Pixhawk 쿼드콥터의 비행중 배터리 전압 하강 문제

드론/쿼드콥터 2016.03.30 16:59 Posted by 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이

제가 조립한 드론은 DJI Flamewheel F450 프레임에 Pixhawk 비행콘트롤러, Quattro 4 in 1 ESC, DJI 2212 /920KV 모터를 달았습니다. 그리고 다리와 캐논 카메라를 부착했고요. 총무게는 1.8 kg 정도입니다.


겨울동안은 날리지 못하고 있다가 지난 주 처음으로 시범비행을 했고요, 엊그제는 정식으로 촬영을 나갔습니다.


그런데 배터리와 관련하여 이상한 점이 발견되었습니다. 처음 장착을 하면 4.2V * 4 = 16.8 볼트 정도가 되는데, 일단 시동을 걸면 전압이 뚝뚝 떨어지고... 날기 시작하면 15.4 볼트 정도가 되고... 얼마 날리지 않아 Battery Failsafe 한계로 설정한 3.7V * 4 = 14.8V 이하로 떨어진다는 겁니다. 그로 인해 약 2분 30초 정도뿐이 날리지 못했는데도 저전압 경고가 발생하여 시동지점으로 돌아옵니다.


그런데... 다시 사무실에 돌아와 체크를 해보면 15.5 볼트정도 남았다고 나옵니다. 배터리 잔량은 56%라고 나오고요. 


그래서 여기저기 알아봤습니다. 원래 시동을 걸면(즉, 전기를 뽑아쓰기 시작하면) 전압이 떨어지는 게 당연하다고 합니다. 페이스북그룹에서도 그렇다는 분이 계셨는데, DIYDrones.org 에도 저와 거의 비슷한 현상을 호소하시는 분이 계시더군요.


일단... 번역을 해보면 다음과 같습니다.


문의내용 : 4S 10000mAh 배터리 (10C), 3DR 파워모듈, U3 700kv 모터, 40A AIR ESC를 탑재한 옥타콥터를 조립했음. 이 배터리는 최대 100A(10C * 10Ah 이므로) 정도 연속적으로 뽑아낼 수 있음. U3 모터 8개는 최대 160A 까지 뽑아쓸 수 있음. 3DR 파워모듈의 한계인 60A 를 초과하지 않도록 사용할 계획.


완충(16V) 한 상태에서 13.8 볼트까지 너무나 빨리 떨어져서 battery FS가 발동됨. 그런데 Mission Planner에서는 배터리가 95% 남았다고 나옴. 시동해제하고 전압을 재어보면 거의 15.8볼트. 


그래서 Battery FS를 아주 낮은 값 6.0V 로 설정하고, current 를 3000(30%)가 되면 배터리 FS가 발동되도록 함. 


며칠간 잘 날림. 실재 전류는 대부분 20-30A 였음. 추락사고 발생. 그때 MP에서 전압은 8.0V 였음. (배터리 FS가 발동되지 않았음). 그때 배터리 실재 전압을 측정해봤더니 13.3 (셀당 3.325) 였음. 다행히 추락당시 고도가 10미터 쯤으로 심각한 파괴는 없었음.


--- 이 다음부터 문의하는 내용인데 무슨 내용인지 정확히 파악이 안되어 생략함


아래는 이에 대한 답입니다.


모든 LiPo 배터리는 하중이 실리면 전압이 떨어진다. 떨어지는 정도는 소모 전류와 해당 배터리의 내부저항에 따라 달라진다.


C 가 낮은 배터리는 내부저항이 높으므로, 이 사례에서의 전압강하 그리고 하중을 제거했을 때 전압이 회복되는 것은 특별히 놀랄만 하지 않다.


