[논문]지상주행과 공중비행이 가능한 Drone 설계 및 구현을 통한 졸업기준 인증 과정에서 공학교육 실천에 관한 연구

장우진; 유정민; 장은영

doi:10.14702/jpee.2018.017

지상주행과 공중비행이 가능한 Drone 설계 및 구현을 통한 졸업기준 인증 과정에서 공학교육 실천에 관한 연구
A Study on the Practice of Engineering Education in Graduation Standards Certification Process through the Design and Implementation of Drone for Ground Driving and Aerial Flight 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.10 no.1, 2018년, pp.17 - 24

장우진 (국립 공주대학교 전기전자제어공학부) , 유정민 (국립 공주대학교 전기전자제어공학부) , 장은영 (국립 공주대학교 전기전자제어공학부)

초록
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전공단위로 3학기동안 진행되는 작품 설계 및 제작 활동을 통해 졸업기준을 만족하기 위한 과정 이수와 그 과정에 만들어진 결과물인 다양한 이동환경 적용이 가능한 Drone의 구상 및 제작 과정에 대해 제안한다. Ring Propeller의 형태를 이용하여 Propeller로서의 양력 발생 역할과 테두리의 면을 통하여 지면에 접촉하는 바퀴로의 역할을 모두 가능하도록 제작한다. 또한 Servo Motor를 이용하여 명령에 따라 정확한 각도를 맞추어 모터의 구동축을 변환한다. 그리고 구상한 아이디어를 3D 프린팅으로 구현하고, 추진체 구동 회로를 설계하고 제작한다. 그 결과 추진체의 무게 증가로 공중 운항과 운항중 목적한 추진체계의 실시간 변환은 성공하지 못하였고, 그 원인으로 추력 발생을 위한 크기와 링 프로펠러의 내성 한계의 오차임을 확인하였다. 그리고 이러한 과정을 통해 공학적 접근 방법과 종합설계를 통한 창의적 사고방식 및 협동심의 경험을 인정받았고, 그 결과물을 공학 논문으로 작성하고 심사를 통해 졸업기준이 만족됨을 확인받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Through the design and production of works for the third semester as a major unit, It is proposed the process of satisfying the graduation standards with the design and production process of the drone which can be applied to various mobile environments. Using the shape of Ring Propeller, it is made to be able to play both the role of generating lift as a propeller and the role of a wheel that touches the ground through the surface of the rim. In addition, the Servo Motor is used to convert the drive shaft of the motor to the correct angle according to the command. Then, based on the idea, the 3D printing is implemented to confirm the result of the configuration, and the circuit for driving the propulsion is designed and manufactured. As a result, the conversion of the desired propulsion system during air navigation and operation failed due to the weight increase of the propellant. It is confirmed that the size of the thrust and the tolerance limit of the ring propeller are the errors. Through these processes, it has been recognized to have experience of creative thinking and cooperation through engineering approach and comprehensive design, and confirmed to satisfy the graduation criteria by writing an engineering paper on the result.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. Quadcopter, 자동차, Hovercraft 특징 비교 Fig. 1. Comparison of Quadcopter, Car and Hovercraft features.
