KR100453114B1 - 비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치에 관한 것으로, 팬 또는 프로펠러(11)를 직접 구동시키도록 된 엔진(10)은 회전축(23)을 매개로 위치제어장치(20)에 연결되어 있되, 이 위치제어장치(20)는 곤돌라(3)의 내부에 설치되는 프레임과(29)과, 이 프레임(29)에 장착된 신호변환 제어기(30), 이 신호변환 제어기(30)에 전기적으로 연결되고서 구동풀리(22)를 갖춘 모터(21), 곤돌라(3)를 관통하도록 장착되고서 전동풀리(24)를 갖추며 엔진(10)을 회전시키도록 된 회전축(23), 상기 모터(21)의 구동풀리(22)와 회전축(23)상의 전동풀리(24) 사이에 연결되어 모터(21)의 회전에 따라 회전축(23)을 회전시키도록 된 벨트(25) 및, 상기 회전축(23)의 중간에 설치된 센서부(26)를 구비하여, 비행선(1)의 엔진 기울기를 360도까지 조정할 수 있게 됨으로써, 비행선의 자세를 보다 정밀하게 제어할 수 있어 떨림이 적고 시공간의 제약을 적게 받는 항공영상촬영 등이 가능하게 되며, 궁극적으로 비행선의 응용범위를 보다 광범위한 분야로 확장시킬 수 있게 된다.

Description

비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치 {Method and device for position control of airship}

본 발명은 고정될 수 없는 창공에서 비행선의 위치를 정밀하게 제어하는 방법과 이를 위해 장착된 제어장치에 관한 것으로, 특히 비행선의 추진방향 또는 추진위치를 제어함으로써 비행선의 자세를 제어할 수 있어, 비행선의 전진은 물론, 정지와 후진 및 수직이·착륙이 가능하고, 이에 따라 미세한 항공영상촬영 등이 가능하게 되어 궁극적으로 비행선의 응용범위를 보다 광범위한 분야로 확장시킬 수 있는 비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 하늘을 날으는 비행선은 기낭에 공기보가 가벼운 예컨대 헬륨과 같은 기체를 주입하여 체공성을 가지게 하고 엔진과 이 엔진에 의해 구동되는 팬 또는 프로펠러를 장착하여 추진력을 갖도록 한 비행체이다. 이 비행선은 공중에서 아무런 동력 없이 평형상태를 유지할 수가 있어서, 어느 항공기보다도 안정적이고 소음도 적으며 연료소모율이 낮다. 이와 같이, 비행선은 공중에서의 안정성과 체공성 및 경제성에 있어서 다른 항공기보다 우수한 특성을 갖고 있어서, 최근에는 첨단 신소재의 개발과 새로운 헬륨가스의 개발로 이러한 안전성과 경제성을 인정받아 광고와, 스포츠중계, 여행 및 운송산업, 연구 및 관측분야 등에서 아주 폭넓게 활용되고 있다.

