KR101340409B1 - 하이브리드 무인비행체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 무인비행체에 관한 것으로, 목적은 엔진에 의해 구동되는 덕트 팬 타입과 모터에 의해 구동되는 쿼드라콥터 타입이 복합적으로 이루어지도록 하여, 장시간비행이 가능하고 5㎏ 이상의 페이로드를 구비할 수 있는 하이브리드 무인비행체를 제공하는 것이다.
본 발명은 몸체와, 몸체내에 위치하도록 설치되는 덕티드 팬과, 몸체의 중앙상부에 지지설치되고 덕티드 팬과 샤프트에 의해 연결되어 덕티드 팬을 구동시키는 엔진과, 몸체의 외부면에 일측단이 연결되는 다수개의 가지프레임과, 가지프레임의 타측단에 위치하도록 설치되는 모터와, 모터에 의해 회전하며 추력을 발생하는 쿼드로터를 포함하여, 엔진에 의한 덕티드 팬의 추력 및 모터에 의한 프로펠러의 추력에 의해 이착륙 및 비행이 이루어지도록 되어 있다.

Description

하이브리드 무인비행체{Hybrid Unmanned Aerial Vehicle}

본 발명은 하이브리드 무인비행체에 관한 것으로, 엔진에 의해 구동되는 덕티드 팬과, 4개의 모터에 의해 구동되는 쿼드로터의 추력에 의해 이륙 및 이동이 가능한 하이브리드 무인비행체에 관한 것이다.

최근 사람이 작업하기 힘든 환경에서 무인 비행체의 필요성이 증가하고 있다. 무인 비행체는 접근이 어려운 재난/재해 지역의 공중 영상획득 및 전력선 검사 또는 전장상황에서 적의 은닉정보를 제공하거나, 무인기를 통한 정찰임무, 감시임무를 수행하는 등 활용도 역시 매우 넓어지고 있다.

현재 무인 원격제어 수직이착륙 비행체의 보편적인 형태로는 단일 로터형 헬리콥터와, 동축반전형 헬리콥터, 쿼드라콥터 등등이 있다. 상기 기종들 중에 쿼드라콥터는 전동식으로서 2개의 정 피치 로터와 2개의 역 피치 로터로 구성되고 4개의 로터 이외에는 어떠한 움직이는 부분도 없어 기계적으로 가장 간단하다. 각각의 로터는 1 개의 전기모터로 구동되며, 각각의 모터는 마이크로 컴퓨터로 제어되고, 마이크로 컴퓨터는 여러 가지 센서와 원격 제어기의 신호를 처리하여, 쿼드라콥터는 매우 안정적으로 비행한다.

그러나, 상기 쿼드라콥터는 기구가 간단하고 제어 및 소형화가 용이하나, 전동모터에 의해 4개의 로터가 회전되므로, 배터리 등의 용량문제로 인하여 운용시간이 15∼20분 정도로 짧고, 페이로드(payload)가 약 500g 정도에 불과하여, 감시, 통신, 감지, 소방기능등을 수행하기 위한 기본탑재장비를 설치할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 단일 로터형 헬리콥터와 동축 반전형 헬리콥터는 오래전부터 사용되어지고 있으며, 양력 발생을 위해 매우 큰 주 로터를 구비하고, 장시간 비행 및 고중량의 운반이 가능하도록 되어 있으나,

상기 단일 로터형 헬리콥터는 주 로터를 회전시킬 때 발생하는 반 토크 현상의 상쇄를 위해, 주 로터와 연동 되는 가변 피치 꼬리 로터를 구비하고, 전진할 때 발생하는 주 로터의 좌우 양력 불균형의 해소와 조종 등을 위하여 주 로터를 가변 피치로 하고, 스와시 플레이트들과 다수의 링크, 스태빌라이저 등으로 연결하는, 매우 정밀하고 복잡한 구조로 되어 있으며,

상기 동축 반전형 헬리콥터는 반 토크 현상을 방지하기 위해 상기 꼬리 로터를 구비하는 대신, 2개의 주 로터를 1개의 축에서 서로 반대 방향으로 돌게 하여, 토크를 서로 상쇄시키도록 되어 있어, 주로터의 구조가 매우 복잡해지게 되는 등 여러가지 문제점이 있었다.

