드론은 어떻게 비행하는 걸까?/드론 비행의 원리/ Feat: DJI Avata(DJI 아바타)

드론에는 총 4개의 프로펠러가 있습니다. 하지만 어떻게 드론은 4개의 프로펠러 만으로 비행이 가능할까요?? 저희가 취미로 날리는 드론의 비행 원리를 안다면 더욱 재미있게 비행할 수 있을 겁니다. 그럼 DJI Avata(DJI 아바타) 와 함께 알아봅시다.

1. 드론의 비행에 가장 중요한 양력

우선 드론에 들어가는 역학 중 하나는 양력입니다. 양력이란 물체가 공중으로 떠오르기 위해서 중력과 반대되는 힘을 양력이라고 합니다. 보통 고정익 비행체는 날개가 고정되어 있는 비행체입니다. 고정익 비행체는 앞으로 나아가는 추력을 이용하여 앞으로 나아가면서 날개에서 발생하는 기류를 이용하여 양력을 발생시킵니다. 하지만 드론과 같은 회전익 비행체는 모터를 이용하여 프로펠러를 회전하여 유도 기류를 생성하여 양력을 발생시킵니다. 이렇게 해서 드론이 공중으로 떠오를 수 있습니다.

2. 드론의 4개의 프로펠러의 비밀 - 작용반작용의 법칙

회전익 비행체는 작용반작용의법칙에 따라 로터가 회전하는 반대 방향으로 동체가 돌아가는 특성이 있다. 이를 토크(torque) 작용이라고 합니다. 드론에서는 서로 반대 방향으로 회전하는 모터의 개수를 일치시켜 토크 작용을 상쇄시킵니다.

드론의 모터 회전 방향 사진

드론은 이렇게 4개의 모터는 1번과 3번, 2번과 4번이 각각 반대방향으로 회전을 합니다. 즉, 1번과 2번이 각기 반대방향으로 회전을 시킴으로써 기체가 회전하지 못하고 중심을 잡을 수 있도록 하게 됩니다. 이런 토크 작용을 이용하여 드론의 좌우 회전을 조종할 수 있습니다.

3. 양력을 이용한 드론의 비행 기술 - 이륙과 착륙

드론의 4개의 모터가 같은 속도로 회선 한다면 4개의 모터에서는 같은 크기의 양력이 발생합니다. 그렇다면 드론은 수직으로 공중으로 떠오릅니다. 즉 드론이 이륙을 한 것입니다. 드론이 이륙 후 양력과 중력의 힘이 같아진다면 드론은 공중에서 재자리에 떠있게 됩니다. 바로 호버링을 하고 있는 것입니다. 여기서 모터 4개의 회전 속도를 줄인다면 양력이 중력보다 약해지면서 드론은 밑으로 내려오게 됩니다. 이렇게 4개의 모터 속도를 조절하여 드론은 이륙하고 착륙도 할 수 있습니다.

드론 이착륙의 원리

 

4. 양력을 이용한 드론의 비행 기술 - 전진과 후진, 좌우 수평이동

드론의 이착륙에는 4개의 모터가 동일하게 속도를 조절했습니다. 하지만 뒤에 두 개의 모터 속도만을 올린다면 드론은 어떻게 될까요? 바로 드론이 전진을 하게 됩니다. 그 이유는 바로 뒤쪽의 두 모터에서 발생하는 양력의 크기가 앞쪽의 두 개의 모터에서 발생하는 양력의 크기보다 커져서 드론의 기체는 앞으로 기울게 됩니다. 앞으로 기울어진 드론은 전진을 할 수 있는 추력을 얻게 됩니다. 드론의 후진은 전진과 반대로 앞쪽의 2개의 모터 속도를 올린다면 뒤쪽의 두 모터에서 발생하는 양력의 크기가 앞쪽의 두 개의 모터에서 발생하는 양력의 크기보다 작아지면서 드론의 기체는 뒤로 기울게 됩니다. 뒤로 기울어진 드론은 후진을 할 수 있는 추력을 얻게 됩니다.

드론의 전진, 후진의 원리 사진

드론의 좌우 수평 움직임 역시 전진과 후진의 원리와 같이 앞, 뒤 모터가 아닌 좌, 우의 모터의 회전 속도를 조절하여 드론의 좌우 수평이동을 할 수 있습니다.

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5. 양력을 이용한 드론의 비행 기술 - 선회

선회하는 드론의 모터 속도 사진

위에 사진과 같이 4개의 모터 속도라면 드론의 기체는 어떻게 움직일까요? 바로 오른쪽으로 선회를 하게 됩니다.

드론의 앞쪽 2개의 모터에서 발생하는 양력의 크기가 뒤쪽 2개의 모터에서 발생하는 양력보다 낮아서 기체는 앞으로 잔잔하면서 왼쪽 2개의 모터에서 발생하는 양력의 크기보다 오른쪽 2개의 모터에서 발생하는 양력의 크기가 커서 기체는 오른쪽으로 기울면서 오른쪽으로 수평이동도 함께 진행해서 드론은 오른쪽으로 선회하게 됩니다. 

6. 토크 작용을 이용한 드론의 비행 기술 - 기체 회전

드론 모터 1번, 3번 모터의 회전 속도를 올린다면 드론은 좌측으로 회전하게 됩니다.

반대로 2번, 4번 모터의 회전 속도를 올린다면 드론은 우측으로 회전하게 됩니다.

드론 기체의 좌측 회전

이 원리는 토크 작용을 이용하여 모터가 오른쪽으로 회전하는 힘이 왼쪽으로 회전하는 힘보다 강해진다면 작용반작용의 원리로 그론 기체는 좌측으로 회전하게 되는 것입니다.

 

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