KR101350291B1 - 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템 - Google Patents

유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무인항공기의 추력모터 및 탑재 전자장비에 필요한 전력을 지상에서 공급받아 장기간 공중에 체류하며 임무를 수행하고, 무인항공기의 자세 및 위치제어를 통한 자율비행으로 지상의 지령에 따른 위치에서 안정되게 체공하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템에 관한 것으로서, 통신장치와 관측장치를 탑재하고 로터(150)를 가동하여 공중에 체공하는 회전익 타입의 무인항공기(100); 및 무인항공기(100)와 통신하여 무인항공기(100)의 체공 비행을 제어하고 관측정보를 전송받는 지상통제장비(200);를 포함하는 무인항공기 시스템에 있어서, 상기 무인항공기(100)와 지상통제장비(200)를 전력선을 포함한 테더 케이블(310)을 이용하여 전기적으로 연결하고, 무인항공기(100)에서 필요한 전력을 상기 전력선을 통해 지상통제장비(200)에서 공급한다.

Description

유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템{UNMANNED AERIAL VEHICLE SYSTEM WITH CABLE CONNECTION EQUIPMENT}
본 발명은 무인항공기의 추력모터 및 탑재 전자장비의 가동에 필요한 전력을 지상에서 공급받아 장기간 공중에 체류하며 임무를 수행하고, 무인항공기의 자세 및 위치제어를 통한 자율비행으로 지상의 지령에 따른 위치에서 안정되게 체공하는 유선연결 수직 이착륙무인항공기 시스템에 관한 것이다.
탐사 및 정찰 등을 목적으로 하는 항공기 분야에서 항공기술 및 통신기술의 발전에 힘입어 유인기를 대체하는 무인항공기(UAV;Unmanned Aerial Vehicle)의 개발이 급진전하고 있고, 초창기에 군사용 항공표적 및 정찰임무 용도로 개발되어 실전 배치되었으나 최근에는 민수 또는 공공 분야에서도 다양한 용도로 개발되어 활용되고 있다.
무인항공기를 활용하는 민수 또는 공공 분야로는, 재해/재난 지역 상황 파악, 해안/선박 감시, 산불/산림 감시, 교체체증 파악, 환경 오염 감시, 치안용도의 감시 추적, 기상자료 수집, 통신 중계 등으로 다양하다.
이러한 무인항공기는 크기/운용고도/체공시간/운용범위/체공방식에 따라 분류하는 데, 크기별로 초소형/소형/중형/대형, 운용고도별로 고고도/중공도/저고도, 체공시간별로는 단기/중기/장기, 운용범위별로는 근거리/단거리/중거리/장거리, 체공방식별로는 고정익/회전익으로 분류한다. 이와 같이 분류되는 무인항공기중에 소형, 저고도, 단기 및 근거리로 분류되는 무인항공기의 수요가 늘어나는 추세에 있고 이에 맞게 중점적으로 개발되고 있다.
체공방식에 따라 분류되는 고정익 무인항공기와 회전익 무인항공기 중에서 그동안에는 빠른 비행속도로 광범위한 지역을 운행하여 임무를 완수하는 고정익 무인항공기 위주로 개발 및 활용되었으나, 최근에는 회전익 무인항공기의 수요가 늘어나는 추세에 있다. 특히, 고정익 무인항공기는 이륙하기 위한 활주로 또는 발사대를 준비해야 하고, 착륙하기 위한 활주로 또는 회수장비도 준비해야하므로, 활주로, 발사대 또는 회수장비까지 준비하기 어려운 민수/공공 분야에서는 수직이착륙이 가능한 무인항공기를 필요로 한다. 수직이착륙(VTOL : Vertical Take-off and Landing) 항공기는 이륙 및 착륙에 위해 활주로가 필요하지 않아 공간의 제약을 덜 받고 공중에서 제자리 비행 및 전후좌우로의 이동이 가능한 장점을 가지고 있다. 이와 같은 장점 때문에 다양한 개념의 수직이착륙 무인항공기가 연구되고 있으며 임무에 맞게 다양한 형태로 개발되고 있다. 수직이착륙 무인항공기로서 가장 많은 형태로는 헬리콥터이고, 전진 속도가 낮은 단점을 보완하기 위하여 개발된 틸트로터 및 쿼드로터 항공기도 있다.
