일반적인 드론은 여러 개의 모터로 비행과 방향 전환을 수행하지만, 소프트웨어 엔지니어인 조슈아 바르드 (Joshua Beard) 가 1 개의 모터만으로 비행과 방향 전환이 가능한 드론을自作했습니다. 3D 프린터로 제작한 특수 프로펠러와 모터의 회전을 고속으로 조정하는 장치 덕분에 침실에서의 비행 실험에 성공했다는 것입니다. I Built a Drone With Only One Motor - YouTube
일반적인 드론에서 널리 채택된 '쿼드콥터'는 4 개의 모터와 프로펠러를 탑재하고 있습니다. 각 프로펠러의 회전 속도를 변경하여 기체를 기울이고, 전후 좌우로 이동하거나 방향을 전환하는 방식입니다.
반면, 모터를 1 개로만 하면 기체 구조를 단순화할 수 있지만, 비행 자세 제어가 어려워집니다. 프로펠러를 회전시키면 반작용으로 기체가 반대 방향으로 회전하려는 경향이 있으므로, 안정적인 비행에는 특별한 노력이 필요합니다. 바ード氏は 모터의 회전력을 세밀하게 변화시켜 프로펠러의 양력을 조절하면서 기체의 자세를 제어하는 방법을 고안했습니다. 아래 이미지는 바ード氏が 설계한 드론의 3D 모델입니다. 빨간색 원통형 기체 상단에는 1 개의 모터와 2 개의 날개를 가진 프로펠러가 장착되어 있습니다.
프로펠러의 중심에 설치된 45 도 각도의 힌지가 방향 전환의 핵심입니다. 힌지는 부품을 일정한 방향으로 움직일 수 있는 연결 부분으로, 모터가 가속되면 프로펠러의 날개들이 서로 다른 방향으로 기울어지도록 설계되었습니다. 날개 좌우에 발생하는 양력의 차이를 이용하여 기체를 앞뒤 좌우로 기울일 수 있습니다.
그러나 프로펠러는 분당 약 2 만 회라는 고속으로 회전하므로, 단순히 모터를 가속시키면만으로는 원하는 방향으로 기체를 기울일 수 없습니다. 바드氏は 프로펠러의 회전 각도에 맞춰 1 초당 약 300 회씩 모터의 회전력을 조절하는 장치를 개발했습니다. 분당 2 만 회 회전 시 프로펠러가 1 회전하는 데는 약 3 밀리초밖에 걸리지 않으며, 제어 지연이 0.2 밀리초만 발생해도 약 24 도 회전해버립니다. 이에 따라 바드氏は 모터 제어용 프로그램을 개선하여 0.2 밀리초 미만으로 회전력을 조절할 수 있도록 만들었습니다.
하지만 초기 프로토타입에서는 프로펠러가 진동하여 비행이 불안정해지는 문제가 발생했습니다. 원인을 규명하기 위해서는 고속 회전 중인 프로펠러의 움직임을 확인해야 합니다. 바드氏は 모터의 회전 각도와 카메라의 셔터, 플래시를 동기화하는 장치를 직접 제작했습니다. 일정 타이밍에 플래시를 점멸시킴으로써 고속 회전 중인 프로펠러를 정지된 것처럼 촬영할 수 있는 메커니즘을 구현했습니다.
촬영 결과 프로펠러 날개가 크게 휘어 진동이 발생하고 있음을 확인했습니다. 바드氏は 프로펠러 소재를 변경하여 강도를 높이고 진동을 억제하는 데 성공했습니다.
또한 비행 중에는 비행체 자체가 회전하므로 드론이 어떤 방향을 향하고 있는지 파악해야 합니다. 바드氏は 침실 모서리에 적외선을 방출하는 장치를 설치하고, 비행체가 1 회전할 때마다 적외선을 감지하여 방향을 판단하는 방식을 채택했습니다. 또한 프로펠러 회전으로 인한 반작용을 억제하기 위해 적색 날개를 비행체에 장착하고 모터 회전력을 조절함으로써 비행체의 회전도 제어하고 있습니다. 이러한 개선들을 거듭한 결과, 바드氏は 침실 내에서 드론을 비행시키는 데 성공했습니다.
바드氏は 드론 설계 데이터 및 제어 프로그램을 GitHub 에서 공개하고 있습니다. 공개 당시에는 실내 적외선 장치가 비행에 필요하지만, 향후 주변 경관을 가는 선 형태로 읽는 카메라를 탑재하여 적외선 장치에 의존하지 않고도 비행할 수 있도록 할 계획이라고 합니다.
원문 보기 | 출처: Gigazine