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10) 비행원리와 드론비행-202001378 이태경 - Coggle Diagram
10) 비행원리와 드론비행-202001378 이태경
멀티콥터 구조와 특성
멀티콥터 구조
멀티콥터는 3개 이상의 동력 축에 프로펠러를 장팍하는 구조로 되어있다.
작용 반작용 원리로 양력을 발생시키기 때문에 일반적으로 짝수의 동력 축과 프로펠러를 장착한다.
구성
비행체 : 기체구조물, 스키드, 로터, 모터, 모터 컨트롤러, 배터리, FC 및 각종 센서 등
GCS(Ground Control System/Station) : 원격조종기, GCS장비, 데이터링크 등
Payload : 촬영용 카메라(EO/IR), Mapping 장비(다중분광 카메라, LiDAR 등), 통신 중계 장비, 특수 장비(인명구조장비, 약제, 살포 장비 등)
멀티콥터의 특징
멀티콤터는 헬리콥터에 비해 기체구조가 간단하고, 부품수가 적으며 구조적으로 안정성이 뛰어나 초보자들도 조종하기 쉽다.
멀티 콥터는 각 로터들이 독립적으로 통제됨에 따라 한 로터에 문제가 발생하더라도 나머지 로터들을 가지고 비상착륙이 가능하다. 하지만 기체가 균형을 잃어 위험한 상황으로 이어진다.
헬리콥터와 양력발생 원리 차이
헬리콤터 양력발생
블레이드가 회전하면서 블레이드의 피치각을 조절하여 변동시키면서 양력을 발생시킨다. 즉, 변동 피치로 메인로터의 회전에 의해 양력을 얻고 이때 발생한 토크를 테일 로터 블레이드를 회전하면서 반토크의 힘을 만들어 내어 토크를 상쇄 시키며 방향을 유지하며 비행한다.
멀티콥터 양력발생
멀티콥터는 프로펠러가 이미 고정되어 있어 헬리콥터처럼 회전하며 피치각에 변화를 줄 수가 없다. 때문에 프로펠러의 회전수에 의해 양력의 크기를 조절하여 비행한다. 즉, 고정 피치로 인접한 로터를 서로 역방향으로 회전 시킴으로서 토크를 상쇄시키고 모든 로터가 수평으로 회전하며 양력을 발생시키며 비행한다.
멀티콥터의 종류
헥사콤터 : 로터 6개
옥타콤터 : 로터 8개
퀴드콥터 : 로터4개
도데카 : 로터가 12개
트리콥터 : 로터3개
멀티콥터 조종기 모드 종류
드론의 조종기는 무선모형에서 쓰이는 R/C Controller를 그대로 빌려와서 사용한다.각 채널별로 어떻게 움직일지 미리 정해 놓고 조종기 양쪽 스틱에 할당하여 조종기에서 드론이 내장되어 있는 수신기로 신호를 보낸다. 통산 채널 1~4번에 에일러론, 엘리베이터, 스로틀, 러더의 기능을 입력한다.
채널 1: 좌,우측 이동 Roll을 톨제하는 에일로론이다.
채널 2: 전,후진 Pitch를 통제하는 엘리베이터이다.
채널 3: 상승하고 하강하는 것을 통제하는 스로틀이다.
채널 4: 좌, 우측 방향전환 Yaw를 통제하는 러더이다.
조종기 모드
MODE1
MODE2
MODE3
MODE4
드론의 이동 방향과 상태 결정
드론은 각각의 모터 속도에 따라서 드론의 방향과 상태가 정해진다.드론의 이동 방향을 결정하는 것은 각각의 프로펠러가 회전하는 상대적인 속도의 차이이다.
드론 조종기 조작요령
조종기 각 부위 명칭
전원스위치 : 조종기의 전원을 인가하는 스위치로 위로 올리면 전원이 인가되어 조종자가 스틱으로 명령하는 명령어를 기체로 전달할 수 있다. 아래로 내리면 전원이 꺼진다.
전원표시등: 조종기 전원을 인가하면 불이 들어오고 전원을 끄면 불이 꺼진다.
조종 스틱: 조종기의 모드에 따라서 스로틀, 엘리베이터, 러더, 에일러론을 통제하는 스틱이다.
토글스위치: 드론에 따라 여러 개의 토글스위치가 있는데, 기본적으로 GPS모드, 자세모드, 메뉴얼 모드, RTH를 설정할 수 있다. 임무 장비또한 토글스위치로 입력할 수 있다.
트림버튼: 트리밍은 소총의 영점을 잡듯이 조종기 스틱을 미세조종하여 스로틀, 엘리베이터, 러더, 에일러론 스틱의 영점을 잡는 것이다. 비행전 조종기 캘리브레이션을 통해서 트림의 상태를 확인하는 것은 대단히 중요하다.
조종기 기능 설정 버튼: 조종기의 기능을 설정할 수 있는 버틍이다. 설정버튼을 조작하여 MODE1, MODE2를 바꿀 수 있다.
LCD 디스플레이: 조종기에 설정된 내용을 화면을 통해서 볼 수 있다. 주간에도 볼 수 있도록 백라이트 기능이 있다.
