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쿼드콥터

Quadcopter
DJIPhantom 쿼드콥터 드론이 비행 중
카본 파이버 프레임과 FPV 카메라를 갖춘 일반적인 레이싱 쿼드콥터

쿼드콥터 또는 쿼드로터는[1] 4개의 [2]로터가 있는 헬리콥터의 한 종류이다.

쿼드로터 헬리콥터와 컨버터플레인(convertiplane)은 오랫동안 실험적으로 비행했지만, 현대 UAV나 드론이 등장할 때까지 그 구성은 여전히 흥미로웠다.드론의 작은 크기와 낮은 관성으로 인해 특히 단순한 비행 제어 시스템을 사용할 수 있게 되어 이 응용 분야에서 소형 쿼드로터의 실용성이 크게 향상되었습니다.

설계 원리

각 로터는 회전 중심에 대한 리프트와 토크를 발생시킬 뿐만 아니라 차량의 비행 방향과 반대되는 드래그를 생성합니다.

쿼드콥터에는 일반적으로 시계방향(CW)으로 회전하는 로터가 2개, 시계반대방향(CCW)으로 회전하는 로터가 2개 있습니다.비행 제어는 속도 및 각 로터의 리프트와 토크의 독립적인 변화에 의해 제공됩니다.피치 및 롤은 추력 순 중심을 변화시켜 제어하고 요는 [3]순 토크를 변화시켜 제어합니다.

기존 헬리콥터와 달리 쿼드콥터는 일반적으로 회전자 허브 주위를 회전할 때 날개 각도가 동적으로 변화하는 주기적 피치 컨트롤을 가지고 있지 않다.비행 초기에는 쿼드콥터(당시 '쿼드로터' 또는 단순히 '헬리콥터'로 불림)가 수직 비행의 일부 지속적 문제에 대한 가능한 해결책으로 여겨졌다.토크에 의한 제어 문제(및 테일 로터에서 발생하는 효율 문제, 유용한 리프트가 발생하지 않음)는 역회전을 통해 제거할 수 있으며, 상대적으로 짧은 블레이드를 제작하기가 훨씬 쉽습니다.1920년대와 1930년대에 많은 유인 디자인이 등장했다.이 차량들은 최초로 성공한 공중보다 무거운 수직 이착륙(VTOL) 차량 [4]중 하나였다.그러나 초기 프로토타입은 성능 [4]저하로 어려움을 겪었고, 이후 프로토타입은 안정성[5] 증대 및 제한적인 제어 권한으로 인해 너무 많은 파일럿 작업 부하를 필요로 했습니다.

토크

4개의 로터가 모두 시계방향으로 2개, 시계반대방향으로 2개 회전하면서 동일한 각속도로 회전하는 경우 요축 주위의 순토크는 0이 되며, 이는 기존 헬리콥터와 같이 테일 로터가 필요하지 않음을 의미한다.요는 공기역학적 토크의 균형을 일치하지 않음(즉, 역회전 블레이드 [6][7]쌍 사이의 누적 추력 명령을 상쇄함)에 의해 유도된다.

  • Schematic of reaction torques on each motor of a quadcopter aircraft, due to spinning rotors. Rotors 1 and 3 spin in one direction, while rotors 2 and 4 spin in the opposite direction, yielding opposing torques for control.

    회전하는 로터에 의한 쿼드콥터 항공기의 각 모터에 대한 반응 토크의 도식.로터 1, 3은 한 방향으로 회전하고, 로터 2, 4는 반대 방향으로 회전하여 제어용 반대 토크를 생성한다.

  • A quadrotor hovers or adjusts its altitude by applying equal thrust to all four rotors.

    쿼드로터는 4개의 로터 모두에 동일한 추력을 가하여 공회전을 하거나 고도를 조정합니다.

  • A quadrotor adjusts its yaw by applying more thrust to rotors rotating in one direction.

    쿼드로터는 한 방향으로 회전하는 로터에 더 많은 추력을 가함으로써 요를 조정합니다.

  • A quadrotor adjusts its pitch or roll by applying more thrust to one rotor (or two adjacent rotors) and less thrust to the diametrically opposite rotor.

