아두이노 드론 만들기 #6 - MDF 프레임의 마지막…


사실 이번 글은 또다른 실패담이라서 쓰지 않으려고 했는데 손이 심심해서 쓴다…-.-
더이상 MDF로는 시도를 하지 않을 생각이었는데 혹시나 하는 생각에 한 번 더 도전을 했다.


하지만 아무래도 MDF 프레임을 이용한 시도는 여기서 마쳐야 할 것 같다.
물론 프레임만의 문제는 아니다. 그러나 프레임 외의 문제들이 MDF로 해결 할 수 없는 문제라는 것이
MDF의 비극적인 운명이다…ㅠ.ㅠ


다운사이징


일단 지난 번 실패담에 대해 많은 분들이 의견을 주셨다. 그중 가장 신빙성 있고 개선하기 쉬운 내용은 바로 기체에
비해 프로펠러가 너무 작다는 것이었다. 사실 지난 번 잠깐이라도 뜬 기체는 10인치 프로펠러였는데 이번 테스트에
사용하고 있는 프로펠러는 5인치 사이즈이고 실제 직경은 5인치 보다 작다(5인치면 대략 12.7cm인데 실제로는 
대략 11cm정도이다).


결국 기체의 사이즈를 줄이기로 했다. 우선 기체의 폭을 줄이기로 하였고 폭이 줄어들면 소재가 동일하니 당연히 무게도
줄어들게 될 것이다. 다시 한번 모눈종이에 열심히 도안을 하고 MDF 레이저 커팅 주문을 했다.



그렇게 만들어진 기체는 아래 이미지와 같다. 이전 기체와의 비교를 위해 두 기체를 겹쳐놓고 사진을 찍었다.
우선 기체의 폭은 직경을 기준으로 약 10cm정도 줄어들었다.



1차 테스트 결과


변경된 기체는 사이즈가 줄어든 것과 각종 기판과 배터리가 외벽 안쪽에 있던 것이 부피가 줄면서 외벽 밖으로 배치
되었다는 점, 외벽간의 공간을 테이프로 틀어막았다는 점 등이 달라진 부분이다.


하지만…


여전히 반응이 없었다. 역토크(프로펠러의 반작용)를 상쇄하기 위한 방향타가 지나치게 공기의 흐름에 저항을 일으키는
것 같아서 방향타를 모두 제거하니 겨우 기체가 제자리에서 뒤집히는 정도의 반응을 보였다.


그냥 끝내기는 뭔가 아쉬워 한 번 더 다운사이징을 감행했다.


2차 다운사이징


8각형 구조로 8군데로 배치한 외벽 중 4개를 제거했다. 아무래도 몸통과 외벽을 연결하는 지지대쪽에서도 공기 흐름에
저항이 발생하는 것 같았다. 결국 뭔가 모양은 비맞은 생쥐 마냥 뭔가 빈티가 나보이긴 하지만 무게는 대폭 줄어서 최초의
기체에 비해 120g 정도가 줄어들었다. 그리고 외벽쪽에 배치했던 배터리는 모터 위쪽으로 올렸다.



2차 테스트 결과


일단 작은 프로펠러에 대해 방향타가 주는 영향이 너무 큰 덕에 일단 방향타는 미리 제거하고 테스트를 하기로 했다.
물론 이럴 경우 기체는 프로펠러 반대 방향으로 신나게 돌 것이다….-.- 그래도 일단 떠주기만 하면 좋으련만…


처음 시험 비행을 위해 나갔더니 어디선가 접촉이 불량했는지 모터가 돌아가지 않았다. 다시 들어와 점검후 나갔다.
아두이노와 점퍼선을 이용해 기판들을 연결하다보니 이런 문제도 종종 생긴다.


그리고 드디어 테스트…



발레 로봇을 만들어야 하나…예상대로 몸통이 신나게 돈다. 그리고 안타깝게도 뜨지는 않는다…ㅠ.ㅠ


정리


애초에 예견했던 결과이긴 하지만 아쉬움은 남는다.
일단 지난 번 실패에서부터 오늘의 실패까지에서 몇가지 개선해야 할 부분을 정리해보자면 다음과 같다.


  1. 아두이노과 관련 기판의 부피를 최소화 할 것. 이를 위해 간단한 회로 설계와 많은 납땜 작업이 필요할 듯싶다.
  2. 유션형의 기체 설계. 프로펠러가 작은 경우 바람의 저항을 받는 요소에 매우 민감하다. 따라서 공기가 흐르는 곳은 최대한 유선형으로 설계가 되어야 한다.

