이 게스트 포스트는 Recursion Labs에서 작성했습니다.
드론 제작을 위해 모터와 프로펠러를 선택하는 것은 각 부품에 대해 충분한 정보를 바탕으로 신중하게 결정하고 싶을수록 혼란스럽고 스트레스가 많은 과정이 될 수 있습니다. 잘못 선택하면 기체의 성능과 효율이 크게 저하될 수 있습니다. 올바른 조합을 선택하는 것은 쉽지 않은데, 부품을 선택할 때 고려해야 할 사항이 많기 때문입니다.
드론 부품 선택
모터 선택
그림 1: 모터 옵션 일부
모터를 선택할 때는 모터의 무게를 고려해야 합니다. 더 무거운 모터를 사용하려면 그만큼 추가적인 양력이 필요하기 때문입니다. 원하는 스테이터 크기를 결정해야 하며, 이를 위해 모터 스테이터의 높이와 너비를 모두 결정해야 합니다. 그런 다음 제작하려는 드론에 가장 적합한 모터 Kv와 프로펠러 크기를 결정해야 합니다. 모터를 결정한 후에는 브랜드를 선택해야 하는데, 다양한 가격대의 많은 옵션이 있습니다.
프로펠러 선택
그림 2: 다양한 프로펠러 옵션
구매한 모터는 프로펠러를 회전시켜 추력을 발생시키지만, 새 모터에 어떤 프로펠러를 사용할지도 매우 중요한 결정입니다. 프로펠러의 길이(크기), 피치(프로펠러의 경사), 블레이드 수 등을 결정해야 합니다. 브랜드, 무게, 가격, 재질도 프로펠러 선택 시 고려해야 할 사항입니다.
배터리 선택
그림 3: 배터리 옵션 일부
이러한 선택이 완료되면 모터에 전원을 공급할 적절한 배터리를 선택할 수 있습니다. 배터리 전압은 Kv와 프로펠러 조합에 적합해야 합니다. 배터리는 비행 중 모터를 구동하는 데 필요한 정격 전력을 지원할 수 있도록 올바른 용량이어야 하며(비행 방식에 따라 더 높거나 낮을 수 있음), 전압 강하가 심하지 않으면서 순간적으로 높은 전류를 견딜 수 있어야 합니다. 추력 출력과 효율(추력 1g당 전력 와트)에 따라 모터에 적합한 배터리 크기가 결정됩니다. 필요한 배터리가 제작하려는 드론에 적합한 크기나 무게를 초과하는 경우, 처음으로 돌아가 다른 부품에 대해 다시 생각해야 합니다. 세 가지 선택 사항은 서로 영향을 미치며, 하나를 변경하면 다른 두 가지도 변경해야 할 수 있습니다.
드론 설계 고려 사항
그림 4: 다양한 드론 디자인 및 제작
드론을 제작하는 대부분의 사람은 다른 사람이 제작한 것을 참고하여 동일하거나 유사한 부품을 선택합니다. 이는 시중에 있는 대부분의 인기 있는 제작 방식에 상당히 잘 들어맞을 수 있지만, 참고하는 사람이 동일한 비행 요구 사항을 가지고 있고 편향되지 않았으며, 부품을 선택할 때 스스로도 충분한 정보를 바탕으로 신중하게 결정했다는 가정이 전제되어야 합니다. 잘 알려지지 않은 드론을 제작하는 경우 참고할 만한 자료가 전혀 없을 수도 있습니다.
저는 가장 가벼우면서도 최고 성능(추력 대 중량비)을 내는 고화질 FPV 드론을 제작하는 것을 목표로 3인치(프로펠러 직경) 드론 중 하나를 재설계하려고 했을 때, 부품 선택에 도움이 될 정량적인 데이터가 거의 없었습니다. 부품과 배터리를 선택하는 데 있어 해결되지 않은 질문이 너무 많았기 때문에, 저는 여가 시간의 일부를 할애하여 제 드론뿐만 아니라 일반 커뮤니티에도 데이터를 제공하여 다른 사람들의 드론 제작에도 도움이 되도록 이 질문들에 대한 답을 찾기로 했습니다. 이를 위해 Tyto Robotics 1520 추력 스탠드를 사용하기로 했습니다. 그 결과는 제 YouTube 채널인 Recursion Labs의 동영상에 게시되어 있습니다.
