꿈을 위한 단상

아두이노 드론 만들기 #5 - 처절한 실패의 내멋대로 분석

연휴 10일…모든 연휴가 그렇듯 시작은 여유로웠으나 마지막에 남는 것은 연휴의 기분을 연장하기 위한 처절한 발악이다.
그래도 무리한 계획은 잡지 않았기에 - 오히려 너무 여유를 부렸다고 해야 할까 - 일단 목표한 바 까지는 진행을 했다.
2일에 한 번 꼴로 아이들과 함께 외출도 하고 작은아이 두발 자전거도 마스터해주고 그리고 나서도 드론을 조립하고
아두이노 스케치 코드도 수정하여 비행 테스트까지 진행을 하였다.

하지만 이 ‘비행’ 드론이 비행을 하지 않았다…-.-
또 한 번의 실패…
무식해서 용감한 것도 어느 정도지…점점 용기도 사그라드는 것 같다…ㅠ.ㅠ

오늘은 이 실패에 대한 간략한 자체분석이므로 특별한 내용은 없으니
남 뻘짓하는 것에 관심이 있지 않은 분들은 그냥 가던 길 가시는 것이 좋으리라…ㅠ.ㅠ

새로운 프레임으로 조립하기

일단 새로운 프레임의 컨셉은 이러했다.
드론 전용 Flight Controller(이하 FC)를 사용하지 않고 아두이노와 같은 범용 기판을 사용하는 경우의 핸디캡이라면 
일단 직접 프로그래밍을 해야 한다는 것 외에 FC의 역할을 하기 위해 별도의 기능들을 위한 추가 부품으로 인해 부피와
무게가 증가한다는 점이다. 더구나 프로펠러 하나짜리를 만들다보니 추가되는 부품들이 더 많아졌다.

하나 하나 따져보면, 메인 컨트롤러를 위한 아두이노 나노, 방향타를 컨트롤하기 위한 서보모터, 서보모터를 제어하기 
위한 서보모터 컨트롤러, 아두이노와 서보모터에 전원을 공급하기 위한 별도의 배터리 (ESC에 BEC 기능이 있더라도
서보모터 구동을 위해서는 별도의 배터리가 있어야 안정적일 것이다), 그리고 감압을 위한 별도의 기판까지…

이렇게 되면 사실 무게보다는 부피가 더 부담이 된다. 즉 이 부품들을 아무리 똘똘 뭉쳐 부피를 줄인다 해도 모터 밑으로
배치할 경우 프로펠러가 만들어내는 바람에 저항을 줄 수밖에 없다. 더군다나 이번에 새로 사용한 2205 2300kv급 
모터는 5인치 프로펠러를 사용하기 때문에 더더욱 부피에 민감할 수 밖에 없다.

새로운 프레임은 2205 2300kv급 모터를 염두에 두고 설계한 것이다보니 위와 같은 제약을 고려해서 각종 부품과 
배터리는 외부에 장착하는 형태가 되었다. 바로 아래 사진과 같이.

그리고 완전체의 무게는 다행히도 예상했던 것보다 많이 나가지는 않았다. 내가 사용한 SunnySky 2205 2300kv 
모터의 경우 데이터 시트 상 14.8V (4셀) 배터리 사용 시 최대 추력이 1kg에 달하는데 조립된 드론의 무게는 대략 
560g 정도였다. 무게 측면에서는 일단 안정권이라 볼 수 있었다.

무게의 균형을 위해서 배터리로 4셀 배터리 1개를 사용하지 않고 동일한 모델의 2셀 배터리 2개를 직렬로 연결해서
사용을 했다.

왜 날지를 못하니…ㅠ.ㅠ

사실 실패를 목격하기 전에는 기대 만빵이었다. 특별히 날지 못할 조건이 없었기에 지난 번 테스트 때처럼 삐딱하게라도
날아 오를 것으로 기대했었다.

그러나…

이틀간의 실험에서 이 무늬뿐인 드론은 단 1mm도 뜨지 않았고 2일째에는 최대 출력에서의 진동 때문인지 드디어 모터
지지대가 자리를 이탈하면서 프로펠러가 프레임 일부를 잘라먹고 3엽 프로펠러 날개도 한짝이 부러져버렸다. 
아래 이미지는 그 처참한 결과물이다.

여전히 무작정 내 멋대로 만들기나 할 뿐이지 지식적인 진전은 없다보니 도무지 이 드론이 왜 뜨질 않는지 납득이 가질 
않는다. 납득이…

다만 예전에 로봇을 만들 때 경험했던 torque의 개념을 응용해보자면 같은 무게의 물체를 들어올릴 경우 모터의 중심
축으로부터 들어올릴 물체의 거리가 멀어질수록 모터의 힘이 더 세야 한다는 논리, 역으로 말하자면 모터의 힘이 동일
하다면 들어올릴 물체가 모터의 중심 축에 가까울 수록 더 무거운 물체를 들어올릴 수 있다는 논리에 의해 대부분의
무게를 차지하는 배터리와 기판들을 드론의 바깥쪽에 배치한 것이 치명적인 실수가 아니었을까 추측을 해본다.

하지만 앞서 언급했듯이 5인치 프로펠러를 사용하는데 모터 밑으로 각종 부품들을 배치하다보면 그 부피가 커져 분명
바람의 저항이 커질 것이고 역시나 날지 못하는 슬픈 드론이 되고 말 딜레마에 빠져있는 것이다. 게다가 내가 프로펠러
하나짜리 드론을 만들고자 했던 이유 중 하나가 비교적 소형화된 기체를 만들고자 함이었는데 위와 같은 문제를 해결
하고자 프로펠러 사이즈를 키운다는 것(물론 모터도 그에 맞게 바꾸어야 할 것이고) 또한 또다른 딜레마가 되고 만다.

이래저래 새로운 방법을 찾아야 할 처지가 된 것이다.

니들이 Coanda 효과를 알아!

