KR101287624B1

KR101287624B1 - 착륙이 용이한 무인비행체

Info

Publication number: KR101287624B1
Application number: KR1020130020070A
Authority: KR
Inventors: 이기성
Original assignee: 주식회사 네스앤텍
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-07-23
Also published as: CN105143042A; WO2014129761A1; US20160001878A1

Abstract

착륙이 용이한 무인비행체가 제공되며, 무인비행체는 방향을 전환하는 프로펠러, 상기 프로펠러를 지지하는 프로펠러 타워, 상기 프로펠러 타워에 연결되어 있는 동체, 상기 동체의 수평축을 기준으로 좌우가 대칭이며, 상기 동체의 무게중심부에 한 쌍의 통공을 포함하는 주날개, 상기 한 쌍의 통공 내부에 각각 위치하는 한 쌍의 보조날개, 그리고 상기 한 쌍의 보조날개를 관통하며 상기 주날개에 고정되어 있는 기준축에 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 보조날개의 경사각도를 제어하는 액츄에이터(actuator)를 포함한다.

Description

착륙이 용이한 무인비행체{UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR EASILY LANDING}

착륙이 용이한 무인비행체가 제공된다.

무인비행체는 날개의 고정형태에 따라 비행체의 동체에 날개가 고정되는 고정익(fixed wing)과 동체의 중심축을 기준으로 날개가 회전하는 회전익(rotary wing)으로 나뉜다. 고정익 무인비행체는 회전익 무인비행체에 비해 비행속도가 빠르고 연비와 체공능력이 우수하나, 이륙과 착륙을 위하여 활주로와 같은 넓은 장소를 필요로 한다.

이에 따라 최근에는 활주로가 없는 좁은 공간에서 무인비행체를 착륙시키기 위하여 낙하산이나 에어백을 이용하고 있다. 도 1은 종래 낙하산을 구비한 무인비행체이다. 도 1과 같이 낙하산이 펼쳐진 상태로 무인비행체가 지면에 착륙하면 착륙 충격을 완화시켜 무인비행체를 안전하게 회수할 수 있으나, 비, 눈, 바람 등으로 인한 기상악화시 낙하산이 제 기능을 수행하지 못해 착륙 목표지점을 벗어날 수 있다. 또한, 스프링이나 화약 등을 이용하여 동체로부터 낙하산을 토출시킬 때 불발이 발생하기도 하며 이로 인해 착륙 준비 과정에서 무인비행체가 지면으로 추락할 수도 있다.

또한, 무인비행체의 동체 하부에 에어백을 장착하는 방법은 낙하산을 이용하는 착륙 방법 대비 충격 흡수율이 낮기 때문에 착륙시 무인비행체의 파손 위험성이 높고 이를 보완하기 위한 구조 보강시 무인비행체의 무게 증가로 비행특성이 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 해결하려는 과제는 무인비행체 착륙시 비행 방향의 프로펠러를 위쪽 방향으로 전환시킴으로써 착륙이 용이한 무인비행체를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예가 해결하려는 과제는 무인비행체 착륙시 보조날개의 각도를 제어하여 주날개에 구비된 통공을 개방함으로써 착륙이 용이한 무인비행체를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 방향을 전환하는 프로펠러, 상기 프로펠러를 지지하는 프로펠러 타워, 상기 프로펠러 타워에 연결되어 있는 동체, 상기 동체의 수평축을 기준으로 좌우가 대칭이며, 상기 동체의 무게중심부에 한 쌍의 통공을 포함하는 주날개, 상기 한 쌍의 통공 내부에 각각 위치하는 한 쌍의 보조날개, 그리고 상기 한 쌍의 보조날개를 관통하며 상기 주날개에 고정되어 있는 기준축에 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 보조날개의 경사각도를 제어하는 액츄에이터(actuator)를 포함하고, 비행상태인 경우에는 상기 프로펠러는 비행하는 방향으로 향하고, 착륙중인 경우에는 상기 프로펠러는 위쪽 방향으로 향하는 무인 비행체를 일 실시예로 제안한다.

