Quadrotor-1부 쿼드로터는 어떻게 나는가!

 

 

요즘 예능 프로그램을 보면 항공 촬영 장면들이 많아졌는데요 자세히 보신 분들은 아시겠지만 쿼드로터를 이용한 항공 촬영인데요 쿼드로터는 한개의 신호로 4개 모터의 속도를 각기 다르게 변형하면서 자세를 제어하고 이동을 합니다. 이를 설명하기 위해 우선! 쿼드로터의 기본 동작 특성부터 살펴보도록 할겠습니다.

위 사진은 쿼트로터의 Sign convention 즉, 방향에 따른 부호 설정인데요 우리가 흔히 좌표에서 x축의 경우 0에서 오른쪽으로 가면 + 왼쪽으로 가면 -로 보죠? 그런것을 Sign Convention이라고 합니다. 아무튼 제가 설정한 쿼드로터의 Sign Convention은 위 그림과 같습니다. 모터 2와 3을 x축으로 모터 1과 4를 y축으로 하여 이동하게 설정하는 방법도 있지만 이 방법이 보다 더 더 안정적인 비행이 가능하므로 위 그림과 같은 방법으로 설명을 시작하겠습니다.

위 그림에 보시면 Pitch, Roll, Yaw라고 써있는게 보이시죠? 비행기 좌표 설정에서 많이 등장하는데요 저걸 Euler 좌표계라고 합니다 x 축으로의 회전을 Pitch, y축으로의 회전을 Roll, z축으로의 회전을 Yaw라고 하죠

그럼 만약 Pitch방향으로 회전하면 어떻게 될까요? 

위 그림에서와 같이 모터1과 모터2의 속도를 빠르게하고 모터3과 모터4의 속도를 느리게 한다면 모터1과 모터2쪽이 위로 올라가고 모터3 모터4쪽이 아래로 내려가면서 기체가 기울게 되고 그 상태를 유지하면 쿼드로터는 기울어진 상태로 전진하게 됩니다. 결국 Pitch방향으로 회전시킬경우 전후진 운동을 할수 있다는걸 알 수있죠. 이와 마찬가지로 모터1과 3의 속도를 빠르게하고 모터 2와 4의 속도를 느리게하면 Roll방향으로 회전되고 좌우 이동을 할 수 있습니다.

 그렇다면 회전운동은?

위 그림처럼 모터2와 모터3을 빠르게 회전시키고 모터1과 4를 느리게 회전시킵니다 그러면 오른나사 법칙에의해 모터2와 3으로 인해 회전하는 프로펠러는 반시계 방향으로 회전하는 힘을 받습니다(오른손 엄지손가락을 위로 향하게해서 나머지 손가락이 오그리는 방향을 확인해 보시면됩니다). 모터 1과 4는 시계 방향으로 회전하는 힘을 받게 됩니다. 아 여기서 제가 중요한 사실은 쿼드로터는 기본적으로 4개의 모터를 2개씩 짝지어서 반대로 회전하게 만듭니다. 즉 모터 1과 4는 시계방향으로 회전할 때 위로 향하는 힘을 받도록 만들고요, 모터2와 3은 반시계방향으로 회전할때 위로향하는 힘을 받도록 만드는것이죠, 이는 모터에 장착하는 프로펠러의 피치를 반대로 만듦으로서(이런 프로펠러를 역피치 프로펠러라 합니다) 해결할 수 있습니다. 

                         

 왼쪽 사진이 정피치 프로펠러이구요(반시계 방향으로 회전할 때 윗방향의 힘을 받죠) 오른쪽사진이 역피치 프로펠러 입니다. 공기의 흐름과 연관지어 잘 생각해 보시면 왼쪽 사진은 반시계 방향으로 돌때 공기를 밑으로 밀어내고 오른쪽 사진은 그 반대라는 것을 알 수 있어요 공기를 밑으로 밀어내면 작용 반작용 법칙으로 인해(Coanda Effect라고도 합니다) 위로 올라는 힘을 받겠죠

다시 위 그림과 같이 모터 2와 3을 빠르게 회전시키고 모터1과 4를 비교적 느리게 회전시킵니다 그러면 2와 3은 반시계방향으로 회전하려는 힘이 있고 1과 4는 시계방향으로 회전하려는 힘이 있는데 반시계 방향으로 회전하려는 힘이 더 크므로 힘이 상쇄되지 못하고 반시계방향으로 회전하게 됩니다. 이런식으로 회전 운동이 가능하게 됩니다.

결국 이렇게 간단한 모터의 속도 조절만으로 전후 좌우 회전운동이 가능하게 된다는게 쿼드로터의 장점입니다. 그렇다면 과연 어떻게 1개의 신호로 4개의 모터를 각기 다른 속도로 회전하게 할 수 있을까요? 이에 관해서는 다음글에서 계속하겠습니다.