아…제목은 그저 ‘니들이 게 맛을 알어!’에 대한 아재스런 패러디일 뿐이다…-.-
유튜브를 검색해보면 이미 10년전에 이 coanda 효과를 이용한 드론을 날린 사람들이 수두룩하다.
그러니 지금 내가 이 이론을 거들먹 거리면서 말할 게제는 아니어도 한참 아니다.
바로 그 10년전 영상을 먼저 감상좀 해보자.

https://youtu.be/sdGVI7kJld0

Coanda 효과라는 것은 이런 것이다.

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=703245&cid=50320&categoryId=50320

분류가 건축용어사전이네…-.-
더 자세한 내용을 알고 싶으면 영어의 장벽을 넘으시라…ㅠ.ㅠ

https://en.wikipedia.org/wiki/Coandă_effect

동영상을 보면 coanda 효과를 이용한 드론은 프로펠러 하단에 마치 치마와 같은 곡면의 구조물을 갖추고 있다.
이는 프로펠러의 바람에 저항을 일으키는 것이 아니라 바람이 그 곡면을 따라 흐르면서 아래쪽으로 ‘다운워시’라고
하는 공기의 흐름을 만들어내고 이 힘으로 뜨게 되는 것이다. 이 치마 형태의 구조물에 부품을 넣게 되면 부피의 부담
없이 드론을 만들 수 있게 되는 것이다.

다만 프로펠러 사이즈와 치마 형태의 구조물이 어느정도의 크기 비율을 가져야 하는지, 즉 치마 형태의 구조물을 얼마나
작게 만들 수 있는지가 관건인데 이런 자료는 아무리 찾아봐도 보이지가 않는다…ㅠ.ㅠ 역시나 뻘짓과 삽질의 전도가
매우 양양하다…

정리

사실 내가 이번 실패의 원인을 제대로 분석하고 있는지도 잘 모르겠다. 적절한 프로펠러를 쓴 것인지, 배터리는 적절한
용량을 사용한 것인지, 프레임 설계상의 다른 문제는 없었는지…

어쨌든 큰돈 들여 설계하고 제작한 이 MDF 프레임은 띄우기가 쉽지 않아보인다…ㅠ.ㅠ

위에서는 Coanda 효과를 언급했지만 사실 Coanda 효과를 이용한 드론도 프레임 형태를 만들기가 쉽지 않은 터라
아마도 그에 앞서 지난 포스팅에 만들었던 형태의 드론을 먼저 만들게 될 것 같다. 물론 사이즈는 더 커질 것이고…
올해 안에 띄우는 게 목표인데 벌써 10월 중순에 접어들고 있으니 이거 계획대로 띄울 수 있을지 모르겠다…

암튼 도전은 계속 될 것이고 언젠가는 띄우고 말 것이다!
이상 눈물 없인 볼 수 없는 애련의 실패기를 마친다…ㅠ.ㅠ

아두이노 드론 만들기 #4 - 프레임을 만들어보자

참으로 오랜만에 글을 쓴다.
마지막 포스팅이 8월 15일이었으니 한달을 넘긴 것이다.
사실 휴가를 다녀오면 부지런히 이것저것 하려고 마음 먹었는데 뭔가 마음도 싱숭생숭하고 이래저래 일도 많고…
그러다보니 드론에 손을 댈 겨를이 없었다.

드론과 관련된 마지막 작업은 드론 프레임을 만들기 위한 작업이었다.
아무리 내가 세심한 주의를 기울인다 하더라도 수작업으로 만드는 것에는 한계가 있었다.
정확한 치수를 재는 것은 물론 그 치수대로 자르는 것이 그냥 ‘불가능’이었다.

그리고 그 대안으로 생각한 것은 3D 프린터였는데 그 와중에 또 다른 방법이 있다는 것을 알았다.
바로 레이저 커팅이라는 방법이다. 물론 레이저 커팅도 제약은 있다. 재료가 주로 목재, 아크릴, 종이류라는 점과
곡면 가공은 포기를 해야 한다는 것, 그리고 절단면을 수직으로밖에 할 수 없어 나처럼 8각형으로 만들 경우 면과 면이
딱 맞아떨어지지 않는다는 점이다. 그래도 우선 동료에게 부탁한 3D 모델링이 완성되기 전에
시도는 한 번 해보자 하고 MDF라는 목재를 이용하여 레이저 커팅을 이용한 프레임을 만들어보기로 하였다.

도안

우선 무작정 디자인 툴로 작업을 하기 보다는 모눈종이에 대략적인 도안을 해보기로 하였다.
모눈 종이를 마지막으로 만져 본 것이 100만년은 된 것 같다. 나 학교 다닐 때는 기술/공업이라는 과목이 있었는데…
뜻밖의 아재 인증이려나…^^;;;

아뭏든 모눈종이를 주문하고 택배를 받아보니 뭔가 감회가 새로웠다.

그러나…

모눈 종이를 만져본 것이 100만년 전이라는 것은 곧 내 나이가 100만살(그냥 갑시다…-.-)이라는 것을 의미함을 깜빡했다.
눈이…눈이…ㅠ.ㅠ 어느날 다가온 ‘노안’의 시련은 결코 만만한 것이 아니었다. 1mm단위는 물론이거니와 5mm 단위도
헷갈릴 때가 많았다. 일단 대략적인 치수만 기억하기로 하고 닥치는대로 그려보았다.

그리고…

아래와 같은 한 장의 도면(한 장은 도면이라고 하기도 뭐해서 뺐다)을 그려냈다.

디자인 툴로 그리기

레이저 커팅을 하기 위해서는 보통 Adobe Illustrator나 AutoCad로 작업을 한다고 한다.
AutoCad는 구할 길이 없고 어찌어찌 Illustrator를 구해 작업을 하기로 했다.

사실 개발 일을 하면서 개인 프로젝트를 위해 포토샵은 간혹 만져보았으나 일러스트레이터는 거의 사용을 해보 적이
없다. 전체적인 UI는 포토샵과 닮았으나 세세한 부분에서 포토샵과 많은 차이가 있었다. 하지만 해야 할 작업이란 단지
잘라낼 범위를 선으로 표시하는 것 정도이기에 한 번 도전을 해보기로 하였다.

