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충돌 시뮬레이션을 통한 코딩 교육용 드론의 구조적 안정성 연구

A Collision Simulation Study on the Structural Stability for a Programmable Drone

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.5, 2019년, pp.627 - 635  

김명일 (한국과학기술정보연구원) ,  정대용 (한국과학기술정보연구원) ,  김수민 ((주)디엔디이) ,  이진규 ((주)코리아드론콥터) ,  최문현 ((주)코리아드론콥터) ,  김호윤 (한국과학기술정보연구원)

초록
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코딩 교육용 드론은 비행의 기초 원리를 체험하는 것뿐 아니라, 주로 아두이노(Arduino) 기반의 프로그래밍을 통해 드론을 제어하고 조종할 수 있도록 개발된 드론이다. 교육용 드론의 특성상 주 사용자는 드론 조종에 미숙한 학생들이기 때문에 드론과 외부 물체와의 충돌이 빈번하게 발생하여 드론 기체의 손상 비율이 높은 문제점이 있다. 본 연구에서는 교육용 드론 기체에 대한 구조 동역학 기반의 충돌 시뮬레이션 방법을 통해 드론의 구조적 안정성을 평가하였다. 약 240,000개의 4면체 요소를 갖는 해석 모델을 사용하여 $0^{\circ}$, $+15^{\circ}$, $-15^{\circ}$의 충돌 각도에 따른 3가지 케이스에 대해 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 3차원 구조물의 동적 거동 시뮬레이션에 탁월한 기능을 제공하는 ANSYS LS-DYNA를 활용하여 드론이 4 m/s의 속도로 벽에 충돌했을 때 주요 관심 부분인 드론 상 하부, 링 조립체에 발생하는 응력 분포 및 변형률을 분석하였다. 주요 관심 부분의 등가 응력에 따른 안전율은 0.72~2.64, 항복 변형률 기준 안전율은 1.72~26.67의 범위로 도출되었다. 이러한 안전율을 기준으로 재료 물성에 따른 항복 변형률과 종국 변형률을 초과하는 응력이 발생하는 부분에 대한 구조 안정성 확보를 위해 설계 보강이 필요한 부분을 제시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A programmable drone is a drone developed not only to experience the basic principles of flight but also to control drones through Arduino-based programming. Due to the nature of the training drones, the main users are students who are inexperienced in controlling the drones, which often cause frequ...

주제어

표/그림 (22)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 충돌 시뮬레이션을 이용한 코딩 교육용 드론인 E1 드론의 구조적 안정성을 평가에 대해 기술하였다. 충돌 각도에 따른 세 가지 케이스를 대상으로 각각 상부, 하부, 링 조립체의 충돌 시 발생하는 등가 응력과 변형률을 산출하였다.
  • 본 논문에서는 코딩 드론의 구조적 안정성을 평가하고 설계 변경이 필요한 부분을 파악하기 위해 구조 동역학 기반의 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 전체 드론 바디에 대한 동역학적 하중을 고려한 충돌 시뮬레이션을 통해 기체 파손이 쉽게 발생할 가능성이 있는 부분을 파악하고 해당 부분의 구조적 보강 및 설계 변경의 필요성을 제시한다.

가설 설정

  • E1 드론에 사용된 재료는 취성이 아닌 연성재료(항복에서 파단까지의 소성영역 5% 이상 거동)이므로 Table 2와 같은 항복 변형률과 종국 변형률(ultimate strain)을 적용한다. 이때 드론의 두 개의 링이 동시에 벽면에 충돌하는 것으로 가정했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
드론의 분류방법은? 개발 초기에는 표적, 정찰, 감시 등 군사용 목적으로 사용되다가 2010년대를 전후하여 화재, 홍수 등 재난감시, 농약살포, 물류, 방송 등 다양한 민간 분야로 활용 범위가 확대되고 있다[1-2]. 드론은 구동형태에 따라 블레이드(blade)가 기체에 수평으로 붙어있는 고정익형, 헬리콥터와 같이 로터의 회전을 이용하는 회적인형, 회전 블레이드를 기울일 수 있도록 고정익형과 회전익형을 결합한 혼합형으로 나눌 수 있다. 이중 회전익형에는 블레이드의 개수에 따라 바이콥터(2개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개) 등으로 구분된다.
드론의 활용범위는? 드론(drone)은 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)를 의미한다[1-4]. 개발 초기에는 표적, 정찰, 감시 등 군사용 목적으로 사용되다가 2010년대를 전후하여 화재, 홍수 등 재난감시, 농약살포, 물류, 방송 등 다양한 민간 분야로 활용 범위가 확대되고 있다[1-2]. 드론은 구동형태에 따라 블레이드(blade)가 기체에 수평으로 붙어있는 고정익형, 헬리콥터와 같이 로터의 회전을 이용하는 회적인형, 회전 블레이드를 기울일 수 있도록 고정익형과 회전익형을 결합한 혼합형으로 나눌 수 있다.
드론(drone)이란 무엇인가? 드론(drone)은 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)를 의미한다[1-4]. 개발 초기에는 표적, 정찰, 감시 등 군사용 목적으로 사용되다가 2010년대를 전후하여 화재, 홍수 등 재난감시, 농약살포, 물류, 방송 등 다양한 민간 분야로 활용 범위가 확대되고 있다[1-2].
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참고문헌 (13)