여기서, 상기 프로펠러는, 엔진 토크를 추력으로 전환시키는 복수의 블레이드, 상기 복수의 블레이드가 결합되는 지지부, 그리고 상기 지지부와 상기 프로펠러 타워를 연결하는 회전부를 포함하고, 상기 추력은 상기 무인비행체 무게의 약 40% 내지 약 60%일 수 있다.

또한, 상기 프로펠러는, 상기 무인비행체가 비행상태인 경우에는 상기 블레이드와 상기 지지부가 비행방향을 향하고, 상기 무인비행체가 착륙중인 경우에는 상기 회전부의 구동으로 상기 블레이드와 상기 지지부가 위쪽 방향으로 전환될 수 있다.

또한, 상기 회전부는, 기어박스(gear box), 서보모터(servo motor), 또는 스텝모터(step motor) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 무인비행체는, 상기 보조날개의 제어명령을 포함하는 비행제어신호를 수신하는 수신부, 상기 보조날개의 현재 위치를 감지하는 센서부, 상기 보조날개의 현재 위치 값과 상기 비행제어신호의 제어명령 값을 비교하는 비교부, 상기 비교 결과에 따라 상기 액츄에이터를 구동하기 위한 출력값을 생성하는 구동값 생성부, 그리고 상기 출력값에 의해 상기 액츄에이터를 구동하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 액츄에이터는 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터를 포함하며, 상기 한 쌍의 보조날개는 제1 보조날개와 제2 보조날개를 포함하며, 상기 제1 보조날개는 상기 제1 액츄에이터에 의해 경사각도가 제어되고, 그리고 상기 제2 보조날개는 상기 제2 액츄에이터에 의해 경사각도가 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 무인비행체 착륙시 비행 방향의 프로펠러를 위쪽 방향으로 전환시켜 하강속도를 조절함으로써 낙하산이나 에어백 없이 무인비행체를 안전하게 착륙시킬 수 있다. 또한, 보조날개의 각도 제어를 통해 주날개에 구비된 통공을 개방하고 프로펠러 후류가 흐르도록 하여 프로펠러의 회전 반작용에 의해 발생하는 반동-토크(anti-torque)를 상쇄시키고 요축(yaw axis)을 제어함으로써 별도의 수평유지장치 없이 무인비행체의 수평을 제어할 수 있으며, 착륙을 위한 소형 프로펠러 구동모터를 사용함으로써 무인비행체의 무게를 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 낙하산을 구비한 무인비행체이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙중인 무인비행체의 프로펠러이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙중인 무인비행체이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 구성이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 경사각도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 구성이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 보조날개를 구비한 무인비행체이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하며 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

또한, 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체이다.

도 2의 무인비행체는, 프로펠러(100), 프로펠러 타워(200), 동체(300), 주날개(400), 그리고 보조날개(500)를 포함한다.

프로펠러(100)는 무인비행체에 추력을 부여하는 역할을 하며, 엔진 토크를 추력으로 전환하는 복수의 블레이드(blade)(110)와 복수의 블레이드(110)가 결합되는 지지부(120) 및 지지부(120)의 일단에 구비되며 지지부의 방향을 전환하는 회전부(130, 도 1에는 미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 블레이드(110)는 2개 내지 4개로 구현될 수 있으며, 도 2에서는 2개의 블레이드를 포함하는 무인비행체를 도시한다. 또한, 블레이드(110)를 구동하는 모터(도 1에는 미도시)는 무인비행체 무게보다 작은 추력을 발생하며, 상기 추력은 무인비행체 무게의 약 40% 내지 약 60%가 될 수 있다. 블레이드(110)와 지지부(120)는 회전부(130, 도 1에는 미도시)에 의해 무인비행체의 비행상태에 따라 프로펠러 타워(200)를 기준으로 방향을 전환할 수 있으며, 프로펠러의 방향 전환에 대한 내용은 도 3 내지 도 4를 통해 상세히 설명하도록 한다.