모눈종이에 그린 도면을 바탕으로 부품으로 잘라낼 영역들을 펜툴을 이용하여 적절한 치수로 그려나갔다.
어려웠던 점은 단순히 드래그하는 것만으로는 정확한 수치를 맞추기가 어려웠다. 하나의 선을 그린다고 할 때
단순히 드래그 하는 경우 y좌표가 시작 점은 100mm인데 끝 점은 100.195mm가 되는 등 미묘하게 수치가 어긋났다.
결국 일일이 상단의 옵션 창에 정확한 수치를 입력해 줄 수밖에 없었다. 처음에는 매우 번거로웠으나 익숙해지니 이 짓도
할만했다. 새삼 디자이너들의 노고에 숙연해지는 순간이었다…-.-

그렇게 그려낸 부품들의 도안은 아래 그림과 같다(혹시나 필요한 분이 있을까 모르겠지만 원본 ai 파일은 글 말미에
첨부하도록 하겠다).

혹시나 프레임 제작 중의 실수를 대비해 여분의 부품을 많이 그렸고 또 약간 형태를 달리한 도안도 추가하여 양이 좀
많아졌다.

레이저 커팅

일단 가장 궁금해 하실 비용부분은 첨부한 도안의 경우 총 5만원이 조금 넘는 비용이 들었다…ㅠ.ㅠ
일반적으로 레이저 커팅은 시간단위로 비용을 받으며 기본 비용을 10분에 1만원을 책정하는 업체가 있고
5분에 5천원을 책정하는 업체도 있는데 기본 금액 이후에는 1분에 1000원을 받기 때문에 그냥 속편하게 1분에 
1000원이라고 생각하면 된다.

처음 하는 일러스트레이터라 혹시나 업체에서 안내한 도안 가이드에 벗어나지는 않았을까 걱정했는데 다행히도 도안
자체는 한 방에 통과했다. 다만 앞서 적은 비용 문제로 잠시 고민은 했지만 일단 드론을 만들어야겠다는 열망…보다는
도안 한다고 개고생한 것이 아까워서 덥썩 결제를 하였다…ㅠ.ㅠ

그리고 드디어 결과물이 도착했다.

처음 해보는 레이저 커팅이라 사실 조금 신기했다. 재질은 강도와 무게를 고려하여 MDF 2T 두께로 신청을 하였는데
딱 적절했던 것 같다. 이렇게 배송된 것을 하나씩 하나씩 장인의 정신으로 뜯어내어(사실 다 잘라진거 흐트러지지 않게
뒷면에 테이프로 고정이 되어있을 뿐이라서 그냥 잡아 떼면 된다…-.-) 박스에 담으니 아이들 영영제 박스 2개에 꼭 알맞게
채워졌다(내가 블로그를 하면서 참 PPL 많이 들어가는데…나중에 유명해지면 광고비 청구해야겠다…).

조립하기

전체적으로 한방에 작업한 것 치고는 정말 잘 진행되었는데 2곳 정도 치수를 잘못 잰 곳이 있었다.
다행히 MDF가 여러모로 가공이 쉬운 재질이라 한 곳(길이가 길어진 곳)은 어찌 해결을 했는데 문제는 원했던 것보다
길이가 짧아진 부분이다. 게다가 이 부분은 전체 프레임을 흔들림 없이 고정하는데 큰 역할을 해야 하는 부분이라 조금
심각하다.

우선 프레임만 가조립을 한 모습은 아래와 같다.

무게는 대략 106g인데…예상보다 많이 나와 조금 걱정스럽다.

아래 이미지는 측면 보호판을 추가로 붙였을 때의 모습니다. 이 측면 보호 판의 길이가 짧게 되어 공간이 떠버린다.
이 부분이 서로 맞닿아 미는 힘으로 고정을 시키려고 했는데…망했다…ㅠ.ㅠ 이 부분에서 힘을 받지 못하면 중심으로
연결되는 8개의 판이 몸통과 연결되는 부위가 약해서 자칫 공중분해 될 위험이 크다.

게다가 이 측면 판을 추가하니 무게가 엄청 치솟는다. 무려 178g…어떻게 하든 아두이노나 배터리쪽에서 무게를 줄여야
하는데…가능할지 모르겠다. 측면판에 구멍을 내어 무게를 줄이는 방법도 고려를 하고 있다.

정리

근 한달간 작업으로 일단 프레임다운 프레임은 만들었다. 모양만… 과연 이 무게로 띄울 수 있을지가 의문이다.
다음 주까지 연구를 좀 해보고 죽이 되든 밥이 되든 다음 주 주말에는 새 프레임으로 한 번 띄워봐야겠다.
그래도 오랜 시간 고생해서 만들어진 것인데…성과가 있었으면 싶다. 

우선은 수직으로 뜨고 내리는 것을 목표로 시험 비행을 할 예정이고 결과가 성공적일 경우 역토크 방지와 방향전환 등
세부적인 기능을 추가할 예정이다. 

그리고 하나의 실험이 더 남았다.

이번 제작한 프레임이 ‘면’ 위주로 설계된 것이라면 회사 동료에게 모델링을 부탁한 3D 프린터용은 모터가 장착될
부분만 육면체 형태이고 나머지 프레임은 핫바스틱을 이용하여 만들 예정이다. 말하자면 ‘선’ 위주로 만들게 될 것이다.
아무래도 무게 측면에서는 많은 이점이 있으리라 예상해본다. 

최종적으로 어느 프레임이 선택될 것인지는 모르겠지만 당장에는 이 MDF 프레임이 잘 날아줬으면 좋겠다.

마지막으로 도안한 ai 파일을 첨부한다.

SingleCopter_frame_시안.ai

아두이노 드론 만들기 - 쉬어가기

오늘 포스팅은 드론 만들기와는 직접적인 관계가 없으니 오로지 드론에만 관심이 있으신 분들은 굳이 읽지 않으셔도
좋겠다. ^^

지난 주말에 좀 더 심혈을 기울여서 수작업으로 할 수 있는 한 정밀하게 드론 프레임을 만들어보고자 하였으나…
똥손은 금박을 입혀도 똥손인 것이었다…ㅠ.ㅠ 토요일 일요일 합쳐서 거의 12시간 이상을 작업한 것 같은데 그 결과물은
너무나 형편 없는 것이었다.

