드론이 농업 및 산업 운송 분야에 이용되기 위해서는 큰 탑재 하중과 긴 운용시간이 필요하다. 현재의 배터리 기술로는 탑재 하중과 체공 시간을 늘리는 데에 한계가 있고, 특히 현장에서 지속적인 운용이 필요할 때에 배터리의 충전 또는 교환이 번거로운 문제가 있다. 본 연구에서는 내연기관과 발전기, 그리고 배터리와 전기모터가 결합된 복합적인 추진기관을 사용하는 드론의 동력시스템을 최적화하는 과정을 제시한다. 운반과 운용의 제약을 고려하여 이륙중량 200kg 급의 기체를 선정하였다. 내연기관과 직접 연결된 2개의 주 로터가 기체 중량의 대부분을 담당하고, 내연기관으로 구동되는 발전기의 전력을 사용하는 4개의 모터가 자세제어를 담당하도록 시스템을 구성하였다. 드론의 에너지 흐름을 파악하여, 기존의 상용품 중 최적의 모터와 프로펠러를 선정하는 기법을 제시하고, 내연기관의 측정 데이터를 이용하여 최적의 운용 점과 기어비를 도출하는 기법을 제시한다.
드론이 농업 및 산업 운송 분야에 이용되기 위해서는 큰 탑재 하중과 긴 운용시간이 필요하다. 현재의 배터리 기술로는 탑재 하중과 체공 시간을 늘리는 데에 한계가 있고, 특히 현장에서 지속적인 운용이 필요할 때에 배터리의 충전 또는 교환이 번거로운 문제가 있다. 본 연구에서는 내연기관과 발전기, 그리고 배터리와 전기모터가 결합된 복합적인 추진기관을 사용하는 드론의 동력시스템을 최적화하는 과정을 제시한다. 운반과 운용의 제약을 고려하여 이륙중량 200kg 급의 기체를 선정하였다. 내연기관과 직접 연결된 2개의 주 로터가 기체 중량의 대부분을 담당하고, 내연기관으로 구동되는 발전기의 전력을 사용하는 4개의 모터가 자세제어를 담당하도록 시스템을 구성하였다. 드론의 에너지 흐름을 파악하여, 기존의 상용품 중 최적의 모터와 프로펠러를 선정하는 기법을 제시하고, 내연기관의 측정 데이터를 이용하여 최적의 운용 점과 기어비를 도출하는 기법을 제시한다.
For drones to be used for industrial or agricultural applications, it is necessary to increase the payload and endurance. Currently, the payload and endurance are limited by the battery technology for electric powered drones. In addition, charging or replacing the batteries may not be a practical so...
For drones to be used for industrial or agricultural applications, it is necessary to increase the payload and endurance. Currently, the payload and endurance are limited by the battery technology for electric powered drones. In addition, charging or replacing the batteries may not be a practical solution at the field that requires near continuous operation. In this paper, a procedure to optimize the power system of an electric hybrid drone that consists of an internal combustion engine, a generator, a battery, and electric motors is presented. The example drone for crop dusting is sized for easy transportation with a maximum takeoff weight of 200 kg. The two main rotors that are mechanically connected to the internal combustion engine provides most of the lift. The drone is controled by four electric motors that are driven by the generator. By analyzing the flow of the energy, a methodology to select the optimum propeller and motor among the commercially available models is described. Then, a procedure of finding the optimum operational condition along with the proper gear reduction ratios for the internal combustion engine based on the test data is presented.
For drones to be used for industrial or agricultural applications, it is necessary to increase the payload and endurance. Currently, the payload and endurance are limited by the battery technology for electric powered drones. In addition, charging or replacing the batteries may not be a practical solution at the field that requires near continuous operation. In this paper, a procedure to optimize the power system of an electric hybrid drone that consists of an internal combustion engine, a generator, a battery, and electric motors is presented. The example drone for crop dusting is sized for easy transportation with a maximum takeoff weight of 200 kg. The two main rotors that are mechanically connected to the internal combustion engine provides most of the lift. The drone is controled by four electric motors that are driven by the generator. By analyzing the flow of the energy, a methodology to select the optimum propeller and motor among the commercially available models is described. Then, a procedure of finding the optimum operational condition along with the proper gear reduction ratios for the internal combustion engine based on the test data is presented.
