제 2 회경상남도지사배국제신비차 ( 新飛車, Flying Car) 경연대회최종보고서 2011. 9. 6. 소속성균관대학교 지도교수김훈모 인 팀장양승웅 인 외 명
1. 설계개념 (1) 임무분석 a) 주행임무 - 본팀의차량은 VTOL 기체로서주행모드에서는전폭 m, 전장 m, 전고 m, 휠베이스 m 크기의기체로주동력원은 BLDC모터 2개를이용하고, 조향은서보모터를이용한다. 그림 1. 주행코스그림 - 주행코스 : 주행코스는최외곽코스를 A 지점에서시작하여 B 지점을끝으로한바퀴 를통과한다. 가장쉬운구간이므로빠르게통과하도록한다. - 제동코스 : 주행코스를완주한후에 B 지점에서제동을하여 C 지점을지나가기전에 기체를제동시킨다. 주행코스에서빠르게달리는만큼제동거리가길어지므로미리 A 지점 부터감속을하여제동거리가짧아지도록해야한다. - 경사로 : C 지점에서정지로 H-I 코스로이어지는낮은경사로를오른뒤, 경사로에서잠 시정지후조향코스를향해다시출발한다. - 조향코스 : 조향코스의구성은좌, 우로급격하게꺾이는코스 (J-K-L) 를지나회전하는코스 (L-M-O-M-N) 를지난뒤완만한코스 (N-P-Q) 를지나는것으로완료된다. 이때최소한으로요구되는코스의회전반경을자동차최대조향각도에반영하여충분히기체가미끄러지지않고코스를주행할수있도록조종기를미리설정해두어야한다. - 뛰어넘기코스 : R지점에도달한기체를주행모드에서비행모드로변경시킨다. 호버링으로상승한뒤에 S지점까지직선이동한후에다시착륙하여주행모드로변경시킨다. 이때비행을위한배터리는작은용량을장착하여주행용으로쓰이는배터리의무게가비행안정성에방해가되지않도록해야한다.
- 주행코스 2 : 급격히꺾이는코스가한군데존재하는 S-T-F-G-A-B 코스를주행한 다. 급격한코너의통과를위해느린속도로천천히통과하여야한다. - 주차코스 : B 에서 C 를향하여조금주행한뒤에후진으로 U 지점까지도착하면주차코 스를끝으로주행임무가완료된다. b) 비행임무 - 본팀의차량은비행모드에서전폭 m, 전장 m, 무게 kg 이다. 추력은 BLDC 모터 2x4 개 가 X 모양형태로구성된다엽비행체이다. 그림 2. 비행코스 ( 좌 : 기본비행 / 우 : 코스비행 ) - 기본비행 : 우선 1-6 으로호버링하여정지비행후에 6-2-3-4-5 로이어기는기본 비행코스를통과한다. 다엽비행체에기체의무게가상당하므로빠른이동보다는천천히 정확한비행을하도록한다. - 코스비행 : 기본비행을마친뒤 5 에서 3 으로대각선이동후다시 2 로이동하여 4 로대 각선비행, 5 를지나다시 1 로착륙하는것으로비행성능테스트가완료된다. 자세제어가 비교적정확한 V-tol 의장점을살려정확한코스를주행하는것을목표로한다. (2) 설계목표 - 형태 : 본팀의경우도로주행중교통혼잡상황에서수직으로상승하여비행하는형태가이상적인 flying car의동작이라고판단하여 "VTOL+Roadable" 로선택하여임무를수행한다. - 휠형상 : 휠의내부가비어있는 ' 허브리스휠 ' 을채택한다. 내부에비행구동장치를장 착하여공간낭비를최소화한다. - 비행방식 : 8 개의모터를 2 개씩 4 개배치하여안정적이고, 높은추력을낼수있는 X8 다엽비행체를기본으로한다.
