요약
모터 하나만으로 나는 드론을 직접 설계하고 만든 과정을 담은 영상입니다.
제목 그대로 모터 하나만 단 드론의 제작기를 담은 유튜브 영상입니다. 영상이라 원문을 읽지 못했습니다. HN 이용자에 따르면 제작자는 4축 3D 프린터를 만들었던 조슈아 버드입니다. 한 이용자는 특수한 힌지와 자기 엔코더(회전 각도를 재는 센서)를 써서, 날개가 한 바퀴 도는 동안 모터 토크를 조절해 양력을 바꾼다고 설명했습니다. 이 방식이면 헬리콥터의 스워시플레이트(날개 각도를 바꾸는 기계 장치)가 필요 없다고 합니다.
HN 반응
- 바퀴 하나로 움직이는 배틀봇, 가변 피치 프로펠러를 단 RC 곡예기 같은 비슷한 사례를 소개하며 감탄하는 댓글이 많았습니다.
- 같은 원리가 RC 헬리콥터에서 이미 쓰였다는 지적과, 기체 전체가 계속 돌아 불안정하고 실용성이 떨어진다는 반론도 나왔습니다.
고정익 RC 곡예비행 취미 쪽에서는 몇 년 전부터 가변 피치 프로펠러(VPP)로 말도 안 되는 짓을 하고 있다는 얘기를 해 두고 싶습니다. 가변 피치 프로펠러가 일체형으로 들어간 RC 모터가 작은 크기로도 나와 있어서, 그 용도라면 프로펠러를 직접 만들 필요도 없습니다. 이런 4D 곡예비행이 가능해지는 모습은 여기서 볼 수 있습니다. https://www.youtube.com/watch?v=j5EsvZNvVRs
이 모터 하나짜리 드론을 만든 사람이 하는 것과 비슷하면서도 다릅니다. 그는 더 높은 RPM으로 돌리면서 CPU 제어로 피치를 바꾸는데, 이게 모든 걸 수동으로, 그것도 말도 안 되는 실력으로 조종하는 고정익 곡예비행 조종사들보다 훨씬 빠릅니다. 모터 하나짜리 드론을 만든 분이야 고정익 RC용 VPP가 있다는 걸 이미 알 거라고 봅니다. 모르는 다른 분들께 알려 드리려고 적었습니다.
그래서요, 그 RC 비행기로 금속을 100kg(혹은 그 이상) 실어 나르고 싶으면 어쩌죠???
세상에, 뭔가 재미있는 걸 기대하긴 했는데 프로펠러 하나로 저 정도 제어가 된다니 상상한 것보다 훨씬 대단하네요.
해 보고 싶은 게 너무 많은데 하루는 모자라네요 -.-
과소구동(underactuated) 로보틱스는 정말 멋집니다. 취미 배틀봇 커뮤니티에는 로봇 전체에 모터가 단 하나뿐인데도 모터 하나의 속도만 조절해서 어느 방향으로든 움직이고 상대에게 피해까지 입히는 설계가 있습니다.
대부분의 로봇은 구동 모터 두 개에 무기 모터 하나, 최소 세 개의 모터를 씁니다. 하나로 해내는 비결은 충격체를 섀시에 통합하는 것입니다. 휠 하나로 약 3천 RPM까지 회전시키고, 회전하는 로봇의 각도를 추적하다가 휠이 가려는 방향을 향할 때는 속도를 조금 올리고 반대 방향을 향할 때는 조금 늦춥니다.
이 강의를 강력히 추천합니다. https://underactuated.csail.mit.edu/ 러스 테드레이크는 훌륭한 강사(이자 연구자)입니다.
배틀봇만이 아닙니다. 요즘 실전에 나오는 6세대 전투기는 전부 수직 안정판이 없어서, 뱅크와 요를 하려면 승강타와 스포일러론을 실시간으로 아주 민감하게 소프트웨어로 제어해야 합니다. 이게 과소구동에 해당하는지는 잘 모르겠지만, 컴퓨터 제어 없이는 조종하기가 엄청나게 어렵습니다.
