[드론 교관 필기 시험 요점정리] 2. 무인비행장치 시스템 및 기체운용

무인비행장치 시스템 및 기체운용에서는

크게 추진시스템(모터, ESC, 배터리, 프로펠러)과

비행제어시스템(비행제어컴퓨터, GNSS, IMU)으로

나누어 공부하면 좋습니다.

 

⊙ 추진시스템 - 모터

# 브러쉬 DC 모터(Brushed DC Motor)

• 브러쉬와 정류자의 기계식 접점으로 인해 발열과 소음 발생
• 브러쉬 마모에 따른 수명 한계 존재

# 브러쉬리스 DC 모터(Brushless DC Motor)

• 회전수 제어를 위해 별도의 전자변속기(ESC) 필요
• 브러쉬 DC 모터에 비해 수명 및 내구성 우수
• 모터에 인가되는 전류가 클수록 강한 토크 발생

# 모터의 속도상수(Kv)

• 무부하 상태(모터가 돌아갈 때 아무런 방해를 받지 않는 상태)에서 모터의 전압 1V 인가될 때 모터의 회전수
• 동일한 전류가 흐른다고 하면, 
  • Kv가 작을수록 큰 토크 발생
  • Kv가 클수록 작은 토크 발생
• 동급 사이즈 모터에서 Kv가 클수록 빠른 회전을 위해 큰 토크가 필요함 -> 많은 전류 소모 -> 발열 가능

# 모터의 토크/회전수/소모전류 관계

• 모터에 인가되는 전압이 일정할 때 모터의 회전수와 토크는 반비례 관계
• 토크와 소모 전류는 비례 관계
• 프로펠러는 모터의 부하 요소(직경과 피치가 커질수록 부하 증가)
• 모터의 순간적 토크를 생성하기 위해 배터리 방전률(C-rate) 확보 필요
• 모터에 부하가 걸릴 때 발생하는 현상
  • 모터 부하 걸림 -> 회전수 감소 -> 토크 증가 -> 소모 전류 증가 -> 발열
  • 과부하 걸릴 시 모터 과열 및 전자변속기 및 배터리 수명에 악영향
  • 과부하 및 과열 확인을 위해 비행 후 모터 및 전자변속기 온도 체크 필요

⊙ 추진시스템 - ESC

• 전자변속기(ESC)
  • 일반적으로 3상 전기를 이용해 BLDC 모터 회전수 제어
  • 배터리의 전력을 BLDC 모터로 전달
  • 모터의 최대 소모전류를 허용할 수 있는 전자변속기 사용
  • 신호 잡음이 발생할 수 있으므로 통신 및 전자장비 등에 영향이 적은 위치에 장착
• 전자변속기 특징 및 제어 성능
  • 전자변속기 과열 방지를 위한 냉각(모터 과부하 시)
  • 정밀한 자세 제어를 위한 모터 회전수 제어

 

⊙ 추진시스템 - 배터리

# 리튬폴리머 배터리 특징 및 주의사항

• 자연 방전률이 낮아 장기간 보관 가능(50~70%충전상태로 보관)
• 메모리 현상이 거의 없음
• 연료전지와 비교하여 에너지 밀도가 낮지만 순간 방전률이 높음
• 배터리 외형 손상 시 주의사항
  • 내부 손상이 있을 경우 시간이 경과 후 화재 발생 가능(폐기
  • 충전 및 비행을 통한 테스트 금지
  • 다른 배터리들과 함꼐 보관 금지
• 완전 충전 후 보관 금지, 과방전 금지
• 배터리 폐기 시 주의사항
  • 환기가 잘 되는 곳에서 소금물을 이용해 완전 방전 후 폐기(유독성 기체 주의 필요)
  • 전기적 저항요소를 배터리에 연결하여 완전 방전 후 폐기
  • 비행을 통한 방전 금지
  • 전기적 단락을 통한 방전 금지
  • 장기간 보관을 통한 방전 금지

