[아두이노] 드론 만들기(싱글콥터 만들기) ~ #2

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…^^;