변수 제어 테스트 방법론 만들기
만족스러운 방법론을 고안하는 것은 예상보다 더 어려웠습니다. 제가 세운 테스트 요구 사항은 동일한 프로펠러로 다양한 모터를 테스트하거나 동일한 모터에 다양한 프로펠러를 장착하여 테스트할 때 정확하고 신뢰할 수 있는 비교 데이터를 얻는 것이었으며, 언제든 동일한 테스트를 수행하여 합리적인 오차 범위 내에서 동일한 결과를 얻을 수 있어야 했습니다.
또한 각 테스트에 수동 작업 시간을 최소화하여, 각 테스트를 설정하는 데만 시간을 들이면 수많은 정확한 테스트를 실용적으로 수행할 수 있도록 해야 했습니다. 즉, 테스트 절차를 완전히 자동화해야 했으며, Tyto Robotics 소프트웨어가 추력 스탠드에 대한 직접 프로그래밍 인터페이스로 ECMAScript를 지원하기 때문에 이를 구현할 수 있었습니다.
입력 드론 배터리 전압
모터의 입력 전압은 회전 속도를 결정합니다. 50% 스로틀에서 16V로 구동되는 모터는 50% 스로틀에서 15.8V로 구동되는 동일한 모터보다 더 빨리 회전합니다. 일반적으로 모터를 테스트할 때 테스트자는 대용량 리튬 폴리머 배터리를 완전히 충전한 후 모터/ESC에 연결하고, 측정을 기록하면서 모터를 0-100%까지 가속합니다.
이 방법의 문제는 테스트 사이에 배터리를 완전히 충전하더라도 결과에 매우 큰 변수가 발생한다는 점입니다. 모터가 배터리에서 전류를 끌어다 쓰면 배터리 전압이 강하됩니다. 전압 강하가 매 테스트마다 동일할 것이라고 보장할 수 없으며, 배터리가 방전됨에 따라 대기 전압도 낮아집니다.
그림 5: 30~80A 전류 범위에서 안정적인 전압 조절
이 변수를 제거하기 위해 저는 일정한 전압을 출력하도록 설정된 정밀 벤치 파워 서플라이를 사용하기로 했습니다. 즉, 파워 서플라이가 16.00V를 출력하도록 설정되면, 소모 전류가 1A든 30A든 16.00V가 제공됩니다. 모터 자체에서 전압 강하가 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 전자 속도 제어 장치(ESC)로 연결되는 전선의 저항과 모터 자체에서 발생하는 저항으로 인해 회전 중 측정 가능한 전압 강하가 발생하기 때문입니다. 모든 테스트에서 동일한 배선을 사용하고 열을 관리한다면, 전압 강하 또한 테스트 간에 일관되게 유지될 것입니다.
열 요인, 히트싱크 및 테스트 해상도
입력 전압 변수가 제거되면 다음으로 중요한 변수는 열입니다. 모터에 부하가 걸리면 모터 권선 내부에서 열이 발생합니다. 발생한 열은 저항처럼 작용하여 전압과 모터 성능을 떨어뜨립니다.
전통적인 테스트 방법론을 다시 살펴보면, 모터를 0-100%까지 천천히 회전시키면 모터 온도가 서서히 상승하여 저항이 증가하고 전압이 떨어집니다. 스로틀이 증가함에 따라 누적되는 열 증가로 인해 전압 강하가 커지고 모터 RPM이 감소하므로, 측정값은 점점 더 부정확해집니다.
