안녕하세요, 쿼드(QUAD) 드론연구소의 이근찬 선임연구원입니다.

지난 편에서는 911 FALCON 드론의 제어·통신부(Control & Communication System) 설계와 자재 선정 과정을 정리해 보았습니다. 비행제어를 담당하는 Flight Controller와 Companion Computer, 그리고 GPS, 조종 링크, 영상 송신 시스템, 텔레메트리 통신 장치까지 각각 어떤 기준으로 자재를 선정했는지 정리하고, 마지막으로 전체 제어·통신 구조도 함께 살펴보았습니다.

이번 편에서는 그 다음 단계로, 선정한 자재들을 실제 기체 구조 안에 어떻게 통합할 것인지에 대한 프레임 설계와 주요 부품 배치를 다루겠습니다.

이번 글에서는 HTX415 프레임을 기준으로 데이터시트와 실측을 바탕으로 진행한 역설계 과정과 프레임의 특징을 살펴본 후. 이를 기반으로 주요부품(Power Module, PDB, FC, Jetson Nano, Battery, ESC)을 어떤 기준으로 배치했는지 정리해 보겠습니다. 또한 마지막으로 프레임을 중심으로 각 주요부품의 전체적인 구조 배치 방향도 함께 정리해 보겠습니다.

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1. 프레임 설계

1-1) 기준 프레임 선정 및 설계 접근

제품 :
HTX415 4-Axis 15-Inch Frame

911 FALCON의 기체 프레임은 HTX415 4-Axis 15-Inch Frame을 기준으로 설계했습니다. 이번 단계에서는 프레임의 선정 배경이나 규격을 다시 설명하기보다는, 이미 선정된 프레임을 실제 제작과 주요 부품 배치 설계에 활용하기 위한 구조 정리에 초점을 두었습니다.

이를 위해 프레임 형상을 CAD 상에서 기준 모델로 정리하고, 이후 주요 부품의 장착 가능 여부와 배치 방향, 부품 간 간섭 여부를 검토할 수 있는 설계 기반을 마련하는 방향으로 접근했습니다. 따라서 이번 프레임 설계 단계는 단순한 외형 모델링이 아니라, 실제 조립과 내부 구조 통합을 위한 사전 설계 과정으로 진행했습니다.

1-2) 데이터시트와 실측 기반 역설계

HTX415 프레임은 시판 제품이지만, 주요 부품 배치와 내부 구조 검토에 바로 활용할 수 있는 형태의 공식 CAD 설계파일은 확보하기 어려웠습니다. 따라서 본 프로젝트에서는 제품 데이터시트에 제시된 기본 치수 정보를 참고하고, 실제 프레임의 주요 부위를 직접 측정하여 부족한 치수 정보를 보완하는 방식으로 역설계를 진행했습니다.

역설계 과정에서는 상·하부 플레이트 형상, 적층 간격, 암 결합부 구조, 장착홀 위치, 내부 유효 공간 등을 중심으로 프레임 구조를 정리했습니다. 이 과정의 목적은 프레임을 정밀 제작도면 수준으로 완전히 복원하는 데 있는 것이 아니라, 주요 부품의 장착 가능 여부와 배치 방향을 검토할 수 있는 기준 모델을 확보하는 데 있습니다.

또한 데이터시트와 실측값을 병행하여 정리한 기준 모델은 이후 단계에서 배선 경로 설계, 조립 가능성 확인, 부품 간 간섭 검토를 수행하는 데 활용할 수 있도록 구성했습니다. 이를 통해 실제 제작 이전에 기체 내부 구조를 보다 체계적으로 검토할 수 있는 기반을 마련했습니다.

1-3) 프레임의 구조적 특징

역설계를 통해 프레임의 기본 형상을 정리한 뒤, HTX415의 실제 구조가 어떤 방식으로 이루어져 있는지도 함께 확인했습니다.

해당 프레임은 카본 상판과 하판으로 구성되어 있으며, 두 개의 플레이트 사이에는 앞뒤로 배치된 4개의 스탠드오프(standoff)가 결합되어 내부 공간을 형성합니다. 이러한 구조를 통해 기체 중심부에 일정한 적층 공간을 확보할 수 있으며, 내부 전장 부품을 탑재할 수 있는 기본적인 구조가 마련됩니다.

또한 각 대각선 방향에는 암대를 결착하기 위한 알루미늄 인서트(aluminum insert)가 배치되어 있으며, 이 인서트는 상판과 하판 사이에서 함께 볼팅되는 구조를 가집니다. 즉, 상·하판과 암 결합부가 분리된 형태가 아니라 하나의 결합 구조로 묶이도록 설계되어 있어, 프레임 전체의 강성과 조립 구조를 동시에 형성하는 역할을 합니다.

프레임의 암대는 카본 파이프(carbon pipe) 형태로 구성되어 있으며, 파이프 중앙에는 인서트 홀(insert hole)이 가공되어 있습니다. 이 인서트 홀은 알루미늄 인서트의 중심과 정렬되도록 설계되어 있으며, 볼팅을 통해 암대가 프레임 본체에 고정되는 구조입니다. 이를 통해 암대는 프레임 중앙 구조와 일체감 있게 결합되며, 각 축 방향으로 안정적인 지지 구조를 형성합니다.

