제 회경상남도지사배국제신비차 경연대회최종보고서 프렌즈 소속일반팀 지도교수 인 팀장서영준 인 외 명
목차 1. 설개개념 ------------------------------------ 1 (1) 임무분석 --------------------------------- 1 (2) 설계목표 --------------------------------- 2 (3) 디자인의미 --------------------------------- 3 2. 형상설계 ------------------------------------ 4 (1) 비행모드설계 --------------------------------- 4 (2) 주행모드설계 --------------------------------- 11 (3) 모드변환설계 --------------------------------- 17 3. 평가 ------------------------------------ 19 (1) 지상시험 --------------------------------- 19 (2) 주행분석 --------------------------------- 20 (3) 비행분석 --------------------------------- 20
1. 설계개념 (1) 임무분석듀얼모드로전환가능한신비차 (PAV) 의형태는크게 CTOL(Conventional Take-Off and Landing) 과 VTOL(Vertical Take Off and Landing) 방식으로나눌수있습니다. CTOL의경우고정익항공기와유사한비행방식으로간단한제어장치만으로도쉽게비행할수있다는장점이있지만비행을하기위해서는그림 1에서와같이이착륙이가능한장소로이동해야하는단점이있습니다. VTOL의경우수직이착륙이가능한방식으로장소에큰제약을받지않고이착륙할수있어지정된비행구역까지도달해야하기위한이동시간을줄일수있는장점이있어저희팀에서는 VTOL형태의비행방법을선택하였습니다. 그림 1 PAV 비행프로파일 주행미션이번경연대회의지상주행미션은그림 2과같으며주행모드로신비차 (PAV) 가임무 1단계의지상주행과임무 2단계의제동및이동을위해서주행 / 조향을위한구동장치와조향장치및제동장치가필요합니다. 임무 3단계의경우경사로등판과임무 5단계뛰어넘기미션을위해서지상주행시스템의안정성향상에중점을두어야하며임무 4단계, 7단계미션을수행하기위해안정적인조향시스템이필요합니다. 최종 8단계의자동주행미션을수행하기위해서는모든구동부가통합운영되어야합니다. 그림 2 신비차 (VTOL) 주행미션 - 1 -
비행미션신비차 (PAV, VTOL) 의비행미션은그림 3와같으며외란이있는야외환경하에서임무 1단계정지비행을위해서는기체의호버링성능을확보해야하며이를위해기체의자세 / 위치변화를측정하고제어할수있는시스템이필요합니다. 임무 2, 3 단계임무를수행하기위해서는기체의받음각이변화하고전진하는상태에서의비행안정성을확보할수있는제어기설계기술이필요합니다. 그림 3 신비차 (VTOL) 비행미션 3단계자동비행미션을수행하기위해서는비행시스템이외란에강인해야하며외부 GCS(Ground Control System) 와의정보교환및명령전달이가능해야합니다. (2) 설계목표저희팀에서는운전자가신비차 (PAV) 에쉽게접근할수있고주행모드와비행모드로의전환이빠른듀얼모드 VTOL 타입의신비차 (PAV) 를설계하고개발하는것을목적으로연구를진행하고있으며그림 4와같은순서로진행하고있습니다. 현재비행시스템과주행시스템을제작하여테스트를마쳤고지속적인비행테스트를통해성능을개선하고있으며 GCS와연동하여자동비행및주행하는것을목표로하고있습니다. 그림 4 시스템설계및제작계획 - 2 -
(3) 디자인의미현재의도로시스템에서주행가능하고수직이착륙을할수있도록 VTOL 형신비차 (PAV) 로디자인하였습니다. 주행모드에서는로터를아래로접어그림 5의미니버스와같은형상으로변환하여도로를주행할수있게하였고비행모드에서는영화 아바타 에나왔던그림 6의 < 드래곤어설트쉽 > 과같이로터를펼쳐동체측면에 4개의로터를두어안정적으로비행을할수있게디자인하였습니다. 그림 5 미니버스그림 6 드래곤어설트쉽 ( 영화 아바타 ) 대회에참가할신비차의디자인은그림 7의 3D 드로잉과같이주행모드일시로터가받는공기저항과부피를최대한줄여서주행에방해되지않도록하기위해서모드변환시차체의폭이조금줄어들더라도 90도각도로로터를접어측면에붙이는방법이가장이상적이라판단되어최종형상에적용하였습니다. 주행모드시미니버스형태인신비차디자인은현재의도로시스템에바로적용하여사용할수있는장점이있기때문에새로운인프라구축을위한비용을절감할수있습니다. 그림 7 신비차 (FPAV) 3 차원드로잉 - 3 -