한 예로, 비행선의 기낭에 문안을 장식한 채로 유유자적하게 하늘을 날면서 고객을 찾아다니며 광고를 할 수 있다는 장점 때문에, 광고용 비행선은 "꿈의 광고효과"로 불리우고 있다. 또한, 최근에는 범 국가적으로 무선통신 시스템의 구현을 위한 성층권 비행체 시스템(HAPS)을 위해 인공위성 대용으로 비행선이 개발되고 있는 실정이다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 비행선은 엔진에 의해 구동되는 팬 또는 프로펠러가 크랭크축과 같은 선회축에 연결되어 곤돌라의 측면에서 상하로 선회할 수 있되, 그 엔진에 의한 추진력의 기울기가 110도(즉, 수평선을 기준으로 상향 110도) 이상으로 제어되지 못하게 되어 있어서, 이로 인해 비행선은 창공에 정지한다던지, 후진한다던지, 좁은 도심에서 수직으로 이·착륙한다는 것이 거의 불가능하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 비행선의 엔진 기울기를 360°이상으로 조정할 수 있되, 비행선의 자세를 보다 정밀하게 제어하기 위해 수신기에서 나오는 펄스폭변조(이하 PWM)방식의 신호를, 서보모터 또는 스텝모터 등과 같은 모터가 제어되고 구동될 수 있는 펄스신호로 바꾸어 넣어 줌으로써, 프로그램상에서 각도범위나 반응속도 등 모터를 제어하는 모든 움직임을 구현하고, 2개의 채널을 이용하는 조종방식의 변환에 의해 조종이 용이하게 되므로 악조건의 기상이거나 전문조종사의 부재시에도 충분히 비행할 수 있게 하기 위한 비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비행선의 추진방향 또는 추진위치를 제어함으로써, 비행선의 전진은 물론, 정지와 후진 및 수직이·착륙이 가능하고, 이와 더불어 미세한 조종이 가능하여 헬기보다는 저렴하게, 항공기보다는 해상도가 높은, 무인 헬기보다는 떨림이 적고 시공간의 제약을 적게 받는 항공영상촬영 등이 가능하게 되며, 궁극적으로 비행선의 응용범위를 보다 광범위한 분야로 확장시킬 수 있는 비행선의 위치제어방법 및 위치제어장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 비행선을 개략적으로 도시한 측면도이고,

도 2는 도 1에 도시된 비행선의 곤돌라를 확대하여 도시한 사시도,

도 3은 상기 곤돌라의 내부에 장착된, 본 발명에 따른 위치제어장치의 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 위치제어장치의 작동을 설명하기 위해 개략적으로 도시된 신호변환 제어기의 회로도,

도 5 및 도 6은 모터에 따라 변형된, 본 발명에 따른 위치제어장치의 작동예의 흐름도이다.

상기와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명은 기낭과, 좌우측의 팬 또는 프로펠러를 직접 구동시키도록 된 한쌍의 엔진이 회전축을 매개로 위치제어장치에 연결되어 있는 곤돌라를 구비하되, 상기 위치제어장치가 프레임과, 이 프레임에 장착된 신호변환 제어기, 이 신호변환 제어기에 전기적으로 연결되고서 구동풀리를 갖춘 모터, 상기 곤돌라를 관통하도록 프레임을 가로질러 장착되고서 전동풀리를 갖추며 곤돌라의 외부에서 그 양끝에 고정되어 있는 엔진의 추진방향을 회전시키도록 된 회전축 및, 상기 모터의 구동풀리와 상기 회전축상의 전동풀리 사이에 연결되어 모터의 회전에 따라 회전축을 회전시키도록 된 벨트를 구비한 비행선에 있어서, 상기 회전축의 중간에는 센서부가 추가로 설비됨과 더불어, 상기 위치제어장치의 신호변환 제어기는 조종사가 조종하는 원격제어 송신기로부터 받아들인 신호를 증폭시키는 신호증폭기, 증폭된 이 신호의 일부를 선택(capture)하고 펄스신호로 변환시키는 마이크로 컨트롤러, 이 변환된 신호를 전달받아 모터를 구동시키는 구동드라이버를 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 무선조종 비행선을 원격제어하는 방법을 제공하는 바, 이는 원격제어 송신기로부터 펄스코드변조(이하 PCM)방식의 신호를 수신기가 받아들이면서 PWM 방식의 신호로 변환시키는 단계와, 신호증폭기에서 신호를 증폭시키는 단계, 마이크로 컨트롤러가 상기 신호의 일부를 선택하여 최대펄스폭의 크기와 위치제어를 하고자 하는 최대변위를 대응시켜 펄스신호로 변환시키는 단계, 이 펄스신호를 전달받은 구동드라이버에 의해 모터가 구동되는 단계 및, 이 모터에 연결된 벨트를 매개로 회전축을 회전시켜 그 끝에 고정된 엔진의 추진방향을 조정하는 단계를 포함하고 있다.