프로펠러 타워(200)는 프로펠러(100)와 동체(300)를 연결하여 지지하는 역할을 하며, 무인비행체의 무게중심부에서 프로펠러(100) 하단에 구비될 수 있다. 이때, 프로펠러 타워(200)는 프로펠러(100)에 구동력을 인가하는 구동수단, 배터리, 연료 및 연료펌프 등이 내장될 수 있다.

동체(300)는 프로펠러 타워(200)를 지지하거나 소형화물, 무인카메라, 엔진 및 착륙장치 등을 수용하는 역할을 하며, 공기 저항을 최소화하고 수용공간을 최대화하기 위하여 유선형으로 구현될 수 있다. 그러나 동체(300)의 형상이 유선형에 한정되는 것은 아니며, 무인비행체의 용도에 따라 스트레치형(stretch), 링형(ring) 등으로 다양하게 구현될 수 있다.

주날개(400)는 양력을 발생하는 역할을 하며, 동체(300)를 기준으로 좌우대칭 형태로 구현될 수 있다. 또한, 주날개(400)는 보조날개(500)가 삽입될 수 있는 통공(410)을 포함하며, 통공(410)은 주날개(400)의 무게중심부에 위치할 수 있다. 이때, 통공(410)의 형상은 한정되지 않으며 주날개(400)의 무게중심부를 벗어나지 않는 형태라면 어떠한 형태로든 구현될 수 있다.

보조날개(500)는 무인비행체가 비행 중에는 주날개(400)와 함께 양력을 발생하는 역할을 하며, 무인비행체의 착륙 시도중에는 날개의 각도를 조절하여 주날개의 통공(410)을 개방하는 역할을 한다. 보조날개(500)는 주날개(400)의 무게중심부를 기준으로 좌우대칭 형태인 한 쌍으로 구현될 수 있으며, 주날개(400)의 무게중심부에 구비된 통공(410) 내에 삽입되는 형태로 구현될 수 있다. 도 2에서 보조날개(500)는 통공(410)과 동일한 형상으로 구현되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통공의 일부를 점유하는 원형, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형상을 가지도록 구현될 수 있다.

도 2의 무인비행체는 프로펠러(100), 프로펠러 타워(200), 동체(300), 주날개(400), 그리고 보조날개(500) 외에도 무인비행체의 착륙시 지면과의 충격을 완화시키기 위한 완충부(600)와 무인비행체의 평형을 유지하고 방향을 제어하기 위한 꼬리날개(700)를 더 포함할 수 있다. 이때, 꼬리날개(700)는 복수의 수직꼬리날개 또는 수평꼬리날개로 구현되거나 수직꼬리날개와 수평꼬리날개가 혼합된 형태로 구현될 수 있다.

또한, 도 2의 무인비행체는 프로펠러 타워(200) 후단에 주날개(400) 및 보조날개(500)가 배치되었으나, 무인비행체의 동체 형상이나 무게중심에 따라 프로펠러 타워 앞단에 주날개 및 보조날개가 배치될 수 있으며, 프로펠러 타워가 주날개 및 보조날개 위에 배치되도록 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙중인 무인비행체의 프로펠러이다.

도 3에서 보듯, 비행중인 무인비행체의 프로펠러(100)는 비행 방향을 향한다. 이후, 원격지로부터 수신되는 비행제어신호나 미리 설정된 비행제어 알고리즘에 의해 무인비행체가 비행을 중단하고 착륙 준비를 시작하면 회전부(130)를 통해 지지부(120)와 블레이드(110)가 위쪽 방향을 향하도록 전환될 수 있다. 이때 회전부(120)는 지지부(120)와 프로펠러 타워(200)의 결합부에 배치되며, 기어박스(gear box), 서보모터(servo motor), 스텝모터(step motor) 등을 이용하여 지지부(120)의 회전 각도를 조절할 수 있다.

만약, 착륙 준비중인 무인비행체에 재비행 명령을 포함하는 비행제어신호가 수신되면, 상기 비행제어신호에 따라 무인비행체의 프로펠러(100)는 다시 비행 방향을 향하도록 제어된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙중인 무인비행체이다.

