DJI F450기반 쿼드콥터(1)

Tech Story/QuadCopter

DJI F450기반 쿼드콥터(1) - 부품 설명

슈퍼맨짱 2018. 4. 4. 12:43

DJI F450 기반 쿼드콥터 조립 AtoZ 부품, 정보, 하드웨어 조립순서, 셋팅등

● DJI F450기반 쿼드콥터(3) - Pixhawk 드론 DJI F450 연결

● DJI F450기반 쿼드콥터(4) - GCS 환경설정 및 Flying

요즘 나온 쿼드콥터는 종류와 사용목적에 따라 다양한 프레임을 제공하고 있기 때문에 어떤 목적으로 만들려고 하는지 정한뒤에 진행하는게 좋습니다. 여기서는 DJI F450이 제일 무난하고 사례들이 많이 있어 아두이노 기반의 쿼드콥터 제작에 필요한 정보를 공유합니다. 또한 450급이라고 하면 전체 크기의 대각선에 있는 모터간 축간 거리가 450mm(45cm)되는 드론을 말하는 겁니다

또한, 프레임 같은 경우에는 직접 납땜등으로 회로등을 연결해야되는게 어려운 부분이 있다면 반제품등을 구매하는것도 방법입니다. 아두이노 기반에 MultiWii로 쿼드콥터 제작에 필요한 부품들에 대한 스펙과 종류입니다

과거에는 구매사이트가 국내 많이 없었고 주로 해외사이트에서 구매를 했지만 최근에는 국내 전문 사이트들이 많이 있기 때문에 국내에서도 쉽게 구매가 가능하고 단품 또는 세트 구매를 통해서 비용을 절약할 수 있습니다. 그리고 사이트별로 부품의 종류별로 가격차이가 있기 때문에 어떤걸 구매하느냐에 따라 비용절약을 많이 할 수도 있으니 마우스 클릭을 열심히 하시기 바랍니다.

F450급 드론의 구성은 기본적인 부품과 추가적인 부품으로 나눌 수 있습니다.

■ F450 기본구성 부품 및 장치

부품명	기능설명	기본구성
Frame	드론의 뼈대가 되는 형태(틀,구조물)	1Set(Frame 4개, 기판등)
Motor	드론을 비행하게 하는 동력 부품	4개를 1Set으로 구성
ESC	콘트롤러에 의해 모터의 속도를 제어하는 부품	모터와 같이 4개를 1Set으로 구성
FC	드론을 콘트롤하는 메인 부품	1Set
Power Module	드론 부품의 각종 기기의 전기 공급장치	1Set
Battery	드론 주전원 공급 부품	1EA
Propeller	공기 저항을 통하여 드론을 비행하게 하는 부품	4개 1Set
조종기	드론을 무선으로 조정하기 위한 기기	송,수신기 1Set

일반적으로 기본 구성품만 구매를 해도 상당한 비용이 필요하기 때문에 셋팅과 나중에 드론 시뮬레이션을 통하여 조정기술을 사전에 익히는것도 중요합니다.

■ F450 추가구성 부품 및 장치

부품명	기능설명	기본구성
GPS	드론의 위치를 파악하는 기기	1ea
Telemetry	드론 운행 및 작동 상태 정보를 수집하는 무선 장치	1ea
Lipo Alarm	드론상태, 배터리 잔량을 체크하는 장치	1ea
Landing Skid	드론 이착륙시 프레임 하단에 부착하는 충격완화장치	1ea
OSD	드론의 운행 및 작동상태를 표시하는 장치	1ea
Aduino, Raspberry Pi	FC대신에 콘트롤할 수 있도록 프로그래밍이 가능한 장치 (아두이노는 나노도 충분함, 또한 브레드 보드가 필요함)	1ea

드론의 추가구성 부품은 구매하지 않아도 되지만, 향후에 조금 부족한 부분을 채워줄 수 있기 때문에 주머니 사정이 괜찮으면 기본구성품외 추가구매하는것이 좋습니다.

▣ F450 Frame ▣

F450급 드론은 DJI사의 F450(대각선 길이 450mm, 프레임 무게 282g, 이륙 중량 0.8~1.6kg) 프레임을 기본으로 하며 4개의 프로펠러를 이용하여 비행하는 쿼드콥터 드론입니다.

프레임도 1세트 정도는 여유로 구입하는걸 권장합니다. 조립도중 테스트중에 프레임이 부서질 가능성이 높기 때문에 즉시 조치나 빠른 시일내에 다시 재조립하여 운행을 할려면 미리 추가 부품을 사전에 준비해 두는것이 좋습니다.

