무인멀티콥터 드론 조종사 입문 비행 원리 이해

초경량비행장치 무인멀티콥터 드론 조종사 입문에 있어 알아야 하는 기본 사항 중 하나는 비행원리의 이해이다. 이에 드론 운용을 함에 있어 드론 조종사로서 알고 있어야 하는 비행원리인 비행체에 작용하는 힘, 풍란의 구조와 기능 비행원리와 비행 항공 역학에 대하여 알아보겠다.

 

드론은 카메라, 센서 및 기타 장비를 장착 리모컨이나 컴퓨터를 사용하여 특정 경로를 비행하거나 특정 지침을 따르도록 프로그래밍할 수 있다. 농업 영화 제작 패키지 배송 재해 구호 활동 과학 연구 군사용 수색및 구조 작업과 같은 인간이 수행하기 어렵거나 위험한 다양한 작업에 널리 사용됨으로써 드론 조종사 입문에 관심이 높다면 비행원리 이해는 필 수이다.

 

무인멀티콥터 드론 조종사 입문 비행원리 이해

 

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1. 비행체에 작용하는 힘

무인멀티콥터 드론과 같은 비행체가 비행할 때 작용하는 기본 힘은 양력, 무게(중력), 추력 및 항력이다. 동체에 날개가 고정되어 있는 드론 및 항공기는 고정된 날개면을 가지고 그 날개면에서 발생하는 양력으로 비행하게 되는 것이다.

 

양력은 무게에 대항하여 항공기가 공중에 머물 수 있도록 하는 힘이다. 양력은 공기가 날개 위아래로 흐를 때 항공기의 날개에 의해 생성되어 항공기를 들어 올리는 기압의 차이를 만든다.

 

무게는 항공기에 작용하는 중력이다. 중력은 항공기를 지구 쪽으로 끌어내리고 양력에 의해 상쇄된다.

 

추력은 항공기를 앞으로 나아가게 하는 힘이다. 추력은 엔진이나 프로펠러에 의해 생성되며 항공기가 항력을 극복하는 데 도움이 된다.

 

항력은 추력에 반대하는 힘이며 항공기가 대기를 통해 이동할 때 항공기의 공기 저항으로 인해 발생된다. 향력은 항공기의 모양과 크기에 영향을 받으며 유선형 및 기타 공기역학적 설계 기능을 통해 줄일 수 있다.

 

비행하기 위해서는 이 네 가지 힘이 안정적인 비행을 유지할 수 있는 방식으로 균형을 이루어야 한다. 또한 항공기의 파일럿 또는 자동 조종 시스템은 이러한 균형을 유지하기 위해 항공기의 자세와 속도를 지속적으로 조정해야 하며 바람이나 난기류와 같은 환경 변화도 고려한다.

 

2. 풍판(Airfoil)의 구조 및 원리

풍판 airfoil은 물체가 공기를 통해 이동할 때 양력을 제공하고 항력을 줄이도록 설계된 날개 또는 블레이드의 단면 모양이다. 윗부분은 두껍고 아랫부분은 가늘게 휘어진 형태로 공기가 아랫부분보다 윗부분으로 더 빨리 흐르도록 하여 양력을 발생시키는 기압의 차이를 만들어 낸다.

 

풍판 구조는 용도에 따라 다를 수 있으나 일반적으로 리딩에지(leading edge), 트레일링에지(trailing edge) 및 이 둘을 연결하는 곡면으로 구성된다.

리딩 에지는 풍판의 전면 에지이고 트레일링 에지는 후면 에지이다. 풍판 표면의 곡률을 캠버라고 하며 풍판이 생성하는 양력의 양을 결정한다.

 

풍판의 원리는 유체(예: 공기)의 속도가 증가하면 압력이 감소한다는 Bernoulli의 원리를 기반으로 한다. 풍판이 공기를 통해 이동할 때 풍판의 모양으로 인해 공기가 풍판 아래보다 상단에서 더 빠르게 이동하여 풍판 위에 저압 영역과 그 아래에 고압 영역이 생성 이 압력 차이로 인하여 항공기가 중력을 극복하고 공중에 머물 수 있도록 양력을 발생시키는 것이다.