여전히 선은 맞지 않고 수평은 삐딱하며 면은 울퉁불퉁한 상태이다. 
다만 파이프를 T자로 연결할 방법이 묘연했으나 그에 대한 해결책을 찾은 것이 소득이라면 소득일까?
오늘 포스팅의 주요 내용은 바로 ‘빨대’, 유식하게 스트로우(straw)를 이용하여 파이프를 연결하는 팁을 소개하는 것이다.

방망이 깎던 노인의 마음으로…

좀 더 아구가 맞는 프레임(사실 프로펠러 하나짜리라 프레임이랄 것도 없다)을 만들어보고자 주말 내내 꽤 많은 시간을
할애했다. 중점을 둔 것은 최대한 수평을 맞출 것, 주요 지지대로 사용하는 핫바 스틱을 좀더 손쉽게 결합하거나 뺄 수 
있을 것, 이 두 가지였다.

일단 내가 가진 재료 중 가장 평평한 재료는 3T짜리 하드보드와 3T, 5T 우드락이었는데 우드락의 경우 너무 약해서 주 
재료로 사용하기에는 무리가 있었다. 결국 로봇 만든 이후 쳐다도 안보던 하드보드에 다시 칼질을 시작했다.

직전에 사용한 하드스틱은 평평하지도 않고 또 각각의 두께가 서로 달라 나중에 모터를 고정시키려다보니 반듯하게 고정
되지 않았다. 그래서 새로운 재료를 찾을 수 밖에 없었다.

하드보드는 평평하고 강도도 비교적 높고 다양한 접착제로 접착이 가능한 이점이 있으나 문제는 무게가 많이 나간다는 
것이다. 어쨌든 머리 속에 대충 상상하던 모양을 아래 사진과 같이 만들었다.

하드보드 자르는 것도 일이지만 저 시커먼 카본 파이프 자르는 것도 엄청난 일이다…저 사이즈가 외경 7mm, 내경 5mm
짜리인데 카본 파이프가 섬유질로 만들어져있다보니 실톱으로 자르다보면 톱이 걸려서 잘 잘리지가 않는다. 그래서
파이프를 돌려가면서 자르다보니 항상 단면이 비뚤어진다…ㅠ.ㅠ

어쨌든 저 카본파이프의 역할은 핫바스틱을 연결하는 조인트의 역할이다. 다 만들고나니 무게는 약 50g 남짓이다.

결론적으로 이렇게 열심히 만들었지만 딱딱 맞아 떨어지지 않는 것도 그렇고, 무게도 그렇고 썩 마음에 들지 않아서
직장 동료에서 저 모양대로 솔리드 웍스로 모델링을 부탁했다. 역시 3D 프린터의 도움을 받지 않고는 해결되지 않을 듯
싶다.

빨대로 파이프 연결하기

작업을 하면서 새삼 표준이라거나 규격이란 것이 참 중요하구나 하는 것을 느꼇다.
앞서 말한 것처럼 내가 사용한 카본 파이프가 외경 7mm, 내경 5mm(물론 다양한 규격이 있다)였는데 핫바스틱이 또
대체로 직경 5mm이다. 즉 카본 파이프에다 핫바 스틱을 끼우면 잘 들어간다. 물론 두 물건 모두 정밀하게 제작된 물건이
아니다보니 어떨 땐 헐겁고 또 어떨 땐 조금 깎아내야 들어가기도 하지만…

여기에 또 빨대 역시 내경 5mm짜리가 있다. 이렇게 사이즈를 맞춰놓으면 드론 프레임같은 것은 무리겠지만 아이들 공작
에는 꽤 많은 활용도가 있을 것 같다.

드론 프레임을 만들면서 가장 고민이 되었던 것이 파이프를 T자로 연결할 일이 있었는데 도무지 방법이 생각나지 않는
것이었다. 기성품으로는 내가 가진 재료들을 연결할 만한 것을 찾을 수가 없었다. 그러던 중 회사에서 커피를 마시다가
빨대를 보고 불현듯 아이디어가 떠올랐다.

이제부터 하나씩 알아보자.

우선 빨대를 적당한 길이로 자른다. 나는 파이프가 들어갈 부분을 대략 2Cm로 그리고 파이프를 감쌀 부분을 직경 5mm
기준으로 원둘레가 대략 14mm가 나오기 때문에 총 길이를 좀 여유를 두어 55mm로 잘랐다. 그리고 아래 그림과 같이 양쪽 끝에서 
2Cm 되는 부분에 표시를 하고 그 곳까지 빨대와 평행한 방향으로 칼집을 내준다.

다음으로 표시한 가운데 부분을 T의 수평이 될 파이프에 아래 사진과 같이 둘러준다.

그리고 둘러준 파이프에서 수직방향으로 내려온 양 끝 중 하나에 T의 수직이 될 파이프를 끼워준다. 그리고 다른 한쪽은
칼집을 냈으니 잘 펼쳐서 파이프를 끼운쪽에 덮어준다. 사실 여기서 수직 방향으로도 칼집을 내면 좀 더 수월하게 감쌀 수
있지만 빨대가 잘 찢어지는 재질이다보니 너무 칼집을 많이 내는 것은 좋지 않겠다는 생각에 추가 작업은 하지 않았다.
그래서 덮어 씌우는 것이 딱 맞아 떨어지진 않는다.

그 상태에서 수직 파이프를 둘러싼 빨대를 테이프로 고정을 시켜준다. 바로 사용할 파이프들을 연결했다면 그 상태에서
바로 접착을 해버리면 되고 그렇지 않다면 파이프들을 모두 뽑아준다. 그러면 아래 사진과 같이 간이 조인트가 만들어
진다.^^

이런식으로 만든 조인트와 핫바 스틱을 이용하여 아래와 같은 모양을 만들 수 있다.

굳이 설명이 필요 없겠지만 1자로 연결하는 것이야 뭐 그냥 빨대를 잘라서 하면 된다.
응용 범위를 좀 넓히면 +자나 Y자 또는 +에 수직방향으로 추가 연결부위가 있는 것 등 다양한 조인트를 만들 수있을 것이다.

