[아두이노 드론] 드론 역학 - 힘

안녕하세요 와이엔지니어스입니다.

오늘은 간략하게 드론이 또는 드론에 작용하는 힘에 대해 알아보고자 합니다. 

프로펠러의 방향

아시다시피 드론은 프로펠러가 회전하는 힘으로부터 무게 (mg)를 이겨낼 수 있는 추력을 얻게 되죠. 

(아래 그림의 T1, T2, T3, T4)

그런데 자세히 살펴보시면 프로펠러의 회전 방향은 두개씩 같은 방향임을 알 수 있는데요.

그 이유는 회전 방향에 따라 모멘트가 발생하기 때문인데요. 쉽게 말해서, 회전하려는 경향이라고 보시면 됩니다.

즉, 모든 프로펠러를 시계방향으로 돌도록 부착해놓으면, T1, T2, T3, T4는 위로 향하겠지만,

모두 동일한 방향으로 모멘트가 발생해서 시계 방향으로 드론이 빙글빙글 회전하게 되겠죠?

이를 방지하기 위해, 모멘트의 평형상태를 유지하기 위해 프로펠러 부착 방향을 고려해준답니다.

힘의 곡선

각각의 프로펠러들이 두개씩 시계 그리고 반시계 방향으로 열심히(?) 회전하면, 위로 추력이 발생하는데요.

(아래 그림의 빨간 곡선)

속도가 증가할수록 힘이 증가하는걸 알 수 있어요. 

이는 프로펠러가 회전하면서 공기에 힘을 가하고, 

뉴턴의 제 3법칙으로 공기가 프로펠러에 다시 힘을 가함으로써 추력을 얻게 된다고 생각하시면

당연하게 여겨지실거에요. 

이 추력들의 합이 mg 값 이상이 되어야 드론이 날 수 있겠죠? (또 너무 당연한 소리를....)

어쨌든 이때 각 모터는 최소 mg/4 이상의 힘을 내야하는데요. 

이를 내기 위해 최소 회전 속도가 존재하고, 아래 그림에서 Wo라 표시된 부분을 확인할 수 있어요.

Wo 이하의 속도에서는 회전은 하지만 기체가 뜨지는 않는 그런 상태죠.

또한 이때 추력 뿐만 아니라 항력 또한 발생하게 됩니다. 항력으로 인한 모멘트가 좀 더 정확한 표현일 듯한데요.

이 모멘트를 모터가 이겨내야하고, 이를 이겨낼 수 있는 모터를 선택해야 합니다. 

그러니, 이 값에 따라 모터 사이즈가 결정될 수도 있겠죠??

오늘은 간략하게 여기서 마칠게요!!

참고문헌

1) http://www.gaensehof-sylt.de/index.php?id=43863

2) 모터 곡선 그림 : Aerial Robotics 강연 강의자료