공개특허공보 공개번호 10-2011-0131889(2011.12.07) 공개특허공보 공개번호 10-2011-0000767(2011.01.06) 일본공개특허공보 특개 2010-132280(2010.06.07)

본 발명의 목적은 엔진에 의해 구동되는 덕트 팬 타입과 모터에 의해 구동되는 쿼드라콥터 타입이 복합적으로 이루어지도록 하여, 장시간비행이 가능하고 5㎏ 이상의 페이로드를 구비할 수 있는 하이브리드 무인비행체를 제공하는 것이다.

본 발명은 몸체와, 몸체내에 위치하도록 설치되는 덕티드 팬과, 몸체의 중앙상부에 지지설치되고 덕티드 팬과 샤프트에 의해 연결되어 덕티드 팬을 구동시키는 엔진과, 몸체의 외부면에 일측단이 연결되는 다수개의 가지프레임과, 가지프레임의 타측단에 위치하도록 설치되는 모터와, 모터에 의해 회전하며 추력을 발생하는 쿼드로터를 포함하여, 엔진에 의한 덕티드 팬의 추력 및 모터에 의한 프로펠러의 추력에 의해 비행이 이루어지도록 되어 있다.

본 발명은 엔진으로 구동되는 덕티드 팬과 모터로 구동되는 쿼드로터의 추력에 의해 이착륙 및 이동비행이 이루어지도록 되어 있어, 덕티드 팬 타입의 장점 즉, 고중량(약 3∼7㎏)의 페이로드(payload), 장시간(약 60분이상) 동안의 비행운용이 가능하다.

또한, 본 발명은 1개의 덕티드 팬과 쿼드로터(모터4개)를 병행하여 사용하는 하이브리드 방식으로 이루어져 있으나, 엔진에 의한 덕티드 팬 구동과, 모터에 의한 쿼드로터의 구동이 개별적으로 구동되므로, 상호간의 동력전달 메커니즘이 없어, 구조가 단순하며, 이를 통해 무인 비행체의 조립성을 향상시키고, 무인 비행체의 소형화 및 경량화가 가능하다.

또한, 본 발명은 경량화 및 덕티드 팬의 추력을 통해, 경량화된 무게만큼 카메라, 조명 등의 보조 기기를 추가로 더 장착할 수 있다.

또한, 본 발명은 덕티드 팬의 추력을 주추력으로 하고, 쿼드로터의 추력을 보조 및 제어용 추력으로 활용하도록 되어 있어, 무인비행체의 호버링 및 수평이동을 정밀하게 제어할 수 있으며, 이를 통해 비행 및 이착륙에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 가지프레임의 위치가 상하 이동이 가능하도록 되어 있어, 덕티드 팬의 위치를 기준으로 쿼드로터의 높이가 조절되므로, 다양한 추진력 및 비행운용을 구비할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 일측면예시도
도 3 은 본 발명에 따른 구성을 보인 평면예시도
도 4 는 본 발명에 따른 구성을 보인 저면예시도
도 5 는 본 발명에 따른 구성을 보인 블록예시도

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 일측면예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 구성을 보인 평면예시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 구성을 보인 저면예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 구성을 보인 블록예시도를 도시한 것으로,

본 발명은 몸체(10)와, 몸체(10)내에 위치하도록 설치되는 덕티드 팬(20)과, 몸체(10) 중앙상부에 위치하도록 설치되고 덕티드 팬(20)과 샤프트(31)에 의해 연결되어 덕티드 팬(20)을 구동시키는 엔진(30)과, 몸체(10)의 외부면에 일측단이 연결되는 다수개의 가지프레임(40)과, 가지프레임(40)의 타측단에 위치하도록 설치되는 모터(50)와, 모터(50)에 의해 회전하며 추력을 발생하는 쿼드로터(60)를 포함하여, 엔진(30)에 의한 덕티드 팬(20)의 추력 및 모터(50)에 의한 쿼드로터(60)의 추력에 의해 비행이 이루어지도록 되어 있다.

상기 몸체(10)는 중앙이 빈 파이프 형상의 메인덕트(11)와, 상기 메인덕트(11)의 상부에 위치하도록 설치되어 엔진(30)을 지지하는 지지대(12)와, 상기 메인덕트(11)에 하부로 돌출되도록 연결설치되는 다수개의 지지발(13)을 포함한다.

