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드론 만들기 - 프로펠러(Propeller)

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by kwangpil 2020. 3. 28. 18:45

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완전 초짜의 드론 만들기 도전! 도전! 도전~!입니다.
맨땅에 헤딩~

인터넷 검색, 관련 사이트를 참고하여 Pixhawk 4를 이용한 중/소형 드론을 만들려고 하고 있습니다.

참고만 하세요~!


시끄러운 소리를 내며 날고 있는 드론을 보면 얼굴이 찡그리면서도 눈을 떼지 못하고 쳐다본다.

헬리콥터처럼 프로펠러가 빠르게 돌아가면서 드론을 떠오르게 한다는 것은 알고 있지만, 그래도 눈에 확~하고 보이는 것이 없으니 마냥 신기하기만 하다. 드론을 날개하는 프로펠러에 대해서 한번 알아보자~.

 

 

1. 프로펠러(propeller)는 어떻게 이런 힘을 만들어내나?

 

프로펠러모터의 회전력추력/양력(thrust)으로 변환하는 장치이다.

 

프로펠러가 있는 비행기 (출처: www.wikipedia.org)

추력이란 비행체의 운동 방향 또는 비행 방향으로 추진력을 가해주는 힘을 말한다. 예를 들자면 비행기의 프로펠러는 프로펠러가 비행하는 반대 방향으로 공기를 밀어내며 그 반작용으로 추력을 만들어서 앞으로 비행하게 만든다.

 

드론 (출처: www.wikipedia.org)

양력이란 비행체위로 뜨게 하는 힘으로, 드론의 프로펠러나 헬리콥터의 프로펠러가 회전하면서 양력을 만들어낸다.

 

프로펠러에서 만들어지는 양력은 뉴턴의 제2운동법칙 가속도 법칙제3 운동법칙 작용과 반작용의 법칙으로 설명할 수 있다.

 

 

에어포일(airfoil) 양력 발생 원리(출처: www.wikipedia.org)

 

비행기 날개나, 드론과 헬리콥터 프로펠러의 날개 단면을 에어포일(airfoil, 또는 익형)이라고 하는데 위의 그림은 에어포일을 가로지르는 공기 흐름을 보여주고 있다.

 

에어포일 위쪽의 공기 흐름을 보면, 공기는 에어포일을 위를 흐르다가 아래쪽으로 공기 흐름 방향이 바뀐다. 가속도 법칙에 따르면 이와 같이 공기 흐름의 방향이 바뀌려면 공기를 아래로 당기는 힘이 외부에서 가해져야 한다. 즉, 공기 흐름의 방향이 에어포일에서 힘을 받아 아래로 바뀌었을 알 수 있다. 이때 작용과 반작용 법칙에 따라 에어 포일에 위로 향하는 반작용 힘이 발생하게 되는데, 이 힘이 드론을 날아오르게 하는 양력이다(이러한 현상은 대부분 에어포일의 윗부분에서 발생한다).

 

에어포일에서는 에어포일 윗면과 아랫면 사이의 공기 흐름 속도에 따른 압력차양력발생하기도 한다.

 

Cambered airfoil (출처: www.wikipedia.org)

 

많은 에어포일은 에어포일의 윗부분을 아랫부분보다 더 굴곡지게 만든 Cambered airfoil 형태이다. 이런 에어포일은 에어포일 위쪽의 공기 흐름을 아랫면보다 더 빠르게 만들어 에어포일 위와 아래의 공기 흐름 속도가 달라진다. 그러면 베르누이 원리에 따라 에어포일의 윗면에는 높은 압력, 아랫면에는 낮은 압력이 발생해서 압력차가 발생하는데 이로 인해서 에어포일에 양력이 발생한다.

 

실제 대부분의 에어포일에서 만들어내는 양력은 작용과 반작용으로 발생하는 양이 대부분이다.

 

 

2. 프로펠러의 재질은?

 

빠르게 회전하는 프로펠러에서 가장 중요한 재질의 특성강성이다.

 

강성이 낮은 프로펠러는 프로펠러가 최대 속도로 회전하면 부드러워지면서 구부러진다. 프로펠러에 이런 변형이 발생하면 양력뿐만 아니라 비행 안정성까지 떨어질 수 있고 시끄러운 소음까지도 발생할 수 있다.

