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멀티콥터 초기 사이징을 위한 기체 구조 중량 예측 기법
Airframe Weight Estimation Method for Initial Sizing of Multicopter 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.9, 2018년, pp.723 - 734  

장병욱 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute) ,  황인성 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute) ,  김민우 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute) ,  이보성 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute) ,  정용운 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute) ,  강왕구 (Unmanned Vehicle Advanced Research Center, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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20kg 미만의 중소형 멀티콥터의 초기 사이징 과정에서 적용 가능한 기체 구조 중량 예측에 관한 연구를 소개한다. 임무장비를 제외하고 멀티콥터는 기체 구조, 모터, 프로펠러, 배터리 등으로 구성되는데, 모터, 프로펠러, 배터리 등의 중량은 설계변수에 따른 추세선을 통해 추정이 가능하다. 하지만 기체 구조 중량은 멀티콥터의 형상과 설계 개념이 다양하고, 대부분의 상용 제품들이 기체 구조 중량 데이터를 제공하지 않기 때문에 추세선을 통해 예측할 수 없다. 본 논문에서는 기본적인 멀티콥터 형상을 정의하고 멀티콥터 사이징 초기 단계에서 결정되는 프로펠러 개수와 직경을 통해 멀티콥터 기체 구조 중량을 추정하는 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 구조 중량이 제시된 멀티콥터 제품들을 통해 검증하여 그 유용성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A structural weight estimation methodology for the multicopter design process is presented. In general, a multicopter is composed of an airframe, motors, propellers, battery and so on. Among these, the weight of motors, propellers and battery can be obtained from the weight trends with respect to de...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 설계된 구조물이 요구도 상의 하중에 대해 구조적으로 안전한지에 대한 초기 설계 단계에서의 검증을 할 필요가 있다. 간단하게 추력에 의한 하중을 직접적으로 지지하는 팔에 대해 구조 안전성을 확인하도록 하였다.
  • 본 논문에서는 중소형 멀티콥터의 초기 사이징 과정에서 활용할 수 있는 기체 구조 중량 추정 기법을 제안하였다. 기존의 연구들이 대부분 이륙중량에 대한 비율로 계산하는 것에 비해 본 논문에서는 프로펠러 직경과 개수로부터 기하학적 으로 중량을 추정해가는 방안을 제시하였다.
  • 멀티콥터의 성능해석은 연구마다 세부적으로는 차이가 있으나 주요 절차는 동일하다. 본 논문은 멀티콥터 기체 구조 중량 예측을 다루고 있기 때문에 성능해석 절차는 참고문헌을 통해 간략하게 논하고자 한다. Kim 등[1]의 연구를 보면 멀티콥터의 사이징 절차는 Fig.
  • 본 연구에서는 프로펠러의 개수와 직경을 통해 기하학적으로 멀티콥터 센터 플레이트와 팔의 치수를 결정하고, 설계 시 필요한 고려사항들을 반영하여 기체 구조 중량을 예측하는 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

