쿼드콥터 ( 英語 : Quadcopter ) 或은 쿼드로터 ( 英語 : Quadrotor )는 로터 (回轉날개)가 네 個를 利用해 뜨고 推進하는 멀티콥터 의 一種이다.

各 로터는 鉛直 아래를 向해 있으며, 두 個는 時計 方向으로, 나머지 두 個는 反時計 方向으로 回轉한다. 이들 로터의 回轉 速度를 調節함으로써 쿼드콥터의 움직임을 制御할 수 있다.

飛行 制御 [ 編輯 ]

쿼드콥터는 네 個의 로터의 相對的인 速度를 調節함으로써 氣體의 姿勢와 움직임을 制御한다.

x,y,z軸과 對應하는 롤링,피칭,要잉이 있다. 角逐을 中心으로 回轉할 때 卽 x軸은 롤링이, y軸은 피칭이 z軸은 要잉이 된다.

roll과 pitch [ 編輯 ]

氣體의 앞(進行 方向)과 나란하며 氣體의 무게中心을 지나는 軸에 對한 機體의 回轉을 roll(롤 또는 롤링)이라 하고, 이 軸과 垂直한 軸에 對한 機體의 回轉을 pitch(避치 또는 피칭)라고 한다. 卽, 機體가 前後左右로 기울어지도록 姿勢를 制御하기 위해서는 높이고자 하는 쪽의 로터의 出力을 다른 로터보다 剛하게 한다. 例를 들어 後方 로터의 出力을 相對的으로 剛하게 할 境遇 氣體가 前方으로 기울어져 前進하게 된다.

yaw [ 編輯 ]

機體를 세로로 貫通하는 軸에 對한 機體의 回轉을 yaw(料오 또는 요잉)라 하며, 이는 回轉 方向이 反對인 두 雙의 로터의 出力을 다르게 함으로써 操縱할 수 있다.

萬若 네 個의 로터가 正確히 같은 出力을 낸다면, 氣體의 세로軸을 中心으로 한(yaw) 돌림힘의 合力은 0이 되어 機體는 平衡을 維持한다. 卽, 헬리콥터에서 yaw 方向의 回戰 制御를 위해 로터가 必須的으로 追加될 必要는 없다. 回轉 方向이 서로 反對인 두 雙의 로터의 出力이 같지 않도록 하면 세로軸을 中心으로 한 돌림힘이 發生하여 出力이 强한 로터의 回轉方向으로 氣體가 回轉한다.

드론의 構造 [ 編輯 ]

프로펠러(모터및變速機包含), 배터리 , 프레임, FC(flight controler), 센서 ( 자이로센서 , GPS , 와이파이 , 블루투스 , 超音波感知器 等 )

이들 主要 構成에서 FC 回路基板 은 通信 및 演算 그리고 各各의 모터 파워( BEC 包含), 變速機 制御等 모든 部品의 機能이 모여서 컨트롤되므로 飛行機能維持에 重要한 役割을 擔當하는 核心 部品이다. 大衆的인 FC로는 아트멜 AVR MCU칩을 裝着한 아두이노系列 또는 ARM Cortex -MX칩을 裝着한 아두파일럿 系列이있다. ^[1]

한便 드론을 움직이는 動作制御의 推進機는 프로펠러 및 모터 그리고 電子變速機(ESC)로 構成된다. 이를 서보모터라고 한다. ^{[2] [3]}

特히 이와는 別個로 構成되는 無線操縱氣는 드론의 通信機와 데이타를 주고받는 裝置로 FC보드와 同等하게 重要한 外部 裝置이다. 無線操縱氣는 經路飛行에 核心이다. ^{[4] [5]}

遠隔調整 [ 編輯 ]

無線操縱氣는 드론의 經路飛行 次元에서 드론의 目標를 達成하는 主要한 手段이라고 할 수 있다. 스로틀 (throttle)은 드론이 遠隔으로 無線操縱期에 依해 造作되는 모터의 速度調節을 가리킨다. 한便 無線操縱機가 보내는 通信 信號의 데이타 蓄積은 미션 플래너같은 無人飛行의 基礎 參考資料의 重要한 部分을 提供한다.

쿼드콥터의 均衡 [ 編輯 ]

4個의 모터를 推進力으로 使用하는 쿼드콥터의 特性上 初期 作動 및 飛行時 各各의 모터들은 自身뿐만 아니라 서로間에 影響을 미치므로 穩全한 水平을 維持하기 어렵다. 따라서 中心이 잡힌 安定된 飛行을 하기 위해서 均衡값을 PID 制御 를 통해 具現할 수 있다. ^[6]

號버링 [ 編輯 ]

號버링(hovering)은 드론이 空中에서 飛行時 靜止狀態를 一定期間 維持하는 能力을 말한다. 號버링 能力의 主要 要素는 모터의 推力 (thrust)이다.