 

풍판을 익현선, 전연반경, 평균캠버선, 캠버의 4가지 구조를 갖는다

 

익현선은 전연과 후연을 연결하는 직선, 전연반경은 전연과 풍파의 상·하부 캠버에 내접하는 원, 평균캠버선은 풍판의 상하면에 내접하는 가상의 원중심을 연결하는 선, 캠버는 익현선과 평균 캠버선 사이를 말한다.

 

익현선을 기준으로 대칭되는 여부에 따라 대칭형과 비대칭형 구분되며 대칭형은 양력=0각(받음각) 비대칭형은 양력>0각(받음각)으로 구분된다.

 

로터회전 시계 방향 취부각(붙임각) > 받음각 : 양력발생

로터회전 시계 방향 취부각(붙임각) < 받음각 : 음력발생

풍파의 익현선길이가 짧으면 박리 양력감소, 길면 난류 양력 증가가 발생된다.

 

비행조종장치에는 메인로터의 피치각(취부각)을 조종하여 항공기의 양력음력을 조절하는 컬렉티브 피치조종(collective pitch control)과 회전축을 기울임으로써 비행체를 전 후 좌우 방향으로 이동시키는 사이클릭 피치조종(Cyclic pitch control)이 있다.

 

드론 무인멀티콥터 헬리콥터(동력비행 powered flight) 비행

 

다음과 같이 제자리비행 수직상승비행 전진비행 측면비행 선회비행 자동회전이 있다.

 

가. 제자리비행 (Hovering)

호버링은 드론이 앞뒤로 움직이지 않고 공중에서 안정적인 위치를 유지할 수 있도록 해주는 드론 비행의 필수 기능이다.

드론은 기압계, 가속도계, 자이로스코프, GPS 및 광학 흐름 센서를 포함하여 안정성을 유지하고 제자리에 유지하기 위해 센서와 제어 시스템의 조합에 의존한다.

1. 기압계는 드론이 고도를 결정하는 데 도움이 되는 기압을 측정한다. 기압을 지속적으로 모니터링함으로써 드론은 안정적인 호버링을 유지하기 위해 고도를 조정한다.
2. 가속도계는 속도 변화를 측정하고 자이로스코프는 방향 변화를 측정한다. 드론의 움직임이나 기울기를 감지하고 모터를 조정하여 안정성을 유지한다.
3. GPS(Global Positioning System)는 드론에 위치, 속도 및 방향을 제공한다. 드론이 호버링 하는 동안 위치와 방향을 유지하는 데 도움이 된다.
4. 광학 흐름 센서는 시각적 신호를 사용하여 지면에 대한 드론의 움직임을 결정한다. 아래 지면 패턴의 변화를 추적함으로써 드론은 안정적인 호버링을 유지하기 위해 위치를 조정할 수 있다.

제자리비행은 헬기의 주회전익 장치가 하나뿐인 경우 테일로터에서 발생하는 추력으로 인하여 추력방향으로 움직이는 현상인 편류와 헬리콥터에서 메인로터가 회전할 때 로터에서 나타나는 회전력 토크작용에 의한다. 토크는 회전축 둘레의 힘의 양 특정물체의 회전시키는 효력의 물리량이다.

 

호버링을 통해 드론은 항공사진 및 비디오 촬영, 수색 및 구조 작업, 감시를 포함한 광범위한 작업을 수행할 수 있는 것이다.

 

나. 수직상승비행(Vertical flight) :

양력과 추력이 중력과 항력보다 크면 기체가 수직 상승 [양력 +추력 > 중력 + 항력]

 

수직 비행: 수직 비행은 드론이 활주로나 길고 평평한 표면 없이 수직으로 이착륙하는 기능입니다. 쿼드콥터와 같은 대부분의 멀티로터 드론은 모터 속도와 기울기를 사용하여 수직 이동을 제어한다. 로터의 속도와 기울기를 조정하여 드론을 위아래로 움직이거나 공중에서 안정적인 호버링을 유지할 수 있다

 

다. 전진비행(forward flight)

[비행고도 다소 ↓ /전진속도 ↑] → 회전면이 앞으로 기울면서 양력의 일부가 추력으로 전환

 

메인로터의 회전면을 앞으로 기울게 함으로써 기체가 전진하도록 하는 것이다. 전진 비행을 달성하기 위해 드론은 몸을 앞으로 기울이고 이로 인해 추진력이 전방으로 이동한다. 그런 다음 드론은 가속도계, 자이로스코프, GPS와 같은 제어 시스템을 사용하여 앞으로 이동하는 동안 안정성과 방향을 유지한다.