 

물론 높은 강성이 좋은 것만은 아니다. 드론 비행 중 프로펠러에 외부 충격이 강하게 가해지면 프로펠러가 파손되어 매우 위험할 수 있다. 따라서 충돌이 잦은 레이싱 드론의 경우에는 강성이 낮은 프로펠러가 더 적합하지만, 카메라를 장착한 드론이나 대형 드론의 경우에는 안전한 비행을 위해서 강성이 높은 소재를 사용하는 것이 좋다.

 

프로펠러 재료로 많이 사용하는 재료들의 장, 단점은 아래와 같다.

 

- 나무

 

나무 프로펠러(출처: www.hobbyking.com)

 

가볍다. 하지만 강성이 낮아 빠른 속도로 회전할 때 변형이 발생할 수 있다. 또 강도도 낮아 충격에 약하다. 플라스틱 프로펠러에 비해서 가격도 비싸다.

 

요즘은 후처리를 해서 강도와 강성을 높인 제품이 판매되기도 하지만 가격이 비싸다.

 

- 플라스틱

 

플라스틱 프로펠러 (출처: www.hobbyking.com)

 

가볍고 저렴하며 내구성도 좋다. 하지만 요즘 많이 사용하고 있는 강화 플라스틱에 비해서는 강도와 강성이 떨어진다.

 

낮은 강성으로 프로펠러에 큰 부하가 가해질 경우 프로펠러가 휘어지기 쉬워 안정성이 떨어진다. 비행 후 프로펠러 겉면에 하얀색 선(white cerease line)이 나타나면 곧 파손이 일어날 수 있다는 의미이므로 더 이상 사용하지 말고 교체해야 한다.

 

경제적인 요인으로 플라스틱 프로펠러는 여전히 많이 사용되고 있다. 저렴한 드론의 프로펠러는 대부분 플라스틱 소재며, 실제 소형 드론에는 많이 사용된다.

 

- 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)

 

탄소섬유강화 플라스틱 프로펠러 (출처: www.hobbyking.com)

 

플라스틱에 탄소 섬유(carbon fiber)를 첨가한 강화 플라스틱의 한 종류이다.

 

일반 플라스틱뿐만 아니라 다른 강화 플라스틱에 비해서도 강도와 강성이 매우 높다. 따라서 고속 회전 시 진동적고 소음도 다른 재료에 비해 낮다. 높은 강도로 충격에 강해서 비행 중 부러질 위험이 낮다.

 

플라스틱보다도 가벼워 관성이 낮아 반응성이 좋다. 즉 고속 회전 시에도 비행 속도 변경이 빠르게 이루어진다.

 

다른 강화 플라스틱에 비해서도 가격이 비싸다. 또 높은 강도와 강성으로 인해서 프로펠러에 가해지는 외부 충격이 그대로 모터에 전달되어 모터가 파손될 수도 있다.

 

비행안정성으로 인해서 중형, 대형 프로펠러 용으로 많이 사용된다.

 

 

 

3. 프로펠러 날개(blade, 엽) 개수?

 

실제 단일 날개의 프로펠러가 효율이 높지만 실제 적용하기 어렵기 때문에 대부분은 날개가 2개인 2 엽 프로펠러를 사용한다. 하지만 더 큰 양력을 만들어내기 위해서 날개가 3 엽 이상인 프로펠러를 사용하기도 한다.

 

날개 개수가 늘어날수록 항력도 증가하기 때문에 효율성은 떨어진다. 또 전체 프로펠러의 무게가 증가하기 때문에 모터에 가해지는 부하가 증가해서 회전력이 더 큰 모터가 필요하다.

 

중형, 대형 프로펠러는 대부분 효율성 때문에 2 엽 프로펠러를 사용한다.

 

2 엽 프로펠러 중에는 날개가 접히는 2 엽 폴딩형이 있다.

 

폴딩 형 2엽 프로펠러 (출처: www.hobbyking.com)

 

폴딩 형 프로펠러는 프로펠러가 대형일 경우 접어서 보관하거나 들고 다닐 수 있어 편리하다. 또 프로펠러 판손 시 날개를 개별적으로 교체할 수 있어 경제적인 장점도 있다. 하지만 일반 프로펠러에 비해서 효율이 떨어지고 가격도 비싸다.