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문제 정의
2를 통해 정의한 시스템을 실제로 구현한 예시의 3D 형상을 보여준다. 구성 품들의 위치는 비행동역학적인 해석을 통해 결정하 여야 하지만 본 논문에서는 다루지 않고, 직관적인 이해를 돕기 위한 예시이다.
본 연구에서는 내연기관으로 주 로터를 구동하고, 제어용 보조 로터는 내연기관에 연결된 발전기에서 나오는 전력을 이용하는 하이브리드 방식의 드론의 동력시스템 최적화 기법을 제시하였다. 로터의 경우는 추력계수와 동력계수를 사용하고, 모터와 발전기는 단순화된 직류 모터 모델을 사용하였다.
이런 배터리 시스템의 단점을 해결하기 위해 복합 적인 동력시스템에 관한 연구가 이루어지고 있다 [3-5]. 본 연구에서는 중량을 담당하는 대형의 주 로터와 제어를 담당하는 별도의 보조 로터 시스템을 가지고, 내연기관과 전기모터를 결합한 전동 하이브 리드 형태의 드론을 제안한다. 특히 동력시스템을 구성하고 이를 최적화할 수 있는 기법을 제시한다.
본 연구에서는 통상적으로 용이하게 접근할 수 있는 데이터를 기반으로 해석하는 기법의 개발에 중점을 두었으며, 실제 설계에 적용하기 위해서 측정에 기반을 둔 실제 데이터를 이용하면 보다 정확한 결과를 도출할 수 있다.
가설 설정
기동을 위해서는 주 로터에 피치를 가변할 수 있는 장치가 있어야 하고, 장치를 설치하게 되면 추력 계수와 동력계수는 가변적일 것이나, 최적화를 위해 일정하다 가정하였다.
같은 방법으로 9 개의 후보 프로펠러에 대하여 산출한 추력계수와 동력계수는 Table 4에 요약되어 있다. 모터 속도 컨트 롤러(ESC)의 효율을 90%와 95% 2가지로 상정하여 계산하였는데, 최적화에는 모터 속도 컨트롤러(ESC) 효율을 90%로 가정으로 계산한 값을 이용하였다.
발전기에서 공급되는 전력은 모두 전력관리 시스 템으로 들어가고, 모터, 비행제어 컴퓨터, 조종면, 농약 살포기가 모두 이 전력관리 시스템으로부터 전력을 공급받는다. 모터를 제외한 농약 살포기, 비행제어 컴퓨터, 조종면은 항상 일정한 전력을 소모한다고 가정하였으며 그 값은 Table 3에 제시되어 있다.
본 연구에서는 발전기의 성능 파라미터 최적화는 포함하지 않았으며, 4개의 모터와 나머지 전력시스템을 구동할 수 있는 정도의 성능 파라미터를 상정하 였다. 발전기의 성능 파라미터는 Table 1에 요약되어 있다.
에너지를 전달하는 기계장치들의 효율은 각 95% 로 보수적으로 가정하였다. 엔진에서 주 로터로 전달된 에너지의 최종효율은 각 효율이 95%인 벨트1과베벨기어를 거쳐 약 90%의 효율을 계산하였고, 마찬 가지로 벨트1과 벨트2를 거쳐 발전기에 전달된 효율도 계산되었다.
엔진과 주 로터, 그리고 발전기의 제원은 고정되어 있다는 가정 하에, 각 보조로터용 모터 모델에 대해 전체 소모 동력을 최소화 하는 프로펠러 모델을 찾 고, 해당 보조로터의 추력을 구하였다. 또한, 엔진의 연료소모 데이터를 이용하여 최적의 엔진 회전수와 이에 해당하는 기어비를 구하는 기법을 제시하였다.
제안 방법
4종의 모터와, 9종의 프로펠러, 그리고 보조 로터의 추력을 0.5에서 12kg까지 0.5kg 단위로 변화시켜총 864가지 경우에 대해 엔진의 총 소모동력 계산하 였다. 각 모터에 대하여, 엔진의 동력을 최소화하는 프로펠러 모델과 해당 보조 로터 추력의 조합을 Table 7에 요약하였다.