보통 이런 항공기에도 액추에이터는 세 개 이상 있습니다. 방향타를 차동 스포일러나 분할형 엘레본으로 대체했을 뿐입니다. 액추에이터 세 개로 세 축을 제어하니 수가 같고, 그러니 과소구동이 아닙니다.
말씀하신 건 동적으로 불안정하다는 사실이고, 그래서 컴퓨터로 안정화해야 하는 것입니다. 이건 별개의 문제입니다.
과소구동이면서도 동적으로 안정적인 항공기도 있을 수 있습니다. 한 예가 패러포일인데, 조종줄 두 개, 즉 액추에이터 두 개만으로 제어 비행을 합니다.
저는 불도저 같은 중장비를 잘 모르지만, 일부는 모터 하나로 유압유에 압력을 걸고 밸브로 여러 피스톤을 움직이는 구조일 수도 있겠네요. 그렇다면 거기에도 같은 주장을 할 수 있을지 모르겠습니다.
그 경우에는 밸브와 피스톤 쌍 하나하나가 독립된 액추에이터입니다. 유압 모터는 그 전체에 일정한 동력을 대 주는 동력원에 가깝습니다.
맞아요. 드론으로 치면 유압 피스톤은 전기 모터, 유압 펌프는 배터리에 해당합니다.
그런 구조가 흔하고, 서로 다른 실린더 두 개를 동시에 움직일 수는 없습니다. 물론 펌프와 밸브를 어떻게 배관했느냐에 따라 다릅니다. 둘 이상을 동시에 움직일 수 있는 경우도 있지만 그럼 동력을 나눠 쓰게 됩니다.
밸브를 더 달면 해결될 것 같은데요.
그렇게 간단하지 않습니다.
실린더를 병렬로 돌릴 수는 있지만, 그러면 움직이기 가장 쉬운 실린더가 동력을 그만큼 더 많이 가져갑니다. 균형이 완벽하지 않으면, 현실에서 완벽할 리가 없는데, 가장 힘들게 일해야 하는 실린더가 가장 적게 일하게 됩니다. 그래서 제어하기가 엄청나게 어려워집니다.
아니면 실린더를 직렬로 돌릴 수도 있지만, 그러면 하나를 천천히 움직이려고 조절할 때 나머지도 전부 같이 느려져야 합니다.
결국 이걸 제대로 돌리려면 펌프가 여러 개 필요한데, 펌프는 꽤 비싸서 비용이 올라갑니다. 게다가 펌프가 여러 개면 모터가 낼 수 있는 것보다 더 많은 동력이 필요해질 수도 있습니다.
위의 문제는 전부 세심한 엔지니어링으로 풀 수 있습니다. 하지만 제대로 하려면 엔지니어링도 돈이 많이 들고 손이 많이 갑니다.
저는 각 출력단에 압력 조절 밸브를 다는 걸 생각했어요. 그러면 액추에이터마다 필요한 압력이 다른 문제는 해결되겠지만, 밸브마다 걸리는 압력 강하가 열로 바뀌니 효율은 떨어지겠죠. 아니면 압력 제어 말고 유량 제어를 쓸 수도 있고요?
항공기 유압장치는 분명 비슷한 걸 쓰고 있을 거예요. 서보 제어를 받는 가동부가 여러 개 있으니까요(그러려면 꽤 영리한 밸브가 들어갔겠죠).
비용만 더 들이면 거의 뭐든 개선할 수 있죠.
아니면 출력을 더 올리거나요 ;)
컴퓨터 없이는 사람이 조종할 수 있는 수준이 아닙니다. 본질적으로 불안정하니까요.
처음부터 끝까지 볼 가치가 충분한 영상입니다. 원하는 걸 만들어 내려고 고민하는 해커라면 누구나 이렇게 하겠구나 싶었습니다. 발표도 아주 잘했고 속도감도 좋았고요.