도 4의 무인비행체에서, 보조날개(500)는 프로펠러 타워(200) 후단에 구비되며, 비행 방향에서 위쪽 방향으로 전환되어 착륙 준비가 완료된 프로펠러(100)가 구동하기 시작하면 날개의 각도가 제어된다. 이때, 보조날개(500)의 각도를 조절함에 따라 주날개의 통공(410)이 개방되며 상기 개방된 통공(410)으로 프로펠러 후류(後流)가 흐른다. 이때, 보조날개(500)의 경사각도에 따라 통공(410)의 개방 면적을 제어할 수 있으며 이에 따라 프로펠러 반동-토크(anti-torque)를 상쇄시키거나 무인비행체의 요축(yaw axis) 및 방위각을 제어할 수 있다. 보조날개의 제어 방법은 도 5에서 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 구성이다.

도 5에서 보듯이, 무인비행체의 보조날개(500)는 보조날개(400)를 관통하며 주날개에 고정되는 기준축(510)에 연결된 액츄에이터(actuator)(520)에 의해 제어될 수 있다. 이때, 액츄에이터(520)는 제어부(800)를 통해 제어될 수 있다. 수신부(810)를 통해 원격지로부터 보조날개 제어명령을 포함하는 비행제어신호가 수신되면, 센서부(900)를 통해 액츄에이터(520)에 연결된 보조날개(500)의 현재 위치를 감지한다. 이때, 보조날개 제어명령을 포함하는 비행제어신호는 미리 설정된 비행제어 알고리즘을 통해 전송될 수도 있다. 이후, 비교부(820)를 통해 보조날개 제어명령 값과 보조날개의 현재 위치값을 비교하고, 비교 결과에 따라 구동값 생성부(830)를 통해 액츄에이터 구동값을 생성하며 상기 구동값에 따라 액츄에이터(520)를 구동하여 보조날개(500)의 경사각도를 조절한다. 이로써 통공(410)을 흐르는 프로펠러 후류 양을 조절하여 무인비행체 착륙시 하강 속도를 제어할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 경사각도이다.

도 6에서 보듯이, 일례로 상공에서 비행중인 무인비행체의 착륙 준비가 완료되면 주날개(400) 상면을 기준으로 보조날개(500)의 경사각도를 약 45°~ 90°의 범위로 제어하여 통공(410)의 개방 면적을 증가시킴으로써 하강속도를 높이고, 무인비행체가 지면으로부터 소정의 높이에 도달하면 주날개(400) 상면을 기준으로 보조날개(500)의 경사각도를 기준축을 기준으로 약 0°~ 45° 의 범위로 제어하여 통공(410)의 개방 면적을 감소시킴으로써 하강속도를 감소시켜 무인비행체를 안전하게 지면에 착륙시킬 수 있다.

이때, 한 쌍의 보조날개는 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터에 의해 각각 제어될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인비행체의 보조날개 구성이다.

도 7에서 보듯이, 제1 보조날개(500-1)는 제1 기준축(510-1)에 연결된 제1 액츄에이터(520-1)에 의해 제어되며, 제2 보조날개(500-2)는 제2 기준축(510-2)에 연결된 제2 액츄에이터(520-2)에 의해 제어될 수 있다. 이때, 제1 보조날개(500-1)의 현재 위치는 제1 센서부(900-1)를 통해 감지되며, 제1 비교부(820-1)의 비교결과에 따라 제1 구동값 생성부(830-1)로부터 출력된 구동값으로 제1 액츄에이터(520-1)를 구동하고 이에 따라 제1 보조날개(500-1)의 경사각도가 제어될 수 있다. 제2 보조날개(500-2) 역시 제1 보조날개(500-1)와 동일한 방법으로 경사각도가 제어될 수 있다.