엔진과 주 로터, 그리고 발전기의 제원은 고정되어 있다는 가정 하에, 각 보조로터용 모터 모델에 대해 전체 소모 동력을 최소화 하는 프로펠러 모델을 찾 고, 해당 보조로터의 추력을 구하였다. 또한, 엔진의 연료소모 데이터를 이용하여 최적의 엔진 회전수와 이에 해당하는 기어비를 구하는 기법을 제시하였다.
모터의 효율은 식 (6)과 같이 출력 동력을 입력 동력으로 나누어준 값이다. 실제 설계과정에서는 측정을 통하여 보다 정확한 마찰 토크의 특성을 모델링할 수 있으나 본 연구에서는 주어진 모터 성능을 바탕으로 모터를 선정하는 기법에 중점이 있기 때문에, 후보군의 모터 4종에 대해서 마찰계수들을 적절히 조절하여 모든 모터가 동일한 최대효율을 갖도록 하였다. 최대효율을 같게 함으로써, 단순히 효율에 따라 선정되는 것이 아니고 나머지 동력부와의 매칭이 가장 잘 되는 모터가 선택될 수 있다.
본 연구에서는 중량을 담당하는 대형의 주 로터와 제어를 담당하는 별도의 보조 로터 시스템을 가지고, 내연기관과 전기모터를 결합한 전동 하이브 리드 형태의 드론을 제안한다. 특히 동력시스템을 구성하고 이를 최적화할 수 있는 기법을 제시한다.
일반적으로 제조사에서 제공하는 데이터에 회전수와 정적추력이 포함되어있기 때문에 추력계수는 산출이 용이하다. 하지만 동력계수를 산출하기 위해 필요한 토크 측정치는 제공되지 않는 경우가 대부분이기 때문에, 본 연구에서는 참고문헌[9]의 기법을 사용하여, 프로펠러 구동에 사용된 모터의 성능 데이터 와의 통합 해석을 통하여 동력계수를 추정하였다.
II장은 시스템의 개요와 해석을 위해 사용된 모델과 가정들을 기술하고, 성능 해석을 시행한다. 해석을 통해 각 모터별 최적의 운용조건을 확인하고, 그 중 가장 좋게 해석된 결과를 제시한다. III장은 결론을 정리한다.
이론/모형
동력 성능 해석은 참고문헌[11]의 기법을 따르며, 계산과정은 Fig. 11과 같이 실시하였다. 9개 중 하나의 프로펠러에 대해, 보조 로터의 추력값을 고정하면식 (8)을 이용하여 회전수를 구할 수 있고, 이를 식 (9)에 적용하여 동력과 토크를 구한다.
본 연구에서는 내연기관으로 주 로터를 구동하고, 제어용 보조 로터는 내연기관에 연결된 발전기에서 나오는 전력을 이용하는 하이브리드 방식의 드론의 동력시스템 최적화 기법을 제시하였다. 로터의 경우는 추력계수와 동력계수를 사용하고, 모터와 발전기는 단순화된 직류 모터 모델을 사용하였다. 그리고 회전수와 토크에 대한 엔진의 비 연료소모율 측정치를 이용 하여 최적의 모터와 프로펠러 조합, 보조 로터의 추력, 엔진의 회전수 및 기어비를 도출할 수 있었다.
발전기의 성능 파라미터는 Table 1에 요약되어 있다. 마찰 토크와 회전수에 대한 1차 함수 모델을 사용하였다.
본 연구에서는 단순한 직류 모터 모델을 사용한다. 모터에 흐르는 전류는 식 (1)과 같이 인가된 전압과 유도 전압의 차이를 권선 저항으로 나누어 준 값이다.
주 로터는 참고문헌[11]에서 사용한 로터의 추력과 동력계수를 이용하였으며 그 값은 Table 5와 같다. 해당 로터 블레이드는 Blade Element Momentum Theory (BEMT) 기법을 사용하여 설계되었는데, 설계 과정은 본 논문에서 다루지 않는다.