- 모드변환 : 주행모드에서비행모드로변환시허브리스휠이수직으로 90도회전하여프로가드의역할을수행한다. 이를통해모드변경시에필요한공간활용을최대화하고추후실제 PAV 제작시에운전자를위한공간활용에우위를점할수있다. 또한모드의변환은자동적으로실행되며비교적빠른시간내에완료되는것을목표로한다. 그림 3. 설계주안점도표 (3) 디자인의미 그림 4. 디자인의의미
- 허브리스휠의사용이유 우선허브리스휠의사용시장점은다음과같이정리해볼수있다. 그림 5 허브리스의예시ㄱ. unsprung mass의감소 : 휠내부가비어있어 unsprung mass가감소한다. ㄴ. 힘과응력집중의감소 : 기존의차량은횡방향의축으로모든힘이전달되기때문에이부분에많은힘과응력이집중된다. 하지만허브리스휠의경우이축이없기때문에힘과응력집중이감소된다. ㄷ. 브레이크성능의증가 : 휠의내부가비어있어브레이크작동에따른열의방출이쉽고, 내부의많은공간에브레이크디스크를추가로장착하면 20~100% 의성능향상이있다. ㄹ. 높은개발잠재력 : 아직개발초기단계로앞으로더발전할가능성이높다. ㅁ. 미적아름다움 무엇보다도허브리스휠의가장큰장점은 공간의활용성 이다. 이미기존의플라잉카는주행부분과비행부분이분리된형태이므로기체의무게가늘어나는동시에탑승자의공간또한좁아지게된다. 우리가제작한기체의디자인은허브리스휠내부의공간에비행을위한동력원이들어가므로기존의차모양을유지하면서내부의자용자의탑승공간을크게할수있으므로다른신비차와다른차별성을가질수있다. 그림 6 트렌지션의모습과 S-Rover 의비교모습
- 주행, 비행모드의변신 그림 7 S-rover 와영화백투더퓨처의타이머신자동차 허브리스휠을리니어엑츄에이터를이용하여프롭가드로전환시키는일은영화백투더퓨처의바퀴가내려앉으며비행모드로변신하는모습에서아이디어를얻어차용하였다. 이러한방식을차용하면서얻을수있는장점은공간활용을최대화하고, 일반적인플라잉카에기대되는형태를충족시키며심미적욕구도충족시킬수있다는것이다. 2. 형상설계 (1) 비행모드설계 a) 외형설계및성능 / 조종안정성해석 - 비행모드외형본기체는 X8, 즉 8개의프로펠러를 2개씩겹쳐서 X자의형태를만든다. 상하프로펠러의회전방향은서로반대방향이며, 바람의방향은같은아래방향을향하도록시계방향으로도는모터에는역피치를, 반시계방향으로도는모터에는정피치를장착하여사용한다. 이때바퀴는프롭가드의역할을한다.
그림 8 모델링으로구현된비행모드모습 그림 9 X8 콥터의개략도와실제 S-Rover 의모습 - 비행자세제어보드 그림 10 FlyCam MultiCopter Blackboard
비행용제어보드는 FlyCam MultiCopter Blackboard 를사용하였다. 비행자세제어를이용한보드의설계는많은시간과노력을요하고, 기존의상용보드보다더좋은성능을보여주는보드를만들기어렵다는전제하에시중에서구매할수있는보드를사용하였다. 이보드는최대 12개의모터나서보를제어할수있는보드로여러가지형태의멀티콥터를제어가능하도록만들어진보드이다. - 비행특성 그림 11 S Rover 의비행 -> 이착륙 호버링시, 8 개의프로펠러가같은속도로같은추력을내게되며, 차체 무게보다큰추력을낼경우에는상승, 무게보다적은추력을내는경우는하강, 무게와같은추력을내는경우에는호버링을하게된다. -> 순항 8개의프로펠러중후방의 4개프로펠러, 즉 1,2,3,4 번프로펠러보다 5,6,7,8 프로펠러의속도를더높여서추력을크게할경우본기체가앞으로기울어지게된다. 이때자이로센서가내장된제어보드에서일정한각도를유지할수있도록한다. 그러면무게와상승방향추력은상쇄되며합력이 0이되며고도를유지하게된다. 하지만기울어진상태에서전방을향하는수평힘에의해기체가순항할수있게된다. -> 선회는프로펠러의회전이있을때그반력으로프로펠러가기체를회전시키려고하는힘을이용한다. 반시계방향으로회전하는 3,7,2,6번의프로펠러를 1,5,4,8번프로펠러보다빠르게회전시킬경우프로펠러가기체를시계방향으로돌리려는힘이커져기체는시계방향으로선회할수있게된다. 반면시계방향으로회전하는 1,5,4,8번프로펠러를반시계방향으로회전하는 3,7,2,6번프로펠러보다
빠르게회전시킨다면기체가반시계방향으로회전시키려는힘이커져서기체가 반시계방향으로선회하게된다. - 비행안정성 기본적으로자이로센서를내장하고있는 FlyCam MultiCopter Blackboard 의마이크로 프로세서 Atmega 168 에는기체의기울기값을입력받아서기체를안정시키는프로그램이 내장되어있다. 따라서어떤특정요인에의해서보드나변속기, 모터, 프로펠러등비행에 필수적인부품들의파손이없다면비행의안정성은확보되었다고할수있다. b) 동력장치설계 - 모터, 프로펠러 그림 12. Flycam 1000 본기체에사용된모터는 Flycam 1000이라는제품으로최대추력이 1.5kg 인제품이다. 본기체에는 8개의프로펠러가장착되므로이론상최대추력은 12kg 이다. 또한프로펠러는회전방향이상하달라야하므로정피치와역피치를모두사용하여야한다. 또한프로펠러는 Flycam1000과최상의조화를이루면서본기체의허브리스바퀴안쪽에들어가는최대크기인 10inch를만족하는프로펠러인 APC 10x4.7을선정하였다. - 변속기 다엽비행체는좋은변속기를선택하는것이필수적이다. 다엽비행체에사용할변속기를 선택하는기준은다음과같다고한다. 1. 타이밍설정에 Auto 를지원하여야한다. 2. 해상도가좋아야한다. 3. 멀티콥터에서제어하는최고속도 (495Hz) 를지원하는게좋다. 이러한기준으로선택한변속기는 Maytech LV-50A SBEC(2~6 Lipo)ESC이다. 지원하는배터리셀수는 2~6개이다. 최대 70A까지전류를버텨주고, 헬기용이므로잦은모터스피드의변화를잘버텨줄수있다. 본기체의비행용배터리의전압인 14.8V로사용가능한사양이며, FlyCam MultiCopter Blackboard에서나온신호와전원보드에서나온전원을조절하여각프로펠러에한개씩총 8개의변속기가달려프로펠러의속도를조절할수있게해준다.