 

라. 측면비행(sideward flight)

[유해항력 ↑ /불안정] → 고도를 높여 안정화

 

측면 비행은 안정적인 고도와 방향을 유지하면서 어느 방향으로든 수평으로 이동할 수 있는 드론의 기능이다. 메인로터 회전면에 기울기를 주어 비행체의 좌우로 수평하게 움직이는 것이다.

측면 비행을 달성하기 위해 드론은 본체를 측면으로 기울여 추력을 원하는 방향으로 이동시킨다. 그런 다음 드론은 제어 시스템을 사용하여 옆으로 이동하는 동안 안정성과 방향을 유지한다.

 

마. 선회비행(turning flight)

상공에 한 점을 중심으로 두고 항공기의 회전면을 중심으로 기울여 원운동을 수행하는 비행이다.

선회 비행을 하기 위해 드론은 로터의 속도와 기울기를 조정하여 드론이 중심축을 중심으로 선회하도록 한다. 그런 다음 드론은 제어 시스템을 사용하여 회전하는 동안 안정성과 방향을 유지한다.

 

바. 자동회전(Autorotation)

자동 회전은 드론이 정전 시 안전하게 착륙하기 위해 사용하는 기술이다. 자동회전은 동력원 (엔진모터)이 아닌 바람 상대풍등의 외부의 힘으로 회전하는 것이다. 동력고장 시 비행 시 추락위험을 막으며 동력재연길을 시도하기 위하여 자동회전을 통하여 일정시간 하강비행이 가능하도록 하는 것이다.

 

자동 회전 모드에서는 모터가 고장 나더라도 드론의 로터가 계속 회전하여 드론이 안전하게 지면으로 미끄러지듯 내려간다. 비행 중 엔진 정상화되면 엔진 메인로터에 재 연결을 할 수 있게 된다.

자동 회전을 수행하기 위해 조종사는 로터가 자유롭게 회전할 수 있도록 스로틀을 줄인 다음 드론의 방향과 공격 각도를 조정하여 양력을 유지하고 하강을 제어한다

 

하늘을날고있는드론

 

토크 반토크 항공역학

토크는 축을 중심으로 회전을 일으키는 힘이며, 드론 비행과 관련하여 드론이 수직축을 중심으로 회전하도록 하는 드론의 로터에 의해 생성되는 힘이다.

드론의 로터가 반대 방향으로 회전하면 각 로터에서 생성된 토크가 상쇄되고 드론이 안정적으로 유지된다. 그러나 드론에 홀수 개의 로터가 있거나 로터가 같은 방향으로 회전하는 경우 각 로터에서 생성된 토크가 상쇄되지 않고 드론에 회전력이 발생하게 된다.

 

반토크는 드론의 로터에서 생성된 토크를 상쇄하는 데 사용되는 상쇄력이다. 대부분의 멀티로터 드론에서 이 힘은 메인 로터와 반대 방향으로 회전하는 테일 로터에 의해 생성되어 메인 로터에서 생성된 토크를 상쇄하는 힘을 생성한다.

조종사는 한 세트의 로터에서 추력을 높이고 다른 세트에서 추력을 낮추어 토크의 불균형을 만들고 드론을 회전시킬 수 있다.

토크와 반토크 개념을 이해하는 것은 드론 조종사가 안정적이고 제어된 비행을 달성하는 데 필수적이다.

 

 

이상 드론 무인멀티콥터 비행체에 작용하는 힘은 상대풍에 수직으로 작용하는 양력, 목적방향으로 움직이게 하는 추력, 추력의 반대방향으로 작용 진행되는 운동을 저해하는 항력, 중량(무게)은 비행체에 작용하는 중력으로 수직 하강하는 방향으로 작용하는 중력의 4가지라는 점과 양력을 발생시키기 위한 날개 풍파의 구조와 기능 그리고 비행 및 토크 반토크에 대하여 알아보았다.