FPV 레이싱 자작 드론 DIY에 필요한 부품 재료 #1장 (프레임, FC, 모터)

출처 : http://www.wowdro.com/bbs/board.php?bo_table=diy&wr_id=1

안녕하세요 와우드로입니다.

입문용 드론으로 맛보기를 하신분들은 항공촬영에 재미를 붙여 팬텀등으로 가시는 분들이 계시고

DIY 레이싱 자작​ 드론쪽으로 입문하시는 분들도 계신데요

제가 요즘 DIY쪽에 관심이 가서 아직 자료도 별로 없고 해서

자료수집겸 해서 포스팅을 하기로 하였습니다.

같이 배워보는 입장이니 틀린점 있으면 지적해주시고 리플로 많은 의견 달아주세요.

# 레이싱용 자작​ 드론을 제작하려면 무엇이 필요한가

일명 레이싱 드론으로 불리는 FPV(드론에 장착된 카메라로 1인칭 시점으로 보면서 조종하는것)드론 DIY 드론을 만들려면 먼저 무엇이 필요한지 알아보겠습니다.DIY 드론을 조립하기 위해선 프레임,모터,프로펠러등의 각종 부품이 필요한데요.

조립에 필요한 각 부품들의 목록과 해당 부품들에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. 프레임

2. FC(Flight Controller)

3. 모터

4. ESC(Electronic Speed Controller)

5. 프로펠러

6. 배터리

7. FPV 카메라

8. FPV 송신기/수신기

9. FPV 안테나

10. FPV 고글 또는 모니터

11. 촬영용 카메라

12. OSD(On Screen Display)

13. 전압조종기(Voltage Regulator) / 파워 필터

14. 기타 부품

1. 프레임

프레임은 쿼드콥터의 몸체틀을 말합니다.프레임은 쿼드콥터의 뼈대가 되고 보통 드론이 추락하거나 부딪치면 제일 먼저 깨지는 부분이기 때문에 선택할때 신중하게 선택해야 나중에 최소한의 부품 교체로 시간과 돈을 절약할 수 있습니다. 레이싱 드론은 순발력과 스피드를 필요로 하기때문에 보통 250급 미니 사이즈가 많이 사용됩니다. 250급이란 대각선 방향으로 모터와 모터간의 거리가 250mm를 250급이라고 합니다.

프레임의 재질은 여러 종류가 있는데 아래의 4종류가 보통 많이 쓰입니다.

합성섬유 - 나이론 합성플라스틱 재질로 가격이 저렴한 것이 특징입니다.

G10 - 유리섬유의(fiber glass) 일종으로 모양과 속성은 탄소섬유와 거의 동일하지만 더 저렴한 편에 속합니다. RF간섭이 없습니다.

탄소섬유(carbon fiber) - 가벼운 무게와 고강성이 특징. RF신호와 간섭이 있으므로 안테나를 장착할때 주의해야합니다.

보통 저렴하게 많이 쓰이는 제품들의 링크입니다.

KK260​ - $7.09 (나이론)

FPV250 - $9.99 (나이론)

FPV250 + Cage - $16.99 (나이론,유리섬유)

ZMR250 - $30.60(카본)

Tarot Mini 250 - ​$32.39(카본)

가격대는 프레임만 20만원에 임박하는 제품들도 있으나 가성비의 중국산 제품들이 많이 쓰이고 있습니다.

일부제품은 패키지로 판매하기도 하는데 모터, ESC, FC, 프로펠러, 기타 소품들을 일일이 따로 구매 할 필요 없이 패키지만 사서 조립하면 되기때문에 초보자들은 구성품에대해 걱정 할 필요 없이 패키지를 구매하여 조립해 보는것도 좋은 방법입니다. 일반적으로 패키지는 부품을 개별로 구매하는것보다 조금 더 저렴합니다.

Banggood RC250 Carbon Fiber ARF Co​mbo 

Banggood EMAX Nighthawk 250 Carbon Combo

Banggood Walker Runner 250 Drone Racer​

Hobbyking FPV250 V2 콤보

이외에도 알리나 이베이의 저렴한 중국산 키트도 있는데 후기들을 보면 괜찮은 반응들입니다.

2. FC (Flight Controller)

Flight Controller 이하 FC는 드론의 핵심 부품으로 사용자의 조종 명령과 센서 데이터를 처리하는 회로입니다. 또한 기체가 기울어 졌을때의 균형을 바로잡기 위해 모터의 속도를 조절합니다. 조립한 쿼드콥터의 균형제어를 위해서 FC의 PID 게인 세팅을 해줘야 하는데 이는 쿼드콥터 조립에서 가장 개념적으로 복잡한 부분입니다. 자신의 쿼드콥터에 알맞는 게인값을 찾는것이 관건입니다.