그림 13 비행에사용되는변속기 - 배터리본기체의비행모드의배터리는 4S 14.8V 25C 5000mah 2개전지로효율이높은리튬폴리머방식의배터리이다. 또한방전율도 25C로높은방전률을가지고있어서큰추력이필요한본기체에적절한사양이다. 또한 2개의배터리를장착하므로뒷바퀴에달리는두개의주행모터무게로인한무게중심변화를보상해줄수있고, 비행안정성에도움을줄수있다. - 추력특성프로펠러 8개가동축반전으로 2개씩 X자의형태를나타내므로 8개의프로펠러를모두다른평면에배치하는것보다는반대방향으로회전하는프로펠러에의해생기는와류로인해효율이떨어지는경향이있다. 하지만상대적으로작은프로펠러를달수있기때문에큰무게를들면서허브리스바퀴안에프로펠러가위치하는본 FlyingCar에는큰추력을낼수있는동축반전방식이적절하기에동축반전으로 8개의프로펠러를구성하였다. c) 비행조종장치설계 - 조종방식 (Control effector) 설계현재시점까지비행에사용되는조종기는 Futaba T7CHP모델이다. 본조종기는 72MHz 주파수대역대가가능한조종기이다. 최대 7CH까지송신이가능한조종기이며, 본기체를조종시에는 4개의채널을사용하게된다. 물론다엽비행체에요구되는주파수로는적합하지않다. 추가지원금을받게되는 2.4GHz 주파수를사용하는조종기로교체할예정이다. 그림 14 Futaba T7CHP
1CH 2CH 3CH 4CH aileron으로기체의 roll을담당하는채널이다. 즉기체의좌우기울기 정도를조절할수있어수평이동이가능하게한다. elecator로기체의 pitch를조절하는채널로기체를전후방으로기울게 해서전후방으로순항할수있게한다. throttle로 8개의프로펠러의속도를조절할수있는데 8개의프로펠러 의회전속도를동시에올릴경우에호버링을할수있으며이 착륙도가 능하다. rudder로기체의회전을담당하는채널로기체를시계방향, 또는반시 계방향으로회전할수있게해준다. - 주파수 Ch. MHz Ch. MHz 11 72.01 36 72.51 12 72.03 37 72.53 13 72.05 38 72.55 14 72.07 39 72.57 15 72.09 40 72.59 16 72.11 41 72.61 17 72.13 42 72.63 18 72.15 43 72.65 19 72.17 44 72.67 20 72.19 45 72.69 21 72.21 46 72.71 22 72.23 47 72.73 23 72.25 48 72.75 24 72.27 49 72.77 25 72.29 50 72.79 26 72.31 51 72.81 27 72.33 52 72.83 28 72.35 53 72.85 29 72.37 54 72.87 30 72.39 55 72.89 31 72.41 56 72.91 32 72.43 57 72.93 33 72.45 58 72.95 34 72.47 59 72.97 35 72.49 60 72.99 그림15. 72MHz 사용범위 조정기의특성상 50MHz 와 72MHz 의대역대둘다사용가능하나 72MHz 대역대를사용하
고있으며, 72MHz 안에도많은다른주파수가존재하기때문에대회참가팀들과혼선가 능성은없다고할수있다. 또한추가지원금을받을수있다면 2.4GHz 를이용하는조종기 로교체할예정이다. - 안정성증대시스템 (gyro) 그림 16. Gyroscope 비행용제어보드 FlyCam MultiCopter Blackboard 에포함된 MEMS gyro 는본 기체의안정성을높여주는핵심부품이다. 3 축센서가있는 MEMS gyro 는 Yaw Axis, Roll Axis, Pitch Axis 를가지고있으며초기값을조절가능한방식이다. d) 레이아웃및서브시스템 - 중량 그림 17. 중량측정모습