이하 첨부도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 비행선을 개략적으로 도시한 측면도로서, 이 비행선(1)은 전체적으로 종래와 같이 기낭(2)과, 좌우측에 각각 엔진(10)에 직접 연결되어 구동되는 적어도 하나의 팬 또는 프로펠러(11)를 갖춘 곤돌라(3)를 구비하고 있다. 여기서, 상기 비행선의 형태는 주로 지상에 있는 조종사가 파지한 원격제어 송신기(도시되지 않음)로 조종가능한 무선조종 비행선이다.

도 2는 도 1에 도시된 비행선의 곤돌라를 확대하여 도시한 사시도이고, 도 3은 상기 곤돌라의 내부에 장착된, 본 발명에 따른 위치제어장치의 평면도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이 상기 팬 또는 프로펠러(11)를 직접 구동시키도록 된 적어도 한쌍의 엔진(10)은 회전축(23)을 매개로 하여 위치제어장치(20)에 연결되어 있다.

여기서, 상기 엔진(10)은 바람직하기로 4 ~ 5마력의 2행정 가솔린엔진이 적합하나, 이에 한정되지 않고 유효탑재량 또는 추력에 따라 알맞은 엔진을 선택하여 사용할 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 엔진(10)은 이륙 전에 수동으로 시동을 걸 수 있는 한편, 착륙 후에는 스위치를 오프(off)시켜 정지시킬 수 있다.

상기 위치제어장치(20)는 다수의 구성부재로 이루어지고서 곤돌라(3)의 내부 바닥에 설치되는 프레임과(29)과, 이 프레임(29)에 장착되는 신호변환 제어기(30), 이 신호변환 제어기(30)에 전기적으로 연결되고서 구동풀리(22)를 갖춘 모터(21), 상기 곤돌라(3)를 관통하도록 프레임(29)을 가로질러 베어링에 의해 장착되고서 전동풀리(24)를 갖추며 곤돌라(3)의 외부에서 그 양끝에 고정되어 있는 엔진(10)의 추진방향을 회전시켜 결과적으로 비행선(1)의 자세를 조정하도록 된 회전축(23), 상기 모터(21)의 구동풀리(22)와 회전축(23)상의 전동풀리(24) 사이에 연결되어 모터(21)의 회전에 따라 회전축(23)을 회전시키도록 된 벨트(25) 및, 상기 회전축 (23)의 중간에 설치되고서 다수의 포토인터럽터(photo interrupter)로 이루어진 센서부(26)를 구비하고 있다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 위치제어장치의 작동을 설명하기 위해 개략적으로 도시된 신호변환 제어기의 회로도인 바, 이 신호변환 제어기(30)는 조종사가 지상에서 파지한 채로 조종할 수 있도록 된 원격제어 송신기(도시되지 않음)로부터 신호를 받아들이고 이 신호를 변환시키는 수신기(31)와, 상기 신호를 증폭시키는 신호증폭기(32), 증폭된 신호의 일부를 선택하고 모터(21)의 구동드라이버(34)로 전달될 수 있도록 펄스신호로 변환시키는 8051계열 또는 80196계열의 마이크로 컨트롤러(33), 이 변환된 신호를 전달받아 모터(21)를 구동시킬 수 있게 하는 구동드라이버(34) 등을 구비한다. 이 구동드라이버(34)는 전술된 모터(21)와 전기적으로 연결되고서 이 모터(21)를 필요에 따라 적절히 회전시킬 수 있어서, 아래에 설명된 바와 같이 구동풀리(22)와, 벨트(25), 전동풀리(24) 및, 회전축(23)으로 힘을 전달하여, 결국 회전축(23)의 양끝에 고정된 엔진(10)의 추진방향을 조정할 수 있게 되는 것이다. 추가적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회로에는 버퍼와 같은 역할을 수행하는 별도의 반도체 구동드라이버(35)가 구비될 수 있으며, 펄스수를 확인할 수 있는 예컨대 세븐 세그먼트(seven segment)와 같은 디스플레이부(37)와 이를 위한 디스플레이 드라이버(36)를 구비할 수 있다.