그림 그림 2. 기능 구성도 Fig. 2. Functional diagram.
표 표 1. 학기별 수행 내용 Table 1. Performance plan for each grade level
그림 그림 3. Ring Propeller의 역할 및 기능 도식 Fig. 3. Figure of roles and feature ring propeller.
그림 그림 4. Drone의 기본 구조 Fig. 4. Basic structure of drone.
그림 그림 5. Quadcopter 모드 및 기능 Fig. 5. Quadcopter mode and functions.
그림 그림 6. 4륜 구동 RC(자동차) 모드 및 기능 Fig. 6. 4wd RC mode and functions.
그림 그림 7. Hovercraft 모드 및 기능 Fig. 7. Hovercraft mode and functions.
그림 그림 8. 제작된 안드로이드 어플리케이션 아이콘 Fig. 8. Android application icon.
그림 그림 9. 어플리케이션 구동 화면 Fig. 9. The drive screens of the application.
그림 그림 10. 어플리케이션 Quadcopter 구동 화면 Fig. 10. The Quadcopter drive screens of the application.
그림 그림 11. 어플리케이션 4륜 구동 RC 구동 화면 Fig. 11. The 4wd RC drive screens of the application.
그림 그림 12. 어플리케이션 Hovercraft 구동 화면 Fig. 12. The Hovercraft drive screens of the application.
표 표 2. Drone이 가지는 무게 재계산 Table 2. Recalculation of drone weight
그림 그림13. 전반적인 항목별 만족도 Fig. 13. Overall satisfaction items.
그림 그림14. 추가적으로 필요한 부분 Fig. 14. Additionally required fields.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Drone에 대한 아이디어를 구상하고, 직접 작품을 설계하고 제작하는 과정까지 체계적인 지식을 필요하였으며, 기본적인 전자공학 및 프로그래밍에 대한 이해뿐만 아니라, Drone의 항공 역학적 구조에 대한 이해와 Propeller에 대한 지식 및 유체역학, 소재공학 등에 대한 다양한 분야의 지식도 필요하였다. 따라서 본 작품을 통해 주변 지형지물이나 날씨의 영향을 받는 단점을 극복하여 어떠한 물리적 환경에서도 활용할 수 있는 Drone으로써, 군사 목적의 스파이 로봇이나 방송/영화 촬영을 위한 목적을 가진 장비로서 활용되는 등 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있다는 기대감도 가져보는 기회가 되었다. 지도교수를 배정하고, 최종발표 일정까지 3개학기 45주 이상 매주 1~2회 기술지도 및 면담이 이루어졌고, 학회발표 2회, 전시회 및 외부 기관 방문 3회를 진행하였다.
Drone의 Propeller를 테두리를 바퀴형태로 만들고 모터회전축의 각도를 제어하여 3가지 형태를 갖는 변신 Drone을 개발하면 그림 1, 2와 같은 기존 이동체의 특성으로 상황에 맞는 형태로의 변신을 통한 효율적인 무인이동체가 된다. 이에, 본 논문에서는 Ring Propeller의 형태 특성과 Servo Motor를 통한 축 변환을 이용하여 다양한 물리적 환경을 극복할 수 있는 Drone을 설계하고 구현한다. 그림 1에서는 동작 변환의 대상이 되는 Quadcopter, 자동차, Hovercraft 특징을 그림과 함께 비교한 것이고, 그림 2는 제안한 이동체가 가지는 기능구성도이다.
주기적으로 교내에서 교과 과정 진행 이외에 산업체 관련 인사들을 초청하여 강연회 및 주요 발전 현황에 대한 세미나를 개최하고, 전공 주제와 관련된 전시회 관람과 현장 탐방에 1학기 1회 이상 참가시켜 현재 기술추세와 발전현황 지표를 깨닫게 하는데 목표를 둔다. 얻어진 결과에 대해 정기적인 교내 발표 기회를 마련하고 외부 학회의 학술발표 대회에 자발적인 참여를 유도하여, 작품 완성을 위한 계속 노력과 설계 제작 과정을 지속하는 동기를 마련한다.