정리

서두에서도 언급했다시피 오늘은 드론에 대한 이야기라기 보다는 일반적인 공작에서의 팁이 될만한 내용을 다뤄봤다.

물론 독특한 드론을 만드는 것이긴 하지만 드론을 만든다는 것이 생각보다 시간도 많이 걸리고 별다른 진척이 없어서
꽤나 지루하기도 하고 힘들기도 하다. 하지만 그 뒤에 이어질 개인 프로젝트를 위해 좀 더 노력을 해봐야겠다.

16일부터 21일까지 휴가를 얻었으나 작업을 할 수 없는 환경이 될 것 같다. 휴가를 갔다오면 회사 동료가 모델링한
드론 바디가 나올 것이고 그 것으로 3D 프린팅을 해서 다시 도전을 해봐야겠다. 모터도 좀 더 힘이 센 놈으로 주문을
해놨다^^

그럼 다음을 기약하며…

아두이노 드론 만들기 #3

확실히 로봇을 만들 때보다 많은 부분에서 어렵다. 이번 포스팅도 지난 포스팅을 올린지 근 3주만에 작성하게 되었다. 
물론 회사에 급한 일이 있어 주말에도 일을 좀 하게 된 이유도 있지만 근본적으로 드론의 프레임을 만드는 것이 결코
쉬운 작업이 아닌 탓이다.

일단 이번 목표는 지난 포스팅에서 확인한 프로펠러 하나를 썼을 때 발생하는 역토크(counter torque, anti-torque)를
어떻게 해결하는가이다. 그리고 여러 곳에서 얻은 정보를 보았을 때 또다른 동력원을 사용하지 않는 방법은 오직 동체가
프로펠러가 도는 방향으로 같이 회전하도록 별도의 날개(vane)를 사용하는 것이었다. 우선 이 부분에 주안점을 두어
프레임을 만들어보았다.

재료 사모으기

지난 포스팅에도 얼핏 언급을 했지만 프레임을 만드는데 있어 가장 큰 장벽은 바로 ‘쓸만한 도구’가 없다는 것이다.
따로 작업실이 있는 것도 아니고 그냥 온 식구가 함께 사는 집에서 거실 또는 방 한구석에 앉아 칼이며 가위며 니퍼,
자, 접착제, 글루건 등등 가장 기본적인 도구만을 사용하다보니 여간 손이 가는 것이 아니다. 게다가 오차도 엄청 발생을
하여 만들고 나면 균형도 안맞고…ㅠ.ㅠ 그래서 가급적이면 이미 만들어져 있는 것들 중에 용도에 가장 맞는 것을 고르는
것이 큰 일 중에 한다. 하지만 그게 어디 그리 쉽게 구해지는가…그나마 이번에는 프로펠러 가드용으로 사용할 수 있는
꽤 괜찮은 물건을 구했는데 바로 크리스마스 장식에 쓰이는 ‘스티로폼 원리스’라는 물건이다.

가장 큰 사이즈가 외경 35cm로 내경은 10inch 프로펠러를 장착했을 때 아슬아슬하게 맞는 수준이다. 아슬아슬한 사이즈
이다보니 하나를 사용할 수는 없고 2개를 틈을 주어 위 아래로 겹쳐 그 사이에서 프로펠러가 돌도록 만들었다. 바로 아래
이미지와 같이.

그리고 그 것보다 작은 사이즈를 같이 구입해서 랜딩기어로 사용하기로 했다.
하지만 이 것도 완벽한 재료가 되지 못한 것이 큰사이즈의 무게가 약 25g 정도로 부담이 될만한 무게라는 점이다.

그리고 다른 용도로 banggood에서 몇가지 물건을 사면서 같이 산 벨크로로 된 배터리 타이가 있는데 이 배터리 타이는
배터리 뿐만 아니라 다른 부분들을 고정시키는데도 매우 유용하였다. 가격은 10개 3500원 정도이다.

그리고 지난 포스팅에 언급했던 우드락 3T, 5T짜리가 도착해서 잔뜩 쌓여있는 상태이다^^

새로운 프레임을 만들자.

일단 테스트를 할 때 가장 불한안 것이 바로 프로펠러다. 프로펠러로 인해 사람이 다칠 수도 있고 또 프로펠러가 상하게 
되면 당연히 테스트도 못하게 되기 때문에… 그래서 가장 고심했던 부분이 프로펠러 가드 역할을 하는 부분이다. 다행히
앞서 말한 원리스라는 물건을 찾아 해결을 하게 되었다.

가장 기본적인 뼈대는 핫바 스틱으로 연결하였다. 목공 본드로는 불안하여 연결 부위는 모두 글루건으로 한 번 더 고정을
시켰다. 그정도 하니 웬만큼 버텨 주었다(글루건 떡칠로 무게가 몇 십 그램은 늘어났을 것 같다는 점은 함정…-.-). 
사실 강도를 생각해서 카본 파이프를 주로 쓰려고 했지만 가격도 가격이거니와 이거 자르는 것이 겨우 실톱 하나로 작업
하는 나에게는 여간 힘든 것이 아니라서…ㅠ.ㅠ 그래도 원리스와 연결되는 부분 등 몇군데는 카본 파이프를 조인트 용도로
사용을 했다.

일단 이렇게 해서 완성된 모습이 아래와 같다.

가장 중요한 부분을 설명하지 않았는데 바로 역토크를 막기 위한 장치이다. 
사실 내가 뭔가 설계를 꼼꼼히 하고 작업을 하는 것이 아니라 그냥 머리 속에 있는 이미지를 토대로 막 만드는 것이다 보니
만들고 나면 뭔가 잘못되었다고 판단하는 경우가 허다하다. 그런데 이번에는 어찌어찌 하다보니 제법 잘 활용할 수 있는
구조가 되었다. 역토크를 방지할 날개를 어디에 붙일까 고민을 하다가 마침 적당한 위치가 보여 딱 알맞게 붙였다.
바로 아래 사진과 같이… 빨갛게 둘러친 부분이 바로 역토크를 막기 위한 날개이다.

