F-SAM — 돌돌 말 수 있는 유연한 드론
알고 보면 날아다니는 로봇을 만드는 데 많은 장비가 필요하지는 않습니다. 날아다니는 로봇은 보통 매우 복잡하게 설계되며, 두 개의 큰 날개나 네 개의 개별 모터 같은 많은 부품을 갖추고 있습니다.
이런 기기들은 большой 예산을 가진 사람들을 위해 만들어질 수도 있지만, 합리적인 예산을 지키려는 사람에게 날아다니는 로봇을 만드는 데 실제로 필요한 것은 단 하나의 에어포일과 고정 피치 프로펠러뿐입니다. 그리고 이 에어포일을 유연하게 만들면 스위스 군용 칼처럼 통째로 접어 넣을 수도 있습니다.
이런 유형의 무인 항공기는 모노콥터라고 불리며, 그 설계는 단풍나무 씨앗에 기반을 두고 있습니다. 단풍나무 씨앗은 '날개'가 달린 하나의 씨앗 주머니입니다. 안정적으로 회전하는 능력 덕분에 씨앗이 땅으로 떨어지는 속도가 느려져 수 킬로미터까지 퍼질 수 있습니다. 이는 본질적으로 안정적인 구조로, 스스로 회전하며 깔끔하고 예측 가능하게 움직이는데, 이는 드론에게 좋은 특성입니다. 장비 중 무언가가 고장 나더라도 기본적으로 부드럽게 회전하며 착륙하게 됩니다.
싱가포르 과학기술설계대학교는 접이식 단일 구동 모노콥터를 뜻하는 F-SAM이라는 모노콥터를 만들었습니다. 하드웨어 측면에서는 그리 많은 것이 없을 수 있지만, 바로 이것이 이 기기 설계의 매력의 일부입니다. 하나의 구동장치로 방향을 완전히 제어합니다. 스로틀은 회전 속도를 높여 기기가 고도를 높이게 합니다.
모노콥터를 제어하는 것은 기기가 회전하는 동안 한 지점에서 반복적인 모터 펄스가 필요하기 때문에 복잡해 보일 수 있습니다. F-SAM은 정밀한 자율 비행 가능성을 탐구하기 위해 비디오 모션 캡처 환경에서 작동하지만, 이 환경에만 국한되지 않으며 제어를 위해 외부 장치가 필요하지 않습니다.
F-SAM의 컨트롤 패널은 맞춤 설계되었고 날개에는 가공이 필요하지만, 나머지 부품은 저렴하며 별도로 판매됩니다. F-SAM의 총 무게는 69g에 불과하며, 그중 거의 40%가 배터리이고, 이를 통해 약 16분의 비행 시간을 얻습니다.
IEEE Spectrum은 모노콥터 제작자들과 대화를 나누며 몇 가지 질문을 했습니다. 연구진은 유연한 날개 구조를 위해 다양한 소재와 소재 조합을 연구했습니다. 편집자는 발사나무와 플라스틱의 혼합을 선택한 이유를 물었습니다.
“모노콥터의 날개 구조는 비행 중 조종이 가능하도록 강성이 필요합니다. 모노콥터는 우리가 테스트한 유연한 플라스틱이나 유연한 폴리머 같은 더 유연한 소재로도 날 수 있지만, 이들은 비행 중 날개가 자유롭게 회전하도록 하여 모터의 순환 제어 효율을 떨어뜨립니다. 플라스틱으로 적층한 발사나무는 효과적인 제어에 충분한 강성을 제공하면서도 접을 수 있게 해 줍니다”
연구진에 따르면 F-SAM은 야외에서도 비행할 수 있습니다. 본질적으로 수동적으로 안정적이어서 비행에 피드백 제어가 필요하지 않습니다. 모션 캡처 환경은 스테이션과 실내 경유지 비행을 위한 절대 위치를 제공합니다. 야외 비행 시에는 전자 나침반이 주 순환 제어를 위한 상대 방향을 제공합니다. 연구팀은 야외 자율 비행을 위해 내장 GPS를 갖춘 프로토타입을 개발하고 있습니다.