${\displaystyle E={{G} \over {W}}}$

E 效率, G 무게(推力), W 와트

따라서 1.000g의 飛行體를 들어올리기 위해서는 250g의 推力을 갖는 모터가 必要하다. (4個의 모터를 갖는 쿼드콥터 基準) 그러나 號버링을 위해서는 이러한 設計값의 約 2倍의 推力이 安定性에서 必要한 것으로 테스트上 實測된다. 卽 各 모터 1個當 500g의 推力이 必要하다.

볼트(V)	電流 (A)	推力(G)	電力 (W)	效率(G/W)	스피드(RPM)	備考
11	6	480	66	7.3	5270	例示
11	7	540	77	7.0	5980	例示

따라서 위의 例에서 11V 基準에서 6A는 號버링이 不安定하며 7A以上에서 安定된다고 設計할 수 있다.

號버링의 安定性은 바람같은 外的 環境이나 加速度가 붙는 狀況에서의 統制力에 큰 影響을 미친다.

飛行時間 [ 編輯 ]

위의 例에서 安定된 號버링을 위한 모터 效率이 70%이므로

必要電力 ${\displaystyle (W)={{G} \over {E}}}$

E 效率, G 무게(gram), W 와트

必要電力은 ${\displaystyle W={{1,000g} \over {7}}=142.85}$이고 배터리(60分基準)容量이 11V 2500mAh라면

飛行時間(粉) ${\displaystyle m={{B} \over {W}}={{11\times 2.5\times 60m} \over {142.85}}=11.55m}$으로 約11分이다.

B 배터리容量, W 와트

여기에 다시 배터리 電流 損失率을 70%로 設計하면 約 7.7分程度로 飛行時間을 豫想할 수 있다.

프로그래밍 [ 編輯 ]

敎育的인 프로그래밍으로는 아두이노 보드 를 위한 아두이노 IDE 環境이 使用되며 通信 API로는 亦是 오픈소스人 멀티位 시리얼 프로토콜 (MSP)李 主로 使用된다. 特히 블루투스나 와이파이를 통한 멀티位 擴張 프로토콜인 MSP(Multiwii Serial Protocol)는 아두이노 보드인 FC와 無線調整裝置(RC)를 서로 聯動하는 無線 메시지를 주고받는 交換 프로토콜로 자주 使用된다. ^{[7] [8]}

産業用 및 硏究用으로는 리눅스財團 이 關與하고 있는 오픈소스人 아두파일럿 의 드론코드 (Drone Code)프로젝트가 있으며 이의 系列인 아두콥터 (arducopter)나 픽스호크 (pixhawk)하드웨어가 主로 使用되고 있다. ^[9] 通信 프로토콜로는 마브링크 (MAVLink)를 使用한다. ^{[10] [11] [12]}

IDE 로는 이클립스 (소프트웨어) 가 있으며 터미널에서 기트 가 WAF 빌드를 支援하고 있다. 한便 펌웨어 로딩에는 빌드道具外에도 遠隔調整 프로그램인 큐그라운드컨트롤도 支援한다. ^{[13] [14] [15]}

드론 競技大會 [ 編輯 ]

一般的으로 國際 드론 스포츠 大會나 國內 드론 레이싱 大會에서는 쿼드콥터를 主로 採擇하고 있다. ^{[16] [17] [18] [19] [20]}

같이 보기 [ 編輯 ]

• 드론
• 헬리패드
• 디지털카메라

參考 [ 編輯 ]

• {IT朝鮮 - (구름도 모르는 드론 이야기) ①드론, 어떻게 하늘을 날고 方向을 바꿀까요?} http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2017/03/25/2017032585002.html
• (쿼드로터드론의 映像基盤 自律飛行硏究를 위한 地上制御시스템 設計) https://scholar.googleusercontent.com/scholar?q=cache:5DESdwIonosJ:scholar.google.com/+%EB%93%9C%EB%A1%A0+%EC%9E%90%EC%9C%A8%EC%A3%BC%ED%96%89+&hl=ko&as_sdt=0,5&as_vis=1
• {(Aircopter) HexNanoMWC_QUAD - A modified MWC2.2 flight control for FlexBot quad board(open source project)} https://github.com/acejarvis/AirCopter/blob/master/README.md
• (플렉스봇 -드론) https://web.archive.org/web/20190109204926/http://www.flexbot.cc/wiki/index.php?title=Main_Page
• (멀티콥터龍 모터 選擇方法) https://www.internetmap.kr/entry/how-to-choose-the-right-motor-for-your-multicopter-drone
• ( ARM Cortex-M4 Processor)STM32F4 MCU(F303K8)
• (Quadcopter FC) http://www.brokking.net/ymfc-32_auto_main.html