P게인 - 비례(Proportional)

각도가 벌어졌을때 생긴 오차가 심해질수록 모터의 세기가 강해집니다.

센서가 왼쪽으로 기울면 균형을 맞추기 위해 모터가 더 빨리 돌고 우측으로 기울면 모터가 약하게 돌게 됩니다.

I게인  - 적분(Integral)

오차를 지속적으로 누적하여 제어합니다.

센서가 왼쪽으로 기울어지면 기울어진 정도에 따라 오차가 누적되어 모터가 점점 세게 돌고,

센서가 오른쪽으로 기울어지면 반대로 모터가 점점 약하게 도는 식입니다.

오차를 누적하면서 PID제어 전체의 균형을 잡아주는 역활을 하는것 같습니다.

D게인 - 미분(Derivative)

오차의 미분값에 따라 제어한다.

즉, 기울기의 미분값인 각속도에 따라 제어값이 결정되기 때문에 기울어지는 속도에 따라 모터 세기가 달라집니다.

센서가 기울어지는 속도에 따라 왼쪽으로 기울땐 모터가 세게 돌고 오른쪽으로 기울땐 모터가 천천히 돌게 됩니다.

다른 제어와는 다르게 D 제어는 상당히 민감하게 반응합니다.

자세한 내용은 http://www.ktechno.co.kr/pictech/motor05.html

요즘엔 모든 멀티콥터의 FC엔 자이로와 가속도계가 기본 탑재되어있고 좀 더 고급형의 FC는 기압센서, 나침반, GPS가 달린것도 있습니다. 많은 FC들은 비슷한 하드웨어와 센서를 가지고있지만 소프트웨어와 연산 알고리즘은 아주 다릅니다. 따라서 이 FC의 특성에 따라 각기 다른 비행특성과 사용자 인터페이스를 갖습니다. 같은 하드웨어의 드론이라도 FC가 다르면 비행느낌이 다른 이유입니다. FC는 수많은 종류가 있는데 오랜기간동안 시장에서 검증된 제품도 있고 저렴한 클론 제품도 있습니다. 그럼 이 FC를 고르는 방법을 알아보도록 하겠습니다.

좋은파일럿은 좋은 FC가 필요하지만 어떤 특정 FC가 항상 다른것보다 좋은것은 아닙니다. 드론의 종류나 비행 타입에 따라 달라집니다. 예를들면 어떤 제품은 셋업이 쉬워 초보자에게 알맞고 어떤 제품은 작은 드론에 알맞으며 또 어떤 제품은 GPS를 지원하는 제품이 있습니다. 또 시장에는 낮은 품질의 콤포넌트를 사용한 수많은 저렴한 클론 제품이 있는데 신뢰할수 없는 저질의 FC를 쓴다면 쿼드콥터 전체가 위험해 질 수도 있습니다.

FC는 크기도 다양한데 레이싱 드론인 250 급에서는 36mm크기가 주로 사용됩니다.

그럼 많이 쓰이는 FC 종류에 대해 알아보겠습니다.

KK-mini [제품정보]

KK2는 가장 인기있는 보드중의 하나이며 싸고 셋업이 쉬워 초보자에게 추천하는 제품입니다. 32비트 FC보다는 못하지만 보드에 LCD스크린이 장착되어있어 컴퓨터와의 연결없이 설정을 할 수 있습니다. KK2에는 P와 I를 사용하고 D는 없습니다. 

가격: $22.99

크기: 36mm

수신모드: PWM, PPM

기압센서: X

나침반: X

GPS: 제한됨

마이크로컨트롤러: 8-bit, 16MHz

CC3D [제품정보]

32bit 초기 제품들 중의 하나로 비싼 가격과 어려운 사용법 때문에 많이 사용하지 않았지만 지금은 저렴해진 가격으로 인해 널리 사용되고 있습니다. 설정이 좀 까다롭기 때문에 CC3D를 튜닝하는데 어려움이 있는 사람들의 불평이 있었지만 요즘엔 Clean Flight 같은 쉬운 세팅 프로그램들이 있기 때문에 사용이 쉬워졌습니다.

가격: $24.99

크기: 36mm

수신모드: PWM, PPM, S.BUS, DSM

기압센서: X

나침반: X

GPS: 제한됨

마이크로컨트롤러: 32-bit, 72MHz

특징: 지속적인 소프트웨어 개발

Naze32 [제품정보]​

아마 미니쿼드콥터에 가장 많이 쓰이는 FC일껍니다. 뛰어난 성능에 마케팅도 아주 잘 되어있습니다. 튜닝 소프트웨어인 BaseFlight GUI 도 사용이 아주 쉽습니다. 물론 Clean Flight 같은 다른 프로그램도 사용이 가능합니다. Naze32 Acro는 CC3D와 동일한 32bit FC입니다. 그러나 CC3D에서 제공 하지않는 기압센서와 나침반을 제공하는 Naze32 Full 버전도 있습니다.

