1-4 드론의 비행 원리

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드론

2017. 10. 21.



드론 기체의 조립과정에서 드론 모터, ESC 및 자이로 센서 보드 설치와 함께 항상 드론의 전 후 좌 우 방향 설정이 정확하게 이루어져야 한다. 조립과정을 별도로 참고하면서 요약된 사진을 참조해 보면 4개의 드론 모터 중 2개는 CW(clockwise) 시계 방향으로 회전하면 나머지 2개는 CCW(counter-clockwise) 즉 반시계 방향으로 회전함을 알 수 있다.







만약 4개의 모터들이 균일하게 회전하게 되면 프로펠러에 의해 수직방향으로 추진력과 회전 모멘트 즉 토크가 발생하게 된다. 추진력 벡터는 모터의 회전 방향이 반대라도 그 크기와 방향이 같게 된다.







드론의 4개 모터에서 발생하는 토크 벡터의 크기들이 같으며 CW 및 CCW에 따라서 방향이 반대라면 4개의 토크 벡터들을 드론 중심을 지나는 축을 기준으로 합산하면 정확하게 0 이 된다. 즉 YAW 값이 0 이므로 드론 기체의 회전이 없는 상태이다.

반면에 추진력 벡터의 합산은 결국 중심축에서 방향들은 같으며 크기는 개별 추진력 벡터의 4배 크기 벡터로 나타난다.
만약에 이 합성된 추진력 벡터가 반대 방향의 드론 중량 벡터를 상쇄하고도 여력이 남는다면 드론이 수직 방향으로 가속 되어 상승하게 된다. 특히 드론의 수직 상승과정에서는 각속도를 측정하는 자이로 센서의 역할이 필요치 않으므로 송신기로부터 1000∼2000 에 해당하는 입력신호를 수신하여 그대로 throttle 변수 값으로 취하고 각 모터별 ESC 에 throttle 값을 부여 하면 된다.
위의 그림과 같이 정확하게 상승하는 드론 상황에서는 ROLL, PITCH 및 YAW  방향의 각속도는 모두 0 이 된다.



수평 상태를 유지하고 있는 드론에 대해서 송신기에서 PITCH 스틱을 아으로 당겨 드론을 위 그림에서처럼 앞으로 일정 각도 θ 만큼 기울도록 하자. 자이로 센서를 탑재하고 있기 때문에 직접 각도 목표치를 지정하는 것은 아니나 각속도를 입력하므로 인해서 0 deg/sec에서 특정한 값의  각속도 목표치 ω 에 도달할 때까지 드론이 θ 만큼까지 회전하게 된다.
만약 송신기에서 THROTTLE을 그대로 놔둔 상태라면 THROTTLE 벡터 즉 추진력의 합 벡터는 크기는 그대로 이나 그림에서처럼 기울어지게 되고 2개의 벡터 성분으로 표현할 수 있게 된다.
 Tz = T cos θ - W : 추진력 합 벡터의 수직 성분, W 는 중량
        Tx = T sin θ  : 추지력 합 벡터의 수평 성분
이와같이 드론이 기울어지기 위해서는 1번과 4번 모터의 회전수가 증가해야 하고 2번과 3번은 오히려 감소해야 하지만 이 4개의 합은 THROTTLE 스틱을 그대로 놔두는 한 일정하게 된다.  동시에 1번과 4번은 회전 모터 토크가 커지겠지만 크기가 같으므로 상쇄 된다. 마찬가지로 2번과 3번도 모터 회전 토크가 상쇄 되며 따라서 기체 회전을 위한 YAW 회전 토크는 0 이 된다.
결과적으로 Tz 값이 줄어들므로 드론은 하강하기 시작하면 수평 방향의 추진력 Tx 값으로 인해 드론은 뒷 방향으로 가속이 일어나게 된다. 특히 수직력 Tz 와 중량 W와의 차이 값이 역전되어 버리면 급속히 하강하게 된다.