그림 6: 16.00V 고정에서 지속 테스트 5초 동안 열로 인한 RPM 강하
자동화 테스트의 초기 프로토타입에서 저는 동일한 Kv에서 4S와 6S 전압(16.0V 대 20.0V)의 차이를 테스트하여 동일한 RPM에서 4S 모터에 6S 전압을 사용하는 것이 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 했습니다. 코드는 각 모터의 목표 RPM에 도달할 때까지 모터를 회전시켜 각 RPM에서의 측정값을 캡처하고 비교할 수 있도록 했습니다. 자동화 시스템은 목표 RPM 근처까지 모터를 빠르게 회전시킨 다음, 목표 RPM에 도달할 때까지 스로틀을 천천히 올렸습니다.
테스트에 사용된 대형 모터에서는 테스트 속도가 충분히 빨라 모터의 금속 부분이 테스트 완료 전에 열을 흡수할 수 있을 만큼 큰 히트싱크 역할을 했기 때문에 비교적 잘 작동했습니다. 나중에 더 작은 모터로 유사한 테스트를 수행했을 때는 테스트 결과가 전혀 사용할 수 없었습니다. 목표 RPM에 도달한 후 스로틀을 줄여도 발생한 열로 인한 전압 강하 때문에 RPM이 스로틀이 올라가는 속도만큼이나 빠르게 낮아졌기 때문입니다. 정적 추력 테스트는 모터가 대기 중에서 프로펠러를 밀어낼 때보다 훨씬 더 많은 열을 발생시키므로, 저는 테스트 방식을 완전히 재구성해야 한다고 확신했습니다. 즉, 열을 제거해야 할 변수로 취급했습니다.
그림 7: 지속 부하에서 열이 축적되는 모터의 열화상 이미지
열을 변수에서 제거하는 해결책은 의외로 간단했습니다. 테스트가 시작될 때 모터는 약 5%의 이용률로 아이들링합니다. 모터는 특정 스로틀 지점에서 2초 동안 최대 출력으로 가동되며, 테스트 기간 동안 5~6ms마다 측정값이 기록됩니다. 테스트가 완료되면 모터는 충분히 식을 수 있도록 다시 아이들링 속도로 낮춥니다. 낮은 RPM에서는 모터를 오래 아이들링할 필요가 없지만, 스로틀 지점이 높아질수록 아이들링 시간도 늘어나 테스트 사이에 최대 2분까지 아이들링합니다.
아이들링 기간이 충분한지 열화상 카메라로 확인한 후, 효율이 낮은 테스트를 위한 안전 여유를 두기 위해 기간을 두 배 이상 늘렸습니다. 각 테스트는 전체 스로틀 범위에서 스로틀 지점을 0.5%씩 증가시키며, 이를 통해 전체 스로틀 스펙트럼에 대한 매우 높은 해상도의 테스트가 가능합니다. 이 방법은 테스트 실행 시간을 훨씬 더 길게 만들지만, 완전히 자동화되어 있으므로 그만한 가치가 충분합니다.
결과 통합
자동화에서 생성된 결과는 테스트된 각 스로틀 지점에 대한 데이터 세트를 만듭니다. 각 데이터 세트에는 각 테스트 동안 수집된 모든 샘플이 포함됩니다. 많은 수의 모터나 프로펠러를 서로 비교하는 분석의 경우, 각 데이터 세트에는 약 250개의 캡처된 샘플이 포함된 1,500개 이상의 데이터 세트가 있을 수 있습니다. 데이터를 수동으로 정리하는 것은 비현실적이므로, 각 데이터 세트를 순회하여 모터가 설정점 RPM에 도달한 후 적절한 수의 샘플을 캡처하고 평균을 내어 분석에 사용되는 각 데이터 포인트의 결과 지표를 생성하도록 추가 자동화 코드를 작성했습니다. 설정점 테스트 중에 모터에서 발생한 열이 전체 결과 평균에 영향을 미칠 수 있지만, 순간 가동 시간이 제한되어 있으므로 효율이 과대평가되지 않도록 하는 데 적절한 것으로 판단했습니다. 열 변수는 이제 특정 테스트의 모터 효율에 따라 달라지며, 각 테스트에서 측정 가능한 수준으로 일관되게 유지되어야 하기 때문입니다.