또한 카본 파이프의 끝단에는 모터 인서트와 플레이트를 체결하기 위한 인서트 홀이 별도로 가공되어 있습니다. 이 홀 위치에 맞추어 모터 마운트를 볼팅하여 고정하는 방식으로 모터를 장착할 수 있으며, 결과적으로 프레임 중앙 구조, 암대, 모터 마운트가 순차적으로 연결되는 형태를 갖습니다.

이와 같이 HTX415 프레임은 상·하판, 스탠드오프, 알루미늄 인서트, 카본 파이프 암대, 모터 마운트 결합부로 구조가 구성되어 있으며, 각 부품이 볼팅 방식으로 연결되는 조립형 프레임 구조를 가지고 있습니다. 이를 바탕으로 이번 단계에서는 프레임의 구조적 특징을 반영하여 전체 형상을 정리했습니다.

2. 주요 부품 배치

프레임의 전체 형상을 정리한 이후에는, 이를 바탕으로 주요 부품을 어떤 기준으로 배치할지 검토했습니다. 이번 배치 설계에서는 Power Module, PDB, FC, Jetson Nano, Battery, ESC를 대상으로 하였으며, 각 부품별로 필요한 조건과 기체 내 배치 위치, 그리고 해당 위치를 선택한 이유를 순차적으로 정리했습니다.

주요 부품 배치는 단순히 빈 공간에 맞추어 장착하는 방식이 아니라, 각 장치의 기능과 역할에 따라 전원 흐름, 무게중심, 배선 길이, 발열, 진동, 유지보수성을 함께 고려하는 방향으로 진행했습니다.

2-1) Power Module

제품 :
Holybro PM02D Power Module

요구사항

Power Module은 배터리로부터 입력되는 전원을 FC와 전원계통에 안정적으로 전달하면서, 전압과 전류 정보를 함께 계측할 수 있어야 합니다. 따라서 배터리와 PDB 사이의 전원 경로 상에 위치하는 것이 중요하며, 고전류가 흐르는 구간의 배선 길이도 가능한 한 짧게 유지할 필요가 있습니다.

배치

Power Module은 기체 중앙부의 전원 입력 경로 상에 배치했습니다.

배치 이유

기체 중앙부에 배치하면 배터리에서 들어오는 전력을 가장 먼저 안정적으로 계측할 수 있으며, 이후 PDB와 FC로 이어지는 전원 흐름을 비교적 단순하게 구성할 수 있습니다. 또한 배터리와 PDB 사이의 연결 거리를 줄일 수 있어 전원계통 배선 정리와 유지보수 측면에서도 유리합니다.

2-2) PDB

제품 :
HolyBro 300A Power Distribution Module

요구사항

PDB는 배터리에서 공급되는 전력을 각 ESC와 주요 장치에 분배하는 역할을 수행합니다. 특히 해당 PDB는 4개의 XT90 핀을 통해 각 모터의 메인 전원과 연결되어야 하므로, 카본 파이프 방향에서 들어오는 모터 전원선과 가까운 위치에 배치될 필요가 있습니다. 또한 전체 전원 배선이 지나치게 길어지지 않도록 기체 중심부에 가까운 배치가 요구됩니다.

배치

PDB는 프레임 상판과 하판 사이 중앙부에 배치했습니다.

배치 이유

PDB를 프레임 중앙부에 배치하면 Power Module과 가깝게 구성할 수 있어 전원 입력 경로를 단순하게 정리할 수 있으며, 카본 파이프에서 나오는 각 모터의 전원선에도 쉽게 접근할 수 있습니다. 또한 중앙에 위치함으로써 XT30 단자를 통해 기타 장치에 전원을 공급하기 위한 배선 구성에도 유리한 위치라고 판단했습니다.

다만 해당 프레임에는 PDB를 직접 고정하기에 적절한 마운트 홀이 마련되어 있지 않아, 실제 장착을 위해서는 전용 마운트를 별도로 제작하여 적용할 예정입니다.

2-3) FC

제품 :
Holybro Pixhawk 6X

요구사항

FC는 기체 자세 제어를 담당하는 핵심 장치이기 때문에, 기체의 무게중심과 가까운 위치에 배치되어야 하며 외부 진동의 영향을 최소화할 수 있어야 합니다. 또한 전원계통과 통신장치, 연산장치와의 연결까지 고려했을 때 접근성과 배선 정리 측면도 함께 검토할 필요가 있습니다.

배치

FC는 드론의 상판 중앙에 배치했습니다.

배치 이유

드론의 상판 중앙은 기체 중심축과 가까워 IMU 기반 자세 추정과 제어 안정성 확보에 유리한 위치입니다. 또한 전원계통과 통신장치, Companion Computer와의 연결 경로를 비교적 효율적으로 정리할 수 있어 전체적인 제어계통 구성에도 적합하다고 판단했습니다.