하지만 개발자 매우 오만한 사람이라고 하네요 평이 좋지 않습니다. 그의 소프트웨어와 하드웨어를 보이콧 하는 사람도 많다고 합니다.BaseFlight 에서 갈라져 Clean Flight 새로운 프로젝트를 하는 이유도 그때문이라고 합니다.

가격: $22.99(acro) / $50(full)

크기: 36mm

수신모드: PWM, PPM, S.BUS

기압센서: X / O

나침반: X / O

GPS: 제한됨 / O

마이크로컨트롤러: 32-bit, 72MHz

특징: 뛰어난성능, 저렴한가격, 많은 설정값

Flip32 [제품정보]​

Flip32는 Naze32 아크로 클론이지만 저렴합니다. 그것은 Naze32와 비슷한 외관과 같은 소프트웨어를 사용합니다.

Flip32 6dof - Naze32 아크로 클론 

Flip32 10dof - 나침반, 기압센서 추가

10dof 가격: $23.99

특징: Naze32 아크로 클론

Naza 

팬텀으로 유명한 DJI에서 만든 FC로 별다른 설정 없이 사용이 가능하며 우수한 안정성이 특징입니다. 특히 고도 유지및 리턴홈 기능이 매우 정확합니다. 하지만 가격이 비쌉니다. 만약 돈이 많고 설정을 간단하게 하고 싶은경우는 Naza가 최적의 선택입니다. 레이싱 드론보다는 사진촬영용 드론에 많이 쓰입니다.

가격: Naza M lite($170), Naza M V2($300)

mini APM [제품정보]​

신뢰할 수 있는 GPS기능을 제공하는 몇 안되는 FC중의 하나입니다. 웨이포인트, 리턴 투 홈 등의 기능을 제공하며 세팅이 쉽고 기본세팅이 되어있지만 완벽한 비행을 위해서는 튜닝을 해야합니다. 최근에는 싼 가격의 APM mini를 출시하였습니다. 레이싱 용으로는 mini버전이 적당합니다.

가격:  $39(miniAPM)

Brain FPV [판매링크]​

최근에 출시된 FC로 사용하기가 편리하다고 하네요. 

가격: $129

크기: 36mm

수신모드: PWM, PPM, S.Bus, DSM2, DSMX, HoTT SUMD/SUMH

기압센서: O

나침반:  O

GPS:  O

마이크로컨트롤러: 32-bit, 168MHz

특징: OSD 내장

3. 모터

모터는 속도, 비행 시간과 성능에 영향을 미치는 주요 부품입니다. 미니 쿼드는 보통 5~6인치 프로펠러를 사용하는데 모터와 프로펠러 조합을 선택할 때는 몇 가지 일반적인 규칙이 있습니다. 모터는 프로펠러와 마찬가지로 시계방향(CW), 반시계방향(CCW)이 있습니다. 쿼드콥터는 각 한쌍씩 필요합니다. 모터를 선택하려면 먼저 이 모터가 어느정도의 중량을 커버할 수 있는지 알아야 합니다. 일반적인 룰에 따르면 

각 모터당 필요 추력 = ( 무게 X 2 ) / 4 입니다.

즉 쿼드콥터의 두배의 무게를 각 모터가 나눠서 들 수 있어야 합니다.

예를들면 1kg(모터, 프로펠러, 카메라등이 포함된 전체 무게)의 드론이 있다면 그의 두배인 2kg를 4개의 모터가 나눠서 즉 모터당 500g를 커버 할 수 있어야 합니다. 추력은 모터의 사양에서 thrust 항목에서 볼 수 있습니다.

모터는 또한 배터리와도 밀접한 연관이 있는데 이 부분은 배터리 파트에서 살펴보도록 하겠습니다.

배터리와 드론무게뿐 아니라 모터를 고르는 또다른 고려 사항이 있습니다. KV와 W에 대해 알아보도록 하겠습니다.

KV - 1V의 전압이 가해졌을때 회전하는 RPM 수, 만약 1000KV 모터라면 1분에 1000번 회전한다는 것입니다. 만약 11.1V의 배터리를 사용한다고 하면 최대출력은 11.1V * 1000 = 11100RPM(분당회전속도)이 되는것입니다. 보통 레이싱용 미니 콥터는 프로펠러가 작고 가늘기 때문에 고 RPM의 모터를 사용합니다.

W - 모터가 소비하는 전력을 의미합니다. 200W의 모터를 11.1V의 배터리로 작동시키면 약 18A의 전류값이 나옵니다.(200 / 11.1) 그럴때 ESC(변속기, 변속기 파트에서 따로 설명)는 18A보다 큰 제품을 써야합니다. 아래는 레이싱 모델로 주로 사용하는 모터의 종류입니다