조종기 스트랩 걸이: 조종기의 중심을 잡기 위해서 목에 끈을 걸수 있도록 된 고리형태의 걸이이다.
송신기와 수신기 연결
송신기와 수신기를 서로 매칭하여 송신하여 명령대로 기체가 작동하게 하는 것을 '바인딩(Binding)' 이라고 한다. 하나의 송신기에 하나의 기체가 작동하도록 송신기와 수신기를 맞추는 작업이다. 최초에 한번 바인딩을 하면 비행할 때마다 바인딩을 할 필요는 없다. 완구용 드론에서는 바인딩 이외에 '페어링(fairing)'타임을 분리하여 주파수 간섭을 피하여 비행할 수 있다.
비행모드 선택
드론의 비행제어모드는 어떠한 FC를 사용하느냐에 따라서 용어를 일부 달리한다.
수동모드(Manual mode): 완전한 수동 모드로서 자동화된 자세 제어 기능이 없었다. 비행조종을 조종자가 직접 실시하는 모드로 저가의 연습용 드론에 사용한다.
자세제어 모드(Attitude mode): 기압센서에 의해서 고도만 유지되고 GPS가 지원되지 않기 때문에 안정된 비행을 할 수 없는 비행모드이다.기체가 전,후,좌,우로 많이 흘들려 안정된 조종이 어렵다. 조종연습이 필요하다.
GPS 자동비행 모드(GPS mode) : GPS를 이용한 위치 인식과 각종 센서를 이용하여 안정된 비행을 할 수 있는 모드로 최근에 출시되는 대부분의 드론이 GPS모드로 비행할 수 있도록 제작된다.
조종기 조작요령
기체 시동 On/Off : 조종기의 전원을 켜고 좌우측 스틱을 중앙 하단으로 모으면 1~2초 후에 프로펠러가 회전을 시작하고 지면에 닿은 후 스로틀을 내리면 프로펠러 회전이 멈추어 시동이 꺼진다.
스로틀 스틱 조작: 기체의 상승과 하강을 조작하는 스틱이다. 1,2,3,4 번의 프로펠러 회전수를 조절하여 기체 고도를 조절한다.
엘리베이터 스틱 조작으로 피치조절: 엘리베이터 스틱은 기체를 전진시키고 후진시키는 스틱이다. 기체의 기수방향을 기준으로 앞뒤 프로펠러의 회전수를 조절하여 기체를 전진, 후진시킨다.
에일러론 스틱 조작으로 롤 조절: 엘일러온 스틱은 기체를 좌측, 우측으로 이동시키는 스틱이다. 기체 좌,우측 프로펠러의 회전수를 조절하여 프로펠러의 회전면을 기울여 기체를 좌또는 우측으로 이동시킨다.
러더 스틱 조작으로 요 조절: 러더 스틱은 기체의 방향을 좌측, 우측으로 전환시키는 스틱이다. 기체의 대각선으로 마주한 프로펠러의 회전수를 조절하여 기체를 좌측 또는 우측으로 전환시킨다.
호버링 조작: 호버링 상태는 반시계방향으로 회전하는 모터 1,3 번의 회전속도의 합과 시계방향으로 회전하는 모터 2,4 번의 회전속도의 합이 동일하고 전체 추력의 합력이 드론의 무게를 상쇄하면 드론은 공중에서 정지한다.
자동복귀(RTH, Return to home)
스마트 자동복귀(Smart RTH): 조종자의 판단에 의해 기체를 자동으로 복귀시키는 상황이다. 자동복귀 버튼을 누르면 복귀 위치에서 호버링하거나 스스로 착륙까지 할 수 있다.
배터리 부족시 자동복귀(Low Battery Fail/Safe): 조종자가 배터리 부족 경고를 받았음에도 불구하고 기체를 운용하면 자동으로 RTH 기능이 실행되는 상황이다.
No Control에 따른 자동복귀(No Control Fail/Safe): 조종기와 기체간의 송수신이 단절되었거나 불안정할 시에 실행되는 상황이다.
조종기를 통한 텔레메트리 정보 확인
조종기의 OSD창을 통해서 기체에 장착된 배터리의 잔량과 조종기 배터리의 잔량 등의 정보를 화인할 수 있다.
기체운용 중 조종 장치 배터리 전압이 기준치 이하로 떨어지면 조종기에서 경보음이 울리거나 조종기 화면에서 경고메시지를 확인할 수 있다.
비행시 OSD 화면을 통해서 배터리 부족 확인 시 조종자는 신속히 기체를 착륙시키고 시동을 끄고 조종기의 배터리를 교환한다. 착륙시 신속하게 착륙시키기 위해서 기체를 배터리 부족이 확인된 위치에서 수직으로 착륙시키되 대인 및 대물피해 등 안전을 고려하여야 한다.
드론 비행전 준비사항
배터리 충전상태 확인 및 충전
조종기 및 기체 배터리 충전상태를 확인하고 부족 시 충전한다. 배터리는 반드시 정격 충전기를 이용하여 충전해야 안전하다.