이러한 무인항공기는 추진력을 얻기 위한 추력모터의 가동 및 관측을 위한 전자장비의 가동을 위해서 전원을 필요로 하므로, 2차전지를 필수적으로 탑재해야 한다.
하지만, 무인항공기의 체공시간을 늘리기 위해서는 2차전지의 용량을 늘리는 수밖에 없는 데, 이럴 경우에 2차전지의 중량이 매우 커져서 2차전지의 중량을 감당하기 위한 전력소모도 커지므로, 체공시간을 적정한도로 제한할 수밖에 없다. 이에 따라, 무인항공기의 장기체공을 요구하는 활용 분야에서는, 중간에 관측을 포기하는 한이 있어도 무인항공기를 착륙시켜 2차전지를 충전하고 다시 이륙시키는 과정을 반복하거나 아니면 복수의 무인항공기를 준비하여 교대로 운행하여야 하는 어려움을 갖게 되었다. 따라서, 무인항공기의 장기체공을 위한 전원 공급 대책이 필요하다.
한편, 무인항공기는 지상통제장비에서 원격 제어하거나 아니면 지상통제장비의 지령에 따라 자율비행하고 탑재한 관측장비로 획득한 정보를 지상통제장비에 전송하여야 하므로, 지상통제장비와의 무선통신을 위한 데이터링크를 필수적으로 요구한다. 이는, 한정된 무선주파수 대역의 과도한 점유를 초래하여 장비 간의 데이터 간섭 및 트래픽을 유발하고, 급기야 불안한 무선통신에 의해 무인항공기의 추락과 같은 불의의 사고로 이어질 수 있다. 또한, 사용 주파수의 규제에 따른 확장 한계성을 갖기도 한다. 따라서, 무인항공기와 지상통제장비 간에 제약 없이 원활하게 통신할 수 있는 데이터링크 환경을 제공할 필요가 있다.
또 한편으로, 회전익 무인항공기를 공중에 장시간 체공시킬 경우에 추력모터의 고장에 의한 추락사고의 위험이 있다. 비록, 비상 낙하산과 같은 안정장치를 갖춘다 해도 지면에 닿는 순간에 받는 충격이 상당하므로, 파손의 우려가 있다. 따라서, 고장에 의한 비상상황이 발생하더라도 안전하게 착륙시킬 대책을 강구해야 한다.
KR 10-2008-0060300 A 2008.07.02.
따라서, 본 발명의 목적은 회전익 무인항공기로 관측시스템을 구축함에 있어서, 무인항공기의 장기 체공에 필요한 전원을 공급하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무인항공기와 지상통제장비 간의 통신망 구축에 있어서 제약을 받지 아니하고, 원활하게 통신하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 장기 체공에 따라 발생빈도가 증가하는 고장에 대해 안전한 착륙을 유도할 수 있는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통신장치와 관측장치를 탑재하고 로터(150)를 가동하여 공중에 체공하는 회전익 타입의 무인항공기(100); 및 무인항공기(100)와 통신하여 무인항공기(100)의 체공 비행을 제어하고 관측정보를 전송받는 지상통제장비(200);를 포함하는 무인항공기 시스템에 있어서, 상기 무인항공기(100)와 지상통제장비(200)를 전력선(312)을 포함한 테더 케이블(310)을 이용하여 전기적으로 연결하고, 무인항공기(100)에서 필요한 전력을 상기 전력선(312)을 통해 지상통제장비(200)에서 공급함을 특징으로 한다.
상기 테더 케이블(310)은, 통신선(313)을 더욱 포함하고, 무인항공기(100)와 지상통제장비(200) 간에 상기 통신선(313)으로 유선통신함을 특징으로 한다.
상기 지상통제장비(200)에는, 상기 테더 케이블(310)의 풀림 및 되감기 동작을 하는 케이블 윈치(320)가 마련됨을 특징으로 한다.