그림 8: 단일 테스트의 많은 데이터 포인트 샘플링
모든 결과가 처리되면 자동화 시스템은 지정된 각 모터/프로펠러/전압에 대한 스로틀 지점별로 통합된 모든 데이터가 포함된 새 파일을 만듭니다. 이제 이 데이터를 개별 또는 비교 분석에 쉽게 사용할 수 있습니다.
모터 / 프로펠러 성능 데이터 분석
모터와 프로펠러 데이터를 비교하는 가장 좋은 방법은 그래프를 사용하는 것이며, 이를 통해 전체 스로틀 범위에서 모터와 프로펠러가 어떻게 작동하는지 한눈에 파악할 수 있습니다. 통합 결과가 제공되면, 모터와 프로펠러를 적절히 분석하는 데 필요한 필수 정보를 제공하는 표준 그래프를 여러 개 생성하는 데 시간을 할애합니다. 이를 보여드리기 위해 동일한 모터에 장착된 8가지 서로 다른 3인치 프로펠러 간의 분석에 사용된 차트 예시를 제공하겠습니다. 이 차트는 초기 테스트 동영상에 게시되어 있으며 여기에서 확인할 수 있습니다.
추력
그림 9: 추력(g) 대 모터 이용률(%)
시작점은 전체 스로틀 범위에서 발생한 추력입니다. 여기에서 모터, 프로펠러, 모터 조합이 기체의 기본적인 추력 대 중량 기대치를 충족할 만큼 충분한 추력을 제공할지 빠르게 판단할 수 있습니다. 여기서 중요한 것은 목표 총중량(AUW)에 대한 대략적인 아이디어를 가지고 있어야 한다는 점입니다. 그래야 기체가 어느 스로틀 지점에서 호버링할 만큼 충분한 추력을 갖게 되는지 확인할 수 있습니다.
기체의 AUW를 구한 다음 4(쿼드콥터 기준)로 나누면 모터당 필요한 호버링 추력에 4를 곱한 값을 얻을 수 있습니다. 호버링 스로틀 위치(이후 그래프에 필요함)를 파악한 다음, 최대 추력(g)을 호버링 모터 무게로 나누어 차트에 표시된 모터/프로펠러에서 가능한 추력 대 중량비를 대략적으로 파악할 수 있습니다.
위의 예에서 AUW가 200g이라면, 50g 지점에 선을 그어 모든 프로펠러의 호버링 스로틀 지점을 확인할 수 있습니다. 추력 대 중량비의 경우, 모든 프로펠러가 최소 5:1의 추력 대 중량비를 제공할 수 있으며, 상위 두 개는 인상적인 7:1 비율을 제공할 수 있음을 알 수 있습니다.
그렇다면 왜 가장 높은 추력을 내는 프로펠러를 선택하지 않을까요? 가장 많은 전력을 제공하므로 가장 좋을 것이 분명하지 않나요? 글쎄요, 그렇게 간단하지 않습니다. 모터와 프로펠러 조합이 그 추력을 낼 수 있지만, 그 대가는 무엇일까요? 모터당 350g의 추력을 발생시키는 데 200g의 더 큰 배터리가 필요하여 AUW가 320g이 된다면, 추력 대 중량비는 약 4:1로 크게 낮아지는 동시에 더 가벼운 기체의 기동성과 충격 저항 이점도 포기해야 합니다.
전류
그림 10: 전류(A) 대 모터 이용률(%)
이제 추력 데이터를 얻었으므로, 추력을 발생시키는 데 몇 암페어의 전류가 필요한지 확인할 수 있습니다. 위의 그래프는 전체 스로틀 범위에서 몇 암페어가 필요한지 보여줍니다. 위의 두 그래프를 함께 사용하여 특정 양의 추력을 발생시키는 데 필요한 전류를 결정할 수 있습니다.