2. 형상설계 (1) 비행모드설계 1) 외형설계및성능 / 조종안정성해석 외형설계 그림 8 신비차비행모드 그림 8과같이신비차의비행모드는 4개의로터를펼쳐서각각의로터에장착된 2개의모터 ( 총 8개, 동축반전 ) 를사용하여비행할수있도록제작하였습니다. 성능해석각각의로터에는 605 W의모터를 8개사용하여최대 4840 W(6.48hp) 을얻을수있으며하나의모터는약 3~4 kg의최대추력을낼수있습니다. 신비차가이용하는추력은 8개의모터가동축반전형식으로장착되기때문에서로의간섭으로인한추력이저하되는요소와신비차의자세제어를위해서최대추력의 6~70% 까지만사용하는것을고려할때신비차가이용할수있는추력은약 13~17 kg 정도입니다. 조정안정성해석신비차는그림 9와같이무게중심이동체의중심부에있고추력을생성하는로터부가무게중심위쪽에위치하기때문에신비차는외란에의하여비행자세가바뀌더라도안정적으로비행할수있는롤 (roll)/ 피치 (pitch) 안정성을가지고있습니다. 그림 9 신비차의롤 / 피치안정성 - 4 -
2) 동력장치설계 모터 600 W급 ( 추력3~4 kg) BLDC 모터를선택하였습니다. 충분한추력을확보하였기때문에추가적인페이로드를적재하였을경우에도충분히비행가능할것으로판단됩니다. 그림 10 TGY AerodriveXp 25 SK Series 35-42 1000Kv 변속기변속기는모터의소모전력에맞추어선정하였으며 BEC 전압 5V으로비행제어기에전원으로사용합니다. 그림 11 [RS ] ESC 50A - Super BEC 프로펠러 12인치프로펠러를사용하였을경우약 4 kg의추력을가질수있으며 10인치프로펠러를이용할경우약 3 kg의추력을생성할수있습니다. 배터리 그림 12 APC 12x3.8SF 신비차는 14.8v 6,000 mah 배터리를병렬 (12,000 mah) 사용합니다. 그림 13 Turnigy nano-tech 6000mAh 4S 25~50C - 5 -
3) 비행조종장치설계 AHRS(Attitude Heading Reference System) 제작 VTOL 방식의신비차 (PAV) 의경우자세를유지하기위해서사용되는자세센서의정밀도와자세정보의갱신주기가신비차의안정적인비행을위해서매우중요합니다. 저희팀에서는안정적인비행을위해서그림 14 와같은 AHRS(Attitude Heading Reference System) 를제작하였습니다. 그림 14 자체제작 AHRS 저희가제작한 AHRS는그림 15과같은 16bit 고해상도를가진자이로 (Gyro) 와가속도계 (Accelerometer) 와 12bit 해상도를가진지자계 (Magnetometer) 센서를사용하고 PIC32( 마이크로칩사, 32bit, 80MHz) 프로세서를이용하여갱신주기가 200Hz 이상으로작동할수있도록하였습니다. 그림 15 AHRS 사양 비행제어장치제작신비차를제어하기위한비행제어장치는직접제작한 AHRS와통신을통해서신비차의자세를업데이트해야하며 R/C 수신기를통해서자세제어입력을받습니다. 외부에서기체의상태를확인하기위해 Xbee 모뎀을이용하여외부의노트북에표시함으로써기체의상태를확인할수있도록하였 - 6 -
습니다. 제어출력은 PWM 형식으로각각의모터를제어하는 BLDC 모터 컨트롤러를제어합니다. 그림 16 비행제어장치 - AHRS와의통신기존에많이사용하는시리얼통신 (RS-232) 방식의경우최대전송속도 (115.200kbps) 가느리므로 SPI 통신 (10Mbps) 으로비행제어장치와의통신을구현하여자세정보를획득하는데사용되는인터럽터시간을줄여제어장치의컨트롤주기를높였습니다. 그림 17 비행제어장치구성 - 수신기비행제어장치는 R/C 수신기에서출력되는 PWM 파형을캡쳐하며이를기준으로제어입력을생성후 4ch의롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw), 스로틀 (Throttle) 의제어입력을받을수있도록하였습니다. - 7 -