  • 그 밖에 추가적인 나사 혹은 체결부가 필요하거 나, 초기 가정에서 제작성을 고려하여 차이가 나는 경우를 대비한 여유 중량을 전체 추정 중량의 10% 정도로 가정하여 반영하였다.
  • 8에 착륙 장치 중량 추정에 필요한 파라미터를 정의하였 다. 기본값으로 착륙장치 팔의 단면 치수는 팔과 동일하게 가정하였고, 스키드의 단면 치수는 2/3 정도로 가정하였다. 설계 시 필요에 따라 단면 치수는 조정하여 반영이 가능하다.
  • 기본형상에서 설명했듯이 착륙장치는 멀티콥터 에서 일반적으로 사용되는 착륙장치 팔과 스키드가 있는 형상 1쌍으로 정의하였고, 단면형상도 팔과 같이 원형튜브로 가정하였다. Fig.
  • 모터 마운트 평판은 센터 플레이트와 동일한 재료 및 두께를 사용한다고 가정하고, 모터 마운 트의 홀 면적 비율을 rHole_mount이라고 하면 모터마운트의 총 중량은 아래와 같이 계산할 수 있다.
  • 설계할 기본형상 멀티콥터의 팔 단면은 원형 튜브로 가정하였다. 따라서 Fig.
  • 팔의 개수는 3~8개 사이로 정하고, 팔 사이의 각도는 일정한 것으로 하며, 단면은 원형 튜브로 가정하였다. 센터 플레이트의 기본 형상은 원으로 하고, 선택적으로 팔 개수에 따른 정다각형 형상을 가지는 것으로 정하였다. 그리고 대부분의 멀티콥터와 같이 상판과 하판으로 구성되도록 하였다.
  • 팔은 센터플레이트에 고정 지지되어 있는 보로 가정하였고, 이 경우 보의 길이는 식 (6)으로 정의된 유효 팔 길이가 된다. 이 경우, 아래 식으로 정의된 최소 허용 단면계수(Minimum allowable section modulus) Smin 을 통해 허용 응력 (Allowable stress) σall 를 구할 수 있다.
  • 2와 같다. 팔의 개수는 3~8개 사이로 정하고, 팔 사이의 각도는 일정한 것으로 하며, 단면은 원형 튜브로 가정하였다. 센터 플레이트의 기본 형상은 원으로 하고, 선택적으로 팔 개수에 따른 정다각형 형상을 가지는 것으로 정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
프로펠러 직경과 개수로부터 기하학적 으로 중량을 추정해가는 방안의 장점은 무엇인가? 기존의 연구들이 대부분 이륙중량에 대한 비율로 계산하는 것에 비해 본 논문에서는 프로펠러 직경과 개수로부터 기하학적 으로 중량을 추정해가는 방안을 제시하였다. 제안한 방법의 장점은 초기 설계 단계에서 원하는 형상을 반영한 구조 중량 추정이 가능하다는 점과 이륙중량의 추정 없이 기하학적 형상을 이용 하여 초기 중량 계산이 가능하다는 점이다. 기존 멀티콥터 모델들에 대한 기체 구조 중량 데이터가 많지 않기 때문에 현재는 6종의 모델에 대해 적용하여 타당성을 검증하였다.
멀티콥터는 무엇으로 구성되는가? 20kg 미만의 중소형 멀티콥터의 초기 사이징 과정에서 적용 가능한 기체 구조 중량 예측에 관한 연구를 소개한다. 임무장비를 제외하고 멀티콥터는 기체 구조, 모터, 프로펠러, 배터리 등으로 구성되는데, 모터, 프로펠러, 배터리 등의 중량은 설계변수에 따른 추세선을 통해 추정이 가능하다. 하지만 기체 구조 중량은 멀티콥터의 형상과 설계 개념이 다양하고, 대부분의 상용 제품들이 기체 구조 중량 데이터를 제공하지 않기 때문에 추세선을 통해 예측할 수 없다.
기체 구조 중량이 추세선을 통해 중량을 예측할 수 없는 이유는 무엇인가? 임무장비를 제외하고 멀티콥터는 기체 구조, 모터, 프로펠러, 배터리 등으로 구성되는데, 모터, 프로펠러, 배터리 등의 중량은 설계변수에 따른 추세선을 통해 추정이 가능하다. 하지만 기체 구조 중량은 멀티콥터의 형상과 설계 개념이 다양하고, 대부분의 상용 제품들이 기체 구조 중량 데이터를 제공하지 않기 때문에 추세선을 통해 예측할 수 없다. 본 논문에서는 기본적인 멀티콥터 형상을 정의하고 멀티콥터 사이징 초기 단계에서 결정되는 프로펠러 개수와 직경을 통해 멀티콥터 기체 구조 중량을 추정하는 방법을 제안하였다.
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참고문헌 (7)

  1. Kim, M., Joo, H., and Jang, B. W., "Conceptual multicopter sizing and performance analysis via component database," Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), Ninth International Conference on IEEE, July 2017, pp.105-109. 

  2. Magnussen, O., Hovland, G., and Ottestad, M., "Multicopter UAV design optimization," Mechatronic and Embedded Systems and Application (MESA), 2014 IEEE/ASME Tenth International Conference on IEEE, 2014, pp.1-6. 

  3. Winslow, J., Hrishikeshavan, V., and Chopra, I., "Design methodology for small-scale unmanned quadrotors," Journal of Aircraft, 2017, pp.1-9. 

  4. Bershadsky, D., Haviland, S., and Johnson, E. N., "Electric multirotor propulsion system sizing for performance prediction and design optimization," 57th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, San Diego, January 2016, pp.1-22. 

  5. Gryphon Dynamics Homepage (gryphon-dynamics.co.kr) 

  6. Clearwater Composites Homepage (www.clearwatercomposites.com) 

  7. Park, Y., Nguyen, K., Kweon, J., Choi, J., and Han, J., "Structural analysis of a composite target-drone," International Journal of Aeronautical and Space Science, Vol. 12, No. 2, 2011, pp.84-91. 

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