카울을제외한비행시필요한기자재를장착한후측정한기체의무게는 5kg 내외이다. 예 상추력은 6kg 이고, 대회전까지경량화작업과세부조정을통해 4kg 후반대로줄일수있 다면충분히효율적인비행을할수있을것이라예상된다. - 무게중심 S Rover의차량의무게중심은 Hubless부에집중이되어있는형태이긴하지만정사각형에가까운구조이기때문에이론적으론차량의무게중심이중앙에놓이게된다. 하지만제작중에생기는작은공차들이모여서무게중심이정확하게중심에오지못하는부분이생겼고이부분은유동적으로옮길수있는무게 ( 베터리 ) 를조정하여비행모드시에무게중심을차체의중심에위치하도록하였다. - 자동랜딩기어 그림 18. 자동랜딩기어자동랜딩기어부분을구성하는데 Linear actuator를사용하였다. 스트로크가최대 140mm가늘어나는 Linear actuator를이용하였고이를차체에수직으로장착하여차체를들어올리는방식으로자동랜딩기어를구성하였다. 자세한설명은아래주행부분모드변환섹션에나타나있다. - 모드변환장치모드변환을하는데필요한휠의 90 의위상차이를만들어주기위해서 Linear actuator 를사용하였다. Linear actuator를휠과바디에각각 1점씩지지하고늘어나는스트로크를계산하여 90 의위상차를주었다. (2) 주행모드설계 a) 외형 (Body) 설계
- 탑승공간 그림 19. 기체의주행모드시탑승공간 본차량을설계하면서 R/C스케일이아닌실제스케일을고려하였을때, 얼마나많은공간을사용할수있는지고찰해보았다. 위그림에서완성모델링형태에가상의탑승자를모델링하여탑승위치에배치해보았다. 배치를해볼때, 1인용차량이라고생각하고탑승자를배치했고그결과 1인의탑승자가온전하게탑승하는것이가능했고별도의공간이남아화물적재공간으로이용이가능할것으로판단되었다. 탑승자를 1인으로고정하지않은상태를생각해보아도 Hubless 휠에서비행과주행부의공간소비를해결할수있었기때문에기존의차량과동일하거나그이상의공간의활용이가능할것으로예상할수있다. - 탑승편의성본차량의뛰어난공간활용성은탑승의편의성과직결된다. 기존의차량의디자인을그대로사용가능하다는장점으로인해전형적인세단방식의 4도어의형태는물론이고해치백, 쿠페형식의다양한차량의형태로 Flying Car를구현할수있다. 특히전원소스로전기배터리를사용한다면엔진룸과같은별도의공간활용이필요없게될것이며, 만약타동력원을사용하게된다고해도 Hubless 디자인의특성상공간의활용성은더욱두드러지게될것이다. - 시야 그림 20. 주행시탑승자의시야각
구조상으로차량과동일한형태를취할수있는장점으로인해시야각의확보또한자유롭다. 위의그림에서보는것과같이상하 16도, 좌우 59.60도의시야확보가가능하다. 하지만이는차량의바디를기준으로한것으로유동적인측면이있다. 다만시야의확보측면에서 Hubless system의채택으로휠이커진측면이있고이런큰휠이시야를방해할수도있을것이다. 이런문제는실제차량스케일로차량이커질때, 동력원의크기가 1:1의사이즈로늘어나지않는특성으로인해상쇄될수있을것이다. - 점등장치 그림 21. 주행에서점등장치의설치위치 앞에서언급했듯이주행모드일때바디밖으로돌출되는부분이없는특성때문에점등 장치를부착하는데방해되는요인이없다. - 미러위치확보등 R/C스케일모델에서는바디에비해서휠이크기때문에미러위치가일반차량보다조금더위쪽으로장착될수밖에없다. 하지만실스케일로판단한다면이문제또한위에서언급한것과같이상쇄될수있는요인이다. b) 동력장치 (Power train) 설계 - 주동력장치주행모드에서사용되는미니모터는 VTX-KOREA AP-370N 미니모터이다. 미니모터두개를뒷바퀴상단에각각장착하는구조이다. 다음은모터와모터가기체에달리는위치를나타낸사진이다. 기어박스는 Tamiya Planetary Gear Box 이다. 이기어박스는 planetary 기어단을조합하여다양한기어비를만들수있고, 기어구조의특성상고속회전하는모터의동력을기어가어긋남없이정확히전달해줄수있다.