스펙	- Diameter : 450mm Wheel Base - KIT Weight : 282g - Flight Weight : 800g - Loading Weight : 700g - Full Loading Weight : 800~1500g
모델	- F450 V2 Quad Basic Power ARF Combo - Q450 F450 Nylon fiber Multi-Rotor Air Frame Wheel KIT

▣ Motor ▣

F450급에 장착할 수 있는 모터는 다양합니다. 드론을 공중에 띄우기 위한 동력이기 때문에 전체 무게를 이겨내고 비행을 할 수 있는 Power가 기본적으로 전재되어야 합니다.

그리고 추가구성으로 짐벌이나 카메라등을 프레임에 장착할 시에는 해당 무게를 감안하여 좀더 높은 출력의 모터가 필요할 수도 있으니 미리 해당 무게에 대한 계산을 통해서 모터 선정이 필요합니다

· 대략적인 무게에 포함될 사항은
프레임(215g), 모터(350g), ESC(125g), 배터리(600g), 콘트롤러, GPS, 텔레메트리, 각종 배선, 볼트너트, 리시버, 리포알람, 아두이노 나노등(350g), 랜딩스키드(300g) = 1,900g

· 전체 무게가 1.9kg입니다. 여기에 짐벌과 카메라를 장착시에는 500g 정도를 추가 계산해야됩니다. 필자는 MT2213/920KV 모델을 선정해는데, 여기서 MT는 제품명, 앞 22는 모터 캔의 지름(mm), 뒤 13는 모터 캔의 높이(mm) 입니다.

· 그리고 KV920은 1V당 회전수가 920(RPM)이므로 여기에 공급되는 배터리 4Cell(14.8V)의 접압을 곱하게 되면 모터는 분당 13,616 회전을 하게 됩니다. (초당 약 227회)

이 MT2213/920KV 모터는 4Cell(14.8V) 배터리를 연결시킬 경우, 모터 1개당 950g의 무게를 들어 올릴 수 있는 추력을 가집니다

· F450급 드론은 쿼드콥터로 4개의 모터를 사용하기 때문에 총 추력은,
950g(모터 1개당 추력) x 4개(모터 수) - 3.8kg이 됩니다

전체 무게가 2.5kg임을 감안하면 80% 정도의 여유율을 갖게 되는데 상황에 따라 60~70%까지의 여유율을 기본으로 설정하여 무게를 조절하는것도 좋습니다.

스펙	- Motor size: 28mm * 24mm - Stator Dimensions: 22mm * 12mm - Directions: CW Forward (silver) CCW reverse (black) - Support Lithium: 3S-4S LIPO
모델	- MX2212/920KV Brushless Motor CW CCW Thread for DJI Phantom 1/2/3 F330 F450 F550 Quadcopter HJ Model - LD-POWER MT2213 920KV Brushless Motor CW/CCW 2-Pair For DJI F450 F550

※ 참고 MT2213/920KV에 대한 Test Data Sheet

(모터 성능에 대한 수치적 데이터)

▣ ESC(Eletronic Speed Control ▣

드론에서 중요한 비행 콘트롤 신호를 전달받아 모터에 전달하는 부품으로 핵심 부품중의 하나입니다.
모터와 더불어 신중히 선정하여야 하며 모터의 전원공급 규격과 동일한 규격이어야 합니다

모터 공급전원이 4Cell인데 ESC의 공급전원이 3Cell이면 모터와 ESC간에 전원공급이 매칭되지 않았기 때문에 사용할 수 없습니다. Type에는 UBEC TYpe과 BEC Type등이 있는데 BEC Type의 ESC가 좀더 편리한듯 합니다. 좀더 정확히는 자료를 찾아서 확인해보는게 좋습니다.

※TIP 구매시 대부분은 F450프레임 패키지에 포함되어 있습니다. 프레임과 모터, ESC, 프로펠러가 함께 있는 패키지를 검새해서 단품으로 모두 구매시 비용과 비교하여 구매하는것도 좋습니다.

스펙	- Continuous Current : 20A - Burst Current(10s) : 25A - Li-xx Battery Cell : 2-4 - Dimension : 52x26x7 - Weight(g) : 28 - BEC Output : 2A/5V
모델	- EMAX BLHeli 20A ESC - EMAX BLHeli Series 30A ESC(2~4S)

▣ FC(Flight Controller) ▣

FC(Flight Controller)는 드론의 모든 동작을 제어하는 쿼드콥터 부품중의 제일 핵심인 컴퓨터 장치입니다.

FC로 사용되는 종류는 다양한데 제일 사용이 편한건 DJI사의 NAJA, Tarot ZYX, Pixhawk2등이 있습니다. 또한 아두이노를 이용한 FC도 있는데 APM(ArduPilot Mega)이라고들 합니다. 이러한 FC는 모듈화되어 있어서 자이로센서와 같은 센서와 조정셋팅을 아주 쉽게 할 수 있기 때문에 환경설정에 커다란 문제가 없도록 되어 있습니다.