그리고 일단 전체 프레임은 ‘프로펠러 가드’, 아두이노 및 기타 보드를 감싸는 ‘메인 바디’ 그리고 ‘랜딩 기어’가 분리되도록
구성을 하였다.

1차 테스트

우선 동영상 감상~

이렇게 만들어진 새로운 프레임으로 첫 번째 테스트를 진행하기로 했다.
날도 더운데 밖에 나가기는 귀찮고 해서 동영상에서 보는 것과 같이 책상을 뒤집어 놓고 드론을 책상 네 다리에 붙들어 
매고 테스트를 하였다…^^;;

일단 뜨는 상태는 지난 포스팅 때 완전히 옆으로 누워서 어뢰처럼 날아가던 것에 비하면 상당히 양호해졌다.
그런데 완전히 풀쓰로틀 상태에서 겨우 저만큼이 뜬 것이다. 이번에는 영락없이 무게를 의심할 수 밖에 없다. 그리고
위에 프레임 사진에서 보다시피 랜딩기어로 사용한 원리스의 면적이 너무 넓다고 판단되었다.

당장에 무게를 줄이는 것은 쉽지 않아보였고 그래서 우선 랜딩기어 역할을 하는 원리스에서 필요없는 부분을 모두 잘라
내었다.

2차 테스트

역시 동영상 먼저~

랜딩기어의 일부를 잘라낸 덕분인지 일단 뜨는 것은 훨씬 수월해졌다.
하지만 여전히 거의 풀쓰로틀 상태에서만 뜨는데다가 역토크의 영향도 아직은 완전히 해결되지 않은 모습이다.

또한 자꾸 뒤집어지는 상태로 보아 전체 균형이 안맞고 프로펠러 가드로 사용한 원리스의 무게가 생각보다 무거운 것으로
판단된다. 사실 이미 저정도 만든 상황에서 그 것도 글루건으로 단단히 고정시켜버린 상황에서 다시 무게 균형을 맞춘다는
것은 거의 불가능에 가깝다. 가능한한 현재 상태에서 개조를 해보겠지만 아무래도 새로 프레임을 짜야 할 것 같다…ㅠ.ㅠ

그래도 나에겐 희망을 갖게 하기에 충분한 이륙이었다.

정리

우선 역토크를 막는 부분에서 많이 어려울 것이라 생각되었는데 이런 완구 수준의 드론에서는 적절한 각도의 날개만
있으면 심각한 역토크의 영향은 받지 않는 것으로 판단된다.

그렇다면 이제부터 해결해야 할 문제는 무게를 줄이는 것과 균형을 잡는 것인데…

앞서 말한 것과 같이 현재 프레임을 조금은 더 개조를 해보겠지만 만일 문제 해결이 안된다면 아예 새로운 프레임으로
제작해볼 생각이다. 아래와 이미지와 같은 형태로…
사실 별로 멋이 없어보여서 이런 프레임은 쓰지 않을 생각이었지만…-.-

그리고 앞에서는 언급을 하지 않았지만 지난 포스팅에서의 테스트 때 프로펠러를 바닥에 갈아먹어서 프로펠러 길이가
약 3 cm 정도 짧아져 있는 상태이다. 1인치면 2.54cm… 결국 10인치 프로펠러가 9인치보다 작아져있는 것이다.

이런 저런 이유로 동체의 무게를 줄이는 작업과 더불어 새 프로펠러와 더 큰 추력을 갖는 모터의 구입 등도 고려를
해봐야 할 것 같다.

다음 작업은 언제가 될지…갈 길이 멀고도 멀다…ㅠ.ㅠ

아두이노 드론 만들기 #2

아두이노로 드론 만들기 #1을 포스팅하고 벌써 2주가 흘렀다.
사실은 #1을 쓴 그 주 주말에 이미 실내에서 프로펠러 달고 테스트하다가 한번 식겁한 상황을 겪고 어찌어찌 드론
프레임을 만드느라 많은 시간을 보냈으며 지난 주말(7얼 15일)에 1차 야외 테스트를 진행하여 처참하게 실패를
하였다.

따라서 오늘의 포스팅은 전적으로 실패담이 될 것이다. 즐겁게 보아주시길…ㅠ.ㅠ

겁없이 뎀볐다가…

모터를 돌리는데 성공한 바로 그날, 욕심이 생겼다. 기왕 모터가 돌아간 김에 프로펠러를 붙여보고 싶은 유혹을
뿌리칠 수 없었다. 그래도 안전장치는 해야겠기에 가능한한 날아오르면서 궤도를 이탈하지 않도록 한다고 한 것이
영상에 보이는 상태이다.

몸통에서 4방향으로 평행하도록 나무젓가락을 꽂고(4족보행 로봇 때나 이번에 진행하는 드론 때나 이놈에 나무젓가락
없었으면 어떻게 작업을 했을까? 나무 젓가락으로 기술 진보를 이루는 나는 Homo Chopstickus?) 그 사이에 고정된
막대(이건 빨래 건조대에서 뽑았다…-.-)를 꽂아 틀어지지 않게 하려고 했는데…빨래 건조대에서 빠지는 파이프가 2개
밖에 없어서 4방향 모두 설치하지를 못했다…ㅠ.ㅠ

결국 좌우 2방향만 파이프를 걸고 내쪽으로 뻗은 나무젓가락을 잡아서 어떻게 제어를 해보려고 했지만 영상에서 보는 
것과 같이 이게 이정도로 제어될 수준이 아니었다. 괜히 고수들이 프로펠러 조심하라는 게 아니었다. 만일 저 아직 모양도
제대로 갖추지 못한 드론 같지도 않은 드론이 내 얼굴로 튀어왔다면…생각만해도 아찔하다…ㅠ.ㅠ