그림 22. 미니모터 ( 좌 ) / 기어박스 ( 우 ) 기어박스장착모습 ( 하단 ) - 동력전달구조동력의전달은뒷바퀴각각에장착된브러쉬모터를체인을통해아래쪽축으로전달한뒤풀리를회전시켜허브리스바퀴내부에부착한타이밍벨트를구동하는방식으로바퀴에동력을전달한다. 하나의큰모터를사용하는대신두모터를비행동력부에분산배치하는방식은비행의안정성에큰기여할수있다. 또한바퀴를들어올려모드가전환되는방식의특성상기존 RC카의차동기어를사용할수없었기에이러한방식을사용할수밖에없었다. 아래사진은기체에사용되는동력전달부를찍은사진이다. 그림 23. 동력전달구조사진
- 변속장치주행에사용되는변속장치는 VTX-KOREA 370,380급미니변속기이다. 주행용모터와같이추천되는제품이며제원은아래에나타나있다. 전후진겸용이며두개의모터네각각이변속기와연결된다. 차동제어를위해각각의신호를제어하는구조를구상중이다. 그림 24. 변속기와변속기제원 c) 샤시 (Chassis) 설계 - 메인프레임메인프레임을설계에서가장큰어려움은주행과비행에서요구되는프레임의특성사이에서발생되는모순이다. 주행모드에서는현가장치와같은유격을프레임에부여해야하고, 비행모드에서는프롭의위치가프레임에단단히고정되어야한다. 이러한두모순을잘절충하는것이샤시디자인의가장큰고려사항이었다. 최종적으로적용된샤시의모습은다음과같다. - 조향장치 ( 아커만 - 장토법 ) 차량의모든부분을직접제작하였기때문에안정적인조향을위해서실제차에적용되는이론을적용하여디자인하였다. 각타이어의회전면과진행방향을일치시키기위해서는각축의연장선상에선회중심이있어야하는데그러기위해서는좌우앞바퀴축의연장선과뒷바퀴축의연장선이한점에서교차하도록조향각을결정할필요가있다. 이런관계를나타내는이론적인식이아커먼-장토식이다. 이런 아커먼-장토법 을이용하여필요한스티어링축의길이를도출하기로하였다.
위그림을이용하여 sin 와같은식을세울수있었고해당식은 와 의 2 개의미지수를가지는연립방정식이다. 해당방정식을 Numerical 하게계산하기 위하여 MATLAB 프로그램을이용하였다. 코딩내용은다음과같고해당코딩으로 plot하여결과를도출해보았다. x=50:0.1:350; aa=asin((350-x)/(200)); plot(x,aa,'r'); x1=((350-(100.*sin(aa-23.58)+100.*sin(aa+31.14))).^2+((100.*sin(aa-23.58)-100.*sin (aa+31.14))).^2).^0.5; hold on plot(x1,aa); 그림 25. Matlab 계산과정 해당코딩에서 X 는길이 Y 는 의값 (radian) 을나타내므로, 바퀴에서튀어나올부분을 100mm 라고한다면그각도는 32.4287 로하고, 두부분을연결할부분의길이는 242.8mm 로하면된다. 그렇게되면회전반경이 1375mm 인조향을만들수있다. 축간거
리가 2.4m 인실제차가회전반경이약 6m 인점을고려하여보면축간거리가 550mm 인 S Rover 차량에비례적용이가능하다는것을알수있다. 실제기체에적용된모습은다음과같다. 그림 26. 아커만 - 장토법 을 적용한부분 - 조향장치 ( 서보와의연결 ) 아커먼- 장토를이용하여구한조향장치구조를서보와연결하는부분을설계하기위한고려사항으로는양쪽방향으로의조향속도가같아야한다는점이다. 기본적인연결구조물은다음과같은 4절링크기구를사용하기로결정하였다. 그림 27. 조향을위한서보와링크기구 서보가중립위치에서양쪽으로회전할때최종적인바퀴의회전속도가양쪽모두같아야 하므로이를위하여다음과같이인벤터를통하여적절한링크기구의각링크길이를산출 하였다.
