레이싱 드론 구성 / 용어 정리

저번시간에는 레이싱 드론이 무엇인가?에 대해 알아봤었는데요. 이번 시간에는 레이싱 드론의 구성과 준비물에 대해 알아볼게요.

지난 시간 내용을 보시려면 아래 링크를 클릭하세요!!

레이싱 드론(쿼드콥터)이란?

자. 그럼 레이싱 드론(이하 줄여서 드론이라 칭함)을 날리기 위해 필요한 것들은 무엇들이 있어야 하는지 알아보도록 하겠습니다.

1. 레이싱 드론의 구성

<출처 : 구글 이미지 검색>

위 사진에 보시면 크게 3가지로 구성이 되어 있어요.

우선 드론(기체)와 송신기(조종기), 그리고 고글. 크게 3가지 이구요. 상세히 들어가면 열거하기 힘들정도로 복잡하답니다.  

만약 고글이 없다면 서서 기체를 보며 비행을 해야 겠지요?(3인칭 비행) 그럼 내 시야 안에서만 날려야 하니 지난 영상에서 본것처럼 다이나믹하게 날리기가 어렵겠지요.

그럼 상세히 한번 살펴 보며 용어 정리를 하도록 하겠습니다.

2. 구성품 및 용어 정리

지금 열거할 용어는 구성품에 대한 용어 정리만 할 생각이며 설정이나 기타 용어정리는 그 용어가 사용될 때마다 주석을 달아 하도록 할게요.

제 블로그에서는 특정 제품을 추천하거나 특정 판매업체의 사이트를 링크하여 드리지 않습니다. 되도록 여러 제품중에 스펙을 비교하여 현명한 선택을 하실 수 있는 방향을 제공하여 드릴수 있도록 노력하겠습니다.

1. 조종기(송신기)

위에 보이는 제품은 Spectrum 사의 DX9 Black Edition 이라는 조종기 입니다. 일반 헬기나 비행기를 날리시는 분들이 주로 사용하는 메이커 중에 하나 이구요. 일반적으로 드론은 Frsky 사의 TARANIS제품을 주력으로 사용하시더라구요(저도 드론세계에 입문한지 얼마 되지 않아 자세히는 모릅니다 ㅠㅠ).

간혹 어떤분들은 조정기라고 부르시는 분들도 계시는데. 조정(Adjustment) 보다는 조종(Control)이 의미상 맞는 말이니 되도록 조종기 또는 송신기(제 블로그 에서는 조종기라 칭함) 라고 부르는 것이 올바른 표현입니다.

조종기를 만드는 메이커는 Frsky, FUTABA, SPECTRUM,JR,HITEC, WALKERA등 수많은 업체가 있습니다. 모두 장단점이 있으므로 누구의 추천 보다는 키감이나 인터페이스, 구성,용도(드론만 할것인지 비행기나 헬기도 도전할것인지 등등)등을 잘 판단하여 자신에게 맞는 조종기 선택이 중요합니다. 

조종기는 4채널 6채널 8채널 16채널.. 머 이런 채널이란 말을 듣게 됩니다. 채널이라 함은, 컨트롤 할 수 있는 채널 수 입니다. 일반적으로 4채널이면 드론을 제어하는데 크게 문제는 없으나, 추후 알아보게 될 lost alarm 이라던지 추가 기능을 위하여 6채널 이상을 사용하시는 것이 효율적입니다. 사진상의 조종기는 9채널의 조종기 입니다.

예전 RC car 초반 시절인 90년대~00년대 초만 하더라도 AM, FM 조종기가 주를 이루었습니다만 지금은 찾아 볼 수 없습니다. 지금은 2.4Ghz를 사용하여 송수신 합니다. 따라서 라디오 안테나 같이 생긴 안테나를 쭈욱~ 뽑아서 쓰던 그런 매력은 사라졌지만, 노콘^[각주:1]이나 잡파에 의한 간섭, 같은 주파수 조종기로 인한 혼선 등의 불편함은 모두 현저히 줄었답니다.

8채널 이상의 조종기의 경우 한번 사두면 헬기, 비행기, 드론등 모든 RC에 적용을 할 수 있기 때문에 저렴한 가격보다는 용도에 맞게 구입하는것을 추천드립니다. 또한 조종기를 컴퓨터에 연결하여 가상으로 기체를 조종하는 시뮬레이션을 할 수 있는 여부도 같이 확인하는것이 좋습니다.(포트가 없을 경우 심스틱과 같은 장비가 필요합니다)

2. 수신기

위 그림의 우측은 Spectrum 사의 AR6200이라는 수신기이며 좌측은 위성수신기입니다. 하단의 빨간 리본이 달린 플러그는 바인드 플러그라 합니다. 위 사진의 제품 역시 드론에서는 잘 사용하지는 않지만 모양은 비슷합니다. 