도 7에 의하면, 착륙중인 무인비행체의 제1 액츄에이터(520-1)와 제2 액츄에이터(500-2)를 통해 제1 보조날개(500-10의 경사각도와 제2 보조날개(500-2)의 경사각도를 각각 제어하여 통공(410)의 개방 면적으로 달리함으로써 통공(410)에 흐르는 프로펠러 후류 양을 조절할 수 있다. 이로써, 속도를 잃어 통제가 불가능한 딥 스톨(deep stall) 상태에서 무인비행체의 블레이드(110)를 제어하기 위한 별도의 스와시(swash) 장치 없이, 상기 제1 보조날개(500-1)와 제2 보조날개(500-2)의 경사각도를 조절하여 무인비행체의 균형을 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 보조날개를 구비한 무인비행체이다.

도 8은 양력에 영향이 없는 구조의 무인비행체에 적용 가능한 소형 보조날개를 도시한 것으로, 보조날개(500-3,500-4)가 주날개 통공(410)의 일부에 설치되더라도 도 7과 같이 각각의 액츄에이터를 이용하여 보조날개의 경사각도를 제어함으로써 무인비행체의 반동-토크(anti-torque)를 상쇄시키거나 방위각 및 요축(yaw axis)을 제어할 수 있다. 이때, 보조날개(500-3,500-4)는 통공의 내부에 삽입될 수 있다면 어떠한 형상이라도 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

100 : 프로펠러 110 : 블레이드
120 : 지지부 130 : 회전부
200 : 프로펠러 타워 300 : 동체
400 : 주날개 410 : 통공
500 : 보조날개 510 : 기준축
520 : 액츄에이터 600 : 완충부
700 : 꼬리날개

Claims

방향을 전환하는 프로펠러,
상기 프로펠러를 지지하는 프로펠러 타워,
상기 프로펠러 타워에 연결되어 있는 동체,
상기 동체의 수평축을 기준으로 좌우가 대칭이며, 상기 동체의 무게중심부에 한 쌍의 통공을 포함하는 주날개,
상기 한 쌍의 통공 내부에 각각 위치하는 한 쌍의 보조날개, 그리고
상기 한 쌍의 보조날개를 관통하며 상기 주날개에 고정되어 있는 기준축에 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 보조날개의 경사각도를 제어하는 액츄에이터(actuator)를 포함하고,
상기 액츄에이터는 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터를 포함하며, 상기 한 쌍의 보조날개는 제1 보조날개와 제2 보조날개를 포함하며, 상기 제1 보조날개는 상기 제1 액츄에이터에 의해 경사각도가 제어되고, 그리고 상기 제2 보조날개는 상기 제2 액츄에이터에 의해 경사각도가 제어되고,
비행상태인 경우에는 상기 프로펠러는 비행하는 방향으로 향하고, 착륙중인 경우에는 상기 프로펠러는 위쪽 방향으로 향하는 무인 비행체.
제1항에서,
상기 프로펠러는,
엔진 토크를 추력으로 전환시키는 복수의 블레이드, 상기 복수의 블레이드가 결합되는 지지부, 그리고 상기 지지부와 상기 프로펠러 타워를 연결하는 회전부를 포함하고, 상기 추력은 상기 무인비행체 무게의 40% 내지 60%인 무인비행체.
제2항에서,
상기 프로펠러는,
상기 무인비행체가 비행상태인 경우에는 상기 블레이드와 상기 지지부가 비행방향을 향하고, 상기 무인비행체가 착륙중인 경우에는 상기 회전부의 구동으로 상기 블레이드와 상기 지지부가 위쪽 방향으로 전환되는 무인비행체.
제2항 또는 제3항에서,
상기 회전부는,
기어박스(gear box), 서보모터(servo motor), 또는 스텝모터(step motor) 중 하나 이상을 포함하는 무인비행체.
제1항에서,
상기 무인비행체는,
상기 보조날개의 제어명령을 포함하는 비행제어신호를 수신하는 수신부, 상기 보조날개의 현재 위치를 감지하는 센서부, 상기 보조날개의 현재 위치 값과 상기 비행제어신호의 제어명령 값을 비교하는 비교부, 상기 비교 결과에 따라 상기 액츄에이터를 구동하기 위한 출력값을 생성하는 구동값 생성부, 그리고 상기 출력값에 의해 상기 액츄에이터를 구동하는 구동부를 더 포함하는 무인비행체.
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