그림 28. 링크기구인벤터설계 최종적인링크기구의기체적용사진은다음과같다. 아래사진은좌, 우로조향시모습을 비교한것이다. 그림 29. 조향부분의좌, 우방향변화
- 현가장치 그림 30. 주행모드에서상태 그림 31. 비행모드에서의상태 현가장치를장착하는데있어서실제로고급차량에적용되는능동형서스펜션장치를장착하는것이이상적이다. 능동형서스펜션은스프링과오일댐퍼가혼합된형태를취하고있으며오일댐퍼내의오리피스의크기가조정되면서 1차적으로스프링이충격을완충하고최종적으로오일댐퍼가총체적인완충량을조정하는형태이다. 오일댐퍼내의오리피스가확장되면압축범위가늘어나서완충량이커지지만오리피스가완전히막히면완충이되지않게된다. 이런능동형서스펜션이필요한이유는비행모드전환시완충작용이일어나게되면비행의불안정성이발생할수있기때문이다. 그림 32. 비행모드이런현가장치를구성하려고하였지만 R/C부품을기본으로하는데는한계가있고능동형서스펜션자체가고급차량에적용되는기술이라 Flying Car에적용하는데한계가있었다. 예상되는능동형댐퍼의장착위치는다음과같다. 리니어엑츄에이터와바퀴내부허브를연결하는사이에연결하여주행변신모드에댐퍼의오리피스크기를줄이도록회로를구성한다.
그림 33. 모드변경에따른오리피스크기변화 한편, 비행모드에서의능동형서스펜션의필요성은다음과같다. 비행모드에서적은양의현가성능을낼수있도록오리피스를개방하면로터자체의진동을저감시키는장치로서사용될수있다. 이는기체의안정성을증대시킬것이다. 결과적으로 S Rover에서는비행안정성을위해서현가장치를배제하고구성하였다. 하지만직접제작한차량의특성상공차가존재하고이런공차가약간의완충효과를낼수있다고예상한다. - 제동장치 S Rover 차량의경우주행부의전원소스가전동 R/C와같은방식을사용한다. 때문에현재모형상태에서는별다른제동장치없이역전압을걸어서제동을하는일반적인 RC용전후진용전자변속기를이용하여제동장치를구성한다. 전자변속기에대한내용은동력장치부분에명시하였다. 실제스케일로제작시에는허브리스휠에직접제동을걸어주는브레이크페드를장착할수있다. 이때허브리스바퀴는또다른장점을보여준다. Hubless 휠에장착된브레이크패드는다른일반차량과비교하여외부공기와직접근접하게되므로브레이크패드에서발생되는열을공기로냉각시키는데유리하다. d) 안정성및안전성설계 - Roll Over 안정성 차량의 Roll Over 안정성은크게 2 가지요인에의해서확보되었다. 우선차량의폭과차
량길이의비가 1:1과근접할정도로차량의폭이넓다. 또한바퀴가차체에비해크고허브리스디자인으로인해중심이비어있기때문에질량이가벼우면서도회전관성모멘트가크기때문에회전성이좋아차량전체가전진하는관성이커지게된다. 이런관성력이 Roll Over 안정성을높일수있는요인이될것이다. - 외형적충돌안전성휠자체와휠을고정하고있는강재봉들이프롭가드역할을하면서주행중에생길수있는비행동력코어부를안정적으로보호하고있다. 또한주행동력부분도차량전체를볼때상단부위에위치해있기때문에충돌시에파손될염려도적은편이다. 또한모든코어파트를배치할때차체중심에배치를하였기때문에심각한충돌이아니고서는충돌로인한파손이일어날확률이적다. - 탑승자보호안전성등실제차량에서도탑승자를보호하기위에많은안정장치들이배치되어있다. 만약 S Rover차량이현실화된다면최대한실제차량의구조를보전하려고노력을하였기때문에현재차량에서이용중인거의모든안전장치를사용할수있다. 또한설계를진행하면서회전하는부위에대한안전한프롭가드를배치하여혹여발생할수있는위험요소를방지하였다. (3) 모드변환설계 a) 모드변환장치의창의성및현실성 - 모드변환장치 그림 34. 주행과비행모드시리니어엑츄에이터의변화
그림 35. 자동랜딩기어 주행모드에서비행모드까지의변환을간단하게하기위해일반 R/C 서보를이용하지않고길이가늘어나는 Linear actuator를이용하여변환모드를설계하였다. 휠이주행모드에서비행모드까지변환되는데 90 도의위상차이를가지고이런위상변화를위해서휠의한점과바디의한점을두고그사이에길이변경이가능한 Linear actuator를설치하였다. 모드변환에필요한랜딩역시같은 Linear actuator를설치하여차체전체를들어올리는방식이다. Linear actuator를구동하기위한회로는다음에나타나있다. - 엑츄에이터구동을위한회로 그림 36. 리니어액츄에이터구동을위한칩셋회로 엑츄에이터를위한구동회로는위와같이주행모드에서남는잉여채널을서보와연결하 여 Limit switch 를연결한회로를사용한다. 서보가왼쪽, 중립, 오른쪽으로움직이면각각
두개의 Limit switch가눌림에따라리미트스위치의진행방향을바꾸어준다. 이회로는랜딩, 바퀴상향조정에모두쓰이게된다. 이회로를장착하기위한채널은주행모드에서할당되며각각 3,4Ch에연결된다. 자세한채널의할당은다음에나타나있다. - 각각의모드에사용되는채널의분배 그림 37. 채널분배다음과같이각각의모드에대한수신기의채널분배는다음과같다. 두모드의전환을위해채널5에수신기에들어가는점퍼케이블을변환하는회로를연결하여자동모드변환을가능하게한다. 이회로에대한설명은다음항목에명시되어있다. 주행모드에서비행을위한랜딩기어, 프롭가드상향조정을끝낸뒤 5ch을이용하여비행모드로전환하게된다. - 모드변환을위한수신기변환장치비행모드와주행모드의변환에서가장중요한것은 1~4Ch에연결되는선들을각모드에따라변환하는장치를구현하는것이다. 우리는마이크로프로세서를이용한복잡한전자회로를구현하지않고, 서보와리미트스위치를이용한간단하지만정확한변환장치를다음과같이구성하였다. 펄스신호를보내주는 s 선은각각의채널에합쳐서수신기와연결한뒤같은 5v전압을쓰는선을모드별로묶어모드변환회로를통과하게한다. 서보혼의위치에따라리미트스위치가눌리며수신기에각모드에다라전원을달리넣어모드를변환할수있는회로이다.
