불균형한 프로펠러로 인한 드론 진동

March 05, 2025 · 3 분 소요 · Admin Staff

작성자: Lauren Nagel

과도한 진동은 UAV의 성능을 저하시키며, 부품의 조기 노후화, 비행시간 단축, 비디오 녹화 불안정 및 기타 부정적인 결과를 초래합니다.

이러한 진동의 주요 원인 중 하나는 블레이드에 질량이 불균일하게 분포된 불균형 프로펠러입니다. 이러한 불균형은 출고 시부터 존재할 수도 있고, 운송 또는 작동 중 손상으로 인해 발생할 수도 있습니다.

본 기사에서는 프로펠러 불균형과 진동 사이의 관계를 탐구한 연구를 살펴보고, UAV의 진동을 줄이는 방법에 대한 권장 사항을 제공합니다.

진동과 RPM 및 프로펠러 직경
불균형으로 인한 진동 감지 모델 개발
UAV에서 프로펠러 진동을 줄이는 방법

그림 1: UAV에 장착된 프로펠러

1. 진동과 RPM 및 프로펠러 직경

멀티로터 분야에서는 프로펠러 불균형과 진동 사이의 인과관계가 UAV에도 적용된다는 사실을 확인한 여러 연구가 있습니다. 이러한 연구는 이 현상을 더 잘 이해하고, 언제 우려할 만한 수준이 되는지 파악하는 데 도움이 되었습니다.

Kuantama(2019)에서는 레이저 도플러 진동계를 사용하여 균형이 잡힌 UAV 프로펠러와 불균형한 UAV 프로펠러의 진동을 측정했습니다. 이 연구에서는 레이저 빔을 프로펠러의 세 영역인 팁, 블레이드 중앙, 허브에 집중하여 동적 프로펠러 움직임을 모니터링하고 진동 속도를 도출했습니다.

13인치와 14인치 프로펠러를 비교했습니다.

실험에 앞서 저자들은 정적 밸런싱 시스템을 사용하여 블레이드 중앙과 허브의 두 영역에서 프로펠러의 균형을 맞췄습니다. 그런 다음 프로펠러를 로터 스탠드에 장착하고 7000 RPM까지 회전시켰습니다.

그림 2: Kuantama(2019)의 레이저 진동계 테스트 설정 (Kuantama, 2019에서 재구성, CC BY 4.0 라이선스.)

흥미롭게도 높은 RPM에서 14인치 프로펠러는 13인치 프로펠러와 비교했을 때 균형이 잡힌 모델과 불균형한 모델 사이의 진동 속도 차이가 훨씬 더 크게 나타났습니다.

5000 RPM에서 불균형한 13인치 프로펠러는 균형이 잡힌 프로펠러에 비해 진동 속도가 12% 또는 0.4 m/s 더 높았습니다. 이와 비교하여 14인치 불균형 프로펠러와 균형 프로펠러 사이의 진동 속도 차이는 33% 또는 2.3 m/s 증가에 달했습니다. 저자들은 “4000 RPM을 넘어서면서 진동 속도가 급격히 증가했다”고 언급했습니다.

그림 3: 13인치 프로펠러(왼쪽)와 14인치 프로펠러(오른쪽)의 진동 속도 (Kuantama, 2019에서 재구성, CC BY 4.0 라이선스.)

이러한 결과는 프로펠러 불균형으로 인한 진동이 높은 RPM에서 더 큰 영향을 미친다는 기존의 연구 결과를 뒷받침하며, 프로펠러가 더 큰 UAV에서 더 심각한 결과를 초래할 수 있음을 시사합니다.

추가 읽을거리: 드론용 프로펠러 밸런싱 표준

2. 불균형으로 인한 진동 감지 모델 개발

Salem 등이 수행한 더 최근의 연구(2025)는 바람의 난류와 환경 소음이 포함된 동적 환경에서 로터 불균형을 감지하는 데 따르는 과제를 해결하는 것을 목표로 했습니다.

프로펠러의 블레이드 나사 중 하나를 헐겁게 하여 시스템에 불균형을 유도했습니다. 진동 패턴은 UAV 본체에 장착된 미세전자기계 시스템(MEMS) 센서를 사용하여 기록했으며, 기록된 데이터는 다층 퍼셉트론(MLP) 신경망 모델을 훈련하는 데 사용되었고, 이 모델은 나중에 테스트 데이터 세트에 적용되었습니다.

연구 결과에서 저자들은 불균형한 로터의 진동 프로파일이 균형이 잡힌 로터에 비해 세 가지 축(X, Y, Z) 모두에서 현저하게 더 많은 진동을 보였다고 언급했습니다. 편차는 X축에서 가장 두드러졌으며 피크는 2g를 초과했습니다. 그러나 Y축과 Z축에서 관찰된 불규칙한 패턴은 불균형이 시스템 전체에 이차 진동을 유발했음을 시사합니다.

저자는 “이러한 변동은 UAV의 안정성을 저해할 뿐만 아니라 방치할 경우 기계적 고장의 위험도 높일 수 있다”고 언급했습니다.