 

3엽 프로펠러 (출처: www.hobbyking.com)

 

3 엽 프로펠러의 경우 2 엽에 비해서 더 큰 양력을 만들어내지만 그만큼 소모전력이 크고 효율도 떨어진다. 또 날개들이 가까이에 붙어있기 때문에 회전 시 발생하는 공기 소용돌이(와류)가 뒤따라 회전하는 날개에 강하게 영향을 미쳐 날개가 진동할 수도 있다.

 

소모전력이 작은 소형 드론이나 레이싱 용 드론에 많이 사용한다.

 

4엽 프로펠러 (출처: www.hobbyking.com)

 

4 엽 프로펠러는 코너링이 부드럽고 좋다고 하지만 표면적 증가로 비효율적이다.

 

드론에서는 낮은 효율성 때문에 4 엽 이상의 프로펠러를 잘 사용하지 않는다.

 

 

4. 프로펠러의 규격

 

프로펠러를 구입하기 위해서 인터넷 사이트를 돌아다니다 보면 1045, 12x30, 5032x3 등과 같은 숫자들의 나열을 볼 수 있는데, 이 숫자들은 프로펠러의 규격을 나타내는 길이피치(pitch)의 조합이다.

 

프로펠러의 길이와 피치 (출처: www.bowersflybaby.com)

 

많이 사용하는 프로펠러 규격 표기 방법은 아래와 같다.

 

LLPP 또는 LLPPxB 또는 LxPxB

 

여기서 LL은 흔히 프로펠러의 길이라고도 말하는데, 정확하게는 프로펠러의 날개가 회전축을 중심으로 한 바퀴 회전했을 때 그려지는 원의 지름이며 단위는 인치[inch]이다

PP는 프로펠러의 피치이다. 피치란 프로펠러가 한 번 회전할 때 이동하는 거리이며 단위는 마찬가지로 인치[inch]이다

B는 프로펠러의 날개의 개수이다.

 

예로 5040x3 또는 5040 또는 5x4x3은 프로펠러의 길이5.0인치이고 피치4.0인치3 엽 프로펠러라는 의미이다.

 

프로펠러의 길이에서 프로펠러 길이가 10인치를 초과할 경우 소수점을 제외하고 프로펠러의 길이를 표기한다. 즉, 프로펠러의 규격이 1240일 경우에 프로펠러의 길이는 1.2인치가 아니라 12인치피치4.0인치이다.

 

종종 프로펠러의 규격 뒤에 R 또는 C라는 표기가 있다. 예로 5x3R에서 R은 프로펠러의 회전 방향을 의미하는 단어로 reversed의 약어이다. 즉 이 프로펠러는 시계방향으로 회전해야 한다는 의미이다. C는 반대로 counter-clockwise의 약자로 프로펠러가 반시계 방향으로 회전해야 한다는 의미이다.

 

 

길이가 긴 프로펠러는 더 많은 공기를 밀어내기 때문에 더 많은 양력을 만들어낸다. 그만큼 모터에 가해지는 부하가 커지기 때문에 모터의 소비전력도 커진다. 또 프로펠러의 무게가 증가하기 때문에 회전 시 큰 관성이 발생해서 비행 반응이 느려진다.

높은 회전력을 필요로 하므로 낮은 kv를 갖는 모터를 사용해야 한다.

 

길이가 짧은 프로펠러는 적은 공기를 밀어내기 때문에 회전 시 만들어내는 양력의 크기는 크지 않다. 하지만 관성이 낮아 비행 반응이 빨라 상승 또는 하강하기가 쉽다.

길이가 짧은 프로펠러는 높은 KV를 갖는 모터와 함께 사용된다. 보통 8인치 이하의 프로펠러는 레이싱 드론에 많이 사용된다.

 

 

피치의 크기에 따른 프로펠러의 특성을 이야기하기 전에 피치의 정의에 대해서 조금 더 이야기를 해보려고 한다. 사실 피치가 무엇인지 정의는 읽었지만 프로펠러의 이동거리가 무슨 의미인지 잘 이해가 되지 않는다.