참고로, 위성 수신기는 데이터를 시리얼로(S-bus 또는 PPM등 시리얼 전송방식등) 전송받아 수신기를 보조하여 전파를 훨신 효율적으로 전송받을 수 있게 보조 하는 역할로 하며, 요즘엔 수신기 하나에 두개의 위성 수신기를 연결하여 훨씬 더 효율적인 수신을 가능하게 하는 구조도 사용하고 있으며, 드론에서는 FC(Flight Controller, 추후 설명)에 수신기 대신 위성 안테나를 결선하여 간결한 배선과 작은 공간 및 감량을 실현하고 있습니다. 추후 제 기체 사진을 보시면 이해에 도움이 되실 것 입니다.

드론에서는 Frsky 사의 D4RII 등의 수신기를 주로 사용합니다만, 중요한 것은 메이커마다 송수신 방식이 다릅니다.

간략하게 송수신 방식을 말씀드리면 다음과 같습니다.

제조사	송수신 방식
Spectrum / JR	DSMX / DSM2
Frsky	ACCST
Futaba	FASST
Corona / Assan	DSSS

따라서, 방식이 다르기 때문에 Spectrum 사 조종기엔 Spectrum 사의 수신기(JR과 호환됨), Frsky 사의 조종기는 Fksky 사의 수신기를 사용해야 합니다. 중국에서 오렌지다 레몬이다 해서 호환 수신기가 나오고 있기 때문에 저렴하게 사용이 가능하긴 합니다만 호환 수신기를 구입하실 때는 필히 송수신 방식을 확인하고 구입하셔야 합니다.

* 바인딩 플러그 : 예전 AM/FM 시절에는 크리스탈을 변경하여 주파수를 바꾸어 다른 사람과 중복되지 않게 사용하였습니다. 2.4G 에서는 조종기/수신기 간 바인딩이라는 과정을 거쳐 서로 짝을 이루게 설정을 하게 됩니다. 이때 수신기에 바인딩 플러그를 꼽으면 바인딩 모드가 되어 조종기와 짝이 되도록 설정되도록 합니다. 실제 비행때는 바인드 플러그를 뽑으셔야 합니다.

3. 충전기

<출처 : http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__5548__IMAX_B6_50W_5A_Charger_Discharger_1_6_Cells_GENUINE_.html>

일반적으로 많이 사용하시는 IMAX B6라는 충전기 입니다. 

최대 6셀의 배터리를 발란싱 충전이 가능하며 리튬폴리버를 비롯하여 LiIon,LiFe,NiCd,NiMH등 왠만한 충전지는 충전이 가능하며 입력은 DC 11~18V(집에서 콘센트에 꼽을 수 없음 ㅠㅠ)를 받습니다.

RC 충전기는 대부분 DC를 입력받아 충전을 합니다. 이유인즉슨, AC 충전기도 팔고 있긴 합니다만 크고 무겁습니다. 현장에서 자동차 배터리로 충전을 할 수도 있기때문에 간결한 것이 좋습니다. 따라서 12V SMPS를 구입하던지 컴퓨터 파워 서플라이를 개조해서 집에서 사용하시면 되며 비행장에서 자동차 배터리를 이용하여 충전을 하시면 됩니다.

특히 우리가 사용하는 리튬폴리머 배터리는 밸런싱 차징을 해야 하므로 밸런싱 차징 기능을 제공하는지, 구성품을 제공하는지도 확인하는것이 필요하겠지요.

하지만, 위 충전기의 경우 문제점이 발생합니다. 배터리 하나하나 충전을 해서 비행을 나가야 한다는 것이죠. 그렇다고 충전기를 여러개 사서 써야 한다면? 번거롭겠지요

그래서 요즘엔 이런걸 많이 씁니다.

<출처 : http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__82840__Turnigy_Reaktor_QuadKore_1200W_80A_4_X_300W_20A_DC_Synchronous_Balance_Charger_Discharger.html>

자세히 보시면 위위 사진의 1채널의 파란 충전기와 같은것이 4개가 합쳐져 있습니다. 위 제품은 아니더라도 위와 같은 형태의 제품을 많이 사용하게 됩니다.

