드론 쿼드콥터 구조 기능 분류 이착륙 방식

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가장 보편적인 무인항공기 분류 기준이나, 아직 국제적인 중량 기준은 없으며 국가마다 적용하는 중량 기준 또한 상이하다. 어느 정도 보편적인 방식은 군사적 용도에 따른 분류, 비행반경에 따른 분류, 비행고도에 따른 분류, 크기에 따른 분류, 비행. 임무 수행 방식별 분류, 이착륙 방식별 분류가 있다.

쿼드콥터(파란색 프로펠러가 시계 반대 방향으로 움직이는 동안 빨간색 프로펠러는 시계 방향으로 움직인다)

드론의 구조

쿼드콥터(영어: Quad copter) 혹은 쿼드로터(영어: Quad rotor)는 로터(회전날개)가 네 개를 이용해 뜨고 추진하는 멀티콥터의 일종이다.

각 로터는 연직 아래로 있으며, 두 개는 시계 방향으로, 나머지 두 개는 반시계 방향으로 회전한다. 이들 로터의 회전 속도를 조절함으로써 쿼드콥터의 움직임을 제어할 수 있다.

쿼드콥터는 네 개의 로터의 상대적인 속도를 조절함으로써 기체의 자세와 움직임을 제어한다.

x 대응하는 롤링 있다. 각축을 중심으로 회전할 때 즉 x축은 롤링이, y축은 피칭이 z축은 요잉이 된다.

roll과 pitch

기체의 앞(진행 방향)과 나란하며 기체의 무게중심을 지나는 축에 대한 기체의 회전을 roll(롤 또는 롤링)이라 하고, 이 축과 수직인 축에 대한 기체의 회전을 pitch(피치 또는 피칭)라고 한다. 즉, 기체가 전후좌우로 기울어지도록 자세를 제어하기 위해서는 높이고자 하는 쪽의 로터의 출력을 다른 로터보다 강하게 한다. 예를 들어 후방 로터의 출력을 상대적으로 강하게 할 경우 기체가 전방으로 기울어져 전진하게 된다.

쿼드콥터와 x(전후),y(좌우),z(상하) 직선축 제어

yaw

기체를 세로로 관통하는 축에 대한 기체의 회전을 yaw(요로 또는 요잉)라 하며, 이는 회전 방향이 반대인 두 쌍의 로터의 출력을 다르게 함으로써 조종할 수 있다.

만약 네 개의 로터가 정확히 같은 출력을 낸다면, 기체의 세로축을 중심으로 한(yaw) 돌림힘의 합력은 0이 되어 기체는 평형을 유지한다. 즉, 헬리콥터에서 yaw 방향의 회전 제어를 위해 로터가 필수적으로 추가될 필요는 없다. 회전 방향이 서로 반대인 두 쌍의 로터의 출력이 같지 않도록 하면 세로축을 중심으로 한 돌림힘이 발생하여 출력이 강한 로터의 회전 방향으로 기체가 회전한다.

이들 주요 구성에서 FC 회로기판은 통신 및 연산 그리고 각각의 모터 파워(BEC 포함), 변속기 제어 등 모든 부품의 기능이 모여서 컨트롤되므로 비행 기능 유지에 중요한 역할을 담당하는 핵심 부품이다. 대중적인 FC로는 아트멜 AVR MCU 칩을 장착한 아두이노 계열 또는 ARM Cortex-MX 칩을 장착한 아주 파일럿 계열이었다.

한편 드론을 움직이는 동작 제어의 추진기는 프로펠러 및 모터 그리고 전자 변속기(ESC)로 구성된다. 이를 서보모터라고 한다.

특히 이와는 별개로 구성되는 무선조종 이기는 드론의 통신기와 데이터를 주고받는 장치로 FC 보드와 동등하게 중요한 외부 장치이다. 무선조종기는 경로비행에 핵심이다.

원격조정

무선조종 이기는 드론의 경로 비행 차원에서 드론의 목표를 달성하는 주요한 수단이라고 할 수 있다. 스로틀(throttle)은 드론이 원격으로 무선조종이기에 의해 조작되는 모터의 속도 조절을 가리킨다. 한편 무선조종 기가 보내는 통신 신호의 데이터 축적은 미션 플래너 같은 무인 비행의 기초 참고 자료의 중요한 부분을 제공한다.