제안 방법

Drone 제작을 위해 123d CAD라는 프로그램을 활용하여 Ring Propeller와 BLDC 모터를 받치는 구동축을 제작하였다. 3D프린팅은 ABS (Acrylonitrile Butadiene-Styrene resin) 소재로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 통해 아래서부터 위로 결을 만들어 쌓아가는 방식으로 인쇄하였다. 그 결과 Propeller와 구동축 부분이 약하게 제작되어 진동이 심하게 발생하였고 충분한 내구성을 얻지 못하였다.
4년제 공과대학 전공단위에서 졸업까지 3학기동안 졸업인증을 위한 졸업작품 작품 설계와 제작과정에서 Ring Propeller 형태 특성과 Servo Motor의 축 변환을 이용한 다양한 물리적 환경을 극복 가능한 Drone 설계하고, AndroidBluetooth Programming을 통하여 어플리케이션을 개발하고 Drone을 제어하도록 구현하였다. Drone에 대한 아이디어를 구상하고, 직접 작품을 설계하고 제작하는 과정까지 체계적인 지식을 필요하였으며, 기본적인 전자공학 및 프로그래밍에 대한 이해뿐만 아니라, Drone의 항공 역학적 구조에 대한 이해와 Propeller에 대한 지식 및 유체역학, 소재공학 등에 대한 다양한 분야의 지식도 필요하였다.
Drone 제작을 위해 123d CAD라는 프로그램을 활용하여 Ring Propeller와 BLDC 모터를 받치는 구동축을 제작하였다. 3D프린팅은 ABS (Acrylonitrile Butadiene-Styrene resin) 소재로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 통해 아래서부터 위로 결을 만들어 쌓아가는 방식으로 인쇄하였다.
Propeller의 종류별로 RPM과 속도(VMPH), 출력(추력)(HP: Horse Power)의 관계에서 10323[rpm]의 회전에 대한 약 0.2870[HP]의 추력을 계산하였다. 보통 90[W]의 일률로는 450 g을 들어 올릴 수 있어, 0.
따라서 3D 프린팅을 위한 필라멘트 소재는 조직이 치밀하고 내구성이 뛰어난 탄소 섬유를 사용하거나 플라스틱 주물을 제작하는 방식이 타당하다고 판단한다. 또한 제작한 Propeller의 크기도 전체적으로 제작된 Drone의 무게 지탱에 한계가 있었으므로, Drone이 가지는 무게를 재계산하여 Propeller의 크기를 다시 산출하였다[6-8]. 그 내용은 다음 표 2와 같다.
이러한 과정을 통해 육상과 공중의 소형 무인기들과 스마트폰 그리고 스마트폰의 인터페이스 통신 장치들을 대상으로 하는 주제 선정 지도 방향을 가지고, 현재 드론의 단점인 짧은 항속거리와 이동경로의 자연환경 제한성[2]을 극복하기 위한 시도로 공중과 육상이동이 하나의 추진체로 가능한 모델을 제안한다. Drone과 자동차, Hovercraft는 공통적으로 모터를 사용한다는 특징이 있고, 축 형태에서 차이를 보인다.
Ring Propeller 혹은 Saucer(Disk) Propeller는 덕트 Propeller의 변화한 형태로서 이것은 Propeller의 블레이드에 연결되어 덕트와 함께 회전하는 형태다[3]. 이러한 형태를 가지는 Ring Propeller로 양력을 발생시키고 지면에 접촉시켜 사용 하도록 설계한다.
따라서 본 작품을 통해 주변 지형지물이나 날씨의 영향을 받는 단점을 극복하여 어떠한 물리적 환경에서도 활용할 수 있는 Drone으로써, 군사 목적의 스파이 로봇이나 방송/영화 촬영을 위한 목적을 가진 장비로서 활용되는 등 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있다는 기대감도 가져보는 기회가 되었다. 지도교수를 배정하고, 최종발표 일정까지 3개학기 45주 이상 매주 1~2회 기술지도 및 면담이 이루어졌고, 학회발표 2회, 전시회 및 외부 기관 방문 3회를 진행하였다. 비록 실용화 단계까지는 차이가 있지만, 직접 설계하여 제작된 기구물에 대한 제어회로 구성과 운영의 제한 요소 사항들에 대한 공학적 접근을 체계화하는 기회가 되었다.
최종적으로 제작된 결과와 얻어진 경험 및 학술적 견해를 스스로 서술하는 결과작품집을 주어진 형태로 구성하고 출력된 양식으로 보관하여 체제와 과정을 확인할 수 있는 정기적인 결과물을 얻게 된다.

대상 데이터

28[kg]의 무게를 띄울 수 있는 것으로 판단된다. 사용된 Propeller는 3개의 블레이드를 가진 Propeller이므로 3엽 9인치 6피치의 규격을 가지는 Propeller를 선택하였다. 프로펠러 직경이 증가하면 추진력도 증가한다.

이론/모형

최대한 Drone을 안정적으로 동작시키고, 사고를 예방할 수 있는 5~10 m 사이의 거리를 가지고 제어한다. Drone을 자이로 센서로부터 데이터를 받으면서 제어하도록 스마트폰 내부의 블루투스 기능을 활용하고, Drone의 Data를 송수신하는 Bluetooth 송수신 모듈로는 상용화된 HC-06 모델을 사용한다.

