January 17, 2025 wisdomagorauae 이석현 3 min read

[위즈덤 TECH]항공 산업의 현재이자 미래: 드론의 원리

엄청난 존재감의 날아다니는 작은 항공기인 드론의 원리는 무엇일까?

[위즈덤 아고라 / 이석현 기자] 4차 산업혁명과 항공 산업의 중심이라고 할 수 있고 무인 항공기라고도 불리는 드론은 급격한 발전을 이루고 있다. 군사용 무기에서 건설, 농업에서의 정밀한 농작물 관리, 물류 산업에서의 신속한 배송, 심지어 재난 구조 활동과 촬영까지, 드론은 기존의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 도구이자 기계로 자리 잡았다. 이 작은 항공기의 원리는 무엇일까?

드론이 땅에서 이륙하기 위한 힘은 반작용력으로부터 얻는다. 반작용력이란 뉴턴의 제3 법칙을 통해 설명할 수 있는데 뉴턴의 제3 법칙이란 한 물체 A가 다른 물체 B에게 작용하고 있는 힘이 있는 경우, 그 다른 물체 B도 물체 A에 같은 크기의 힘을 반대 방향으로 가한다는 법칙이다. 즉, 반작용력이란 항상 존재하는 같은 크기의 반대 방향의 힘이다. 이 법칙은 드론이 이륙할 때 사용된다. 드론의 엔진이 돌기 시작하면 프로펠러가 돌아가면서 공기를 아래로 밀어낸다. 이때 프로펠러가 공기를 밀어내면 공기도 반작용력 법치에 의해 프로펠러를 밀어낸다. 공기를 밀어내기 위해 프로펠러의 단면은 선풍기의 단면처럼 경사졌다. 그러면서 공기가 드론을 위로 밀면서 드론은 공중으로 뜰 수 있다. 이는 작은 드론에 흔히 사용되는 이륙 방법이다. 반면 더 큰 드론들은 비행기처럼 양력을 사용해서 이륙한다. 이는 기체가 무거우면 반작용력으로는 날기 어렵기 때문이다.

이후 드론이 이륙하면 방향을 조정해야 한다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 4개의 프로펠러를 가지고 있는 쿼드콥터는 회전방향이 정해져 있다. 전방좌측과 후방우측 프로펠러는 시계방향으로 돌고 전방우측과 후방좌측 프로펠러는 반시계방향으로 회전한다. 즉 서로 대각선 방향에 있는 프로펠러들이 같은 방향으로 회전을 한다. 이러한 이유는 만약 드론의 모든 프로펠러가 같은 시계방향으로 회전하면 드론의 기체는 반작용력 법칙에 의해서 반시계방향에 회전력(torque)을 받으며 결과적으로 반시계방향으로 돌게 될 것이다. 이런 상황을 막기 위해서 쿼드콥터는 서로 반대방향으로 도는 각각 2개의 프로펠러가 있고 바로 옆에 붙어 있는 프로펠러와 같은 방향으로 회전하지 않는다.

가장 일반적인 드론 쿼드콥터는 4개의 조종원리가 있다. 각 프로펠러당 1개의 모터가 있으므로 4개의 모터가 있고 헤드 방향이 정해져 있다. 먼저 피치(pitch) 조종 원리는 헤드 방향 기준으로 앞쪽 2개의 모터와 뒤쪽 2개의 모터가 속도를 다르게 하여 전진과 후진을 하는 원리다. 전진을 할 때는 뒤쪽 2개의 프로펠러가 빠르게 돌아가면서 모터가 큰 힘을 내고 앞쪽 2개의 프로펠러가 느리게 회전하면서 모터가 작은 힘을 낸다. 이로서 드론은 앞으로 기울면서 전진을 하게 된다. 반면 후진을 할 때는 전진을 할 때와 반대로 앞쪽 모터가 큰 힘을 내고 뒤쪽 모터가 작은 힘을 낸다. 그러므로 헤드 반대 방향으로 기울여 드론은 후진을 한다. 이러한 피치 조종과 비슷한 롤(roll) 조종이 있다. 롤 조종은 전진 후진이 아니라 우측이동과 좌측이동을 할 때 사용된다. 우측이동을 할 때는 헤드방향의 좌측에 있는 모터 2개가 큰 힘을 내고 우측에 위치한 모터 2개가 작은 힘을 내서 우측으로 기울면서 우측으로 이동을 한다. 반대로 좌측이동을 할 때 헤드방향의 우측에 있는 모터들이 큰 힘을 내고 좌측에 있는 모터들이 작은 힘을 내면서 좌측으로 기울면서 좌측이동을 하게 된다. 피치 조종과 롤 조종 때문에 쿼드콥터는 어떠한 이동을 할 때 기울어져서 움직인다.

쿼드콥터의 회전과 고도 조정을 할 때는 요우(yaw) 조종과 스로틀(throttle) 조종을 한다. 요우 조종은 드론이 회전을 할 때 사용되는 조종이고 대각선에 위치한 모터의 속도를 조절하여 이루어지는 조종이다. 우측으로 회전할 때 반시계방향으로 돌아가는 프로펠러의 속도를 높이고 시계방향으로 회전하는 프로펠러의 속도를 낮추므로 반작용력 법칙에 의해 드론의 기체는 시계방향에 회전력을 얻고 우측방향으로 회전하게 된다. 좌측회전을 하려면 우측회전의 반대를 하면 된다. 즉, 반시계방향으로 돌아가는 프로펠러의 속도를 줄이고 반시계방향으로 회전하는 프로펠러의 속도를 높여서 기체는 시계방향에 회전력을 받으며 우측방향으로 회전하게 된다. 스로틀 조종은 상승과 하강할 때 사용된다. 상승할 때는 모든 프로펠러를 빠르게 회전시켜서 반작용력과 양력을 높이면서 드론을 더 높게 뜨게 만든다. 반면 하강할 때는 모든 프로펠러를 느리게 회전시켜 반작용력과 양력을 중력의 힘보다 적게 줄이면서 드론을 하강시킨다.

드론의 위치 파악은 드론이 제대로 작동하기 위한 핵심적인 기술이다. 그리고 위치 파악을 위해서 GPS는 필수다. GPS란 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법시스템이다. 이 시스템은 3개 이상의 인공위성으로부터 수신되는 전파를 분석해 세계 어디서나 자신의 현재 위치를 정확히 파악한다. GPS가 드론에 내장된 내비게이션에 미리 비행 코스를 지정해 두면 저절로 해당 경로를 날아간다. GPS는 위도와 경도뿐만 아니라 고도까지 측정 가능하므로 비행 코스를 미리 설정해 두면 굳이 복잡한 조종이 없어도 드론이 특정 위치까지 비행하고 되돌아오는 것을 가능하게 만든다. 다만 이착륙 시 고도 제어가 매우 중요하므로 GPS는 물론 기압계, 고도계 등 이착륙에 쓰이는 초음파 센서가 꼭 필요하다. 드론에 탑재 돼 있는 초음파 센서와 적외선 센서는 주변 물체와 부딪히지 않기 위해 쓰인다. 하지만 정확성을 더 높이려면 카메라가 필요하다. 그 카메라는 촬영되고 있는 전방 이미지를 인식하여 드론이 특정 물체를 피해 날거나 앞서 비행하는 드론을 추적할 수 있게 만든다.

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