    쿼드로터는 하나의 로터(또는 두 개의 인접한 로터)에 더 많은 추력을 가하고 정반대 로터에 덜 추력을 가함으로써 피치 또는 롤을 조정합니다.

소용돌이 고리 상태

모든 쿼드콥터는 볼텍스 링 [citation needed]상태를 포함하여 일반 회전익 항공기 공기역학을 따릅니다.

기계 구조

주요 기계 구성 요소는 동체 또는 프레임, 4개의 로터(고정 피치 또는 가변 피치) 및 모터입니다.최고의 성능과 간단한 제어 알고리즘을 위해 모터와 프로펠러는 [8]등거리입니다.

동축 로터

쿼드콥터 동축– AltiGator의 OnyxStar FOX-C8 XT 옵서버

저중량에서 더 많은 출력과 안정성을 제공하기 위해 쿼드콥터는 다른 멀티로터와 마찬가지로 동축 로터 구성을 사용할 수 있습니다.이 경우 각 암에는 두 개의 모터가 반대 방향으로 작동합니다(하나는 위쪽을 향하고 하나는 [citation needed]아래쪽을 향함).

운용

자율 비행

쿼드콥터 구성은 자율 비행용으로 프로그래밍하는 것이 비교적 간단합니다.이를 통해 인접한 [citation needed]드론의 기본 감지를 기반으로 복잡한 군집 거동을 실험할 수 있었다.

내구성

배터리로 작동하는 쿼드콥터가 달성한 최장 비행 시간은 2시간 31분 30초였다.이 기록은 2016년 [9]독일의 페르디난드 키킨저가 세웠다.기록을 세우면서 키킨저는 낮은 방전 속도, 고용량 리튬 이온 배터리를 사용했으며 전력 소모를 줄이고 [10]내구성을 높이기 위해 기체에서 불필요한 무게를 제거했다.

수소 연료 전지와 하이브리드 가스-전기 발전기와 같은 대체 동력원은 각각 [11]수소와 휘발유의 에너지 밀도가 증가하기 때문에 내구성을 극적으로 확장하기 위해 사용되어 왔다.

역사

개척자

수직 이륙한 최초의 에어로다인은 루이 브레게가 설계한 4회전식 헬리콥터였다.그것은 사슬에 묶인 비행과 수 피트 고도에서만 실험되었다.1908년에는 세부 사항은 [12]희박하지만 '몇 차례' 비행한 것으로 보고되었다.

에티엔 외미첸은 1920년대에 로터크래프트 디자인을 실험했다.그가 시도했던 설계 중, 그의 2호기는 4개의 로터와 8개의 프로펠러를 가지고 있었으며, 모두 하나의 엔진으로 구동되었다.외미첸 2호는 4개의 팔 끝에 두 개의 날이 달린 로터가 달린 강철 튜브 프레임을 사용했다.이 날들의 각도는 뒤틀림에 따라 달라질 수 있습니다.수평면에서 회전하는 5개의 프로펠러가 기계를 수평으로 안정시켰다.또 다른 프로펠러가 조종을 위해 코에 장착되었다.나머지 한 쌍의 프로펠러는 전방 추진력 역할을 했다.이 항공기는 상당한 안정성과 제어 정확도의 증가를 보였으며 1920년대 중반에 1,000회 이상의 시험 비행을 했다.1923년까지 그것은 한 번에 몇 분 동안 공중에 떠 있을 수 있었고 1924년 4월 14일 360m(390yd)의 헬리콥터에 대한 사상 최초의 FAI 거리 기록을 수립했다.그것은 원형 코스를[13] 완주할 수 있는 능력을 보여주었고 이후, 그것은 회전익 기체로 첫 번째 1킬로미터(0.62 mi)의 폐회로 비행을 마쳤다.