상기 메인덕트(11)에는 다수개의 센서부(15), 감지부(16), 통신부(17) 및 카메라부(18)가 더 설치되며, 상기 센서부(15)는 비행시 메인덕트(11)의 상태(수평, 회전, 기울기 등등)를 감지하는 다양한 센서가 설치되고, 상기 감지부(16)는 방사능, 생화학, 화학물등을 감지하기 위한 장치이며, 상기 통신부(17)는 비행시에 따른 통신장비이고, 카메라부(18)는 열화상 카메라, 감시카메라 등등을 의미한다.

상기 지지대(12)는 메인덕트(11)에 연결설치되어 메인덕트(11)가 소정강성을 구비하도록 하는 것으로, 내부가 비어있어 제어부(70)와 엔진(30), 모터(50), 센서부(15), 감지부(16), 통신부(17), 카메라부(18) 등등 각종장비를 연결하는 각종 케이블의 연결통로 기능을 함께 구비한다.

상기 다수개의 지지발(13)은 상측이 메인덕트(11)에 연결설치되어 있으며, 무인비행체(100)의 착륙시 지면으로부터 메인덕트(11)를 지지하는 기능을 구비한다.

상기 덕티드 팬(20)은 몸체(10)의 지지대 하부에 위치하도록 또한, 몸체(10)의 메인덕트(11)내에 위치하도록 설치되며, 엔진(30)과 샤프트(31)에 의해 연결되어 엔진(30)의 구동력에 의해 회전된다. 이때, 상기 덕티드 팬(20)은 엔진(30)과 샤프트(31)에 의해 직접연결되거나, 감속기 변속기, 체인 및 기어 등등의 연결수단(도시없음)에 의해 연결될 수 있다.

상기 엔진(30)은 몸체의 지지대(12) 상측에 위치하도록 설치되어 지지대(12)에 의해 지지되며, 특별히 한정하는 것은 아니나, 가솔린 엔진, 왕복이송내연기관 등을 설치할 수 있다.

상기 가지프레임(40)은 메인덕트(11)를 중심으로 방사형으로 돌출되도록 설치되어 있으며, 방사형으로 뻗은 다수개의 가지프레임(40)은 일정각도를 유지하도록 설치되어 있다. 즉, 4개의 가지프레임(40)은 서로 90°을 구비하도록 메인덕트(11)를 중심으로 방사형으로 돌출설치되어 있다.

또한, 상기 가지프레임(40)과 몸체(10) 즉, 몸체의 메인덕트(11) 사이에는 연결링(14)이 더 설치될 수 있으며, 이와 같이 연결링(14)을 구비할 경우, 다수개의 가지프레임(40) 끝단이 연결링(14)에 일체로 설치되고, 연결링(14)이 메인덕트(11)에 연결되는 구성을 구비한다. 이때, 상기 연결링(14)은 고리타입으로 이루어져 있어, 다수개의 가지프레임(40)이 한번에 메인덕트(11)에 조립될 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 연결링(14)은 메인덕트(11)를 중심으로 상하이동되며 위치가 고정되는 가변높이조절부(14a)를 구비한다. 상기 가변높이 조절부(14a)는 스크류방식 또는 턴버클방식 또는 볼트너트 체결방식 등등에 의해 자동 또는 수동으로 이루어질 수 있다.

상기 모터(50)는 가지프레임(40)의 끝단 상측에 위치하도록 가지프레임(40)에 고정설치되어 있으며, 몸체(10)내에 위치하도록 설치된 충전배터리(51)의 전원공급에 의해 구동되어 쿼드로터(60)를 회전구동시킨다.

상기 쿼드로터(60)는 모터(50)의 구동에 의해 회전되며, 가지프레임(40)의 길이보다 작은 회전반경을 구비하도록 형성되어 쿼드로터(60)의 회전구동시 몸체(10)에 의한 간섭이 발생되지 않도록 되어 있다.

상기 제어부(70)는 몸체(10)내에 위치하도록 다수개의 고정판(19)에 의해 설치되어, 엔진(30) 및 모터(50)의 회전속도 및 토오크를 제어한다. 이때, 상기 제어부(70)는 통신부(17)에 의해 통제실(80)과 연결되어 무인비행체(100)의 비행에 필요한 제어가 이루어지게 된다.

상기 고정판(19)은 제어부(70)의 위치를 고정함과 동시에 지지대와 함께 메인덕트(11)가 소정강성을 구비하도록 하고, 덕티드 팬의 회전토오크 발생시, 아래로 향하는 바람을 받아 이동시키는 기능을 구비한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 비행운전을 설명하면 다음과 같다.