# 리튬폴리머 배터리 특징 및 주의사항

• 배터리 사용 중 전기적 단락 시 주의사항
  • 과방전으로 인해 충전기 인식이 안 될 경우 충전 금지
  • 시간 경과 후 화재 발생 가능(안전을 위해 배터리 폐기)
  • 배터리 화재가 발생할 경우 열폭주 현상을 막기 위해 신속한 냉각 필요
• 배터리 사용(충/방전) 횟수 증가에 따른 주의사항
  • 배터리 내부 저항 증가로 사용 시 전압강하 증가
  • 배터리 내부 저항 증가로 방전률 저하
  • 비행 시간 단축에 대한 고려 필요

 

⊙ 추진시스템 - 프로펠러

# 리튬폴리머 배터리 특징 및 주의사항

• 배터리 사용 중 전기적 단락 시 주의사항
  • 프로펠러 규격 (직경) X (피치)
  • 직경은 프로펠러가 만드는 회전면의 지름
  • 피치는 프로펠러가 한 바퀴 회전하였을 때 앞으로 나아가는 거리 (기하학적 피치)
  • 동일한 회전 수에서 직경과 피치가 증가할 경우 추력 증가

• 프로펠러 효율
  • 저속비행을 하는 비행체는 저 피치 프로펠러가 효율이 좋음
  • 고속비행을 하는 비행체는 고 피치 프로펠러가 효율이 좋음
  • 가변피치 프로펠러를 통해 넓은 속도 영역에서 프로펠러 효율 향상 가능
• 프로펠러 진동
  • 프로펠러의 무게중심과 회전중심의 불일치로 인한 진동
  • 프로펠러 부분 손상으로 인해 진동 발생 가능
  • 프로펠러 회전수에 따라 진동 주파수 변화
  • 특정 회전수에서 공진 발생 가능 -> 회전수가 낮아도 큰 진동 발생 가능
  • 프로펠러 밸런싱을 통해 진동 저감 가능
  • 탑재 무게 및 구조물 유격에 따라 진동 영향 변화 -> 센서 악영향 -> 적절한 진동 댐퍼 고려 필요

 

⊙ 비행제어시스템 - 비행제어컴퓨터

# 비행제어컴퓨터(FC)

• 비행제어를 통해 비행 안정성 및 조종성 확보
• 비행제어 원리 및 특징
  • 비행제어는 제어명령과 센서로부터 측정한 기체 상태값 필요
  • 기체의 현재 상태가 제어명령을 따라가도록 제어 수행
  • 센서의 측정치 반드시 필요 -> 심각한 센서 오차 발생 시 추락 가능
  • FC는 조종사의 조종명령이 없어도 지속적으로 비행 안정석 확보를 위한 제어명령 생성 및 조종 수행

# 무인멀티콥터 비행제어 특징

• 비행조종 모드에 따른 조종 특성
  • 자세각속도제어 모드: 조종사의 자세 변화율 제어 명령에 따라 조종(IMU 센서 사용)
  • 자세제어 모드: 조종사의 자세 조종 명령에 따라 조종(IMU 센서 사용)
  • 속도/위치(경로점) 제어모드: 조종사의 속도/위치 조종 명령에 따라 조종(GNSS, 고도/가속센서(압력센서) 사용) -> 비행제어를 통해 비교적 쉬운 난이도로 제자리 비행 수행 가능
• 무인멀티콥터 비행제어 특징
  • 비행제어시스템의 도움없이 수동 조종만으로 비행 안정성 확보 어려움(비행 안정성 확보 위해 제어 필수)
  • 비행제어시스템에 대한 의존도 높음
  • 비행 안정성 증대를 위해 자세 안정화 제어 필요(IMU 필요) -> IMU 오류 시 비행 안정성 확보 어려움
  • 프로펠러 회전수 제어 방식으로 인해 비행 안정성을 확보하는데 어려움

⊙ 비행제어시스템 - GNSS

# 위성항법시스템(GNSS)

• 위성항법시스템에는 GPS(미국), GLONASS(러시아), GALILEO(유럽), BEIDOU(중국)가 있음
• 위성항법시스템 특징
  • 위성신호(외부신호)가 반드시 필요(4개 이상의 위성신호)
  • 지구 전역에서 기체의 항법 데이터(3차원 위치(위도/경도/고도), 3차원 속도, 이동방향, 시간) 측정 가능
  • L밴드(1.2~1.5GHZ) 대역의 위성신호 사용 -> L밴드 대역의 다른 신호 및 잡음에 의한 전파 간섭 발생 가능