그림 38. 모드변환을위한보드 b) 모드변환장치의효율성 - Linear Actuator 그림 39. Linear actuator 의스펙과성능표
무게는개당 84g의무게를가지고있고 6개의 Linear actuator가모드변환장치에사용되었으므로모드변환과랜딩을포함총 504g의무게 를가진다. 리니어엑츄에이터의내부구조는작은모터에높은기어비를구성하여웜기어를이용하여회전구동을직선구동으로변환하는것이다. 그림 40. 웜기어 이러한리니어엑츄에이터를사용한 S Rover 차량의모드변환장치는서보와기구학적링크를사용하는방식에비해정확한동작을할수있게해준다. 또한 150:1이라는기어비는바퀴의무게가비교적무서운 S-rover의각바퀴를비행모드를위해 90도올려줄수있을정도로상당한힘을보여준다. 다소속도가느린점이있지만실제스케일로증가할때유압장치를사용하는경우라면속도의문제또한해결될수있을것이라판단된다. - 모드변환회로 S-Rover의모든모드변환회로는모두서보와리미트스위치를이용하여제작되었다. 릴레이를이용하고, 마이컴을이용한회로를구성하고싶었지만관련지식을가진구성원이없었기에이렇게구현을하게되었다. 그러나별다른고민없이적은시간을들여제작할수있었고, 성능이확실했기때문에기체에최종적으로장착하게되었다. 3. 평가 (1) 지상시험 - 추력시험모터하나당의기본추력을테스트하기위해서추력테스트기를만들어서직접실험을하였다. Flycam 1000 모터하나당약 1.5kg의추력을발생시킬수있었고이런모터를 8개 X8형태로장착한 S Rover 차량은 6kg의차량을충분히호버링시킬정도의추력을발생시킬수있었다. - 구조시험 우리의차체프레임이비행시에받는비틀림을분석해본결과프레임상단에각관 1 개로 이루어진부분에비틀림이크게가해지고, 또한프레임에서대각선방향의힘을지지해줄
지지대가없어서대각방향의모멘트에약한부분이존재했다. 이런부분을해결하기위해 서바디경량화작업을실시하면서그구조를변경하여가볍고보든방향에서의비틀림과 모멘트에강하도록프레임을새로제작중에있다. - 부분품동작시험기본적으로모든부분동작은이상이없는상태이다. 모드변환을위하여리미트스위치와비행용서보를이용하여가벼운기계적제어보드를제작하였고랜딩을한후바퀴를들어올리는순차적작업을성공적으로수행하였다. 변속기의문제로인한반응속도의문제를제외하고비행구동부에도이상은없었다. 또한주행부분은속도측면에서좀느린부분이있어서기어박스의기어비를제어하면서대회시점까지최적의조합을찾아나갈계획이다. (2) 주행분석 a) 직진주행 - 직선주행안정성 S-Rover의주행동력은뒷바퀴의 2개의모터에서나온다. 따라서차량의직진성을높이기위해서는 2개의모터의속도를일정하게제어하는것이중요하다. 따라서 S-Rover는한개의수신기에서 Y자형태로선은뽑아동일한변속기 2개에연결함으로같은속도로출력이나오도록하였고적절한직진성능을보여주었다. 또한고토크의서보모터로조향을하여도로상의각종변수에의해조향각도가변하여직진성능을잃지않도록하였다. - 도로거칠기에따른안정성 S-Rover 는차량에비해큰바퀴를가지고있기때문에도로에있는각종장애물에큰 영향을받지않고직진성을유지할수있다. b) 제동성능 - 타이어성능 S-Rover의바퀴는합판으로이루어진거대한원형링의형태를이루고있다. 기존의양산되는 RC제품을쓴것이아니기때문에타이어의재질과형태를결정하는데어려움이있었으나, 최종적으로스펀지와미끄럼방지테이프를사용하기로하였다. 실제대부분의 RC의바퀴는휠, 이너스펀지, 그리고타이어의조합으로이루어져있다. 따라서 S-Rover의바퀴는구조상상용화된 RC차량과비슷한타이어의형태를이룰수있었고이는곧적절한성능으로보여졌다. - 속도에따른제동거리비교스로틀을 33% 정도올렸을시제동거리는대략 10~15cm 가량이나왔고, 66% 정도에서는 25cm 가량의제동거리가나왔다. 풀스로틀상태에서제동시에는대략 40cm정도의제동거리가나왔다. 차량의제동거리는속력의제곱에비례하나 S-Rover는구조상빠른속력을가지지는못하였기에제동거리에큰영향을주지못하는모습을보였다.