한번에 4개의 배터리가 완충이 됩니다.

사실 저는 헬기나 비행기를 하면서 이미 구입해놓은 충전기가 있어서 드론에서는 어떤 충전기를 주로 사용하는지 잘 모릅니다만, 충전기는 A/S도 고려를 하셔야 합니다.

간혹 중국(하비킹 or etc)에서 구입한 충전기의 디스플레이가 먹통이 된다던지 한포트가 죽는 경우를 보게 됩니다만, 자가 수리도 가능하며 구글링 하시면 자료도 많이 있습니다.

따라서 싼맛(?)에 쓰다가 망가지면 고쳐 쓰던지, 폐기하겠다 하시면 중국산도 좋구요. 나는 튼실한 제품에 A/S 까지 고려를 해야 겠다 하시면 HITEC X4 라는 국산 4채널 충전기를 구입 하시는 것도 좋습니다.

4. 배터리

<출처 : http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__88840__MultiStar_Racer_Series_1400mAh_4S_65C_Lipo_Pack_Gold_Spec_.html>

딱 봐도 배터리지요? 사진 보시면 1400mAh, 14.8V 라고 쓰여 있지요? 배터리 용량이 1400mAh이며 14.8V의 전압을 갖는 배터리 라는 것이지요. 조금 특이한게 이상한 커넥터에 여러 전선이 있네요? (셀) 밸런싱 커넥터라 부릅니다.

예전 90~00년대 RC car에서는 NiCd 배터리를 주요 사용하였습니다. 상기 용량의 배터리를 구성하려면 배터리 무게만 500g 이상은 족히 나가며 방전률도 높지 못합니다. 따라서 배터리를 달고 하늘을 난다는걸 글라이더나 조금 있을뿐 꿈도 못 꾸는 시절이었지요 그래서 그 시절 헬기나 비행기는 90% 이상이 엔진을 달았었지요. 하지만, 리튬 폴리머라는 배터리가 등장하면서 무게 대비 출력이나 축적된 에너지량이 많아지게 되었습니다. 그리고는 헬기, 비행기, 드론등이 대거 모터로 등장을 하게 되었지요.

이제 어려운 얘기를 좀 해야 하는데요.. 최대한 쉽게 풀어보겠습니다.

우리가 드론에 쓰는 리튬 폴리머 배터리는 3s 혹은 4s을 주로 쓰게 될 겁니다. 이때 3s의 s는 series(직렬) 의 약자로 3직렬로 연결을 했다는 의미 입니다. 일반적으로 리튬폴리머 배터리는 3.7V cell(nominal voltage : 정격 전압)을 직렬로 연결하여 사용합니다. 따라서 14.8V 배터리라 함은 4s 배터리를 뜻하는 것이겠죠?(14.8 / 3.7 = 4) 반대로 3s 배터리는 11.1V 이겠네요.(3.7 * 3 = 11.1V). 1p,2p,3p 등은 잘 사용하진 않지만 parallel(병렬)을 뜻합니다.

배터리의 셀은 위와 같이 생겼습니다. 이 셀을 직렬 연결하여 배선을 하고 케이싱 작업을 하면 우리가 쓰는 배터리가 되는 것이지요. 

여기서 우리가 기억해야 할 것은요. 딱 하나입니다. 복잡한 스펙에 대한 얘기는 다 접구요....

1cell 에 4.2Vmax를 넘기면 안되구요. 3.2Vmin,이하로 내리면 안되구 3.8Vstorage로 보관해야 해요. 어렵지요 ㅠㅠ 그래도 이것만 기억하세요!!!

 

1. 여기서 설명하는 것은 일반적인 RC에서 사용하는 규칙 정도로 생각 하시면 되고 실제로는 조금더 낮습니다.

2. 충전중에는 전압이 더 높게 측정되며 방전중에는 전압이 더 낮게 측정됩니다. 따라서 충전중에 4.2V였지만 충전이 끝나고 조금후에 찍어보면 4.2보다 조금 낮아 질 수 있으며, 고글의 OSD에서 표시할때는 3.2V여서 내렸는데 조금 후 찍어보면 더 높은 전압이 찍히는 것은 일반적인 현상입니다.

3. Vmin(최대 방전 전압)의 경우 3.2로 설명드렸지만 3.0V~3.4V등을 사용하시는 분들도 있습니다. 위 2번의 이유이기도 합니다. 낮은 전압까지 방전하여 사용할 수록 배터리 리사이클 타이밍(수명)에 영향을 줍니다. 조금 넉넉하게 사용하는것이 수명에 도움이 되니 참고 바랍니다.

