how to, 아두이노 드론 #13 : 드론 모터와 배터리, drone motor and battery

1. 모터는 죽지 않는다, 다만 사라질 뿐.

 

우리가 원래 가지고 있던 모터의 두 전선중 한 전선이 끊어진 상태였다. 설계대로라면, 우리 드론은 쿼드콥터이기 때문에 모터가 하나 더 필요하다. 안타깝게도 인터넷에서는 모터 한개만 팔지 않아서 결국 4개를 구입하기로 했다. 프로펠러 구조체는 계속 사용할 예정이기 때문에 구조체의 구멍에 맞는 모터를 구입하는것이 필요한데, 원래 있는 모터의 지름은 대략 8.5mm정도였다. 인터넷 사이트에서 판매하는 드론 모터는 7mm와 8.5mm 사이즈가 두 개였다. 선택의 시간이다. 7mm짜리를 사자니 너무 헐거울 것 같고, 8.5mm짜리를 사자니 혹시라도 우리 구조체보다 크면 아예 사용하지를 못하게 될 것 같았다. 그래서 안전하게 7mm 모터를 구매했는데, 결과적으로는 정말 옳지 못한 선택이었다. 

 

7mm 모터를 사용한 드론

 

두 가지 문제가 발생했는데, 드론의 몸체가 계속 회전을 하고, 프로펠러중 한 개가 회전다가 멈춘다. 

 

사실 이 두 문제는 서로 연관돼있을 수 있는데, 프로펠러중 한 개가 멈추기 때문에 몸체의 회전이 생길 수 있다. 

 

평형을 이루는 모든 물체에는 작용힘과 반작용힘이 존재한다. 드론도 프로펠러가 회전하는 것 만큼 반대방향으로 몸체도 회전하는 힘(토크)을 가해야 평형을 이룰 수 있는데, 몸체에 토크를 가하는 별도의 장치를 만드는 것은 번거롭고 무게를 늘리기 때문에 4개의 프로펠러를 이용해서 각각의 토크를 상쇄시킨다. 밑의 그림에서 볼 수 있듯, 대각선으로 마주보는 프로펠러들은 같은 방향, 양옆의 프로펠러는 다른 방향으로 회전을 하면 몸체의 회전이 상쇄된다. 그런데 위의 영상에서 보면 프로펠러중 한 개가 중간에 회전을 멈춘다. 따라서 각 프로펠러의 토크를 상쇄해줄 수 없기 때문에 몸체가 회전하게 되는 것이다.

 

드론 프로펠러 회전방향

 

2. 그렇다면, 왜 프로펠러가 멈추는가?

 

지속적으로 문제가 생기는 프로펠러 연결부 구조체를 찬찬히 봤더니, 기어의 이빨 하나가 마모된 것을 확인했다. 

원래 기어의 이빨은 이렇게 각지게 생기지 않았고, involute 커브를 따른다. 단지 이해를 돕기 위해서 이렇게 표현했다.

 

위의 도형도를 보면, 중간에 마모된 기어를 표현했다. 물론 원래 기어는 저렇게 뾰족하게 생기지 않았다. involute 커브를 따라서 둥글게 생겼지만, 이해를 돕기 위해서 간단하게 표현한 것이다. 기어를 저렇게 표현하면 양현석 교수님이 화나실 수도 있다. 물론 필자도 A-를 받아서 양현석 교수님에게 불만이 아주 없지는 않다. 마이너스는 나쁘지 않은 성적도 나빠보이게 만드는 묘한 능력이 있다. 

 

다시  기어 얘기로 돌아가자면, 중간에 마모된 기어는 다른 기어들에 비해서 양 옆 간격이 굉장히 좁다. 그 결과로, 모터에 달려있는 피니언 기어(작은 기어)가 해당 마모된 기어를 지나갈 때면 과부하가 걸리면서 멈추는 것을 확인할 수 있었다. 이를 어떻게 할까 고민을 하다가 마모된 기어의 양 옆을 칼로 조금 깎았더니 멈추는 문제가 없이 잘 돌아가는 것을 확인했다. 

 

3. 그래서 드론은 나는가?

 

날지 못하고 있다.

 

4. 왜 날지 못하는가?

 

모터 자체의 추력(thrust)가 약한 것 같다. 7mm짜리 모터를 산 것이 앞서 설명한 것 처럼 잘못된 선택이었던 것 같다. 

 

그래서 혹시나 하는 마음에 출력 배터리를 두 개를 연결했다. 이전에 배터리 한 개로 4개의 모터에 전력을 공급한 설계에 비해서 바뀐 설계는 배터리 한 개가 2개의 모터에 전력을 공급하기 때문에 출력을 더 크게 낼 수 있을 것이라 예상했다. 결과는 다음과 같다. 

배터리 두 개를 연결한 모습

 

실험 결과에서 확인할 수 있듯이, 배터리 두 개를 연결한 것은 그다지 좋은 방법이 아니었던 것 같다. 출력이 강해진 만큼 무게도 늘어난 것이 확연하게 보였다. 실제로 배터리 한 개의 무게가 나머지 전체 드론의 무게와 맞먹는 만큼, 출력을 훨씬 강하게 하거나 무게를 줄이는 선택을 해야할 것 같다. 

 

우선은 모터를 프로펠러 구조체의 사이즈에 맞게 다신 주문하기로 했다. 8.5mm 두께의 모터를 주문했고, 추력이 더 좋으면서도 프로펠러 구조체와 잘 맞아들어가도록 기도해야겠다. 

 

 

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