다만 프레임 상판에는 FC를 바로 장착하기에 적절한 마운트 홀이 마련되어 있지 않아, 실제 장착 단계에서는 전용 마운트를 별도로 제작하여 설치할 예정입니다.

2-4) Jetson Nano

제품 :
NVIDIA Jetson Orin Nano

요구사항

Jetson Nano는 비전 처리와 연산을 수행하는 장치이기 때문에, FC와의 통신 연결이 가능해야 하며 카메라 및 주변 장치와의 인터페이스 구성도 고려해야 합니다. 또한 연산장치 특성상 발열 해소를 위한 공간과 접근성도 함께 확보되어야 합니다.

배치

Jetson Nano는 FC 인근의 상부 적층 공간에 배치했습니다.

배치 이유

상부 적층 공간에 배치하면 FC와의 통신 연결이 쉬우며, 카메라 및 기타 확장 장치와의 인터페이스 구성에도 유리합니다. 또한 중앙부 내부에 비해 상대적으로 공간 활용과 접근성이 좋아 유지보수에 유리하며, 발열이 발생하는 연산장치를 별도 적층 공간에 분리하여 배치할 수 있다는 점에서도 적절한 위치라고 판단했습니다.

다만 프레임 구조상 Jetson Nano를 직접 고정할 수 있는 적절한 마운트 홀이 마련되어 있지 않아, 실제 장착을 위해서는 전용 마운트를 별도로 제작하여 적용할 예정입니다.

2-5) Battery

제품 :
DXF 22.2V(6S) 16000mAh 25C

요구사항

배터리는 기체에서 가장 무거운 부품 중 하나이기 때문에, 기체의 무게중심에 최대한 가깝게 배치되어야 합니다. 또한 본 프로젝트에서는 향후 자동 배터리 교체 구조를 적용할 예정이므로, 단순한 고정 방식이 아니라 배터리의 삽입과 분리가 가능한 구조를 함께 고려할 필요가 있습니다.

배치

Battery는 하판 아래 중심부에 배치했습니다.

배치 이유

배터리를 하판 아래 중심부에 배치하면 기체 중심축과 가깝게 위치시킬 수 있어 무게중심을 안정적으로 확보하는 데 유리합니다. 또한 해당 위치에는 추후 자동교체를 위한 배터리 하우징이 하방에 장착될 예정이며, 이 하우징을 통해 슬라이더 방식으로 배터리를 결착하는 구조를 적용할 계획입니다.

따라서 하판 아래 중심부 배치는 기체의 무게중심 확보뿐 아니라, 향후 자동 배터리 교체 시스템과 연동되는 구조를 고려한 배치 방향이라고 할 수 있습니다.

2-6) ESC

제품 :
XRotor PRO 60A ESC

요구사항

ESC는 각 모터와 연결되어 고전류를 처리하는 장치이기 때문에, 모터와 가까운 위치에 배치되어야 하며 발열 해소가 가능한 구조를 가져야 합니다. 또한 중앙부 내부 공간을 과도하게 점유하지 않도록 배치하는 것도 중요합니다.

배치

ESC는 각 모터 마운트 하방에 배치했습니다.

배치 이유

ESC를 각 모터 마운트 하방에 배치하면 모터까지의 배선 길이를 줄일 수 있어 전원선 구성을 보다 단순하게 정리할 수 있습니다. 또한 발열이 중앙부에 집중되는 것을 방지할 수 있어 열 분산 측면에서도 유리하며, 중앙부 공간을 FC, PDB, Battery와 같은 핵심 부품에 우선적으로 활용할 수 있습니다.

다만 프레임 구조상 ESC를 직접 고정하기에 적절한 마운트 홀이 마련되어 있지 않아, 실제 장착을 위해서는 별도의 전용 마운트를 제작하여 적용할 예정입니다.

주요 부품 배치 구조 요약

주요부품의 배치 구조를 정리한 것입니다.

911 FALCON 드론은 HTX415 프레임을 기준으로 Power Module, PDB, Pixhawk 6X, Jetson Orin Nano, 배터리, ESC를 각 부품의 역할과 요구사항에 맞는 적절한 위치에 배치했습니다.

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이번 글에서는 911 FALCON 드론의 기체 프레임을 기준으로 프레임 형상 정리와 주요 부품 배치 방향을 검토해 보았습니다. 데이터시트와 실측을 바탕으로 HTX415 프레임을 역설계했으며, 이를 기준으로 Power Module, PDB, Pixhawk 6X, NVIDIA Jetson Orin Nano, 배터리, ESC를 각 부품의 역할과 요구사항에 맞는 위치에 배치했습니다.

다음 편에서는 이번에 정리한 주요 부품 배치를 바탕으로, PDB, Pixhawk 6X, NVIDIA Jetson Orin Nano, ESC와 같이 별도의 장착 구조가 필요한 부품들을 중심으로 전용 마운트 설계 과정을 다루겠습니다. 각 부품을 어떤 방식으로 고정할 것인지, 프레임 구조와 어떻게 결합할 것인지, 그리고 실제 조립을 위해 어떤 형상과 기준을 반영했는지를 중심으로 정리해 보겠습니다. 감사합니다.