기체운반 시 유의사항
기체에서 배터리 등의 창작물을 분리하고 운반한다.
이동전에 모든 전원 스위치가 Off에 위치해 있는지를 확인한다. 기체 전원을 On상태로 이동시 이동전의 위치를 Home으로 인식한다.
운반 시 프로펠러 등이 외부의 충격으로부터 파손되지 않도록 고정한 후 이동한다.
비행전 육안 확인사항
기체 외관상의 파손
프로펠러, 모터, 커넥터, 배선의 이상유무
연결부위의 볼트와 너트 등의 결합 및 고정상태
캐리브레이션(Calibration)
드론에 사용되는 장치나 센서의 초기 값에 문제가 있을 경우, 이를 정상으로 복구해 주는 교정 작업.
조종기 캘리브레이션: 조종기 스틱의 값을 맟추는 작업이다. 조종기 기능스위치나 트림스위치를 이용하여 조정한다.
전자변속기 캘리브레이션: 조종기의 스로틀 스틱을 최대, 최소로 했을 때 모터의 최고 속도와 최저 속도에 대한 값을 MCU가 정확히 계산하는지를 확인하는 것이다.
수평 캘리브레이션: 기체를 수평으로 놓았을 때 전후, 좌우 방향으로 평형상태를 FC에 정확히 알려주는 것이다. 수평 캘리브레이션을 하지 않으면 기울어진 상태를 수평으로 인식한다.
지자계 캘리브레이션: 드론 기체가 지구 자기장을 인식하는 지자계센서의 값을 통해서 비행 진행방향을 FC가 정확하게 인식할 수 있도록 하는 대단히 중요한 캘리브레이션이다.
드론 비행절차
비행안전구역 확인 및 상황 판단
조종자가 비행하고자 하는 지역 주변에 다른 비행체가 비행하는 지를 반드시 확인해야 한다.
비행 전 기체의 이착륙 지점에 대한 확인을 해야 한다. 주변에 장애물이 없고 주변의 차도/인도를 통해서 일반인이 접근하지 않는 곳에 조종자의 위치를 선정해야 한다.
기체가 이륙 시 프로펠러가 회전하는 동안 기체가 안정화되지 않았기 때문에 우발상황에 대비하기 위하여 기체로부터 최소 15m이상 이격된 장소에 위치하여 시동을 걸고 다른 일반인도 접근을 통제하여야 한다.
가싱 상태를 확인하여 비행 가능여부 판단
바람 상태를 확인한다. 풍속이 5m/sec 이상인 상태라면 비행이 제한된다.
지자계 수치를 확인한다. 지자계 수치가 5 이상이라면 비행이 제한된다.
시동 전 조종기 점검 실시
시동 전 조종기의 스위치가 바르게 위치되어 있는지와 스틱에 이물질로 인한 조종 장애여부 등 문제가 없는지를 다시 한 번 체크하여야 한다.
GPS 수신 상태를 확인한다. GPS 수신여부를 알려주는 LED 등의 신호표시를 확인한다.
드론 비행간 비정상 상황발생시 조치요령
기체가 균형을 잃거나 급격히 고도가 떨어지는 등 이상 징후 발견 시
최대한 기체의 평행자세를 유지시키며 착륙시킨다.
착륙 후에는 바로 기체의 전원과 조종기의 전원을 차단하고 기체를 점검한다.
프로펠러의 이상 유무를 확인한다.
모터의 이상 유무를 확인한다.
조종기가 제대로 작동되지 않을 시
주변에 조종기의 전파를 방해하는 고출력의 통신장비, 고압전선 등이 있는지 확인한다.
시동을 시도하였으나 시동이 걸리지 않을시에는 정해진 시동절차로 수회 반복하여 재시동을 시도한다. 그럼에도 불구학고 불가할 시에는 캘리브레이션을 확인한다.
비행중 조종 장치에 이상이 있을시에는 가능한 안전한 곳에 착륙시킨 후에 점검하며, No Control 상황이라면 fail/safe상황으로 RTH상황으로 이어진다.
GPS 수신감도 저하 시
숙력된 조종자가 아니라면 비행을 중지하고 일정시간을 대기하여 GPS가 6개 이상 연결되었을 때 다시 시도한다. 15분정도 기다려도 안되면 장소를 이동하여 재시도 한다.
GPS신호가 6개 이하로 수신되어도 비행이 불가능한 것은 아니다. 숙련된 조종자라면 GPS모드에서 자세제어 모드로 전환하여 비행을 실시한다.
드론 비행 후 조치사항
비행이 완전 종료된 이후에는 비행전 점검 요령과 동일한 내용으로 조종기, 프롭 모터, 기체내,외부, 랜딩 기어 등을 확인한다. 특히 배터리 덮개, 카본 파이프 등 오염된 부분을 물수건과 마른 수건으로 깨끗이 닦아준다.
Log Book: 비행 날짜, 비행 횟수, 배터리 사용횟수, 비행장소 및 시간, 비행 목적 등을 기록하는 것으로 운용자가 한 눈에 비행정보 및 기체에 대해 파악할 수 있는 자료가 된다.