# 위성항법시스템 오차

• GNSS의 위치 오차를 발생시키는 다양한 요소 존재
  • 위성신호 전파 간섭, 전리층 지연 오차, 다중 경로 오차(건물 및 지면 반사), 위성 궤도 오차, 대류층 지연 오차, 수신기 잡음 오차 등 -> 바람등에 의해 GNSS 오차가 발생하지는 않음
• GNSS의 항법 오차 발생 시 주의 사항
  • 기체 고도 및 수평 위치 유지 성능 저하 -> 기체 불안정 발생 가능
  • 건물 근처에서 항법 오차로 인해 건물에 충돌 주의
  • 비행제어시스템에서 GNSS의 항법 오차를 인식하지 못할 수 있음

# 위성항법시스템 RTK

• 기준국으로부터 오차 보정 신호를 받아 실시간으로 정밀 항법(cm급) 수행 가능
• 위성항법시스템의 실시간운동학(RTK) 특징
  • 정확한 위치정보를 확보한 기준국으로부터 오차 보정 신호 필요
  • 기준국으로부터 멀어질수록 항법 정확도는 낮아짐
  • GNSS가 동작하는 실외에서 사용 가능

# 위성항법시스템 정밀도

• GNSS 위성 배치에 의한 정밀도 영향
  • 수신 중인 위성의 배치에 의해 정밀도 희석(DOP) 변화
  • DOP(Dilution of Precision)가 낮을 수록 정밀도가 높음
  • 높은 빌딩 등에 의해 위성 신호가 가려질 경우 DOP에 영향
  • DOP의 모니터링을 통해 항법 정밀도 저하에 의한 사고 대비

⊙ 비행제어시스템 - IMU

# 관성측정장치(IMU)

• 관성측정장치는 가속도계, 자이로스코프, 지자계 센서 등으로 구성 -> 자세제어 및 자세각속도제어 활용
• 관성측정장치를 통해 가속도, 자세각속도, 자세각도 등을 측정 및 계산
  • 자이로 센서 -> 가속도 측정 -> 자세각 계산 가능
  • 자이로스코프 -> 자세각속도 측정
  • 지자계 센서 -> 기수 방위각 측정
  • 가속도계, 자이로스코프, 지자계 센서 정보를 융합하여 데이터 추정

# 관성측정장치 진동 및 초기화

• 미세전자기계시스템(MEMS) 관성측정장치의 진동 유의사항
  • 소형 무인멀티콥터에는 MEMS 관성측정장치가 주로 활용됨
  • MEMS IMU의 경우 프로펠러 진동에 영향을 받아 자세 오차 발생 가능
  • 기체 구조물의 유격 등에 의한 진도에 영향을 받아 자세 오차 발생 가능
  • 진동에 대비하기 위해 진동 특성이 다른 MEMS IMU를 다중으로 사용 가능
  • 진동에 강인한 광섬유 기반 IMU, 링레이저 기반 IMU 등이 있음
• 관성측정장치 초기화 시 주의사항
  • 초기화 시 되도록 기체를 움직이지 않아야 함 -> 움직였거나 충격 가했을 시 전원 재인가 및 초기화 재수행
  • 초기화가 비정상적으로 수행될 경우 이륙 직후 기체 자세가 불안정해질 수 있음

⊙ 비행데이터 분석

# 비행데이터 저장 및 분석

• 비행데이터 저장 시 주의사항
  • 기체의 이상 여부를 분석하기 위해서는 가급적 빠른 주기로 저장된 미가공 데이터 필요
  • 각 센서 및 모듈에서 저장된 데이터의 저장 주기가 다를 수 있음
  • 저장매체의 여유 공간이 없을 경우 데이터 손실 가능
• 기체 이상 및 원인 분석 주의사항
  • 기체의 이상 기동 및 추락의 원인은 센서 오류, 구동기 오류, 비행제어 불안정, 환경적 요인을 복합적으로 확인
  • 저장된 비행데이터는 센서 데이터 저장 -> 센서 오류 시 부정확한 데이터 저장
  • 기체 이상 및 추락 원인을 명확하게 분석하기 위해서는 별도의 계측 장비가 필요할 수 있음
  • 기체의 진동으로 인해 기체 이상 기동 및 추락이 발생할 수 있음