“카메라를 추가할 수도 있지만(이전에 해본 적이 있습니다), 회전하는 특성 때문에 이미지가 흐릿하게 나올 수 있습니다. 360도 시야의 카메라는 점점 더 가볍고 작아지고 있어, F-SAM이나 우리가 보유한 다른 모노콥터에 하나를 장착해 볼 수도 있습니다. 다른 가능한 센서로는 LiDAR 센서나 ToF 센서가 있습니다. LiDAR의 경우 플랫폼이 이미 알려진 속도로 회전하고 있다는 장점이 있습니다. 일반적인 LiDAR 시스템은 회전 운동을 만들기 위해 별도의 구동장치가 필요합니다. 회전하는 플랫폼인 F-SAM은 이미 자연스러운 회전 역학을 갖추고 있어, LiDAR 통합을 쉽고 더 효율적으로 만듭니다”
현재 F-SAM은 접어서 컴팩트한 형태로 만들어 용기 안에 보관할 수 있습니다. 그럼에도 사람이 펼쳐서 수동으로 발사하거나 바닥에 놓아 이륙시켜야 합니다. 앞으로 연구진은 F-SAM을 접힌 상태에서 공중으로 발사하는 장치(예: 압축 가스)가 있는 용기에 넣어, 사용된 탄성 소재 덕분에 즉시 펼쳐지기 시작할 수 있도록 하는 방안을 고려하고 있습니다. 모터는 회전을 시작하여 원심력에 의해 날개가 펴지도록 할 수 있습니다.
과학자들은 F-SAM이 좋은 장난감이 될 수는 있지만, 일반 항공 사진이나 영상 촬영이 목적이라면 쿼드콥터의 좋은 대안은 되지 못한다고 봅니다. 그럼에도 GPS 유도 일회성 정찰 임무에서는 좋은 경쟁자가 될 수 있습니다. 비행에 구동 장치가 하나만 사용되기 때문에 비교적 저렴하게 만들 수 있습니다.
또한 비행 중 매우 조용하고, 착륙 후에는 쉽게 위장됩니다. 플랫폼에는 기후 모니터링 등 다양한 작업을 위한 경량 센서를 통합할 수 있습니다. 여러 대의 F-SAM을 공중에서 투하할 수 있는데, 하강 시 자동으로 회전하고 특정 시간에는 비행하여 공중에서 기상 데이터를 더 폭넓게 수집할 수 있기 때문입니다.
“저희는 '적은 비용으로 더 많은 일을 한다'는 주제를 중심으로 한 여러 흥미로운 프로젝트를 진행하고 있습니다. 즉, 가능한 한 적은 수의 구동 장치를 사용하면서 여러 작업과 비행 모드를 수행하는 것이 목표입니다. 제어된 비행을 위해 구동 장치 하나만 사용하는 F-SAM처럼, 저희는 완전 자동회전 버전인 Samara Autorotating Wing(SAW)이라는 또 다른 프로젝트를 진행하고 있습니다”
그에 따르면 이 플랫폼은 구동 장치 하나만으로 두 가지 비행 모드에서 작동할 수 있습니다. 외딴 지역에 일회용 센서를 배치하는 데 이상적입니다. 예를 들어 산림 모니터링 센서나 산불 경보 시스템을 배치하는 데 활용할 수 있습니다.
센서는 나무 꼭대기에 착지할 수 있으며, 착지 후에는 날개가 햇빛을 모을 수 있는 면적을 제공해 수년간 지속적으로 작동할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 활용 사례는 자동회전 플랫폼을 이용해 상승을 마친 라디오존데를 수거 지점으로 되돌려 보내는 것입니다.
연구원은 현재 전 세계 기상 관측소에서 많은 라디오존데가 수소 기구와 함께 발사되고 있다고 설명했습니다(호주에서만 연간 2만 개 이상). 기구가 높은 고도에 도달해 터지면 센서는 지면으로 떨어집니다. 이를 수거 지점으로 되돌려 보내면 매년 수백만 달러를 절약할 수 있으며, 오염을 줄여 환경 보호에도 도움이 됩니다.
