24.6 트라이로터(Trirotor)와 비대칭 로터 배치

1. 트라이로터의 구조

트라이로터(trirotor)는 세 개의 로터를 가진 멀티로터 비행체이다. 로터는 일반적으로 기체 중심에서 120° 간격의 삼각형 모양으로 배치된다. 트라이로터의 독특한 특성은 홀수의 로터를 가지므로, 반작용 토크를 단순한 교대 회전 방향 배치로 상쇄할 수 없다는 점이다. 이러한 비대칭성은 기체 설계와 제어에 특수한 접근을 요구한다.

2. 반작용 토크의 문제

세 개의 로터가 모두 동일 방향으로 회전하면 반작용 토크가 누적되어 기체가 요 축으로 회전한다. 반대 방향으로 회전하는 두 로터와 한 방향 로터의 조합도 반작용 토크를 완전히 상쇄하지 못한다. 따라서 트라이로터는 다음의 해결 방안 중 하나를 채택한다. 첫째, 하나 또는 그 이상의 로터를 기체 축에 대해 틸팅(tilting)하여 수직 방향 성분의 반작용 토크를 조절한다. 둘째, 테일 로터(tail rotor)와 유사한 추가 작동기로 요 축 모멘트를 제어한다. 셋째, 비대칭 로터 속도로 수평 성분을 조절한다.

3. 틸트 요 메커니즘

대표적인 트라이로터 구성은 후미 로터가 기체의 요 축을 중심으로 틸팅할 수 있는 메커니즘을 가진다. 후미 로터의 틸트 각도 \delta가 변화하면 로터 추력 벡터가 기체 평면에 대해 기울어져, 요 축 모멘트를 제공한다.

\tau_z^{\text{tilt}} = T_{\text{tail}} \ell_{\text{tail}} \sin \delta

여기서 T_{\text{tail}}은 후미 로터 추력, \ell_{\text{tail}}은 후미 로터와 기체 중심 사이의 거리이다. 이 메커니즘을 통해 트라이로터는 네 개의 제어 자유도(총 추력, 세 축 모멘트)를 실현한다.

4. 트라이로터의 장점

트라이로터는 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째, 쿼드로터 대비 로터 수가 적어 기체 중량이 감소한다. 둘째, 전자 부품 수가 적어 비용이 낮다. 셋째, 소음 원천이 적다. 넷째, 기체 전후 방향이 명확히 구분되어 전진 비행에 유리한 공력 형상이 가능하다. 이러한 특성은 소형 연구용 드론이나 특수 목적 플랫폼에 적합하다.

5. 트라이로터의 단점

트라이로터는 다음과 같은 단점을 가진다. 첫째, 틸트 메커니즘이 추가되어 기계적 복잡도가 증가한다. 둘째, 이중화 능력이 제한되어 로터 고장 시 안전 비행이 어렵다. 셋째, 제어 할당이 비선형적이어서 제어기 설계가 복잡하다. 넷째, 틸트 작동기의 반응 속도와 신뢰성이 기체 제어에 영향을 준다. 이러한 단점으로 상업적 대중화는 제한적이며, 주로 연구 또는 특수 목적에 사용된다.

6. 비대칭 로터 배치의 확장

비대칭 로터 배치는 트라이로터에 국한되지 않고 다양한 형태로 확장된다. 대표적 사례는 다음과 같다.

이 표는 비대칭 로터 배치의 대표적 유형을 요약한 것이다. 이러한 구성은 특수 임무 요구에 대응하기 위해 설계된다.

7. 제어 할당의 수학

트라이로터의 제어 할당은 일반 쿼드로터와 다른 수학적 형태를 가진다. 로터 추력 T_i와 틸트 각도 \delta를 포함한 입력 벡터에 대해 총 추력과 세 축 모멘트가 비선형 함수로 결정된다.

\begin{bmatrix} T_\Sigma \\ \tau_x \\ \tau_y \\ \tau_z \end{bmatrix} = f(T_1, T_2, T_3, \delta)

이 비선형 관계는 일반적으로 작동점 주변에서 선형화되어 제어기에 적용된다. 야코비안 행렬을 이용한 할당 방법이 표준 접근이다.

8. 공력 간섭 특성

트라이로터의 공력 간섭은 120° 간격 배치로 인해 상대적으로 적다. 세 로터의 후류는 기체 아래로 방사형으로 확산되며, 로터 간 간섭 손실이 쿼드로터와 유사한 수준이다. 그러나 후미 로터의 틸트는 비대칭 후류 분포를 유발하여, 기체 하부의 공기 유동이 복잡해진다.

9. 응용 분야

트라이로터의 응용 분야는 다음과 같다. 첫째, 경량 취미용 드론. 둘째, 연구용 비대칭 제어 플랫폼. 셋째, 공간 제약이 있는 특수 환경 운용. 넷째, 생체 모방 비행 로봇의 모델. 다섯째, 저가 교육용 드론. 상업적 규모의 응용은 제한적이지만, 특정 연구 목적에서 독특한 플랫폼으로 활용된다.

10. 로봇공학적 의의

트라이로터와 비대칭 로터 배치는 자율 비행 로봇의 설계 공간에서 다음과 같은 의미를 가진다. 첫째, 비대칭 시스템의 제어 이론적 연구에 기여한다. 둘째, 최소 작동기 구성의 가능성을 탐색한다. 셋째, 복잡한 형상 환경에서의 비행 가능성을 제공한다. 넷째, 새로운 동역학 모델링과 제어 기법의 실험 플랫폼이 된다. 이러한 비대칭 구성의 연구는 멀티로터 설계의 다양성을 확장하는 학문적 가치를 가진다.

11. 출처

• Mahony, R., Kumar, V., and Corke, P. “Multirotor Aerial Vehicles: Modeling, Estimation, and Control of Quadrotor.” IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 19, no. 3, 2012.
• Salazar-Cruz, S., Palomino, A., and Lozano, R. “Trajectory Tracking for a Three Rotor Helicopter.” 14th Mediterranean Conference on Control and Automation, 2006.
• Valavanis, K. P., and Vachtsevanos, G. J. (eds.). Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Springer, 2015.
• Leishman, J. G. Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed. Cambridge University Press, 2006.
• Ducard, G. J. J., and Hua, M.-D. “Discussion and Practical Aspects on Control Allocation for a Multi-Rotor Helicopter.” International Conference on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics, 2011.

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