가장 어려운 것? 프레임 만들기

아두이노로 뭔가를 만들 때 가장 어려운 부분이 무엇일까? 사람마다 생각이 다르겠지만 나의 경우에는 바로 물리적인
‘프레임’을 만드는 것이었다. 이미 이전에 4족보행 로봇을 만들때 3T 규격의 하드보드지를 잘라 로봇의 프레임을
만들었을 때도 커터로 그 두꺼운 종이를 자르는게 어찌나 힘이 들었는지…그마저도 그렇게 손목에 관절염 걸릴 듯이
열심히 잘라대도 자르고 난 결과물은 왜 그리 비뚤어지는지…ㅠ.ㅠ

머리가 나쁘면 손발이 고생한다는 말이 있는데 사실 그 역도 성립한다. 손이 똥손이면 머리가 고통에 몸부림친다…ㅠ.ㅠ
생각대로만 만들어지면 참 좋으련만 자르거나 붙이거나 뚫거나 할 것 없이 똥손이 하는 일은 무조건 비뚤어진다.
그렇게 만들어진 결과물은 항상 기우뚱 할수밖에 없다. 피사의 사탑은 역사적 가치라도 있겠으나 내가 만든 이 비뚤어진
몹쓸 것은 그냥 쓰레기일 뿐이다…ㅠ.ㅠ

그래서 가급적이면 내가 별도로 손을 대지 않아도 그 자체로 사용 가능한 재료들을 주로 찾게 된다. 그마저도 로봇을
만들 때는 워낙 서보모터 토크가 좋기에 무게에 대해 크게 신경을 안썼는데 드론은 공중을 나는 장치이다보니 무게가
무척이나 신경이 쓰인다.

물론 일반적인 드론을 만든다면 기존 프레임을 구입해서 할 수도 있지만 앞서 말했듯이 나는 프로펠러 하나로 움직이는
드론을 만들려고 하는 것이다보니 기성품을 구매할 수가 없다. 오롯이 내가 스스로 만들어야 하는 것이다. 역시나
3D 프린터를 질러야 한다는 내 마음 깊은 곳의 외침이 힘을 갖는 순간이 아닐 수 없다. 그러나 그저 꿈일뿐…ㅠ.ㅠ

아무튼 3D 프린터가 인류의 기술 발전을 무지막지하게 단축시킬 것이라는데 몰표를 줄 수 밖에 없는 상황이다.

간단한 제작 과정

먼저 양해를 구할 것은 일단 제작이 시작되면 귀차니즘에 의해 일일히 사진을 찍어두지 않는다. 어차피 실패작에 대한
이야기이므로 그냥 그런가보다 하고 넘어가면 되시겠다.

앞서 말한 바와 같이 가능하면 노가다를 줄이기 위해 내가 별도로 손을 대지 않고 바로 사용 가능한 재로를 구하게 된다.
처음 눈독을 들인 것은 알루미늄 캔이었는데 그대로 사용하기는 어려워 포기를 했다. 그러다 눈에 들어온 것이 있었으니
바로 아래 사잔과 같은 쁘띠첼 껍데기였다(이거 PPL 아닌가? 광고비 청구해야 하나?).

억지로 구겨넣으니 아두이노 나노도 들어가고 옆을 조금 자르니 ESC도 가로질러 끼울 수 있고 카본 파이프를 대충 십자
형태로 가로지르니 얼추 모양새가 괜찮았다. 그렇게 만들어진 것의 원형이 글 맨 앞의 영상에 보여지는 모습이다.

이후 방향타를 움직이기 위한 서보모터와 서보모터 구동을 위해 사용한 서보 컨트롤러 보드, 그리고 서보 모터에 전원을
공급해줄 9V 추가 배터리와 추가 배터리의 전압을 5V로 떨어뜨려줄 강압기(빵판용 전원 보드) 등등 상당히 많은 부품
들을 추가 장착하게 되었는데. 최종 모습은 대략 다음과 같다.

쁘띠첼 껍데기가 모양도 그렇고 꽤 괜찮았는데 아쉬운 점은 칼집을 잘못내면 잘 찢어진다는 점과 워낙 약해서 쉽게 
찌그러진다는 것이었다. 예를 들어 모터를 나사로 고정하는데 조금 세게 돌리면 이놈에 껍데기가 사정없이 찌그러져
모터의 수평이 안맞게 되는 것이다.

어쨌든 처음 테스트의 영상만을 기준으로 생각할 때 이정도만 되어도 일단 뜨지 않을까 하는 막연한 기대로 테스트를
시작했다.

1차 시도 : 움직이는 척이라도 해볼래…-.-?

우선 영상을 보자…-.-

어처구니 없게도 꼼짝을 안한다…ㅠ.ㅠ 원래는 8인치 프로펠러를 썼다가 꼼짝을 안하길래 추력이 부족한가 싶어
10인치 프로펠러로 바꿨다. 그런데 프로펠러 보호 가드라고 붙여놓은 저 검은색 폼보드 직경이 아슬아슬해서 결국
프로펠러가 폼보드를 갈아먹고 말았다…ㅠ.ㅠ

처음에는 아주 단순하게 무게 탓이라고 생각했다. 정말 꼼짝을 안했으니…
하지만 사용한 모터에 대한 data sheet는 아니지만 동급의 A2212 13T 1000kv 모터에 대한 data sheet를 보면
내가 구성한 환경에서 최대 802g은 띄울 수 있어야 한다. 물론 프로펠러 사이즈가 약간 틀리긴 하지만 실제 드론의
무게도 400g이 채 못되는 무게이니 꼼짝도 못한다는 것은 말이 안된다.

그래서 다른 쪽으로 고민을 해보다가 떠오른 생각이 몸통이 너무 넓은 것이 아닌가 하는 것이었다. 게다가 현재 몸통의
형태가 나팔꽃을 뒤집어놓은 형상이라 프로펠러가 돌면서 발생시킨 바람이 옆으로 분산되면서 양력을 약하게 만든 것이
아닌가 하는 생각을 하게 되었다.

그래서 몸통 주변으로 덕지덕지 올려놓았던 면적이 넓은 보드들을 모두 모터 축과 수평행한 위치로 옮겼다. 그렇게 해서
가능한한 바람이 저항을 받지 않도록 슬림하게 만들었는데 그 형태가 바로 아래에 보이는 이미지 형태이다(사실 아래 
이미지는 시험 비행에 실패한 후의 모습이다).