드 보테자트 헬리콥터, 1923년 사진

George de Bothezat 박사와 Ivan Jerome은 X자 구조의 끝에 6개의 날이 달린 로터를 가진 de Bothezat 헬리콥터를 개발했다.추력 및 요 제어를 위해 피치가 가변적인 두 개의 소형 프로펠러가 사용되었습니다.차량은 집단 피치 컨트롤을 사용했습니다.미국 항공국에 의해 건설된 이 항공기는 1922년 10월에 첫 비행을 했다.1923년 말까지 약 100편의 비행이 이루어졌다.지금까지 가장 높은 곳은 약 5m(16피트 5인치)였다.실현 가능성을 입증했지만, 전력이 부족하고, 반응이 없으며, 기계적으로 복잡하고, 신뢰성 문제에 취약했습니다.호버 중 파일럿 작업 부하가 너무 높아 횡방향 이동을 시도하지 못했습니다.

전후 시대

컨버터윙스 모델 A 쿼드로터는 훨씬 더 큰 민간 및 군용 헬리콥터의 프로토타입이 될 예정이었다.이 디자인은 V 벨트 시스템을 통해 4개의 로터를 구동하는 2개의 엔진을 특징으로 했습니다.테일 로터가 필요하지 않았고 로터 [14]간의 추력을 변화시켜 제어를 얻었습니다.1956년부터 여러 차례 비행한 이 헬리콥터는 쿼드로터 설계를 증명했고, 또한 성공적인 전진 비행을 보여준 최초의 4회전 헬리콥터였다.그러나 상업용 또는 군사용 버전이 주문되지 않아 프로젝트는 중단되었다.Convertawings는 최대 중량이 42,000파운드(19t)이고, 300마일 이상에서 최대 173mph(278km/h)의 적재량을 가진 모델 E를 제안했다. 9t)인 모델 E를 제안했다.핸슨 탄성 회전자(EA) 베어링리스 회전자는 1960년대 초 캘리포니아 록히드사에서 토마스 F에 의해 제작되어 발전했습니다.Hanson은 이전에 Convertawings에서 쿼드로터의 로터 설계 및 제어 [15][16]시스템에 대해 일한 적이 있습니다.

1960년의 글로스터 크롭 스프레이어 프로젝트는 쿼드콥터 무인기의 초기 사례였다.105hp Potez 4E의 공랭식 평형 4기통 엔진에 의해 구동되는 20gal의 페이로드는 22ft의 스프레이 붐을 통해 방출되었다.두 명의 오퍼레이터가 분무 실행의 반대쪽 끝에 호밍 비콘을 장착하여 쿼드콥터가 오버슈트하지 않고 항상 비콘을 통해 홈인하도록 했습니다.그러나 파일럿 머신에 비해 설계와 운용 요건이 훨씬 심플했지만 모회사 이사회는 개발을 거부하여 종이 [17]프로젝트로 남아 있었습니다.

커티스 라이트 VZ-7

1958년의 커티스 라이트 VZ-7은 커티스 라이트가 미국 육군 수송 연구 사령부의 "날아다니는 지프"를 위해 디자인한 VTOL 항공기이다.VZ-7은 4개의 덕트 팬로터의 추력을 각각 변경하여 제어되었습니다.

피아세키 PA-97은 1980년대에 헬리콥터 동체 4개가 공중보다 가벼운 비행선과 결합된 대형 하이브리드 항공기에 대한 제안이었다.

현재 전개 상황

Bell Boeing Quad TiltRotor 컨셉은 C-130 사이즈의 군 수송을 위한 틸트로터 컨셉과 결합함으로써 고정식 쿼드콥터 컨셉을 더욱 발전시켰습니다.

앵무새 AR의 비행 원형입니다.드론
앵무새 AR.2012년 네바다주, Dron 2.0 이륙

에어버스는 처음에는 조종사와 함께 도시형 항공 택시 역할을 하기 위해 배터리 구동식 쿼드콥터를 개발하고 있지만,[18] 앞으로는 잠재적으로 자율화 될 수 있다.

드론

FPV "와" 드론은 30그램까지 가벼울 수 있습니다.

2000년대 초, 쿼드콥터 레이아웃은 소형 무인항공기 또는 무인기용으로 인기를 끌었다.기동성과 호버링 능력이 뛰어난 항공기의 필요성은 쿼드콥터 연구의 증가로 이어졌다.4회전식 설계로 쿼드콥터는 비교적 심플하면서도 신뢰성과 조작성이 뛰어납니다.멀티크래프트 통신, 환경 탐사, 기동성을 발전시켜 쿼드콥터의 능력을 높이는 연구가 계속되고 있다.만약 이러한 발전하는 특성이 결합될 수 있다면, 쿼드콥터는 현재 [19]다른 차량으로는 불가능한 진보된 자율 임무를 수행할 수 있을 것이다.