 

어떤 배터리든 충전을 하게 되면 전압이 올라갑니다. 방전을 하게 되면 전압이 떨어지게 되구요. 그렇다면 충전을 계속 진행하면 배터리의 전압은 계속 올라가겠지요? 그럼 배터리는 어떻게 될까요? 맞습니다. 과충전이 됩니다. 반대로 배터리를 방전을 시킵니다. 전압이 떨어지겠지요. 그렇다면 계속 방전을 시킨다면? 그 배터리는 더이상 사용할 수 없게 됩니다.

이겁니다. 우리가 아까 예로든 4s 배터리를 기준으로 16.8V가 될때까지 충전하면 만충입니다(4.2V * 4 = 16.8V), 그리고 12.8V가 되기전에 기체는 땅으로 내려와야 합니다(3.2 * 4 = 12.8). 그리고 배터리를 장기 보관할때는 15.2V로 보관하면 됩니다.(3.8 * 4 = 15.2)

자 이제, 배터리의 충방전량을 확인 할 수 있는 가장 쉬운 방법이 나왔습니다. 바로 배터리의 전압을 보면 됩니다. 

<출처 : http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__41042__Battery_Monitor_2_6S_AUS_Warehouse_.html>

위 사진이 바로 "배터리 모니터"라고 배터리의 잔여량을 전압으로 체크하는 장비 입니다. 아까 말한 cell 당 전압도 측정이 가능하구요. 전체 전압도 측정할수 있습니다.

자 그럼 전류에 대해 알아 볼게요. 일반적으로 배터리는 자기 용량 이하의 전류만 넣어주고 빼가야 합니다. 무작정 충전하고 방전할 수는 없는 것이지요. 이때 배터리의 용량을 나타낸것이 위 사진에서 1400mah 라는 수치입니다. 이 용량이 크면 클수록 저장할 수 있는 전류량이 커지게 됩니다. 그럼 무작정 큰것이 좋겠지요? 하지만 그건 아닙니다! 왜냐하면 저장할 수 있는 전류량이 큰 배터리 일수록 부피도 커지고 무게도 무거워 집니다. 우리는 그 배터리를 달고 하늘을 날아야 합니다. 당연. 무겁고 큰 배터리를 달면.. 굼뜨고 잘 안날게 되겠지요? 그래서. 적정 배터리를 선정할 수 밖에 없답니다.

1400mAh라 하면 1400mA을 한시간동안 흘릴수 있다는 것을 뜻합니다. 1400mA = 1.4A 이죠. 예를들어 1.4A를 흘리는 전구가 있다면 한시간 켤 수 있다는 거지요(1C). 0.7A를 흘린다면 두시간 켤 수 있겠지요(0.5C), 그렇다면. 이 배터리에 2.8A를 흘린다면? 30분을 켤 수 있겠지요(2C). 그렇다면, 5.6A를 흘린다면? 15분을 켤수 있겠지요(4C). 수식이 눈에 보이시나요?

여기서 문제! 제가 괄호에 1C, 0.5C, 2C, 4C가 무엇을 뜻하는 걸까요?

답은 방전율(discharge rate) 입니다. 방전율이 높을수록 대전류를 한번에 흘릴수 있고, 방전율이 낮을수록 낮은전류를 흘릴 수 있는것이지요.

한가지 쉽게 예를 들어 보겠습니다. 똑같은 사이즈의 물통에 하나는 수도꼭지를 1/10 만큼 열고 하나는 1/2 만큼 열고 하나는 다 열었습니다. 어떤 물통에서 나오는 물이 수압이 가장 셀까요? 그리고 마지막까지 물이 나오는 수도꼭지는 어떤걸까요? 많이 열수록 수압을 세지만 빨리 바닥을 보이게 되겠지요. 반대로 조금 열수록 수압은 약하지만 오랫동안 사용이 가능하겠지요. 이 수도꼭지를 열 수 있는 최대 한계점을 방전율이라 보시면 됩니다.

이제 실전입니다.