이러한 문제를 감소시키는 방안으로는...

a) 센서 캘리브레이션
    http://ardupilot.org/copter/docs/common-power-module-configuration-in-mission-planner.html
b) 60A 에서 호버링 하고 있다면, 조종시 하중뿐 아니라, 그보다 높은 과도전류가 흐를 수 있다. 따라서 파워모듈의 과열이 이러한 문제를 악화시킬 수도 있다. 로그 파일을 보면 소비전력을 파악할 수 있다. 만약에 내가 당신이라면 더 높은 등급의 파워모듈 및 C가 높은 배터리를 구입하겠다.


페이스북 Hoi Jin Kim 님이 알려준 링크에도 비슷한 이야기가 쓰여져 있습니다. 이 글에는 오래된 배터리가 전압강하가 심하다는 이야기도 있네요. 배터리가 오래되면 내부 반응에 의해 저항이 높아지니까 이런 말도 틀린 게 아니겠죠.


이런 글들이 시동을 걸면 전압이 떨어지는 게 자연스런 현상이라는 걸 파악하는 데는 도움이 되었지만, 제 문제와는 직접적인 관련이 없는 내용입니다. 10C 짜리 배터리를 사용했다는 점, 3DR 파워모듈로는 감당이 안되는 옥타콥터에 사용했다는 게 주요 문제로 보입니다.


그런데 저의 경우에는 무게도 얼마 되지 않고(1.8kg 정도), ESC는 20A 짜리이기 때문입니다. 25C 배터리는 100A 까지 지속적으로 뽑아낼 수 있으므로(4000mA *25) 이 문제와는 완전히 상관이 없습니다.

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하지만 이 질문답변을 보고 로그파일에 전압과 전류를 살펴봐야겠다고 생각이 들었습니다. 그래서 즉시 로그파일을 뒤졌습니다. 두번을 날렸는데 아래는 첫번째 로그중 전압(Volt)관련 그래프입니다. (CURR->Curr 에 있습니다.)



우선 맨 윗 선을 보면 배터리가 16.6 볼트 정도에서 시작한다는 걸 알 수 있습니다. 4.2*4=16.8이니 얼추 비슷합니다. 그런데 시동을 걸면 15.8 정도로 떨어지고, 날리기 시작하면 15.5 볼트 정도로 떨어집니다. 15.5 볼트는 셀당 전압으로는 3.9 정도가 됩니다. 


그 이후에는 천천히 내려옵니다. 약 3분쯤에 Battery Failsafe가 발동되었을 때는 14.5볼트(셀당 약 3.6볼트) 정도입니다. 제가 배터리 FS를 14.8볼트(셀당 3.7V)에 설정했으니 정확하게 발동된 셈입니다. 그리고 나서 RTL, Land 로 Home 위치로 착륙합니다.


착륙한 뒤에는 전압이 다시 15.2 정도로 올라가는 게 보입니다. 하중이 사라지면서 전압이 회복되는 것이죠.


결론적으로... 뭐가 잘못된 게 아니라 정상적으로 작동한 것입니다. 다만, 하중이 걸리면 전압이 떨어진다고 해도 실질적으로 파워는 남아 있습니다. 돌아와서 측정한 사진(아래)을 보시면 배터리가 56%나 남아 있다고 되어 있습니다. 즉, 아직 한참 더 날릴 수 있었는데 경고가 발생했다는 것입니다.



이때 쯤 생각이 난 것이... 이전 비행에서는 배터리 경고를 14.0으로 해서 나갔었는데, 이번엔 14.8로 설정해서 나갔다는 것이었습니다. 그래서 이전 비행 로그를 비교해 봤습니다.



이 비행은 총 11분 쯤에 배터리 경고가 떴습니다. 그때 전압은 14.0 보다 약간 낮은 정도였고요. 14.0으로 설정을 해도 충분히 비행이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 이 그래프에서도 착륙후 전압이 회복되는 걸 볼 수 있는데, 14.5 정도 수준이었습니다. 한 20% 정도 남아 있는 수준입니다. 


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이제 이상이 없다는 건 파악했으니, 내일 다시한번 촬영을 나갑니다. 이번엔 성공해서 좋은 그림을 보여드리겠습니다. ㅎㅎ


민, 푸른하늘

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