c) 코너주행 - 최소회전반경인벤터를이용하여아커만장토를설계했을때최소회전반경은대략 1112mm로측정되었고실제주행을했을시 1m 30cm ~ 1m 40cm 정도의최소회전반경을보였다. - 코너주행성능우선 S-Rover는위에서설명하였듯이아커만-장토법을사용하고있다. 따라서조향시양앞바퀴의각도를자연스럽게다르게할수있었고이는미끄러짐없이부드러운코너링을만드는데큰역할을하였다. 코너주행을부드럽게하기위해서는코너에서양쪽의바퀴들의속도를달리해주는차동장치가필수이다. 하지만 S-Rover는구조상기계적차동장치가없고 2개의모터를하나의수신기로제어하기때문에두모터가같은속력만을낼수있다. 따라서현재더나은코너링을위하여전자적차동이가능한제어보드를찾고있으며, 기존의사용하던보드의프로그램을변경하는것도연구중에있다. d) 경사주행 - 경사각에따른주행성능비교현재 S-Rover는상용화된기어박스를쓰고있다. 따라서최소 1:4에서부터최대 1:400까지기어비의변환이가능하다. 또한바퀴와풀리에서 1:10의기어비가발생한다. 따라서기어비를조정하며실험한결과 1:16의기어박스를사용하여총 1:160의기어비를만들었을때가장적합한주행성능을보였고, 충분한고토크의동력이만들어졌기때문에 20 의경사도무리없이올라갈수있었다. 또한미끄럼방지테이프를이용하였기때문에미끄러짐도크게발생하지않았다. - 경사정지 실험은아크릴판위에서실행되었고최대 25 가량의경사에도미끄러짐없이서있는모습 을볼수있었다. (3) 비행분석 - 호버링성능 6kg에달하는차체를호버링시키기위해서 X8 형태의멀티콥터의형태의비행체를가지도록했다. 4셀 14.8V 25C의방전률을가지는 5000mah 배터리 2개를배치하여실험을해보았을때, 60% 정도의스로틀을올렸을때호버링이가능했다. 보통 40~50% 정도의스로틀을올렸을때비행이가능한형태가가능한것을생각하면성능이뛰어난편은아니지만호버링이가능한정도의성능이다. 현재최종적으로차체의무게를경량화하는작업을실시중이므로대회용최종모델의경우는호버링성능이더욱개선될수있을것이라고생각한다.
- 정지비행안정성정지비행한상태에서비행의안정성을실험하였을때, 주행부가달린뒷바퀴쪽에상대적으로많은장치가달려안정적인모습을보이지못하였다. 따라서현재중량이많이나가는배터리를이용하여이부분은무게중심의균형을맞춤으로해결하고있다. 임시적으로테스트를할때마다무게중심을새로맞춰주고있지만, 경량화작업이끝나게되면정확한무게중심을맞추어무게중심을고정시킬계획이다. - 자세제어성능작년우승팀인아름다운비행을방문하여조언을구하면서자세제어성능테스트를실시하였다. 사람의인력으로인공적인호버링상황을만들고자세제어성능테스트를실시하였는데무게중심의미세한차이로인해전방으로전진하는자세제어가불안한면이있었고, 바디의미세한흔들림으로인해제어에문제가생긴측면또한존재하였다. 이런부분은바디경량화를위해바디를새로제작하면서기존에존재하지않는대각선방향의비틀림을방지할구조물을배치하여해결할것이다. 또저가의변속기가좋은반응속도를보여주지못하여서자세제어가어려운부분이있었다. 따라서좀더고가의좋은성능의변속기를구매하였고, 적절한반응속도와출력을얻을수있었다.