성능/효과

같은 기간 동료 학습자 참여인원 29명에 대한 최종 만족도 설문조사 결과는 다음과 같다. 38개 설문 항목에 대해 5점 척도 기준 평균 3.6점이었고, 그 중에서 그림 13은 작품제작 과정결과에 대한 스스로의 평가를 지도교수 만족도, 결과물 만족도, 동료 만족도, 활동 만족도에 대해 5점 척도 기준의 방사형 그래프로 표시한 결과로 동료사이의 만족도에 비해 결과물 만족도는 가장 낮은 것으로 나타났다. 그림 14는 결과에 대해 가장 부족한 2개 부분 복수 선택한 결과로 ‘계획, 구성, 발표, 구매, 협동, 지도’ 순으로 나타났다.
그림 14는 결과에 대해 가장 부족한 2개 부분 복수 선택한 결과로 ‘계획, 구성, 발표, 구매, 협동, 지도’ 순으로 나타났다. 따라서 전반적인 분위기가 설계 구성 및 제작에 많은 아쉬움을 가지는 것으로 판단되었고, 생소한 주제에 대한 문제의 범위 설정이 초기에 적절히 이루어지지 않았다고 판단되며, 상호 의존적인 여러 세부문제들이 결합된 종합적인 문제로의 구성과 분석의 깊이가 ‘중’인 것으로 판단된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ring Propeller는 어떤 형태인가요?	Ring Propeller 혹은 Saucer(Disk) Propeller는 덕트 Propeller의 변화한 형태로서 이것은 Propeller의 블레이드에 연결되어 덕트와 함께 회전하는 형태다[3]. 이러한 형태를 가지는 Ring Propeller로 양력을 발생시키고 지면에 접촉시켜 사용 하도록 설계한다.
	Android 어플리케이션을 제작하기 위해 사용한 프로그램은?	Android 어플리케이션을 제작하기 위하여 Android Studio라는 프로그램을 사용한다. Android Studio 프로그램은 기본적으로 Java 기반 언어의 오픈소스로 프로그래밍을 할 수 있다.
	3D 프린팅을 위한 필라멘트 소재로 조직이 치밀하고 내구성이 뛰어난 소재를 선택해야하는 이유는?	3D프린팅은 ABS (Acrylonitrile Butadiene-Styrene resin) 소재로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 통해 아래서부터 위로 결을 만들어 쌓아가는 방식으로 인쇄하였다. 그 결과 Propeller와 구동축 부분이 약하게 제작되어 진동이 심하게 발생하였고 충분한 내구성을 얻지 못하였다. 따라서 모터의 회전중 Propeller의 덕트가 원심력을 견디지 못하고 부러지고 구동축의 막대 부분에 금이 생겼다. 따라서 3D 프린팅을 위한 필라멘트 소재는 조직이 치밀하고 내구성이 뛰어난 탄소 섬유를 사용하거나 플라스틱 주물을 제작하는 방식이 타당하다고 판단한다.

참고문헌 (8)

E. Y. Chang and S. B. Yoon, "A study on the operating management method of capstone design and graduation portfolio using with the small drone or smartphone," JPEE, vol. 8, no. 1, pp. 1-7, June 2016.
Office of the Secretary of Defense in U.S.A., Unmanned Aerial Vehicles(UAV) Roadmap 2002, p.2, December 2002.
L. A. van Gunsteren, "Ring propellers and their combination with a stator", Marine Technology Society Journal, vol. 7, no. 4, pp. 433-448, October 1970.
JK Electronics. ADXL345 3-axis Digital Accelerometer (GY-80; Built-in sensor with regulator)[Internet]. Available: http://www.jkelec.co.kr/img/sensors/manual/adxl345_gy80/adxl345_gy80_manual.html.
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J. R. Song, S. Y. Wee, K. Y. Song, and D, K. Kim, "Experimental study for performance of modified propeller for improved and used propeller usinat multi-copter", 2015 KSAS Fall Conference, pp. 2202-2205, August 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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