Specs:
Capacityy: 1400mAh
Configuration: 4S1P / 14.8V / 4Cell
Constant Discharge: 65C
Peak Discharge (10sec): 130C
Pack Weight: 181g
Pack Size: 90x35x30mm
Charge Plug: JST-XH
Discharge Plug: XT60
Max Charge Rate (C) : 5C

 

하비킹에서 긁어온 어떠한 배터리의 스펙입니다. 용량은 1400mAh 이네요. 구성은 4s1P/14.8V/4cell 이니 4직렬 1병렬 / 14.8(3.7*4)V/ 4cell 당연히 계산 되지요? 방전율은 65C로 매우 높습니다. 비행기나 헬기용으로 20~40C가 일반적입니다. 무게/사이즈/커넥터 방식이 나오구요. 이 부분은 내 기체에 장착하기 위해 부가적으로 필히 확인해야 되는 사항입니다. 스펙 다 좋고 좋은 배터리 인데. 너무 무겁거나. 사이즈가 내가 넣은 공간에 들어가지 않는다면 소용이 없겠지요?

peak discharge(10sec) : 130C 라고 것은 최대 10초간은 130C로 방전해도 배터리에 큰 영향을 주지 않습니다.(화재/폭발 등의 위험이 없다는 뜻이지 배터리 성능에 무관하다는 뜻은 아닙니다. 큰 부하나 과충전 과방전은 배터리의 수명에 영향이 반드시 있습니다)

용량이 1400mah(1.4A), 방전율이 65C 입니다. 연속으로 91A(1.4 * 65 = 91)를 흘릴수 있습니다. 그렇다면 연속으로 65C로 방전을 한다면 배터리를 쓸수 있는 시간은 얼마나 될까요? 1C가 1시간 방전이므로. 약 1분 채 되지 않겠네요.

이 내용은 충전시에도 동일하게 적용됩니다. 예를들어 충전기로 1C로 밀어넣으면 충전하는데 한시간이 소요됩니다. 이 배터리는 최대 5C까지 충전이 가능하며 충전전류는 7A(1.4 * 5 = 7), 이때 충전시간은 12분(60분 / 5C = 12분) 걸리겠네요. 참 쉽죠?

 

이제 처음 배터리를 소개 드릴때 말씀드렸던 밸런싱 커넥터에 대해 말씀드리겠습니다.

그림을 하나 보여드릴게요.

좌측이 6셀 배터리의 내부 구조 이구요. 우측이 3셀 배터리의 내부 구조입니다. 우리 상식에서 직렬로 연결을 하였으면 +극과 -극만 있으면 되는데. 셀간 접합지점을 모두 커넥터로 뽑아 놓았습니다. 왜그랬을까요?

아까 "배터리 모니터" 사진을 자세히 보시면 핀들이 돌출되어 있습니다. 이 커넥터를 연결하면 각 셀의 전압을 측정할 수 있습니다. 그렇다면 이걸 왜 잴까요?

리튬 폴리머와 같은 방전율이 높은 전지를 자기 용량의 20~60배씩 끌어쓰다 보면, 배터리 내의 고유저항이 각각 달라(이 고유저항은 모든 배터리마다 차이도 있으며 충방전 사이클에 따라서도 증가합니다.)각 셀의 전압의 편차가 발생합니다. 이 편차는 충방전 횟수가 늘어남에 따라 점점 벌어지게 되겠지요. 그럼 어떤 셀은 만충인데 충전기는 전체전압이 만충전압이 아니라서 충전을 계속 진행하게 되고 어떤셀은 과충전이 되게 됩니다.

따라서 모든 셀이 균등한 전압을 가질수 있도록 밸런싱을 하기 위해 뽑아놓은 커넥터이며 모니터링 하는데도 도움이 되는 커넥터 입니다.

셀 밸런싱의 원리는 간단합니다.

 

복잡한 사진이 하나 등장했는데. 머 다른건 보실 필요가 없구요. Q1~Q6이 스위치 입니다. Rb1~Rb6가 저항이구요. 각 셀 사이에 저항과 스위치를 달아 가장 높은 전압의 셀을 소모시켜 가장 낮은 전압에 모두 맞추면 됩니다. 우리가 밸런싱 기능이 있는 충전기를 구입하면 이와 같은 회로가 들어 있답니다.

휴ㅠㅠㅠ 배터리를 설명드리려다가 배터리의 모든 특성을 다 설명드렸네요. 간략히 바꾸고 별도로 작성을 해야겠습니다.

오늘은 늦어서 여기까지 적구요 나중에 이어 적도록 할게요

 

1. 송수신이 불량하여 수신기가 원활한 명령을 받지 못하여 올바르지 못한 송수신 상태로 수신체가 위험한 상황에 빠질 수도 있는 상황 [본문으로]