2차 시도 : 그렇다고 움직이는 척만 하냐…ㅠ.ㅠ

역시 우선 영상부터 보자…

1차 시도 실패 후 2차 시도를 하기까지 1주일이 걸렸다. 누누히 이야기 하지만 일단 프레임에 손이가기 시작하면 노다가도
그런 노가다가 없다. 사정이 이렇다보니 일단 프레임을 고쳐야 하는 경우 쉽게 손이 가지 않는다. 아 3D 프린터여…ㅠ.ㅠ

그래도 프레임(이라기 보다는 부품의 배치)을 고친 후 뭔가 반응이 있었다. 자빠져서 구르고 엉망이 되었지만 일단 움직인
것이다. 하지만 역시 걸음마 하려고 한 발 띄었다가 바로 비틀거리며 넘어지는 갓난 아기 같은 모습은 영 불만이다.
이번에는 무엇이 잘못되었을까?

우선 생각난 것은 처음 자세가 균형이 맞지 않았다는 것이다. 기울어진 자세에서 출발을 하려니 제대로 떠오르지 못하고
기울어지면서 넘어지고 말았다는 생각…틀린 생각은 아니었지만 이게 다가 아니라는 점을 곧 깨닫게 되었다.

3차 시도 : 어뢰 만드는 줄…-.-

오늘의 마지막이자 하일라이트 영상이다. 얼른 확인하고 싶어 퇴근 후 오밤중에 동네 공원가서 테스트했다…-.-
그렇다보니 영상이 상당히 시커멓다. 화면 밝기 최대로 하고 보시길…

아래 이미지는 실패 후 처참한 모습이다.

지난 번 2차 시도에서의 실패 원인을 수평 문제로 생각했기에 프레임을 다시 만들었다. 이번에는 애들 공작용 하드스틱을
이용해서 최대한 수평이 맞도록…하고 싶었으나 역시나 손이 똥손이라…ㅠ.ㅠ 그래도 최대한 노력했다. 그렇게 나온 것이
아래 사진과 같은 모습니다. 일단 아직 서보모터는 달기 전으로 무게는 대략 348g이다.

그러나 테스트 결과는 앞의 동영상과 같았다(그래도 1, 2차에 비하면 이게 어딘가…ㅠ.ㅠ).
그리고 이 동영상을 보고 근본적인 문제를 찾아냈다. 아니 찾아냈다고 추측하고 있다.

애초에 프로펠러 하나짜리 드론을 만든다고 했을 때 물리학과를 나온 회사 동료 한명이 그게 가능하냐고 물었다.
바로 회전체가 있어 회전을 하는 경우 그 힘을 상쇄하기 위해 몸통은 반대쪽으로 회전하게 된다는 것, 쉽게 말해
작용과 반작용, 역 토크라고 하는 것 때문이다. 이미 아는 사람들은 다 알지만 헬리콥터가 정상적으로 움직일 수 있는 것은 
테일로터라든지 같은 축에 서로 반대로 회전하는 2개의 프로펠러를 쓴다든지 하는 방식으로 이 힘을 상쇄시키기 때문이다. 

그런데 그런 장치 없이 드론을 만들겠다고 하니 의문을 가질 법 하다. 그런데 이상한 것은 내가 유튜브에서 구한 자료
동영상에 나오는 프로펠러 하나짜리 드론들은 어째서인지 그런 장치가 보이질 않는 것이다. 그래서 아예 그런 부분을
고려하지 않았다(나중에 네이버 카페와 페북의 아두이노 사용자 모임을 통해 그 비밀을 알게 되었지만…).

나의 결론은 이렇다.
프로펠러가 회전하면서 몸통에는 역회전이 걸리고 드론이 제대로 뜨기도 전에 몸통이 반대로 회전을 하면서 드론을
지지하고 있던 다리가 지면에 걸려 자세가 기울어지면서 결국 중심을 잃고 넘어졌다는 것이다. 그렇다면 나는 이
역 토크(반작용)을 상쇄시킬 방법을 찾아야 하는 것이다.

앞서 언급한 것처럼 몇몇 커뮤니티의 도움과 구글링을 통해 최초에 방향타의 초기 위치를 지면과 수직으로 놓지 않고
몸통이 프로펠러와 같은 방향으로 돌도록 세팅하는 것으로 진행을 해보려 한다. 다음 포스팅은 이 작업의 결과가 될
것이다.

정리

애초에 문돌이로서 이런 작업을 한다는 것 자체가 어려운 일이기는 하지만 그 가운데서도 역시 어려운 것은 하드웨어적인
부분, 물리적인 힘이 작용하는 부분을 해결하는 것이다. 로봇을 만들 때고 드론을 만들 때고 무게와 힘이 적절한 위치에
적절한 강도로 작용하게 한다는 것이 결코 쉽지 않은 작업이다. 사실 소프트웨어적인 부분은 프로펠러 하나짜리라 그런지
별로 할 것이 없다. 조종기 코드 180라인 정도 드론쪽 코드 130라인 정도로 꽤 단순한 코드다.

아직까지 변변한 지식도 특별한 손재주도 없는 상태에서 오로지 직관과 시행착오만을 가지고 작업을 진행하다보니 그
결과 역시 보잘것 없는 상태다. 

일단 재도전을 위해 3T, 5T짜리 스티로폼 보드를 잔뜩 주문을 해놓았다. 또 얼마나 시간을 잡아먹을지는 모르겠지만
우선 이 재료들로 작업을 진행해보고 만일 영 안되겠다 싶으면 없는 재주이지만 간단하게나마 모델링을 해서 무료로
3D 프린팅이 가능한 곳(광화문쪽에 있는 국립현대미술관에서 가능하다고 한다)에서 출력해서 도전을 해봐야겠다.

확실히 걷는 것(로봇)보다 나는 것(드론)이 상당히 어렵다…ㅠ.ㅠ 제대로 띄울 수 있을지는 모르겠지만…
아무튼 다음 포스팅은 스티로폼 보드 도착 후 또 얼마간의 시간이 흘러야 할 것 같다.
그 때까지 무더위 잘 견뎌내시길…^^;