 

나사의 피치와 비교해 볼 수 있다.

 

나와와 프로펠러의 피치 (원본 출처: www.wikimedia.org)

 

나사의 피치는 나사선 사이의 간격이다. 그러니까 나사를 나무 판에 대고 공구로 나사 머리를 한 바퀴 돌릴 때 나무판자 속으로 들어가는 나사의 길이가 나사의 피치이다.

 

이어서 아래의 비행체 그림을 보면, 비행체 앞에 화살표로 표시된 그림은 회전 시 프로펠러 양단 끝의 위치를 나타낸다. 오른쪽 그림의 비행체의 프로펠러는 피치가 4 인치인데 프로펠러가 한번 회전할 때 비행체가 이동한 거리는 왼쪽의 피치가 8인치인 비행체의 프로펠러가 반 바퀴 회전할 때 이동한 거리와 동일하다.

 

단순하게 보자면, 피치란 드론의 프로펠러가 한 번 회전할 때 드론이 위로 상승하는 높이라고 할 수 있다. 물론 드론의 상승이 나사를 회전하는 것처럼 단순한 역학관계가 아닌 만큼 실제로 프로펠러가 한번 회전한다고 프로펠러의 피치만큼 상승하는 것은 아니다.

 

 

동일한 회전 속도와 동일한 길이의 프로펠러일 경우 피치가 클수록 더 큰 추력을 만들어내지만, 회전 시 만들어지는 난류도 커진다. 이 때문에 모터에 가해지는 부하도 더 커진다. 만약 모터의 회전력이 프로펠러의 부하를 견디지 못할 경우에는 효율이 떨어지고 비행 시 진동이 발생할 수 있다. 심할 경우 모터가 손상될 수도 있다.

난류는 드론 비행 시 만들어지는 소음의 한 원인이기도 하다.

 

피치가 작은 프로펠러는 상대적으로 만들어내는 추력은 낮지만, 고속 회전이 가능하고 관성이 낮아 부드러운 회전이 가능하고 조종 시 비행 반응도 빠른 장점이 있다. 소비전력도 낮아 더 긴 시간 비행이 가능하다.

 

단순하게 생각하면 큰 추력을 만들어낼 수 있는 길고 피치가 큰 프로펠러를 사용하는 것이 좋을 것 같지만, 프로펠러의 무게와 그에 따라 모터에 가해지는 부하의 크기도 고려해서 선택해야 한다.

 

모터의 KV가 크면 길이가 짧고 피치도 작은 프로펠러를 사용하고 KV가 낮은 경우 프로펠러의 길이가 길고 피치도 큰 프로펠러를 사용하는 게 좋다.

 

하지만 안정적인 비행을 위해서는 가능한 피치가 낮은 프로펠러를 사용하는 것이 좋다.

 

 

프로펠러를 구매하려고 판매 사이트를 기웃거리다가 보면 종종 BN이라는 영어 단어를 접할 때가 있다. BNBullnose의 약자로 끝단이 둥근 형태인 프로펠러를 가리킨다. 위에서도 보았듯이 일반적인 프로펠러는 끝단이 뾰족한 형태이다.

 

프로펠러 (출처: www.oscarliang.com)

 

BN 프로펠러는 일반 프로펠러와 비교해서 더 넓은 표면적을 갖는다. 위의 그림에서 보듯이 날개 끝단까지 둥근 모양으로 넓은 표면적을 가지기 때문에 동일한 회전 속도로 회전할 경우 일반 프로펠러보다 더 높은 추력을 만들어낸다. 하지만 그만큼 모터에 가해지는 부하가 커져 소비전력증가할 뿐만 아니라 날개 끝단에는 더 많은 난류가 발생해서 프로펠러 회전을 방해하기 때문에 효율도 더 낮다.

 

BN 프로펠러는 작은 크기로 큰 추력을 얻기 위해서 일반적으로 소형 레이싱 드론에서 많이 사용한다.

 

끝이 뾰족한 프로펠러의 끝단을 잘라서 둥근 끝단으로 만들 수도 있다. 위의 그림에서 보듯이 BN 프로펠러는 더 큰 프로펠러의 끝단을 자른 것과 모양이 비슷하다. 6045 프로펠러의 끝단을 잘라 BN 5045 프로펠러를 만들 수도 있다.