그리고, 아에 Multiwii와 같은 오픈소스를 활용하여 Arduino Nano나 Uno와 연결하여 SW만으로 설정하여 구동시키는 방법이 있습니다. 이런 방법은 학습과 실제 PID(Proportional(비례), Integral(적분), Differential(미분))등을 직접 설정하여 운영하여야 하기 때문에 상당히 까다롭습니다. 하지만 이런걸 통해서 실제적인 드론의 비행 이론과 원리를 터득할 수 있습니다.

※TIP 보통 사이트에서 패키지로 GPS와 함께 부가적인 부품을 셋트로 판매를 하고 있기 때문에 해당 상품을 최대한 저렴한 가격에 구매하는게 좋겠습니다.

모델	- DJI NAJA M V2 Controller - Pixhawk2 Standard kit

APM방식의 FC모델은 실제 셋팅에 필요한 지식을 어느정도 보유하고 있어야 하기 때문에 초급자는 FC완제품인 DJI NAJA나 Pixhawk를 사용하는걸 권장합니다.

출처 : History of Ardupilot

▣ Battery ▣

배터리는 드론을 움직이기 위한 전원공급장치로 비행시간과 직접적인 영향을 주고 있는 부품중의 하나입니다. 일반적으로 드론을 비행하기 위한 시간은 10~15분 정도라고 보시면 됩니다. 크기와 무게에 따라 달라지겠지만 F450급 드론을 비행하기 위해서는 그 정도 시간을 염두에 두면 좋습니다.

비행에 필요한 배터리 선정은 앞선 모터 선정과 유사하게 생각하면 됩니다.
· F450급 쿼드콥터에는 보통 3Cell(11.1v) 또는 4Cell(14.8v), 2500~500(mAh), 25-30C 정도의 용량을 가진 Lithium Polymer Battery(리튬폴리머 배터리)가 사용됩니다. 특장점이 많이 있으나 단점은 관리가 어렵다는 점이 있습니다.

· 전체 무게로 2.5kg으로 감안했을때 모터전원은 3~4Cell, ESC전원은 2~6Cell로 3 또는 4Cell 배터리로 구매를 하면 됩니다.(Cell은 S로 표시하며 1S=1Cell=3.7v)

· 배터리 스펙 표기에 보면 30~50C라고 되어 있는건 배터리의 순간 방전률로 배터리에서 연속적으로 뽑아낼 수 있는 전류량(연속 방전률)이 얼마만큼인지 수치로 나타낸것입니다.

· 구매한 배터리는 Poly-Tronics 사의 6,300mAh (11.1V, 3S1P, 45C) 배터리입니다.
모터가 필요로 하는 전기 용량 : MT2213/920KV 모터 스펙상 950g 추력을 얻기 위해선 모터 1개당 4Cell(14.8v) 전압에 14.6A의 전류가 필요하다고 나와있고, 효율은 4.4로 되어 있습니다.

따라서 2.5kg 드론을 비행시키기 위한 전력은
· 필요전략(w) = 드론무게(2500g) / 모터효율(4.4) = 568.19(w)가 됩니다.
· 비행시간(m) = 배터리 용량/전력 = ( 14.8v x 5(Ah) x 60m ) / 568.19(w) = 7.8분
※ 배터리 방전 손실율을 80%로 봤을 때 최대 비행시간은 5~6분 정도가 됩니다.

PT-B3400-NSR45 (14.8V, 4S1P, 45C /JST-XT)	PT-B5200N-KP65 (14.8V, 4S1P, 65C /JST-XT)
- 43 * 140 * 28 - 334g - 전압 14.8v - 만충전압 4.2+-0.03v - Cut-Off 전압 2.8v - 용량 3,400mAh - 충전 전류 Max 3C - 방전율 연속 45C	- 42.5 * 138 * 41 - 516g - 전압 14.8v - 만충전압 4.2+-0.03v - Cut-Off 전압 2.8v - 용량 5,200mAh - 충전 전류 Max 5C - 방전율 연속 65C

▣ Propeller ▣

드론을 공중으로 부양시키는 부품으로 모터의 규격에 조합하여 선정하여야 하며 스펙을 권장하는 프로펠러를 구매하여야 합니다.

모터가 가지고 있는 회전속도, 회전력등을 고려하여 프로펠러의 크기를 선정하여야 하며, 재질에 따라 종류가 다양한 만큼 선정을 잘 하여야 합니다. 탄소재질로 만든 카본 프로펠러등도 사용하는 경우도 있지만 잘 부러지는 경향이 있기 때문에 초급자에서는 플라스틱 재질로 만들어진 프로펠러를 사용하느걸 권장합니다.