사실 이는 매우 직관적이지 않은 방법입니다. 그래프 하나 대신 두 개를 참조해야 할 뿐만 아니라, 전류는 입력 전압에 전적으로 의존하기 때문에 전력 요구 사항(부피/무게 측면)을 측정하는 좋은 방법이 거의 아니기 때문입니다. 우리가 정말로 관심을 갖는 것은 추력을 발생시키는 데 몇 와트(W)가 필요한가입니다. 와트는 전압에 사용되는 전류를 곱하여 계산합니다. 이것이 중요한 이유는 4S(16.0V)에서 모터가 10암페어의 전류를 사용하고(16V x 10A = 160W), 6S(20.0V)에서 모터가 10암페어의 전류를 사용한다면(10A x 20V = 200W), 6S가 훨씬 더 많은 전력과 더 큰 배터리를 필요로 하기 때문입니다.
와트당 추력(g)
그림 11: 와트당 추력(g) 대 모터 이용률(%)
위의 차트는 전체 스로틀 범위에서 전력 1와트당 몇 그램의 추력이 발생되는지 보여줍니다. 여기에서 스로틀 범위에 따른 프로펠러 효율을 확실히 더 잘 파악할 수 있으며, 어느 스로틀 지점에서 1와트당 가장 많은 추력을 얻을 수 있는지 확인할 수 있습니다.
호버링에 필요한 원래의 스로틀 위치가 다시 필요해졌습니다. 위의 예시에서 볼 수 있듯이, 스로틀 사용량에 따라 서로 다른 프로펠러의 효율이 달라지기 때문입니다. 빨간색과 진한 파란색 선을 보면 호버링 지점은 스로틀 25%를 약간 넘는 곳에 있었으며, 여기서 호버링하는 것이 다른 프로펠러에 비해 상당히 효율적임을 알 수 있습니다.
핵심 효율을 평가할 때 제가 사용하는 일반적인 규칙은 호버링에 필요한 추력을 구한 다음 3을 곱하는 것입니다(추력 대 중량비 3:1). 일반적인 비행의 경우 대부분의 사람은 보통 AUW 추력의 1~2배 범위 내에서 스로틀을 유지하며, 더 공격적인 비행의 경우 대부분의 시간을 스로틀 1~3배 사이에서 보내게 됩니다. 그렇다고 비행 중에 훨씬 더 높은 스로틀 지점까지 순간적으로 올리지 않는다는 뜻은 아닙니다. 다만 비행의 대부분을 보내게 될 스로틀 범위가 가능한 한 최대의 효율을 제공하여 비행 시간을 늘리고 배터리에 가해지는 공칭 부하를 줄일 수 있도록 해야 합니다.
이 차트의 유일한 문제는 추력을 비교하기 위해 어떤 스로틀 위치를 봐야 하는지 대략적으로 파악하려면 여전히 추력 차트를 참조해야 한다는 점입니다. 따라서 한 걸음 더 나아가 두 차트를 다시 한번 하나로 결합할 수 있습니다. 
그림 12: 와트 대 추력(그램)
위의 차트는 그램 단위의 추력을 발생시키는 데 필요한 와트 전력을 직접 비교한 것입니다. 여러분이 찾고 있는 이상적인 차트는 가능한 한 낮게(최소 와트) 유지되면서 가능한 한 오른쪽으로 길게 뻗어 있는(최대 추력) 차트입니다. 위의 예시는 올바른 선택이 항상 흑백으로 명확하지 않을 수 있음을 보여줍니다. 만약 선호하는 배터리가 더 높은 추력 프로펠러 중 하나를 구동하는 데 필요한 와트를 생성할 수 없다면, 최고 추력이 희생되더라도 효율을 우선시해야 합니다. 배터리의 전압 강하로 인해 필요한 추력을 낼 수 없거나, 필요한 전력을 순간적으로 공급할 수 있는 더 큰 배터리를 구해야 하기 때문입니다. 