그림 18 Corona Synthesized Receiver 4Ch 72Mhz - 데이터통신비행중인신비차의상태를확인하기위해서 Xbee PRO 모뎀을사용하여기체의자세와센서의상태그리고제어 In/Output 파라메터상태를확인할수있도록하였습니다. 차후의자동비행에무선을사용할예정입니다. 그림 19 XBee Pro(XBP24-AWI-001) - 변속기제어각각의모터를제어하기위해서 BLDC 전자변속기를사용하였습니다. 전자변속기는 PWM(Pulse Width Modulation) 파형을사용하여제어하는데기존의 PWM 제어주기는약 70Hz정도입니다. 신비차를안정적으로제어하기위해서는더욱빠른제어주기가필요하기때문에그림 20과같이 PWM 제어주기를짧게만들어 450Hz로전자변속기제어신호를생성하여모터를제어할수있도록하였습니다. 그림 20 변속기제어주기 - 8 -
- 모터제어방법 그림 21 과같이전면과후면에위치한프로펠러의추력의변화를주어 신비차를전지 / 후진비행을할수있도록합니다. 그림 21 신비차전진 / 후진 그림 22 과같이좌우에위치한프로펠러의추력의변화를주어신비차를 좌측 / 우측으로비행을할수있도록합니다. 그림 22 신비차좌 / 우측비행 그림 23 과같이상부 / 하부에위치한프로펠러의추력의변화를주어로 터의반토크로인하여신비차가좌측 / 우측으로회전할수있도록합니다. 그림 23 신비차회전 - 9 -
비행조종장치작동방법 - 시동걸기 / 끄기신비차의비행은그림 24와같이조정기의쓰로틀스틱의최하점에서좌측으로스틱을밀면시동을걸게됩니다. 시동을끄는방법은스틱을쓰로틀최하점에서우측으로밀어시동을끄게됩니다. 그림 24 시동끄기 / 걸기 - 자세제어신비차의롤 (roll) 제어는그림 25와같이좌측스틱을좌우로기울임으로서신비차의롤제어를하게됩니다. 피치 (pitch) 제어는스틱을상하로기울임으로서신비차의피치제어를하게됩니다. 그리고신비차의요 (yaw) 제어는우측스틱을좌 / 우로기울임으로서신비차를회전할수있게합니다. 그림 25 롤 (roll)/ 피치 (pitch)/ 요 (yaw) 제어 4) 레이아웃및서브시스템 중량 / 무게중심현재진행중인신비차의무게 ( 배터리포함 ) 는약 5kg으로이후프롭가드와외형디자인등이추가될예정입니다. 신비차의무게중심은동체의중심에올수있도록배터리등의기자재위치를배분하였습니다. 그림 26 신비차무게중심 - 10 -
전자기차폐신비차의경우 8개의변속기를하여하여 8개의 BLDC 모터를제어합니다. BLDC 모터의경우교류 3상전동기로변속기를통해서짧은순간전류의방향을바꿈으로서모터를제어하기때문에많은전자기가발생하고이로인하여비행제어시스템이오류를발생시킬수있기때문에이러한오류를방지하기위하여비행제어장치를전자기차폐함으로서시스템오류를방지할수있도록하였습니다. 자세측정에사용되는 AHRS는알루미늄케이스를그라운드와연결함으로서전자기차폐를하였습니다. 그림 27 비행제어기의전자기차폐 (2) 주행모드설계 1) 외형 (Body) 설계주행모드의신비차는그림 28과같이로터지지부를동체쪽으로접어주행시로터가방해가되지않도록하였습니다. 그림 28 신비차주행모드 - 11 -
탑승공간신비차는그림 29와같은탑승을위한출입구를가지고있으며비행 / 주행을위한동력원을비롯한제어기가상 / 하층부에위치하기때문에충분한공간을확보할수있습니다. 탑승편의성버스형태로신비차의가운데부분으로출입구로사용하여탑승할수있도록하였습니다. 이는버스의가운데부분의출입구와같은부분으로저상으로설계하여출입이용의합니다. 그림 29 신비차탑승 시야운전자의위치가버스와같은앞쪽에배치되어전방의시야확보가용의합니다. 그림 30 신비차의시야 점등장치신비차의주행및비행시시야를밝히고진행방향을표시하기위한점등장치는그림 31과같은위치에놓이게됩니다. 그림 31 신비차의점등장치 - 12 -
그림 32 신비차주행모듈 2) 동력장치 (Power train) 설계신비차의경우 4개의바퀴를사용하는사륜구동시스템으로각각의바퀴에기어드모터와바퀴를직결하여좌 / 우독립적으로구동하게됩니다. 주행제어 / 모드변환기신비차의주행제어및모드변환을위한제어기를제작하였습니다. 비행제어에사용하는동일한주파수를사용하는수신기를이용하여모드변환및주행제어를합니다. 동력장치 그림 33 신비차주행제어기 / 모드변환장치 각각의바퀴에 1/18 기어비의모터를사용하였습니다. 그림 34 RB-35GM 11 Type - 13 -