또한, F450급에 모터의 성능을 감안했을 때는 프로펠러의 속도가 상당히 크기 때문에 안전사고에 주의하여야 하며, 모든 부품들의 조립이 끝나고 시험 동작할 때도 프로펠러는 장착하지 않은 상태에서 테스트를 하여야 합니다.

프로펠러의 스펙은 크기(Inch) x 피치(Pitch)로 나타냅니다
· 크기(Inch) : 프로펠라의 끝에서 끝가지의 길이. 인치(Inch)
· 피치(Pitch) : 프로펠라가 한바퀴 회전할 때 앞으로 전진하는 양을 의미
피치가 크면 그만큼 속도는 빠르지만 토크(힘)은 낮아지고, 피치가 낮을수록 속도는 느려지지만 토크(힘)은 높아집니다.

일반적인 표기는 브랜드명 10*45라고 되어 있는데 10은 직경 10인치(2.54cm*10=25.4cm), 피치가 45(45도 각도)의 규격을 갖는 프로펠러를 말합니다.

모델	- nylon Propeller CW/CCW Multi-Functional Propeller 1045 - 1045 Rotating Shaft Propellers for Multi Copter - Black (2Pair) 450~550급

▣ 송수신기(조종기) ▣

드론을 무선으로 원격조종하기 위한 장치를 말합니다.

드론용 송수신기는 내구성, 편리성, 조작성등을 고려하여 가격대비 성능이 좋은것으로 선정하여야 하여야 합니다.

드론에서 필요한 송수신기의 기본 채널수는 4개입니다.(Rudder/Throttle/Elevator/Aileron) 기본적인 4개 채널이외에 추가로 필요할 수도 있지만 향후에 어디까지 필요한지 미리 고려해서 선택하는게 좋습니다. 확장까지 고려한다면 10채널까지 지원되는 송수신기가 필요합니다.

대부분 송신기는 1.5V AAA또는 AA형 건전지를 4~6개를 사용하는데 리튬폴리머 배터리 1Cell 2000~3000mA 정도 선택하여 건전지 삽입되는 곳에 연결하여 사용하는걸 권장합니다.

모델	- DEVO7 조종기(송신기) - RX-601 수신기

▣ 기타 부품들 ▣

#	부품	개수	스펙/모델
1	배터리 충전기	1ea	- ELAN AI 충전기 - 5A파워 서플라이 /셀저항측정/ 최대 80w/7A
2	10축센서	1ea	- 10축 (3축 자이로+3축 가속도+3축 자기장+압력) 비행제어센서 모듈 GY-86 (ICF-0650)
3	미세먼지센서	1ea	- 아두이노 미세 먼지 측정 센서- dust sensor / Sharp Dust Sensor / GP2Y1010AU0F
4	아두이노		- 나노 or 우노
5	라즈베리파이		- 라즈베리파이 3

데이터 시트 :

gp2y1010au_e.pdf

다운로드

- 모델명 : PM2.5 GP2Y1014AU

- 감도 : 0.8 um

- 감도 0.5V (0.1um/m3)

- 전원전압 5-7v

- 동작온도 -10oc ~ 65

- 보관온더 -20 ~ 80

- 핀구성 : 6핀(Vled, GND, LED, S-GND, Vo, VCC)

http://makersindia.org/t66/

- 모델 : PM2.5 & PM10(레이저방식)

- 감도 : 0.3~1.0, 1.0~2.5, 2.5~10(micron)

- 전원전앖 : 5v

- 보관온도 : 20 ~ 50

- 핀구성 : 6핀(VCC, GND, SET, RXD, TXD, RESET)

● 아두이노는 부피상 나노를 많이 사용하는데, 가끔씩 우노와 빵판(Breadborad)과 함게 사용하는게 편리할 때가 있습니다.

● 구매할 때 중 저가형은 자주 고장이 나기 때문에 2~3개 여유분을 구비하는게 좋습니다. 또한, 전압에 민감하기 때문에 테스트시 주의해야 합니다.
● 라즈베리파이는 3 모델을 구매하면 됩니다

▣ 기타 (없으면 불편한것들)▣

· 공구류 : 드라이버, 육각렌치(F450프레임 조립시 필요), 인두기(F450프레임 전선연결등)
· 리포알람(리튬 폴리머 배터리 전압 체커 및 저전압 경보장치(1~8셀 / 3.7v ~ 29.6v)) : 배터리 전압상태와 저전압일 때 경보장치로 보통 ★쿼드콥터 배터리 유지 시간이 최대 20분임을 감안하면 배터리 잔량 파악이 무엇보다 중요하죠. 비행중에 배터리 Empty로 공중에서 그대로 하강하여 쿼드콥터가 부서질 수 있기 때문입니다.
· 각종케이블등 : 타이, 수축튜브, 점퍼선, 전원커넥터

· USB to TTL : 라즈베리파이(자율주행)와 Pixhawk같은 Controller를 연결하기 위한 컨버터

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