 

HBN은 BN과 일반 프로펠러가 조합된 형태로 두 프로펠러의 평균 성능을 갖는다.

 

 

5. 시끄러운 드론의 소음은 어떻게 할 수 없나?

 

처음 소형 드론을 접했을 때 놀란 것은 시끄러운 소음이었다. 이 소음은 드론의 프로펠러가 공기를 가로지르며 빠르게 회전할 때, 압력이 높은 날개 끝단 아래와 압력이 낮은 날개 끝단 위쪽의 압력차로 와류가 발생하면서 만들어지는 소리이다.

 

소형 멀티 로터(multirotor) 프로펠러의 효율은 약 60-70퍼센트라고 한다. 그러니까 나머지 30-40 퍼센트의 에너지는 열 또는 소음으로 방출된다는 것이다. 적지 않은 크기다.

 

취미용 드론이 머리 위로 날아갈 때의 소음이 약 75dB라고 한다.

미국연방공항청(FAA)은 쿼드콥터가 24시간 동안 70dB을 초과하는 소음을 만들어내서는 안 된다고 규정하고 있다고 한다. 취미용 드론은 배터리 용량 때문에 기껏해야 30분을 비행하는 게 전부이니 해당되지는 않겠지만 드론이 만들어내는 75dB라는 소음이 얼마나 큰 수치인지는 추측이 가능하다.

 

어쨌든 드론의 소음을 견디는 것은 쉽지 않다. 그래서 드론의 소음을 줄이기 위한 많은 방법들이 제안되고 있다.

 

단순한 방법은 크기가 더 큰 프로펠러사용하는 것이다. 왜냐하면 소음은 회전 속도가 빨라질수록 더 커지는데, 동일한 추력을 만들어내는데 작은 프로펠러보다 큰 프로펠러가 더 낮은 속도로 회전하기 때문이다.

 

또 다른 방법은 큰 프로펠러를 여러 개의 작은 프로펠러로 대체하는 것이다. 프로펠러에서 발생하는 소음은 날개의 표면적 크기도 큰 영향을 미치기 때문에 프로펠러의 표면적을 줄여서 소음을 줄이는 것이다. 예를 들자면 큰 프로펠러 4개를 사용하는 드론에 작은 프로펠러 8개를 사용하는 것이다. 이렇게 프로펠러의 개수를 늘리고 크기를 줄일 경우 전체적인 소음의 크기를 줄일 수 있다.

 

Drone with shroud (출처: http://fpvdronereviews.com)

 

또 다른 방법은 날개 끝단에 발생하는 와류를 줄이기 위해서 프로펠러 끝단에 위의 그림처럼 슈라우드(shroud)를 설치는 것이다. 둥근 막 형태인 슈라우드는 날개 끝단의 와류를 줄여 소음을 줄일 뿐만 아니라 프로펠러의 효율도 높인다.

슈라우드는 프로펠러충격에서 보호하는 부가적인 기능도 있다. 하지만 드론이 옆이나 앞으로 이동하려고 할 때 슈라우드 때문에 더 큰 항력이 발생해서 비행 속도저하시키는 단점이 있다. 그리고 대형 드론의 경우 슈라우드의 크기 역시 커지기 때문에 무게 또한 무시하기가 어렵다.

 

또 다른 방법은 날개의 끝단을 변형한 저소음 프로펠러를 사용하는 것이다. 저소음 프로펠러는 일반 프로펠러보다 더 얇고 길이는 약 3mm 정도 더 길다.

 

일반 프로펠러와 저소음 프로펠러 비교 (출처: www.airbuzz.one)

 

위의 그림에서 보듯이 저소음 프로펠러는 날개 끝단이 회전 반대 방향으로 구부러져 있다. 굽어진 끝단은 날개 끝단 아래쪽의 높은 압력이 위로 올라가는 것을 막아서 끝단에 와류가 만들어지는 것을 제한한다.

 

저소음 프로펠러의 단점은 일반 프로펠러보다 프로펠러가 더 쉽게 부러질 수 있다는 것과 슈라우드가 있는 프로펠러와 비교 시 효율이 떨어진다는 것이다.

