드론(Drone) 비행 원리( 공기역학 )

공중에 떠 있는 드론

 

 

드론(Drone) 비행 원리 - 공기역학

드론이 안정적으로 비행하기 위해서는 비행 원리를 알아야 합니다. 그러려면 공기역학(Aerodynamics)을 이해해야 합니다.

공기역학은 공기와 물체가 상호작용하는 원리를 연구하는 학문으로, 드론이 공중에서 어떻게 균형을 유지하고 이동하는지 설명하는 핵심 개념입니다. 드론의 비행 원리는 양력(Lift), 추력(Thrust), 항력(Drag), 중력(Gravity)등 네 가지 힘의 상호작용을 통해 이루어집니다.

1. 드론의 비행을 결정하는 네 가지 힘

드론 비행 원리의 핵심은 이 네 가지 힘에 의해 공중에 머물거나, 앞, 뒤, 좌, 우, 위, 아래 어느 방향으로 나아갈 수 있는 방향성을 갖습니다. 이 네 가지 힘이 균형을 이루면 드론이 안정적으로 비행할 수 있습니다.

• 양력(Lift) – 드론이 공중으로 뜨게 만드는 힘
• 추력(Thrust) – 드론이 앞으로 이동하도록 밀어주는 힘
• 항력(Drag) – 공기 저항으로 인해 드론의 속도를 감소시키는 힘
• 중력(Gravity) – 지구가 드론을 아래로 당기는 힘

2. 호버링(Hovering) : 공중에서 드론이 정지하는 원리

호버링이란 드론이 공중에서 일정한 위치를 유지하면서 멈춰 있는 상태를 의미합니다. 드론이 호버링 하려면 양력과 중력이 같고, 추력과 항력이 균형을 이뤄야 합니다.

 

(1). 호버링이 유지되는 조건

• 네 개의 프로펠러가 동일한 속도로 회전해야 합니다.
• 양력과 중력이 서로 같아야 합니다.
• GPS ( Global Positioning System의 약자로, 위성을 이용하여 지구상의 특정 지점의 위치 정보를 얻는 시스템 )
• IMU ( Inertial Measurement Unit '관성 측정 장치')가 기울기나 위치 변화를 감지하여 자동으로 균형을 조정해야 합니다.

(2). 호버링을 방해하는 요소

• 바람(wind): 바람이 불면 드론이 밀려나기 때문에 자동 보정 기능이 필요합니다.
• 배터리 감소( Low battery ): 배터리가 줄어들면 모터의 출력이 떨어져 호버링 유지가 어려워질 수 있습니다.
• 프로펠러 불균형( propeller imbalance ): 프로펠러가 손상되거나 균형이 맞지 않으면 드론이 기울어집니다.

 

3. 이동(Translation): 전후좌우로 움직이는 원리

(1). 전진(Forward Movement)

앞쪽 프로펠러 속도를 감소시키고, 뒤쪽 프로펠러 속도를 증가시킨다. 기체가 앞쪽으로 기울어지면서 이동합니다.

(2). 후진(Backward Movement)

앞쪽 프로펠러 속도를 증가시키고, 뒤쪽 프로펠러 속도를 감소시킨다. 기체가 뒤쪽으로 기울어지면서 이동합니다.

(3). 좌측 이동(Left Translation)

왼쪽 프로펠러 속도를 감소시키고, 오른쪽 프로펠러 속도를 증가시킨다. 기체가 왼쪽으로 기울어지면서 이동합니다.

(4). 우측 이동(Right Translation)

왼쪽 프로펠러 속도를 증가시키고, 오른쪽 프로펠러 속도를 감소시킨다. 기체가 오른쪽으로 기울어지면서 이동합니다.

 

4. 회전(Yaw Rotation): 방향을 바꾸는 원리

 

(1). 시계 방향 회전 (Right Yaw)

두 개의 프로펠러 속도를 증가시키고, 나머지 두 개의 프로펠러 속도를 감소시켜 드론이 오른쪽으로 회전합니다.

(2). 반시계 방향 회전 (Left Yaw)

두 개의 프로펠러 속도를 감소시키고, 나머지 두 개의 프로펠러 속도를 증가시켜 드론이 왼쪽으로 회전합니다.

 

5. 드론이 안정적으로 비행하기 위한 기술

(1). PID 제어 시스템 (Proportional-Integral-Derivative Control)

PID 제어는 드론이 기울어지거나 위치가 변할 때 이를 감지하고, 빠르게 보정하는 알고리즘이다. IMU 센서가 데이터를 수집하고, PID 알고리즘이 최적의 프로펠러 속도를 계산하여 자동으로 균형을 유지한다.

(2). 전자 속도 조절기(ESC, Electronic Speed Controller)

ESC는 조종기의 명령에 따라 모터 속도를 정밀하게 조절하는 역할을 한다. 4개의 ESC가 각각 독립적으로 모터 속도를 제어하여 드론의 움직임을 결정한다.

(3). GPS와 VPS (Vision Positioning System)

GPS는 드론이 현재 위치를 정확하게 유지할 수 있도록 도와준다. VPS는 드론이 실내에서 GPS 신호 없이도 일정한 위치를 유지할 수 있도록 하는 기능이다.

 

 

 

학습 목표

• 드론의 비행을 결정하는 네 가지 힘(양력, 추력, 항력, 중력)을 이해한다.
• 드론이 공중에서 정지하는 호버링 원리를 익힌다.
• 드론이 이동하고 회전하는 방식을 이해하고, 이를 조종기에 적용하는 방법을 학습한다.
• 안정적인 비행을 위한 PID 제어 시스템, ESC, GPS, VPS 등의 역할을 파악한다.