로펠러 선택 방법(데이터베이스 포함)
  3. 효율을 극대화하기 위한 부품 교체
  4. ESC 선택 방법
  5. 드론 비행 시간 계산 방법

 

이 글에서는 Series 1585 추력 스탠드를 사용하여 데이터를 수집할 것입니다.

디자인 루프는 설계자가 첫 번째 버전의 디자인이 가정과 어떻게 다른지 살펴본 다음, 새로운 정보를 가지고 처음으로 돌아갈 때 시작됩니다(그림 1). 



드론 디자인 루프 일러스트레이션

그림 1: 드론 디자인 루프 일러스트레이션

이전 글인 드론의 비행 시간과 양력 용량 늘리기에서 디자인 프로세스의 첫 번째 단계를 다루고 디자인의 첫 번째 버전에 도달했습니다. 이 글에서는 그 지점부터 시작하여 우리의 가정이 어떻게 유지되었는지 살펴볼 것입니다.

검토

우리는 드론의 무게가 777g이고 스스로 비행할 수 있다는 가정으로 디자인 프로세스를 시작했습니다. 이 가정을 바탕으로 호버링 비행에 프로펠러당 1.9N의 추력이 필요할 것으로 예측했으며, 1.9N에서 가장 효율적인 모터-프로펠러 조합을 찾았습니다. 가장 효율적인 조합을 찾은 후에는 비행 시간을 추정하는 데 필요한 도구를 갖추게 되었으며, 오늘부터 그 지점에서 시작할 것입니다.

이 글에서는 부품의 질량을 더 정확하게 다룰 것입니다. 777g 드론의 질량 배분을 다음과 같이 가정합니다:

  • 모터(4개): 148g
  • 프로펠러(4개): 13.5g
  • 배터리(1개): 155g
  • 기타 부품(카메라, 프레임, ESC 등): 460.5g

비행 시간

우리의 목표는 드론이 가능한 한 오래 호버링할 수 있도록 비행 시간을 극대화하는 것입니다. 이전 글에서 우리는 다양한 배터리 용량에 따른 드론의 비행 시간을 모델링했습니다(그림 2).

드론 비행 시간과 배터리 용량

그림 2: 원래 드론 디자인의 비행 시간 대 배터리 용량

우리는 디자인에 Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 배터리가 포함될 것으로 가정하고 전체 계산에 그 질량을 포함했습니다. 배터리 용량은 19.2Wh를 약간 상회하며(14.8V * 1.3Ah = 19.2Wh), 그래프의 성장 단계에 해당하며 비행 시간은 약 4.5분만 제공합니다.

배터리 용량을 늘리면 비행 시간도 늘릴 수 있지만, 그 대가로 무게가 증가합니다. 여기서 디자인 루프가 시작되며, 우리의 요구 사항을 가장 잘 충족하는 드론을 만들기 위해 부품을 교체합니다.

반복 2: 최대 비행 시간을 위한 새 배터리 선택

0.2시간 지점까지는 배터리 용량이 증가함에 따라 비행 시간도 증가하지만, 약 100~125Wh 이후에는 한계 이득이 덜 중요해집니다. 이러한 이유로 비행 시간을 늘리기 위해 기존 배터리를 용량이 약 100~125Wh인 새 배터리로 교체하는 것부터 시작할 것입니다. Turnigy 5000mAh 6S LiPo 팩은 111Wh의 용량으로 우리의 기준에 잘 맞습니다(그림 3). 

Turnigy 5000mAh 배터리

그림 3: Turnigy 5000mAh/111Wh LiPo 배터리(사진: HobbyKing)

이 새 배터리는 단지 155g이었던 기존 배터리에 비해 무려 655g입니다. 다른 모든 부품이 622g으로 동일하다고 가정하면 드론의 총 질량은 이제 1,277g입니다.

따라서 드론이 호버링하려면 최소 12.5N의 추력을 내야 하며, 이는 프로펠러당 3.1N을 약간 상회하는 수치입니다. 또한 좋은 제어 권한을 확보하기 위해 그 두 배 이상의 추력을 달성하고 싶으므로, 3.1N에서 가장 효율적이면서 최대 6.2N의 추력도 달성할 수 있는 프로펠러를 찾을 것입니다.

검토해 보면, 후보 목록에 세 가지 프로펠러가 있습니다:

  • 6030R Gemfan => 직경: 6", 피치: 3", 질량 2.22g
  • 6040R King Kong => 직경: 6", 피치: 4", 질량 3.38g
  • 5030R Gemfan => 직경: 5", 피치: 4", 질량 3.00g

우리는 드론 프레임이 고정되어 있고 프로펠러 직경이 6”을 초과할 수 없다는 가정하에 작업할 것입니다. RCbenchmark의 전기 모터, 프로펠러 및 ESC 데이터베이스를 통해 세 가지 프로펠러 후보에 대해 알아볼 수 있습니다. 추력, 토크, RPM, 전력, 효율성 등의 테스트 데이터는 당사의 추진 테스트 스탠드 중 하나를 사용하여 수집되며, 이 드론에는 RCbenchmark Series 1585가 가장 적합할 것입니다.