이제, 본 발명에 따른 (무선조종)비행선의 자세를 원격제어하는 방법에 대하여 설명한다. 우선, 조종사는 지상에서 원격제어 송신기를 파지한 채로 이 송신기를 통해 비행선을 조종하게 된다.

상기 원격제어 송신기로부터 PCM 방식의 신호를 수신기(31)가 받아들이면서 PWM 방식의 신호로 변환시키고(1 단계), 신호증폭기(32)에서 이 신호를 증폭시킨다 (2 단계). 마이크로 컨트롤러(33)는 상기 신호의 일부를 선택(capture)하여 펄스폭을 측정하며, 상기 수신기(31)로부터 가변되는 최대펄스폭의 크기와 위치제어를 하고자 하는 최대변위를 대응시켜 모터(21)의 구동드라이버(34)로 전달할 수 있는 펄스신호로 변환시킨다(3 단계). 여기서 상기 모터가 스텝모터인 경우에, 상기 최대펄스폭의 크기와 최대변위를 일대일로 대응시키는 변환식을 유도할 수 있는 바, X가 변환된 펄스폭이고 Y는 스텝모터에 인가되는 펄스수이며 A 및 B가 상수일 때, Y = AX + B 로 된다. 이에 의해서, 스텝모터의 구동드라이버(34)를 구동할 수 있는 펄스신호와 센서부(26)로부터 전달된 기준위치에 대한 신호를 조합할 수 있게 되고, 이와 같이 펄스가 생성되고 방향이 결정된 출력신호를 구동드라이버(34)로 보내게 되는 것이다. 이와 같이 2개의 채널을 이용하고 믹싱하여, 한 신호는 기준위치를 정하고, 다른 신호는 기준위치에서 정(+)방향 또는 역(-)방향으로 움직이게 함으로써, 비행선(1)을 용이하게 조종할 수 있게 되는 장점이 있다.

이어서, 상기 구동드라이버(34)에 의해 모터(21)가 구동되면서(4 단계), 이 모터(21)의 구동풀리(22)에 연결된 벨트(25)를 매개로 하여 회전축(23)을 회전시키게 되고, 결국 이 회전축(23)의 양끝에 고정되어 있는 적어도 한쌍의 엔진(10)을 동일한 추진방향으로 변환시키게 된다(5 단계).

한편, 본 발명에 따른 위치제어방법에는, 상기 회전축(23)의 회전에 따라 센서부(26)가 각각의 기준위치에서, 예컨대 90°와, 180°, 270°, 360°에서 동작하여 마이크로 컨트롤러(33)로 신호를 보내게 되고, 이 신호에 의해 마이크로 컨트롤러(33)에서 새로운 기준위치를 설정하게 되는 단계가 추가적으로 포함된다.

본 발명에 따르면, 상기 엔진(10)이 모터(21)의 회전에 따라 회전축(23)이 정방향 또는 역방향으로 360°이상 회전될 수 있어서, 적어도 110°이상으로 회전가능하게 되는 것이다. 만약 프로펠러(11)의 피치가 헬기처럼 조종된다면 회전축(23)의 180°회전만으로도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

도 5 및 도 6은 모터에 따라 변형된, 본 발명에 따른 위치제어장치의 작동예의 흐름도이다. 도 5에서는 서보모터(21a)를 사용한 경우이고, 도 6에서는 스텝모터(21b)를 사용한 경우로서, 신호를 받아들이는 단계와, 수신기(31)로부터 가변되는 최대펄스폭의 크기와 위치제어를 하고자 하는 최대변위를 대응시켜 펄스신호로 변환시키는 단계 및, 구동드라이버(34)에 의해 모터(21a 또는 21b)가 구동되는 단계는 동일하다. 단, 서보모터(21a)에서는 편차의 조정을 위해 출력신호를 신호변환부, 즉 마이크로 콘트롤러(33)로 보내는 단계가 추가된다.