*** 추가로 좀 어처구니 없는 착각을 한 것이 배터리 무게를 줄이고자 적은용량의 배터리 2개를 직렬로 연결해서 사용하였다.
그래서 배터리 무게에서는 약 10g 정도 이득을 봤는데...오늘 확인해보니 직렬 연결을 위해 만든 커넥터 무게가 무려 20g이었다...
뭐하자고 이 짓을 한 것인지...ㅠ.ㅠ




결국 이러한 문제 해결을 위해서는 3D 모델링도 익혀야 하고 간단하게나마 회로 설계도 공부를 좀 해야 할 것 같다.
우선 다음 포스팅은 3D 모델링을 통해 새로운 기체를 설계하는 내용이 될 것이다. 과연 쓸만한 기체가 만들어질지…






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  1. 지나가다.. 2017.11.10 01:33 신고

    오직 싱글 프로펠러 만으로는 드론을 띄울수 없습니다.
    물리학적으로 불가능합니다.
    혹시 '싱글 모터' 드론을 보고 '싱글 프로펠러'로 착각 하신거 아닌가 싶습니다.

    싱글 모터 드론은 모터 하나로 상단 하단 두개의 프로펠러를 역방향으로 돌리고
    두 프로펠러의 비틀림은 반대이며 이로 인해 역회전 프로 펠러이지만 바람은 둘다 아래쪽으로 나와서 부력을 얻을수 있고
    두 프로펠러의 역방향 회전 덕분에 몸통의 회전을 막아주는 겁니다.

    문제는 이렇게 싱글모터 듀얼 프로펠러 드론으로 기체를 띄우더라도 방향조정 , 수평유지등등 컨트롤이 만만치 않을 겁니다
    싱글콥터는 쿼드콥터 보다 훨씬 고난이도 기술입니다.

    유튜브등 에서 'single motor drone'으로 검색하셔서 동영상을 자세히 살펴보세요

    • 마즈다 2017.11.10 12:32 신고

      조언 감사합니다.
      하지만 유튜브에 singlecopter로 검색을 해보시면 프로펠러 하나짜리 드론도 많이 검색이 됩니다. VTOL이라든가 스피어드론이라든가...특이하게는 EDF Unit이라는 제트엔진 비슷한 팬으로 만든 드론도 있습니다.
      이런 드론은 모두 방향타 역할을 하는 vane으로 역토크를 상쇄시키는 것 같더라구요. 아래 링크들 보시면 아실겁니다.

      https://youtu.be/FWDg0BGnb5A
      https://youtu.be/6sY3L-dow8c
      https://youtu.be/Sfr1FtvtpSk

    • 지나가다 2017.11.11 20:24 신고

      그 방향타라 생각하시는 부분의 하단을 자세히 보시면 각각 서보로 제어하고 있고 프로펠러에서 나오는 하강기류를 역으로 보내면서 몸체의 회전을 반감시키고 있습니다.
      이 서보의 각도를 자이로 센서등과 연계해서 실시간 작동 시키는 것이 수평유지의 핵심입니다. 수평이 잡힌상태에서 서보를 조절하면 방향 전환이 가능한것 이구요
      모바일로 작성하려니 중구난방 두서 없는 글이 되었네요.
      아두이노를 다루실줄 아는것 같으니 기존의 드론 컨트롤에 쓰이는 쉴드를 구해서 적용하시면 성공하실겁니다.

    • 마즈다 2017.11.11 20:28 신고

      네 감사합니다.
      아직 완벽한 수준은 아니지만 서보모터를
      통해 방향타 제어를 하고는 있습니다만
      말씀하신대로 쉬운 일은 아니네요^^
      더 연구를 해봐야 할 것 같습니다.


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







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  1. kupers 2017.10.12 10:14 신고

    글 잘 읽고 있습니다!

    도전이 아름답습니다. 응원합니다!

    • 마즈다 2017.10.12 14:16 신고

      감사합니다. 더 노력해서 실패담이 아닌 공유할만한 성공담을 올려보도록 하겠습니다.

  2. kupers 2017.10.16 12:12 신고

    네!! 기대됩니다!!

  3. gau 2017.10.18 08:57 신고

    배터리를 두개로 바깥에 배치하다보니 배선이 복잡해져 공기 흐름이 방해 되네요.
    차라리 배터리 하나로 모터와 수직으로 배치하면 어떨까요.
    몸체가 길어지겟만 이 기체는 회전토크를 상쇄하기위한 깃이 꽤 커보이니 관계없을듯함니다.

    • 마즈다 2017.10.18 20:33 신고

      조언 감사합니다. 역시 세세하게 살필 부분이 많네요. 말씀하신 내용 고려해서 다시 한 번 구조를 만들어봐야겠습니다^^

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