후보들에 대해 데이터베이스의 데이터는 세 가지 프로펠러 모두가 우리의 호버링 추력인 3.1N에 도달하지만, 6040R King Kong만이 최대 추력인 6.2N(0.63kgf)에 근접한다는 것을 보여줍니다(그림 4).


프로펠러 회전 속도 및 추력 그래프

그림 4: 프로펠러 후보의 추력 성능

이 결과는 배터리가 너무 무겁거나 모터/프로펠러 조합이 충분한 추력을 내지 못했음을 시사합니다. 우리는 가능한 한 긴 비행 시간을 목표로 하므로, 즉시 더 작은 배터리를 찾기보다는 프레임 제한 내에 맞으면서 더 많은 추력을 내는 다른 프로펠러를 더 살펴봅시다.

추가 읽을거리: 불균형이 프로펠러 진동을 일으키는 방법

반복 3: 새 프로펠러 및 모터 후보 선택

프레임은 직경이 6” 이하인 프로펠러로 제한되지만, 피치, 재질 및 브랜드를 계속 실험할 수 있습니다. 드론 부품 데이터베이스를 사용하여 직경이 6”이고 최소 6.2N(0.63kgf)의 힘을 내는 프로펠러를 필터링할 것입니다. 이 검색은 몇 가지 좋은 옵션을 제공했지만, 단순화를 위해 가장 많은 추력을 내는 세 가지 후보로 좁힐 것입니다:

  • 프로펠러 1 → 직경: 6”, 피치: 4”, 질량: 3.38g, 재질: 플라스틱
  • 프로펠러 2 → 직경: 6”, 피치: 4”, 질량: 4.32g, 재질: 나일론
  • 프로펠러 3 → 직경: 6”, 피치: 4.5”, 질량: 6.78g, 재질: 탄소 섬유(CF)

드론 프로펠러의 추력 및 RPM 그래프

그림 5: 새 프로펠러 후보의 추력 대 RPM

그림 5에서 볼 수 있듯이, 모든 프로펠러 후보는 10N(1kgf) 이상의 추력을 낼 수 있습니다. 이러한 이유로 우리는 호버링 추력 5N과 최대 추력 10N을 목표로 할 수 있으며, 이는 동일한 추진 장치로 더 큰 배터리를 들어 올릴 수 있게 해줍니다. 

그림 6에 표시된 것처럼, 원래 호버링 추력인 3.1N(0.32kgf)과 새로운 호버링 추력인 5.0N(0.51kgf)에서 프로펠러 1과 프로펠러 2의 효율은 매우 유사하며, 약 0.1gf/W 차이만 납니다. 프로펠러 2가 약간 더 효율적이지만 더 무겁습니다. 이 증가한 무게는 더 짧은 비행 시간으로 이어질 수 있으며 배터리에 사용할 수 있는 질량을 줄입니다. 쿼드콥터에서 총 차이는 3.76g((4.32g - 3.38g)*4)입니다.


프로펠러 효율 및 추력 그래프

그림 6: 새 프로펠러 후보의 프로펠러 효율 대 추력

온라인 마켓플레이스를 빠르게 살펴본 결과, 이 크기의 배터리에서 4g은 용량 측면에서 아무런 차이를 만들지 않는다는 것이 분명합니다. 이러한 이유와 우리 드론에서 4g의 질량이 미치는 영향이 무시할 수 있다는 점을 고려할 때, 더 높은 효율성을 가진 프로펠러 2를 사용하는 것이 합리적입니다.

다음 단계는 새로운 호버링 추력인 5N에서 이 프로펠러와 가장 효율적인 브러시리스 모터를 찾는 것입니다. 일반적으로 우리는 최대 추력인 10N을 초과할 수 있지만 너무 큰 차이는 나지 않는 모터를 찾고 있습니다. 모터를 너무 오랫동안 최대 속도로 작동시키고 싶지 않으며, 필요 이상으로 많은 추력과 토크를 내는 모터를 달고 싶지도 않습니다.

우리가 이전에 테스트한 두 모터인 MultiStar Elite 2306 2150Kv와 EMAX RSII 2207 2300Kv 중 2300Kv 모터만이 우리의 최대 추력 요구 사항을 충족합니다(그림 7). 따라서 새로운 후보를 찾기 위해 모터 데이터베이스를 사용해야 합니다.


모터 효율 및 추력 그래프

그림 7: 2150Kv 및 2300Kv 모터 후보의 모터 효율 대 추력

데이터베이스에서 우리의 기준을 충족하는 Hypetrain Blaster 2207 2450Kv를 찾았습니다. 우리는 두 모터 각각을 프로펠러 2와 결합하여 테스트를 실행했으며, 결과는 그림 8에 표시되어 있습니다. 모터 2인 EMAX RSII 2207 2300Kv는 우리의 호버링 작동 지점인 5N(0.51kgf)에서 프로펠러 2와 가장 효율적이며, 최대 추력인 10N(1.02kgf)에서도 더 효율적입니다. 호버링 추력에서의 효율 차이는 약 2.2%(55.6% 대 53.4%)이지만, 2300Kv 모터가 더 가볍기 때문에(32.37g 대 36.96g) 우리의 결정은 쉬워집니다.