이상으로, 본 발명은 특정한 실시예를 참조로 하여 서술되었지만, 이 기술분야의 숙련자들에 의해 여러 형태로 변형 또는 변경될 수 있기 때문에, 상기 실시예는 단지 예시적인 것임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비행선의 엔진 기울기를 360°까지 조정할 수 있어서, 비행선의 자세를 보다 정밀하게 제어하면서 비행선의 전진은 물론, 정지와 후진 및 수직이·착륙이 가능하고, 이와 더불어 미세한 조종이 가능하여 헬기보다는 저렴하게, 항공기보다는 해상도가 높은, 무인 헬기보다는 떨림이 적고 시공간의 제약을 적게 받는 항공영상촬영 등이 가능하게 되고, 궁극적으로 비행선의 응용범위를 보다 광범위한 분야로 확장시킬 수 있는 효과가 기대된다.

Claims (5)

1. 기낭(2)과, 좌우측의 팬 또는 프로펠러(11)를 직접 구동시키도록 된 한쌍의 엔진(10)이 회전축(23)을 매개로 위치제어장치(20)에 연결되어 있는 곤돌라(3)를 구비하되, 상기 위치제어장치(20)가 프레임과(29)과, 이 프레임(29)에 장착된 신호변환 제어기(30), 이 신호변환 제어기(30)에 전기적으로 연결되고서 구동풀리(22)를 갖춘 모터(21), 상기 곤돌라(3)를 관통하도록 장착되고서 전동풀리(24)를 갖추며 곤돌라(3)의 외부에서 그 양끝에 고정되어 있는 엔진(10)의 추진방향을 회전시키도록 된 회전축(23) 및, 상기 모터(21)의 구동풀리(22)와 회전축(23)상의 전동풀리(24) 사이에 연결되어 모터(21)의 회전에 따라 회전축(23)을 회전시키도록 된 벨트(25)를 구비하는 비행선(1)에 있어서,

   상기 회전축(23)의 중간에는 이 회전축(23)의 회전각도를 감지하는 센서부(26)가 추가로 설치됨과 더불어,

   상기 신호변환 제어기(30)는 조종사가 조종하는 원격제어 송신기로부터 받아들인 신호를 증폭시키는 신호증폭기(32), 증폭된 신호의 일부를 선택(capture)하고 펄스신호로 변환시키는 마이크로 컨트롤러(33), 이 변환된 신호를 전달받아 상기 모터(21)를 구동시키는 구동드라이버(34)를 구비하는 것을 특징으로 하는 비행선의 위치제어장치.
2. 삭제
3. 원격제어 송신기로부터 PCM 방식의 신호를 수신기(31)가 받아들이면서 PWM 방식의 신호로 변환시키는 단계와, 신호증폭기(32)에서 이 신호를 증폭시키는 단계, 마이크로 컨트롤러(33)가 상기 신호의 일부를 선택(capture)하여 최대펄스폭의 크기와 위치제어를 하고자 하는 최대변위를 대응시켜 펄스신호로 변환시키는 단계, 이 펄스신호를 전달받은 구동드라이버(34)에 의해 모터(21)가 구동되는 단계 및, 이 모터(21)에 연결된 벨트(25)를 매개로 회전축(23)을 회전시켜 그 끝에 고정된 엔진(10)의 추진방향을 조정하는 단계를 포함하는 비행선의 위치제어방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 회전축(23)의 회전에 따라 센서부(26)가 각각의 기준위치에서 마이크로 컨트롤러(33)로 신호를 보내게 되고, 이 신호에 의해 마이크로 컨트롤러(33)에서 새로운 기준위치를 설정하게 되는 단계가 추가적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 비행선의 위치제어방법.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 2개의 채널을 믹싱(mixing)하되, 한 채널은 기준위치를 정하는 데에 이용하고, 나머지 채널은 기준위치에서 정방향 또는 역방향으로 조종하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비행선의 위치제어방법.