 

종종 기사에서 프로펠러가 없는 무소음 드론을 개발했다는 소식이 보도되고는 있지만 아직 상용화에 성공한 것은 없는 것 같다.

그러니까 지금 현재까지는 조용한 드론은 없다.

 

 

6. 프로펠러 밸런서 (Propeller balancer)

 

드론을 비행하다 프로펠러가 외부 물체와 충돌하는 경우가 종종 있을 수 있다. 그때 프로펠러가 부러지지 않은 경우에는 외관으로 프로펠러가 휘어졌는지 정상인지 잘 알 수가 없다. 이럴 경우 프로펠러 밸런서로 프로펠러의 균형을 확인해볼 수 있다. 또 새로 프로펠러를 구입했을 때 프로펠러의 무게가 날개에 잘 분배되어 있는지 확인하고 싶을 경우에도 프로펠러 밸런서를 사용해서 프로펠러의 균형을 확인할 수 있다.

 

프로펠러 밸런서 (출처: www.amazon.com)

 

프로펠러의 균형이 맞지 않을 경우에는 프로펠러가 무거운 쪽이 아래로 처지게 된다.

 

충격을 받은 프로펠러가 한쪽으로 치우친다면 충격 후 휘어졌다는 의미이므로 프로펠러를 교체하는 것이 좋다.

 

새로 구입한 프로펠러가 한쪽으로 치우친다면 가벼운 쪽 날개에 테이프나 에폭시 같은 것을 부착해서 무게를 증가시키거나 또는 무거운 쪽 날개를 사포 같은 것으로 갈아서 무게를 감소시켜서 균형을 맞춘다.

만약 프로펠러 재료가 탄소유리섬유라면 사포로 잘 갈아지지 않을뿐더러 탄소섬유 가루는 건강에 매우 좋지 않기 때문에 사포로 갈아서는 안 된다.

 

프로펠러의 균형이 맞지 않을 경우에는 비행 시 드론은 커다란 소음을 유발하고 더 심하게 흔들린다. 이럴 경우 프로펠러의 추력도 떨어져 효율성이 낮아진다. 심할 경우 모터에 과부하가 걸려서 과열되어 수명이 짧아지거나 심할 경우 손상이 발생할 수 있다.

 

벨런서를 꼭 구입할 필요는 없다. 프로펠러를 볼펜 심 같은 것에 걸고 평평한 물건 사이에 걸어두고 균형을 확인해도 된다!

 

 

7. 프로펠러 선택

 

프로펠러를 선택할 때 고려요소는 위에서 언급한 프로펠러의 크기, 피치, 날개 형태, 재료, 날개 개수 등이 있는데 이에 대해서는 앞서 언급한 대로 사용목적 또는 취향에 맞게 선택하면 된다.

 

사실 프로펠러를 선택할 때 프로펠러 자체의 특성보다 모터와의 최적화가 가장 중요하다. 모터가 적절하게 회전하지 않는다면 프로펠러는 드론을 비행하는데 필요한 양력을 만들어낼 수 없다.

 

일반적으로 프로펠러가 커질수록 높은 회전력을 요구하므로 kV가 낮은 모터를, 반대로 작은 프로펠러는 빠른 회전 속도를 필요로 하므로 kV가 높은 모터를 사용하는 것이 효율이 높다.

 

!!실제 모터 구입 시 모터의 사양에는 모터에 적합한 프로펠러와 실험치인 추력 크기도 함께 표기되어 있으므로 프로펠러 구입 시 꼭! 참고해서 프로펠러를 구입해야 한다.

 

만약 임의대로 프로펠러와 모터를 선택해서 최적화가 이루어지지 않는다면 모터와 프로펠러 사이의 효율은 떨어지고 소비전력 증가로 비행시간이 줄어들 수도 있다. 물론 최악의 경우는 드론이 아예 날지 않던가 아니면 과부하로 모터가 파손될 수도 있다.

 

물론 동일한 규격을 가진 프로펠러일지라도 제조사마다 성능이 다르기 때문에 안전하고 즐거운 드론 비행을 위해 적합한 프로펠러를 찾는 것은 많은 시행착오가 필요하다.

 


 

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