쿼드콥터의 균형

4개의 모터를 추진력으로 사용하는 쿼드콥터의 특성상 초기 작동 및 비행 시 각각의 모터들은 자신뿐만 아니라 서로 간에 영향을 미치므로 온전한 수평을 유지하기 어렵다. 따라서 중심이 잡힌 안정된 비행을 하기 위해서 균형 값을 PID 제어를 통해 구현할 수 있다.

정지 비행

정지 비행(hovering)은 드론이 공중에서 비행 시 정지상태를 일정 기간 유지하는 능력을 말한다. 정지 비행 능력의 주요 요소는 모터의 추력(thrust)이다.

프로그래밍

교육적인 프로그래밍으로는 아두이노 보드를 위한 아두이노 IDE 환경이 사용되며 통신 API로는 역시 오픈소스인 멀티 위 시리얼 프로토콜(MSP)이 주로 사용된다. 특히 블루투스나 와이파이를 통한 멀티 위 확장 프로토콜인 MSP(Multiwii Serial Protocol)는 아두이노 보드인 FC와 무선조종장치(RC)를 서로 연동하는 무선 메시지를 주고받는 교환 프로토콜로 자주 사용된다.

산업용 및 연구용으로는 리눅스재단이 관여하고 있는 오픈소스인 아주 파일럿의 드론 코드(Drone Code) 프로젝트가 있으며 이의 계열인 아 두 코부터(arducopter)나 고정 호크(pix hawk) 하드웨어가 주로 사용되고 있다. 통신 프로토콜로는 마 브링크(MAV LINK)를 사용한다.

IDE로는 일식 (소프트웨어)가 있으며 터미널에서 시트가 WAF 건설을 지원하고 있다. 한편 펌웨어 로딩에는 건설도 구외에도 원격조정 프로그램인 큐 그 라운드 컨트롤도 지원한다.

드론 경기대회

일반적으로 국제 드론 스포츠 대회나 국내 드론 레이싱 대회에서는 쿼드콥터를 주로 채택하고 있다.

비행반경에 따른 분류

• 근거리 무인항공기(CR:Close Range) : 약 50km 이내에서 활동할 수 있으며 사단급 이하 부대를 지원하는 전술 무인항공기이다.
• 단거리 무인항공기(SR:Short Range) : 약 200km 이내에서 활동할 수 있으며 군단급 이하 부대를 지원하는 무인항공기이다.
• 중거리 무인항공기(MR:Medium Range) : 약 650km 이내에서 활동할 수 있는 무인항공기이다.
• 장거리 체공형(LR:Long Range) : 약 3000km 내외에서 활동할 수 있으전략정보지원인 무를 수행한다.

비행고도에 따른 분류

• 저고도 무인항공기(Low Altitude UAV) : 6,200미터 이하의 무인항공기로서 저고도 비행을 하며 전자광학 카메라, 적외선 감지기 등을 탑재한다.
• 중고도 체공형 무인항공기(MALE:Medium Altitude Endurance) : 13,950미터 이하의 무인항공기로서 대류권 비행을 하며 전자 광학 카메라, 레이다 합성 카메라 등을 탑재한다.
• 고고도 체공형 무인항공기(HALE:High Altitude Endurance) : 13,950미터 이상의 무인항공기로서 성층권을 비행하며 레이다 성 카메라 등을 탑재한다.

크기에 따른 분류

• 마이크로형 무인기(MAV:Micro-Air Vehicle) : 크기는 15 Cm 이내 1인이 손으로 던져서 운용한다.
• 미니 형 무인기 (Mini-UAV) : 1~2명이 휴대하면서 운용한다.
• 유기 체형 무인기(OAV: Organic Aerial Vehicle) : 차량 1대에 장비 및 운용자가 탑재되어 이동하면서 운용한다.
• 소형 무인기 : SR 급 이상의 무인기이다.
• 중형 무인기 : MALE 급 이상의 무인기이다.
• 대형 무인기 : HALE 급 이상의 무인기이다.