상기 무인항공기(100)는, 테더 케이블(310)의 장력을 감지하는 장력감지기(180) 및 테더 케이블(310)의 꼬임 상태를 감지하는 꼬임감지기(170)를 구비하고, 로터(150)의 동작을 제어하여 자세를 조정함으로써 장력을 미리 설정값 이하로 유지하고 꼬임을 방지함을 특징으로 한다.
상기 무인항공기(100)는, 상하로 관통된 덕트(101)를 복수개로 구비하되, 몸체의 중심을 기준으로 대칭을 이루게 배치하고, 각각의 덕트(101) 내부에 로터(150)을 장착하여 덕티드 프로펠러(ducted propeller)로 구성하며, 일부 로터가 고장이 나면 나머지 정상 가동할 수 있는 로터들로 양력의 균형을 맞추어 체공함을 특징으로 한다.
상기 무인항공기(100)는, 비상용 2차전지(162)를 내장하여, 상기 테더 케이블(310)을 통해 공급받는 전기로 상기 비상용 2차전지(162)를 충전하고, 상기 테더 케이블(310)을 통한 전기공급이 끊길 경우에 상기 비상용 2차전지(162)에 축전한 전기를 전원으로 사용하여 비상착륙함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 무인항공기(100)에서 필요로 하는 전기를 지상에서 지속적으로 공급하여 장기간 체공하므로, 무인항공기(100)를 반복적으로 이착륙하지 아니하여도 되고, 관측 또는 감시 업무를 끊김 없이 연속적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 무인항공기(100)와 유선으로 통신하므로 주파수 할당의 어려움도 없고 안정된 데이터 통신으로 관측 및 감시 정보를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명은 로터의 고장 또는 테더 케이블의 파손이 발생하더라도 무인항공기(100)를 안전하게 착륙시켜 보수할 수 있으므로, 유지비용을 경감한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템에서 전기 및 통신에 관련된 구성들의 블록구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템의 사용 상태도.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 공중에 체공중인 무인항공기(100)의 저면 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 지상통제장비(200)에 마련된 케이블 윈치(320)의 사시도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템에서 전기 및 통신에 관련된 구성들의 블록구성도이고, 2는 본 발명의 실시예에 따른 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템의 사용 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 공중에 체공중인 무인항공기(100)의 저면 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에서, 지상통제장비(200)에 마련된 케이블 윈치(320)의 사시도이다.
상기 도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 무인항공기 시스템은 공중에서 체공 비행하는 회전익 타입의 무인항공기(100), 지상의 지상통제장비(200), 및 무인항공기(100)와 지상통제장비(200) 간을 전기적으로 연결하는 테더장비(300)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 특징적인 구성요소들을 설명하기에 앞서서, 무인항공기(100) 및 지상통제장비(200)를 구성하는 일반 공지된 구성요소들에 대해서 설명한다.
상기 무인항공기(100)는, 체공 비행을 위한 로터(150), 로터(150)를 제어하여 무인항공기(100)의 자세와 체공 위치를 변경하여 비행 조종하는 항법장치(130), 무인항공기(100)의 임무에 맞게 탑재되어 관측 또는 감시하는 관측장치(140), 지상통제장비(200)와 통신하여 지상통제장비(200)에서 송신하는 비행 제어신호를 수신하고 관측장치(140)에서 획득한 관측정보를 지상통제장비(200)에게 송신하는 통신장치(120), 및 수신한 비행 제어신호에 따라 상기 항법장치(130)를 가동시키고 관측장치(140)에서 획득한 관측정보를 통신장치(120)를 이용해 지상통제장비(200)에 송신하도록 제어하는 제어컴퓨터(110), 를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 무인항공기(100)는 형상적으로 보면 저면의 중앙에 상기 관측장치(140)를 장착하고 저면의 테두리측에 다수의 랜딩스키드(102)를 구비한다. 랜딩스키드(102)는 무인항공기(100)가 착륙할 시에 지면에 닿게 하여 완충함으로써 상기 관측장치(140)의 파손을 방지한다.
상기 로터(150), 항법장치(130) 및 관측장치(140)에 대해서 부연 설명하면 다음과 같다.