  1. R. Mathew, F. Francesco, "Micro-drone RCS analysis", Proceedings of 2015 IEEE Radar Conference , IEEE, Johannesburg, South Africa, pp.452-456, Oct. 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/RadarConf.2015.7411926 

  2. D. David, "Drones for Transmission Infrastructure Inspection and Mapping Improve Efficiency", Natural Gas and Electricity , Vol.33, No.12, pp.7-11, June 2017. DOI: https://doi.org/10.1002/gas.21991 

  3. Z. Wang, D. Yang, K. Yang, L. Guo, J. Tan, "Aerodynamic Characteristics Simulation Analysis of a Certain Type Changed Wing Drone Aircraft Based on CFD", Applied Mechanics and Materials , Vol.644-650, pp.746-750, Sept. 2014. DOI : https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.644-650.746 

  4. C. Ulloa, G. Rey, V. Padron, J. Nunez, "Use of open source tools and wind tunnel data in UAV propeller modeling for dynamic simulation", 2018 International Conference on Unmanned Aircraft Systems , IEEE, Dallas, USA, pp.335-339, June. 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/ICUAS.2018.8453304 

  5. M. Sajid, Y. Yang, G. Kim, K. Choi, "Remote monitoring of environment using multi-sensor wireless node installed on quad-copter drone", 2016 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors , IEEE, Tokyo, Japan, pp.213-216, Dec. 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/IRIS.2016.8066093 

  6. W. Yang, M. Chun, G. Jang, J. Baek, S. Kim, "A study on smart drone using quadcopter and object tracking techniques", 4th International Conference on Computer Applications and Information Processing Technology , IEEE, Kuta Bali, Indonesia, pp.1-5, March 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/CAIPT.2017.8320658 

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  8. N. Muyunda, M. Ibrahim, "Arduino-based smart garbage monitoring system: Analysis requirement and implementation", 2017 International Conference on Computer and Drone Applications , IEEE, Kuching, Malaysia, pp.28-32, Nov. 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/ICONDA.2017.8270394 

  9. T. Vogeltanz, "Comparison of open-source CFD software for aerodynamic analysis of mini-UAV", 2015 IEEE/AIAA 34th Digital Avionics Systems Conference , IEEE, Prague, Czech Republic, pp.5E3-1-5E3-15, Sept. 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/DASC.2015.7311438 

  10. J. Purvi, "Wing analysis of flapping wing unmanned aerial vehicle using CFD", International Journal of Advance Engineering and Research Development , Vol.2, No.5, pp.216-221, May 2015. 

  11. LSTC(Livermore Software Technology Corporation). Products- LS-DYNA, Available From: http://www.lstc.com/products/ls-dyna (accessed Oct. 10, 2018) 

  12. R. Barauskas, A. Abraitiene, "Computational analysis of impact of a bullet against the multilayer fabrics in LS-DYNA", International Journal of Impact Engineering , Vol.34, No.7, pp.1286-1305, July 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2006.06.002 

  13. M. Kim, D. Jung, J. Kim, H. Kim, "A HPC based Modeling and Simulation Cloud Platform for Multi-tenancy Support", Platform Technology Letters , Vol.5, No.3, pp.19-22, Sept. 2018. 

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