모터를 비교하는 모터 효율 및 추력 그래프

그림 8: 2300Kv 및 2450Kv 모터 후보의 모터 효율 대 추력

반복 4: 새로운 디자인에 맞는 최대 비행 시간을 위한 새 배터리 선택

이제 프로펠러와 모터의 질량뿐만 아니라 호버링 추력도 변경되었으므로 부품의 질량을 요약하기에 좋은 시점입니다. 새로운 배분은 다음과 같습니다: 

  • 모터(4개): 129.5g
  • 프로펠러(4개): 17.3g
  • 기타 부품(카메라, 프레임, ESC 등): 460.5g
  • 배터리 전 질량: 607.3g
  • 최대 질량: 약 2,000g

이 새로운 값들을 바탕으로, 배터리에 사용할 수 있는 질량은 1392.7g입니다. 

모터와 프로펠러도 선택했으므로 방전(C 등급) 요구 사항도 결정할 수 있으며, 이는 배터리 선택 시 고려 사항이 될 것입니다. 모터가 배터리가 제공할 수 있는 전류보다 더 많은 전류를 끌어오지 않도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 배터리는 빠르게 열화되거나 과열될 수 있습니다. 배터리의 전류 소모를 결정하는 공식은 다음과 같습니다: 전류(A) = C 등급 * 용량(Ah).

 

추가 읽을거리: 브러시리스 모터 전력 및 효율 분석

온라인에는 EMAX RSII 2207 2300Kv의 연속 또는 버스트 전류에 대한 정보가 없지만, RCbenchmark 데이터베이스의 데이터를 살펴보고 이 모터로 수행된 모든 테스트를 비교할 수 있습니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 다양한 테스트 중에 도달한 최대 전류는 약 42A였습니다. 


드론 모터의 전류(A) 요구 사항 그래프

그림 9: EMAX RSII 2207 2300Kv 모터의 전류 대 회전 속도

Turnigy High Capacity 16000mAh 4S 12C LiPo Pack은 당사의 무게 범위에 있는 모든 배터리 중 Wh 용량이 가장 높으며, 4 * 3.7 * 16 = 236.8Wh를 제공합니다. 무게는 1,366g이고, 12C 방전 등급과 16Ah 용량을 가지고 있어 192A의 전류 소모를 처리할 수 있으며, 이는 우리가 필요로 하는 것보다 많습니다.

반복 5: ESC 선택

ESC를 선택할 때의 주요 고려 사항은 모터의 피크 전류를 공급할 수 있는지 여부입니다. 우리의 경우 모터가 42A를 초과할 것으로 예상하지 않으므로, HobbyKing 60A ESC 4A SBEC과 같은 ESC가 잘 작동할 것입니다. 이는 최대 60A의 정전류와 최대 80A의 버스트 전류를 제공하는 동시에 BEC에 4A를 제공합니다. 이는 우리에게 약간의 안전 여유를 주므로, 이 ESC는 우리 드론에 좋은 선택이 될 것입니다.

60A ESC

그림 10: HobbyKing 60A ESC 4A SBEC(사진: HobbyKing)

비행 시간 계산

이전 글에서 배웠듯이, 비행 시간은 배터리 용량과 추진 시스템이 소모하는 전력에 따라 달라집니다. 따라서 많은 요인이 작용하며, 아래 공식에 요약되어 있습니다(더 자세한 내용은 이전 비행 시간 늘리기에 대한 글을 참조하십시오): 

드론 비행 시간 방정식 / 공식


여기서 

E = 용량

σ = 에너지 밀도

M = 그램(g) 단위의 질량

우리는 추진력 테스트 데이터를 이 편리한 비행시간 계산기에 복사하여 붙여넣고, 무게와 배터리 용량을 입력하기만 하면 데이터를 기반으로 비행시간을 가장 정확하게 예측할 수 있습니다. 예상 비행시간은 15.2분(그림 11)으로, 비행시간이 약 4.5분에 불과했던 기존 설계에 비해 크게 향상되었습니다.

드론 비행시간 계산기

그림 11: 비행시간 계산기를 사용하여 드론의 비행시간 예측

결론

앞서 살펴본 것처럼 드론 설계 과정은 순환적이며, 설계를 개선할 여지는 거의 항상 존재합니다.

설계를 한 단계 더 발전시키려면 테스트 환경에 맞춤형 센서를 추가하는 것을 고려해 보십시오.

추진력 데이터를 수집하는 것은 드론의 개선 여지가 있는 부분을 파악하는 가장 좋은 방법 중 하나이며, 이를 돕기 위해 다양한 테스트 스탠드와 도구를 제공합니다.

 

이 글이 유익했다면 무료 eBook도 즐겁게 읽어보시기 바랍니다: 드론 제작 및 최적화: 비행시간을 늘리는 방법, 탑재 중량 및 전체 효율 향상.