상기 로터(150)는 덕티드 프로펠러(ducted propeller) 타입으로 해서 무인항공기(100)에 장착된다. 즉, 무인항공기(100)의 테두리에는 몸체 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 복수개의 덕트(101)를 마련하되, 각각의 덕트(101)는 상하로 관통된 형태를 갖추고, 이와 같이 구비한 각각의 덕트(101)의 내부에 상기 로터(150)를 하나씩 장착한다. 상기 로터(150)는 덕트(101)의 내부에 장착되어 회전에 의해 하강 기류를 발생시켜 추력을 내는 블레이드(152), 블레이드(152)를 회전시키는 추진모터(151), 및 덕트(101) 내부를 횡단하도록 장착되어 무인항공기(100)의 자세를 제어하는 베인(vane, 153)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 블레이드(152)는 추력 효율을 높이기 위해서 덕트(101)에 닿지 않는 범위 내에서 가능하면 길게 연장하는 것이 바람직하다.
상기 항법장치(130)는 각각의 로터(150)들을 제어하여 무인항공기(100)의 체공 자세 및 체공 위치를 조정하는 장치로서, 무인항공기(100)의 수직이착륙 및 자율비율을 수행한다.
상기 관측장치(140)는, 무인항공기(100)의 활용 분야에 따라 다양하게 구성되는 것으로서, 카메라, 고해상도 스캐너, 각종 센서, GPS/IMU 를 예로 들 수 있다.
그리고, 상기 지상통제장비(200)는 상기 무인항공기(100)와 통신하는 통신장치(220), 무인항공기(100)의 수직이착륙과 자율비율을 위한 비행 제어신호를 생성하는 통제장치(230), 관측정보를 저장관리하는 데이터 관리기(240), 관측정보를 디스플레이하여 사용자에게 가시적으로 보여주는 영상장치(241), 및 비행 제어신호의 송신과 관측정보의 수신에 관련된 동작을 제어하는 제어컴퓨터(210),를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 통제장치(230)는 무인항공기(100)의 관측장치(140)를 제어하기 위한 제어신호도 생성하도록 구성될 수 있다.
이상에서 간략하게 설명한 무인항공기(100) 및 지상통제장비(200)의 구성요소들은 일반적으로 공지된 기술로서, 종래기술에 따르면 무인항공기(100)는 공중에 체공하며 임무를 수행하므로 임무 수행에 필요한 전원을 자체에 탑재한 2차전지로 충당하였고, 무인항공기(100)의 통신장치(120)와 지상통제장비(200)의 통신장치(220)를 무선통신기술을 채용한 통신장치로 구성하였다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 무인항공기 시스템은 무인항공기(100)의 비행 및 관측임무의 수행에 소요되는 전력을 지상통제장비(200)에서 유선으로 공급하고, 무인항공기(100)와 지상통제장비(200) 간의 통신도 유선통신으로 이루어지게 하며, 무인항공기(100)에 2차전지를 구비하지만 평상시 비행 및 관측임무의 수행시 사용하는 것이 아니라 비상 착륙시에 사용하고, 로터(150)의 고장에 따른 안전한 착륙을 유도하도록 구성된다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 무인항공기 시스템은 하기의 추가적인 구성요소들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 무인항공기 시스템은, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 공중에서 체공하는 무인항공기(100)와 지상에 설치되는 지상통제장비(200) 간에 연결되는 유선으로 연결하기 위한 테더장비(300)를 더욱 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 테더장비(300)는 무인항공기(100)와 지상통제장비(200)를 연결하는 테더 케이블(310) 및 지상통제장비(200) 근처에 설치되어 테더 케이블(310)을 풀고 되감는 케이블 윈치(320)를 포함한다.
그리고, 상기 지상통제장비(200)에는 무인항공기(100)에 전기를 공급하는 전원공급장치(250)를 구비하고, 상기 무인항공기(100)는 전력을 필요로 하는 내부의 각 구성요소들에게 전력을 분배하는 전원분배기(160), 비상용 2차전지(162), 전원분배기(160)와 연결되어 비상용 2차전지(162)를 충전하고 비상시에 비상용 2차전지(162)를 전원분배기(160)를 통해 공급하는 충방전회로(161)를 구비한다.
또한, 상기 무인항공기(100) 및 지상통제장비(200)의 통신장치(120, 220)는 유선통신으로 상호간 통신한다.