- 무인비행체의 이/착륙

최대 추력을 필요로 하는 이륙시에는 엔진으로 구동되는 덕티드 팬과 모터에 의해 구동되는 쿼드로터의 추력이 합해져 이륙시의 추력을 구비하게 된다. 즉, 무인비행체의 이륙을 위해서는 약 20,000rpm 정도의 고속을 필요로 하므로, 가솔린 엔진에 의한 덕티드 팬의 회전속도 10,000∼1,5000rpm에 쿼드로터의 추력을 더하여 이륙에 필요한 회전속도를 얻는다. 이와 같은 덕티드 팬의 회전속도는 1시간 이상의 장시간 비행을 고려한 것이다.

또한, 무인비행체의 착륙시에는 제어부에 의해 엔진 및 모터의 출력이 제어되어 덕티드 팬과 쿼드로터의 회전속도를 조절함으로써, 착륙이 안정적으로 이루어지게 된다.

- 무인비행체의 호버링

제어부에 의해 엔진 출력을 제어하여 덕티드 팬을 회전시켜 호버링에 필요한 추력(약 12,000rpm)을 얻는다. 이때, 제어부는 모터 출력을 제어하여 쿼드로터 회전(약 2,000rpm)시켜 무인비행체의 제세를 제어한다. 즉, 본 발명에 따른 무인비행체는 엔진 구동에 따른 덕티드 팬의 회전에 의해 호버링이 유지되고, 모터 구동에 따른 쿼드로터의 회전에 의해 무인비행체의 자세가 제어된다.

- 무인비행체의 수평이동 또는 회전이동

제어부에 따른 엔진출력 제어에 의해 덕티드 팬이 회전되어 추력을 얻게 되고, 이와 동시에 각각의 모터가 제어부에 의해 개별제어하여, 쿼드로터의 회전속도에 차이를 발생시킴으로써, 4개의 쿼드로터의 속도차에 의해 무인비행체가 수평이동 또는 회전하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

(10) : 몸체 (11) : 메인덕트
(12) : 지지대 (13) : 지지발
(14) : 연결링 (14a) : 가변높이조절부
(15) : 센서부 (16) : 감지부
(17) : 통신부 (18) : 카메라부
(19) : 고정판 (20) : 덕티드 팬(ducted fan)
(30) : 엔진 (31) : 샤프트
(40) : 가지프레임 (50) : 모터
(51) : 충전배터리 (60) : 쿼드로터(quad rotor)
(70) : 제어부 (80) : 통제실
(100) : 무인비행체

Claims (4)

1. 중앙이 빈 파이프 형상의 메인덕트(11)를 구비하는 몸체(10)와,
   몸체(10)내에 위치하도록 설치되는 덕티드 팬(20)과,
   몸체(10) 중앙상부에 위치하도록 설치되고 덕티드 팬(20)과 샤프트(31)에 의해 연결되어 덕티드 팬(20)을 구동시키는 엔진(30)과,
   몸체(10)의 외부면에 일측단이 연결되는 다수개의 가지프레임(40)과,
   가지프레임(40)의 타측단에 위치하도록 설치되는 모터(50)와,
   모터(50)에 의해 회전하며 추력을 발생하는 쿼드로터(60)와,
   상기 가지프레임(40)과 몸체(10) 사이에는 연결링(14)을 포함하되
   상기 연결링(14)은 가지프레임(40) 끝단이 연결링(14)에 일체로 설치되고, 연결링(14)이 메인덕트(11)에 연결되고,
   상기 연결링(14)은 메인덕트(11)를 중심으로 상하이동되며 위치가 고정되는 가변높이조절부(14a)를 구비하도록 구성되어,
   엔진(30)에 의한 덕티드 팬(20)의 추력 및 모터(50)에 의한 쿼드로터(60)의 추력에 의해 이착륙 및 비행이 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인비행체.
   
2. 청구항 1 에 있어서;
   상기 몸체(10)는 메인덕트(11)와, 상기 메인덕트(11)의 상부에 위치하도록 설치되어 엔진(30)을 지지하는 지지대(12)와, 상기 메인덕트(11)에 하부로 돌출되도록 연결설치되는 다수개의 지지발(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인비행체.
   
3. 삭제
4. 삭제

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