변속기 주행제어 / 모드변환기와연동하여각각의모터를제어합니다. 그림 35 NT-S-DCDM 1210 3) 샤시 (Chassis) 설계 조향장치조향장치에는그림 36와같은하이토크의서보모터를사용하여조향제어를할수있도록하였습니다. 그림 36 Turnigy Metal Gear Servo 그림 37 와같이중심부에서보모터를설치하고각각의바퀴가설치된플 레이트를움직여신비차의조향제어를하게됩니다. 그림 37 신비차조향제어 - 14 -
그리고그림 38와같이신비차가회전을하게될경우외륜과내륜의바퀴간속도차이가나타나는데기존의자동차들은차동기어를이용하여내륜과외륜의속도차이로인해바퀴가지면에끌리는문제를방지합니다. 모터를직결하여구동원으로사용할경우차동기어를사용하지않기때문에주행제어기를통해서조향각도에따라내륜과외륜의바퀴속도를제어함으로써원활하게신비차가회전을할수있도록하였습니다. 그림 38 내륜외륜바퀴의속도제어 제동장치신비차의제동장치는전자적인제동장치를사용합니다. 신비차에서사용하는전자변속기는순간적으로 30A를감당할수있기때문에전자적으로역방향의전류를제어하여제동합니다. 4) 안정성및안전성설계 Roll Over 안정성신비차의무게중심은비행모드시동체의중심부에위치하도록부품을배치하였습니다. 그림 39에서와같이비행모드에서주행모드로변환시로터가동체측면부에위치하게되고무게중심이아래쪽으로이동하게됩니다. 그림 39 비행 / 주행모드시의무게중심변화 - 15 -
SSF(Static Stability Factor) 를계산하면약 1.045 로일반적인픽업트럭보 다낮은 SSF 를보입니다. 이는로터부를동체의측면에부착함으로서상대적으로전폭이줄어들었 기때문입니다. 이를개선하기위해서는로터부의두께를줄이고전폭을넓 힐필요가있습니다. 차후프롭가드제작시고려할예정입니다. 충돌안정성제작하고있는신비차의프레임은사각형의알루미늄관을이용하여그림 40과같은프레임을구성하였습니다. 알루미늄관의두께는 1T로프레임을구성하였을시매우강한구조적인안정성을보입니다. 그림 40 신비차의프레임구조 탑승자보호안정성제작하고있는신비차는기존의미니버스형태의구조를가지고있고이미검증되어상용화된형상이기때문에구조적인면이나탑승자의보호측면에서의우수하며최적화된설계로공간이많이확보할수있기때문에에어백과같은다양한탑승자안전장치를추가적으로설치하여사용할수있습니다. - 16 -
(3) 모드변환설계 1) 모드변환장치의창의성및현실성서보모터와실리콘와이어 (silicon wire) 를이용하여모드변환장치를제작하였습니다. 그림 41와같이서보모터는 2개의파트로나누어진로터의지지부를접고펴는과정을통해서모드변환을할수있도록하였습니다. 모드변환시실리콘와이어의탄성을이용하여서보모터가로터와모터를위로들어올릴때감당해야하는모멘트를상쇄할수있도록하였습니다. 그림 41 모드변환기구부 그림 42은모드변환시서보모터에전원을공급하는전원부로모드변환시서보모터가순간적으로많은전류를소모하기때문에 5V 20A로설계하여충분히로터지지부를밀어모드변환할수있도록하였습니다. 그림 42 모드변환전원장치 - 17 -
그림 43 과같이드라이빙모드에는로터지지부를동체쪽으로접어서주행 시방해가되지않도록하였고비행모드시에는로터지지부를펼쳐프로 펠러가회전할수있는공간을확보할수있도록하였습니다. 그림 43 신비차모드변환 2) 모드변환장치의효율성모드변환을하기위해서는신비차의형태를변형하여야합니다. 저희팀에서선택한신비차의디자인은로터를지지하는부분만을비행시에만펼치고비행할수있도록하였습니다. 따라서모드변환시에만에너지를사용하도록하였으며그림 44과같이비행모드시에는로터부분이위쪽방향으로힘을받게되고구조적으로 3면이로터지지부의힘을감당하기때문에비행시모드변환장치에서는에너지를소모하지않습니다. 그림 44 로터 3 면지지구조 그리고그림 45 과같이변환후에는외팔보구조를 45 도각도로지지하는 구조가되기때문에구조적으로매운안정적이며매우효율적인모드변환 방법입니다. - 18 -
그림 45 로터지지부의힘의지지구조 3. 평가 (1) 지상시험 - 조향장치실험그림 46과같이조향장치부를제작하여조향실험및주행실험을하였습니다. 그림 46 신비차조향시험 - 19 -
(2) 주행분석그림 47과같이신비차를제작하여주행시험을하였습니다. 주행시험에서는전 / 후진, 좌 / 우회전모두양호하였고, 발등높이정도의장애물도이상없이통과하였습니다. 그림 47 주행시험 (3) 비행분석그림 48과신비차비행및모드변환주행실험을실시하였으며양호한성능을보여주었고기체가약간의진자운동을하는것을볼수있는데이는차후보완사항입니다. 그림 48 신비차비행 http://youtu.be/foxrm9mfo28 < 신비차주행 / 비행동영상 > - 20 -