또한, 상기 무인항공기(100)는 테더 케이블(310)에 가해지는 장력을 측정하는 장력감지기(180) 및 테더 케이블(310)의 꼬임을 감지하는 꼬임감지기(170)도 구비한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 무인항공기(100)는 지상통제장비(200)의 지령에 따라 공중에서 정해진 위치에 떠 있는 상태로 관측임무를 수행하도록 구성되므로, 위치를 감지하기 위한 지피에스(GPS : global positioning system) 수신기, 무인항공기(100)의 기울기 및 방향을 감지하는 3축자이로센서를 구비하는 것이 바람직하다. 지피에스 및 3축자이로센서를 구비한 무인항공기(100)는 지피에스로 감지한 위치에 근거하여 지상통제장비(200)에서 지령한 위치로 이동시키고, 지령한 위치로 이동한 상태에서 안정적으로 정지하여 관측해야 하므로 3축자이로센서로 감지한 기울임 방향을 근거하여 수평을 이루도록 항법장치(130)를 제어한다.
이하, 상기한 본 발명의 특징적 구성요소들에 대해서 상세하게 설명한다.
상기 테더 케이블(310)은 도 3에 도시된 바와 같이 상단을 무인항공기(100)에 결속하여 무인항공기(100)의 비행에 따라 공중을 향하게 되고, 도 4에 도시된 바와 같이 지상통제장치(200)에 연결되는 케이블 윈치(320)로 감거나 풀어서 무인항공기(100)의 이착륙에 따른 무인항공기(100)와의 거리에 맞춰 풀리게 한다. 그리고, 상기 테더 케이블(310)은, 전기를 공급하기 위한 전력선(312), 통신을 위한 통신선(313), 및 공중으로 띄움에 따라 받게 되는 장력을 감당하는 보강심선(311)을 일체로 하는 케이블로 구성된다.
상기 전력선(312)은 상단을 상기 무인항공기(150)의 전원분배기(160)에 연결하고 하단을 지상의 케이블 윈치(320)에 감긴 상태에서 지상통제장비(200)의 전원공급장치(250)에 연결하여서, 지상에서 상기 무인항공기(150)에게 지속적으로 전기를 공급하는 라인이 된다. 이에 따라, 무인항공기(100)는 비행 및 관측에 필요한 전력을 지상통제장비(200)로부터 유선으로 공급받으므로 장시간 공중에 떠 있으면서 임무를 수행할 수 있다.
상기 통신선(313)은 상단을 상기 무인항공기(100)의 통신장치(120)에 연결하고 하단을 지상의 케이블 윈치(320)에 감긴 상태에서 지상통제장비(200)의 통신신장치(220)에 연결하여서, 무인항공기(100)와 지상통제장비(200) 간에 유선으로 통신하게 하는 라인이 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 무선통신을 채택한 기존 방식에 비해 통신장치(120, 220)를 간소화하고 주파수 확보의 어려움도 없고 신호 간섭의 우려도 없으며 ,감청(監聽)하기에도 어려워 관측장치(140)로 측정한 관측정보의 통신보안을 유지하고, 데이터 트래픽(traffic) 없이 안정적으로 통신할 수 있다.
상기 통신선(313)은 가는 굵기 및 저중량의 장점을 갖출 뿐만 아니라 전력선에 의한 전자파의 간섭이 없고 도청이 힘들면서 동시에 많은 양의 정보를 전송할 수 있는 광통신용 광섬유로 구성하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 통신선(313)을 광섬유로 구성하면, 상기 무인항공기(100) 및 지상통제장비(200)의 통신장치(120, 220)는 광통신모듈로 구성된다.
상기 보강심선(311)은 무인항공기(100)의 랜딩스키드(102)에 묶인 결속선(103)에 상단을 고정한다. 이때, 결속선(103)을 복수개로 준비하고 서로 다른 랜딩스키드(102)에 각각의 결속선(103)을 하나씩 묶은 후에 각각의 결속선(103)들의 하단을 상기 보강심선(311)의 상단에 고정한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 결속선(103)과 보강심선(311)이 서로 고정되는 지점에 상기한 꼬임감지기(170) 및 장력감지기(180)를 설치한다.