비행/ 군사적인 임무 수행 방식별 분류

• 원시 정찰기 : 초기의 무인정찰기 형태로서 발사된 후부터는 인위적인 조종 없이 사전에 프로그램된 비행로를 따라 비행하며 장착된 카메라로 촬영한다. 비행이 끝난 후 녹화된 VCR 테이프를 회수하여 정보를 얻는다.
• 공격기 : 현재에도 적 레이다 방공망 파괴에 많이 쓰이는 형태의 무인 공격기이다. 일정한 상공에서 비행하다가 적 레이다가 작동하면 레이다 신호를 따라가서 자폭한다.
• 정찰기 : 통제소 가시거리 내에서 원격조종하여 실시간에 표적 정보를 수집하기 위한 무인항공기이다. 현재 대부분의 무인항공기가 정찰기이다.
• 폭격기 : 통제 형태는 정찰기와 같으나 탑재 장비로 폭탄과 미사일을 탑재하여 표적 지역에 투하한다.
• 전투기 : 현재의 유인 전투기를 대신하기 위해 개발된 전투 무인항공기이다.
• 표적기 : 방공포나 전투기의 훈련을 위해 대표적으로 사용되는 무인항공기이다.
• 무인헬기 : RPV의 경우 이착륙을 위한 장소의 제약이 많았으나 수직 이착륙기의 경우 이러한 제한사항을 상당히 해소할 수 있다.
• 초소형 비행체 : 초소형 비행체로서 휴대용 정찰, 촬영, 물류의 수단으로서 활발히 개발되고 있다.

미국 국방성

• 그룹 1 : 최대이륙중량 9.1 kg
• 그룹 2 : 최대이륙중량 24.9 kg
• 그룹 3 : 최대이륙중량 598.7 kg, RQ-7 섀도
• 그룹 4 : 최대이륙중량 598.7 kg 이상, 운용고도 5 이하, MQ-1 프레데터, MQ-1C 그레이 이글
• 그룹 5 : 최대이륙중량 598.7 kg 이상, 운용고도 5 이상, RQ-4 글로벌 호크, MQ-9 리퍼

비행 중인 RQ-4 글로벌 호크

이착륙 방식

이륙 방식

• 지상 활주 이륙 : 양호한 활주로가 가용할 경우만 이륙할 수 있다.
• 발사대 이륙 : 활주로가 없거나 주변 장애물로 인해 활주 이륙이 불가할 경우 이를 극복하기 위해 고안된 방식이다.
• 공중 투하 방식 : 타 수송용 항공기에 의해 일정 지역까지 운송된 후 공중에서 투하되는 방식이다.
• 수직 이륙 방식: 활주로 없이 수직으로 떠 오를 수 있다.

착륙 방식

• 지상 활주 착륙 : 양호한 활주로가 가용하고, 주변 지형이나 장애물이 활주 착륙에 적합한 경우에 사용되는 방식으로 착륙 활주 거리를 짧게 하기 위해 훅을 사용하거나, 바퀴에 브레이크 장치를 한다.
• 낙하산 전개 착륙 : 지형이 활주 착륙에 부적합하거나, 엔진 고장 등의 비상 상황 발생 시 사용한다.
• 그물망 : 주로 해군용으로 활주 여건이 안 되는 함상에서 착륙 시 사용한다.

자동 이착륙

• 무인헬기(VTOL) : 이착륙 시 무인항공기의 발진과 회수의 어려움을 극복하기 위해 개발되었다.
• 자동 이착륙 시스템 : 무인항공기에 장착된 자동 이착륙 시스템에 의해 외부조종사 없이 자동 회수되는 방식으로 대부분의 시스템이 채택하여 적용되고 있다.

헬리패드는 헬기 및 동력 회전익항공기의 이륙 및 착륙장 또는 플랫폼이다

 

한편 일반적으로 헬기 방식(회전익항공기 또는 수직이착륙기)의 드론은 활주로가 없이 헬리패드만으로도 이착륙이 가능하며 부득이한 경우 자연적인 조건에서도 다양하고 유사한 평평한 지면 등에서 이를 수행할 수 있다.