일본에서는 이미 1990년대 초에 리모컨으로 조종하는 소형 쿼드콥터가 생산되었지만, 카메라를 대량으로 탑재한 최초의 [20][21]것은 1999년에야 설계되었다(Draganflyer Stabilized Air Video System, 소급해서 Draganflyer I).

2005년부터 2010년까지 전자제품의 발전으로 저렴한 경량 비행 제어기, 가속도계(IMU), 위성 위치 확인 시스템 및 카메라를 생산할 수 있었습니다.이로 인해 쿼드콥터 구성은 소형 무인 항공기에 널리 보급되었다.작은 크기와 기동성으로, [1][22]이 쿼드콥터는 실외뿐만 아니라 실내에서도 비행할 수 있다.

소형 드론의 경우 쿼드콥터는 기계적 단순성으로 [23]인해 기존 헬리콥터보다 저렴하고 내구성이 뛰어나다.그들의 작은 날들은 또한 그들이 피해를 입히는 능력을 감소시켜 운동 에너지를 덜 가지고 있기 때문에 유리하다.소형 쿼드콥터의 경우, 이는 긴밀한 상호작용을 위해 차량을 더욱 안전하게 해 줍니다.또한 쿼드콥터를 로터를 감싸는 가드로 장착할 수 있어 [2]손상 가능성을 더욱 줄일 수 있습니다.그러나 크기가 커짐에 따라 고정식 프로펠러 쿼드콥터는 기존 헬리콥터에 비해 단점이 발생한다.블레이드 크기를 늘리면 추진력이 커집니다.즉, 블레이드 속도의 변화가 더 오래 걸리고, 이는 제어에 부정적인 영향을 미칩니다.헬리콥터는 로터 디스크의 크기를 늘려도 블레이드 피치를 제어하는 능력에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 이 문제를 겪지 않습니다.

쿼드콥터는 제작과 제어가 용이하기 때문에 아마추어 모형 항공기 [24][25]프로젝트로 인기가 있다.

범죄 행위

21세기 내내, 4단 드론이 범죄 활동에 이용된 사례가 보고되었다.멕시코 건설로 인해-미국 국경 장벽, 일부 마약 카르텔은 마약 [26]밀반입을 위해 4중용 헬리콥터를 이용했습니다.하지만, 쿼드콥터 드론은 반드시 국경을 넘어 마약을 밀수하는 것은 물론, 무기와 다른 금지 물품들이 전세계 [27]교도소로 밀수되는 사례도 있다.

쿼드콥터 무인기 범죄는 유럽에서도 일어나고 있다.2021년 8월 체코의 한 경찰관이 [28]필로폰 한 주머니를 운반하던 쿼드콥터를 탈취했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Hoffmann, G.M.; Rajnarayan, D.G.; Waslander, S.L.; Dostal, D.; Jang, J.S.; Tomlin, C.J. (November 2004). "The Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi Agent Control (STARMAC)". In the Proceedings of the 23rd Digital Avionics System Conference. Salt Lake City, UT. pp. 12.E.4/1–10. doi:10.1109/DASC.2004.1390847. ISBN 0-7803-8539-X.
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  7. ^ Andrew Hobden. "Quadcopters: Yaw". hoverbear.org. Retrieved 3 April 2017.
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  9. ^ Ferdinand Kickinger (30 April 2016), 151min30s FPV with Copter, archived from the original on 22 December 2021, retrieved 26 August 2018
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  26. ^ "Drug smugglers turn to drones, advancing operations". DroneDJ. 21 December 2020. Retrieved 10 August 2021.
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  28. ^ Pokorný, Petr (10 August 2021). "Strážník v Doksech rukama chytil neregistrovaný dron, který přenášel pervitin". Českolipský deník (in Czech). Retrieved 10 August 2021.

외부 링크

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