저도 로보틱스를 시작해 보고 싶어집니다.
플러터를 조사하려고 고해상도 고속 카메라를 직접 만든 작은 사이드 프로젝트가 정말 좋았어요.
알고 보니 드론의 진동은 진동 때문이었고, 처음부터 썼어야 할 로터로 바꾸니 간단히 해결됐다는 걸 알아내려고 한 거였죠. 뭐, 어쩔 수 없죠! 살면서 배우는 거니까요.
수학자들이 OpenAI 수학 논문 공개에 그렇게 화가 난 이유가 바로 그겁니다.
정말 멋지네요. 저도 모터 하나, 로터 하나짜리 드론을 만든 적이 있습니다. 석 달쯤 걸렸고, 원하지도 않았던 수준으로 드론 펌웨어를 많이 배웠습니다. 저는 못 날리지만 제 아들 하나가 이런 쪽에는 정말 천재라서 묘기까지 부리게 합니다.
이런 프로젝트는 보람이 아주 큽니다. 흥미로운 건 우리가 서로 다르게 한 부분이 많다는 점입니다. 저는 서보 네 개와 기류 속 베인을 써서 전체를 기계적으로 최대한 단순하게 만들었습니다. 그래서 이분의 방식이 제게는 더 인상적입니다(영상으로 보면 제 드론이 비행 안정성은 훨씬 좋은 것 같지만요).
첫 기체가 제대로 날기까지 시제품을 10개쯤 거쳤고, 13호기는 아주 잘 납니다.
그분 말은 액추에이터까지 다 합쳐서 모터 하나라는 뜻이었어요.
네, 서보도 모터죠. 하지만 이 영상의 드론은 제대로 조종이 안 된다는 걸 아실 겁니다. 비행 중에 여전히 불안정해요. 이륙은 하지만 몇 초 안에 뭔가에 부딪히고, 내내 요 회전을 합니다.
4축 3D 프린터(와 그 전용 알고리즘)를 만든 사람(Joshua Bird)이 같은 사람입니다. https://www.youtube.com/watch?v=VEgwnhLHy3g
정말 깔끔한 개념입니다. 특수한 힌지 설계, 자기식 엔코더, 토크 변조로 로터가 회전하는 동안 양력을 제어합니다. 기존 헬리콥터의 스와시플레이트가 아예 필요 없어집니다.
모터가 하나뿐이라서 공중에 뜨는 순간 기체가 같이 돈다는 건 꽤 큰 단점입니다. 꼬리 모터를 단 모터 두 개짜리 드론이 훨씬 실용적일 것 같습니다. 그래도 로터 힌지 설계가 기계적으로 아주 단순하다는 점은 마음에 듭니다. 복잡성을 전부 제어 알고리즘으로 몰아넣은 셈이죠.
이 개념 자체는 RC 헬리콥터에서 이미 한 적이 있다는 점을 참고하세요. 여기서 다른 건 프로펠러 하나짜리 드론에 썼다는 것뿐입니다.
https://hackaday.com/2020/06/25/building-and-flying-a-helicopter-with-a-virtual-swashplate/
https://www.youtube.com/watch?v=d80oXSCcHTk
네, 올려 주신 영상도 영상 속에서 언급합니다. (저는 올려 주신 영상을 먼저 봐서 말씀드립니다.)
탑재물이 회전하는 게 장점이 되는 특정 용도가 있을지도 모릅니다. 이미징이나 스캐닝 같은 거요(영상에서 제작자가 다음 버전에서 하려는 게 바로 그겁니다).
그다지 쓸모 있을 것 같지 않습니다. 작동 원리(모터 속도 변조) 자체 때문에 한 바퀴를 도는 중에도 회전 속도가 일정하지 않을 텐데, 그러면 프레임마다 노출 시간이 달라지고 너무 짧아질 수도 있습니다.