상기 꼬임감지기(170)는 결속선(103)에 대한 보강심선(311)의 회전하려는 힘을 측정하여 꼬임을 감지하고, 상기 장력감지기(180)는 결속선(103)에 대한 보강심선(311)의 하부방향 장력을 감지한다. 그리고, 꼬임감지기(170) 및 장력감지기(180)로 감지한 꼬임력 및 장력은 무인항공기(100)에 내장된 제어컴퓨터(110)에 전달되어서, 항법장치(130)에 의한 로터(150)를 제어하여 꼬임력을 감소시키는 방향으로 선회하고 장력을 미리 설정값 이하로 유지하도록 하강 조정한다.
이에 따라, 상기 무인항공기(100)는 허공을 가르며 지상까지 이어져 테더 케이블(310)의 꼬임을 방지하고 비행에 따라 테더 케이블(310)에 가해지는 장력을 적정값 이하로 유지하며 비행하여서, 테더 케이블(310)의 파손을 방지한다.
상기한 전력선(312) 및 통신선(313)을 일체로 하는 테더 케이블(310)은 상기 도 2에 도시된 바와 같이 공중에 수직에 가깝게 세워지듯이 무인항공기(100)에 연결되고, 무인항공기(100)의 추진력에 의해서 무인항공기(100)로 잡아당겨 공중에 세워진 상태로 있게 되므로, 가능하면 무게를 경량으로 제작하는 것이 바람직하다. 물론, 무인항공기(100)의 로터들에 의해 추진력은 무인항공기(100)의 무게뿐만 아니라 상기 테더 케이블(310)의 무게도 감당할 수 있게 정한다.
상기 케이블 윈치(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 테더 케이블(310)을 풀림 및 되감기 동작을 하는 권취드럼(321), 권취드럼(321)을 회전시키는 회전수단(322), 및 권취드럼(321)에서 테더 케이블(310)의 풀리거나 아니면 되감기는 위치를 잡아주는 케이블가이드(323),를 포함하여 구성된다.
상기 회전수단(322)는 테더 케이블(320)을 감거나 풀기 위해 권취드럼(321)를 회전시키는 동력장치 및 감속기, 테더 케이블(310)를 풀어 무인항공기(100)의 체공 위치를 잡은 상태에서 테더 케이블(320)이 더 이상 풀리지 아니하게 하는 클러치를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 회전수단(322)은 지상통장비(200)의 제어컴퓨터(210)에 의해 제어되어서, 통제장치(230)에 의한 무인항공기(150)의 이착륙 및 공중 체공에 따라 권취드럼(321)의 풀림 동작 및 되감기 동작을 하게 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면 지상에서 테더 케이블(310)의 전력선(312)을 통해 무인항공기(100)에게 전기를 유선 공급하므로, 테더 케이블(310)의 전력선(312) 단선 또는 전원공급장치(250)의 고장에 따라 전기 공급이 끊길 우려가 있으므로, 이에 대한 안전대책을 강구한다.
이를 위해서, 상기 무인항공기(100)는 상기한 바와 같이 비상용 2차전지(162)를 내장하여 테더 케이블(310)의 전력선(312)를 통해 전기를 공급받는 중에는 비상용 2차전지(162)를 충전하고, 테더 케이블(310)의 전력선(312)를 통한 전기공급이 끊기면 자동적으로 비상착륙한다. 이때의 비상착륙은 전기공급이 끊기는 순간에 비상용 2차전지(162)의 전기를 이용하여 로터(150)를 가동하되 착륙모드로 로터(150)를 가동하도록 하는 프로그램을 무인항공기(100)의 제어컴퓨터(110)에 탑재함으로써 가능하다.
아울러, 상기 무인항공기(100)는 통신선(313)의 단선 또는 통신장치(120, 220)의 고장에 의해서 지상통제장비(200)와의 통신이 두절되더라도 상술한 바와 같이 자동적으로 비상착륙하게 하는 것이 좋다.