그림 13: 동일한 3인치 프로펠러를 장착한 모터의 와트 대 추력(그램)
위의 예시는 동일한 프로펠러를 사용하여 서로 다른 모터를 직접 비교한 테스트 세트입니다. 이는 동일한 크기(1404)의 모터에 대해 효율과 추력(아래쪽과 오른쪽으로 갈수록 높음) 모두에서 정량적으로 명확한 승자를 보여주는 좋은 예시이며, 전체 추력에서는 다른 두 개의 더 큰 모터에 밀릴 뿐입니다.
RPM
그림 14: 추력(그램) 대 모터 활용도(%)
각 프로펠러에 대한 스로틀 범위 전체의 모터 RPM을 살펴보면 프로펠러를 회전시키는 데 모터에 어느 정도의 부하가 가해지는지 잘 알 수 있습니다. 가볍고 구동하기 쉬운 프로펠러보다 더 공격적인 프로펠러가 더 낮은 RPM에서 회전하는 것을 볼 수 있지만, RPM이 크게 떨어지는 것은 모터가 프로펠러를 제대로 회전시킬 만큼의 토크를 가지고 있지 않다는 신호일 수 있습니다. 위에서 본 것과 같은 그래프를 관찰하고, 특히 모터 활용도가 증가함에 따라 하락 폭이 커지거나 모터 활용도에 따른 상당한 효율 저하를 확인한다면, 모터가 해당 프로펠러에 적합하지 않을 수 있으며 추가 분석이 필요할 수 있다는 신호일 수 있습니다.
스핀업 RPM 데이터 
그림 15: 모터 RPM 대 시간(ms)
각 테스트의 샘플은 처음부터 끝까지 캡처되므로, 아이들 상태에서 설정된 RPM까지 모터가 스핀업하는 과정도 캡처됩니다. 서로 다른 프로펠러와 모터에서 이러한 샘플을 취하면 모터와 프로펠러 간의 스로틀 반응을 비교 분석할 수 있으며, 이는 모터 스테이터가 프로펠러를 감당할 만큼 충분히 큰지 판단하는 데 도움이 됩니다. 위의 차트는 동일한 모터에 3인치 프로펠러와 3가지 서로 다른 3.5인치 프로펠러를 장착한 경우를 비교한 것입니다. 샘플 사이에 5~6ms의 지연 시간이 있어 서로 유사한 반응을 테스트하는 데는 이상적이지 않지만, 위에서 본 것처럼 차이가 명확한 지점을 식별하기에는 충분합니다.
프로펠러 팁 속도 
그림 16: KPH 대 모터 활용도(%)
RPM 데이터가 있으면 스로틀 범위 전체에서 프로펠러의 KPH 단위 팁 속도와 같은 다른 유용한 정보를 계산하고 차트로 만들 수도 있습니다. 이 데이터는 프로펠러 팁 속도가 너무 높아지지 않는지 판단하는 데 유용하며, 음속에 가까워질수록 효율이 급격히 떨어질 수 있습니다. 또한 회전하는 프로펠러 안에 살점을 집어넣는 것이 얼마나 위험한지 상기시켜 주는 좋은 자료이기도 합니다.
결론
Tyto Robotics 추력 스탠드 덕분에 일관된 변수 제어 자동화 모터 및 프로펠러 테스트 방법론을 구축할 수 있었으며, 빠르게 지나가는 수치를 수동으로 받아 적으며 청력 손실을 겪지 않기를 바라는 마음으로 추력 스탠드 앞에 앉아 있는 대신 상세한 비교 분석에 집중할 수 있게 되었습니다.
이제 이 이정표에 도달했으므로, 추력, 효율, 무게 사이의 완벽한 균형을 찾으면서 모터와 프로펠러에 대한 테스트 및 분석을 계속하여 유니콘을 찾아보겠습니다. 제 연구 결과와 관련 데이터를 커뮤니티에 게시하려는 노력이 부품 선택으로 인한 좌절감을 덜어주고, 모두가 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 되기를 진심으로 바랍니다. 이 테스트의 결과와 분석에 대한 영상은 제 Recursion Labs YouTube 채널에서 확인하실 수 있습니다: https://YouTube.com/c/RecursionLabs.