성능/효과
로터의 경우는 추력계수와 동력계수를 사용하고, 모터와 발전기는 단순화된 직류 모터 모델을 사용하였다. 그리고 회전수와 토크에 대한 엔진의 비 연료소모율 측정치를 이용 하여 최적의 모터와 프로펠러 조합, 보조 로터의 추력, 엔진의 회전수 및 기어비를 도출할 수 있었다.
이는 모터와 프로펠러의 매칭이 좋지 않은 운용조건의 조합에서 나타나는 현상으로 추정된다. 동력계수의 평균을 계산해 보면, 각 모터에 대한 중간 회전수의 운용조건에서는 동력계수들이 평균 주위에 조밀하게 분포함을 확인할 수 있다. 같은 방법으로 9 개의 후보 프로펠러에 대하여 산출한 추력계수와 동력계수는 Table 4에 요약되어 있다.
마지막으로, 각각의 모터에 대해 최적의 프로펠러와 보조 로터의 추력값을 도출했을 경우, 결과적으로 엔진에서의 요구동력의 차이는 상대적으로 작은 것을 볼 수 있다. 이는 실제 설계 시에 특정 요구 조건에 의해 모터나 프로펠러의 제원이 결정되더라도, 나머지 성능 파라미터를 조절하여 최적에 근접하는 설계를 도출할 수 있음을 시사한다.
에너지를 전달하는 기계장치들의 효율은 각 95% 로 보수적으로 가정하였다. 엔진에서 주 로터로 전달된 에너지의 최종효율은 각 효율이 95%인 벨트1과베벨기어를 거쳐 약 90%의 효율을 계산하였고, 마찬 가지로 벨트1과 벨트2를 거쳐 발전기에 전달된 효율도 계산되었다. 하지만 실제 설계 시에는 측정을 통해 그 값을 이용하여야 한다.
9 2엽 프로펠러에 대해,다양한 모터의 조합과 운용조건에 대해 추정한 추력 계수와 동력계수의 분포를 보여준다. 추력계수의 경우 직접적으로 측정된 값인 추력과 회전수에 의해 산출되기 때문에 불확실성이 작고, 결과적으로 다수의 데이터 포인트가 일정한 값 주위로 조밀하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 동력계수는 추력계수 보다 상대적으로 넓게 분포되어 있는데, 각각의 모터에 대해 낮은 회전수와 높은 회전수에 대해서 높게 나타나고, 중간 회전수에서는 비교적 일정함을 볼 수있다.
효율 90% 등고선의 영역을 기준으로 KDE7208XF-135 모터는 상대적으로 높은 회전수, 낮은 토크에서 최대 효율이 나타나고, 반대로 KDE 8218XF-120 모터는 낮은 회전수, 높은 토크에서 최대 효율이 나타남을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멀티로터 형태의 드론의 역할은?
멀티로터 형태의 드론은 기계적인 단순함으로 인하여 최근 각광을 받고 있고, 특히 임무 중량이 작은 항공촬영과 같은 분야에서는 이미 널리 사용되고 있다. 드론을 대형화하여 택배나 농약 살포와 같은 대용량의 임무 중량을 탑재하는 연구도 활발히 진행되고 있다[1].
드론의 배터리 시스템의 단점을 해결하기 위해 제안되는 복합 적인 동력시스템 드론의 형태는?
이런 배터리 시스템의 단점을 해결하기 위해 복합 적인 동력시스템에 관한 연구가 이루어지고 있다 [3-5]. 본 연구에서는 중량을 담당하는 대형의 주 로터와 제어를 담당하는 별도의 보조 로터 시스템을 가지고, 내연기관과 전기모터를 결합한 전동 하이브 리드 형태의 드론을 제안한다. 특히 동력시스템을 구성하고 이를 최적화할 수 있는 기법을 제시한다.
드론에 배터리 사용하는 경우 어떤 어려움이 증가하는가?
그러나 로터 디스크면적이 작기 때문에 전체 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다. 배터리를 사용하는 경우, 대형화될수록 배터리의 가격이 증가하고 또한 대용량의 배터리를 충전, 운반 관리에 어려움이 증가 한다. 특히 농약 살포처럼 현장에서 지속적인 운용을 필요로 하는 경우 충전이 느리고, 사용시간이 짧은 배터리 충전/교환식보다는 사용시간이 긴 연료를 주입하는 방식이 적합하다[2].
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