여기서, 상기 무인항공기(100)의 비상 착륙은 상기한 지상통제장비(200) 및 케이블 윈치(320)가 있는 곳으로 유도하는 것이 바람직하므로, 지상통제장비(200) 및 케이블 윈치(320)가 있는 곳에 설치되는 표식(미도시) 및 무인항공기(100)에 탑재되어 상기 표식을 감지하는 센서(미도시)를 마련하는 것이 좋다. 이에 따라, 무인항공기(100)는 비상착륙 시에 표식의 위치로 착륙하도록 항법장치(130)를 제어하여 안전하게 착륙할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 무인항공기(100)는 장기간 체공함에 따라 복수의 로터(150)들 중에 일부 로터에서 고장이 발생하면 정상 가동하는 로드들만으로 균형을 맞추도록 동작한다. 여기서, 로터(150)의 고장은 추력모터(151)의 고장, 추진모터와 블레이드 회전축 사이를 연결하는 동력전달수단의 고장, 블레이드의 파손 등을 예로 들 수 있다.
이와 같은 로터의 고장이 발생하더라도 체공 비행이 가능하게 하기 위해서, 상기 무인항공기(100)는 덕티드 프로펠러(ducted propeller)타입으로 장착되는 상기 로터(150)를 복수개로 구비하고 일부 로터가 고장나면 나머지 정상 가동할 수 있는 로터들만으로 양력의 불균형을 조절하며 안정된 체공 비행을 하도록 하는 프로그램을 제어컴퓨터(110)에 탑재한다. 이에 따른 프로그램은 고장이 발생한 로터의 위치에 대한 정상 가동할 수 있는 로터들의 상대적 위치에 근거하여 정상 가동할 수 있는 로터들을 선별하여 가동상태를 조절하는 프로그램이다. 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 첨부한 도 3에는 6개의 로터를 갖는 헥사로터로 도시하였으나 4개의 로터를 갖는 쿼드로터나 아니면 8개의 로터를 갖는 옥토로터로도 가능하다.
이와 같이 상기 무인항공기(100)는 일부 로터가 고장이 날 경우에 나머지 정상 가동할 수 있는 로터들로 체공하도록 구성하므로, 추락사고를 방지할 수 있으며, 사용자는 지상에서 통제장치(230)를 이용하여 안정적으로 착륙시킬 수 있다.
상술한 바와 구성되는 본 발명은 지상통제장비(200), 무인항공기(200) 및 테더장비(300)를 차량에 탑재한 상태로 이동하여서, 관측임무를 수행할 지역으로 이동하여 무인항공기(100)를 수직으로 이륙할 수 있으므로, 활주로나 아니면 발사대를 필요로 하지 아니하여 사용하기에 편리하고, 협소한 장소나 도심지에서도 불편함 없이 운영할 수 있다.
그리고, 본 발명은 테더 케이블(310)의 일단을 무인항공기(200)에 연결한 상태로 무인항공기(200)를 이륙시키므로, 전기를 유선공급하여 무인항공기(200)를 장기간 체공시켜 관측업무를 수행한다. 이에 따라, 본 발명은 기존 무인항공기의 전기 소모에 따라 반복적 이착륙시켰던 불편함을 해소하고, 장기간 연속 관측이 가능하여 관측 업무의 효율을 높이고 관측정보를 누락없이 연속적으로 획득할 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 장기 체공하면서 각 감시영역(A)을 끊김 없이 감시할 수 있으므로, 지속적으로 감시하여야할 항만감시, 해양오염감시, 교통감시 및 공공시설감시에 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 본 발명은 유선통신으로 안정되게 통신하며 관측정보를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명은 테더 케이블(310)의 꼬임을 방지하고 과도한 장력을 받지하도록 무인항공기(100)의 자세를 조절하여서, 전기 공급 및 통신망을 안정적으로 유지하며 무인항공기(100)를 체공 비행시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 로터 및 비상용 2차전지를 이용하여 불의의 고장에 대해서도 무인항공기(100)를 추락사고 없이 안전하게 착륙시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 무인항공기
101 : 덕트 102 : 랜딩스키드 103 : 결속선
110 : 제어컴퓨터 120 : 통신장치 130 : 항법장치
140 : 관측장치 150 : 로터 151 : 추진모터
152 : 블레이드 153 : 베인 160 : 전원분배기
161 : 충방전회로 162 : 비상용 2차전지
170 : 꼬임감지기 180 : 장력감지기
200 : 지상통제장비
210 : 제어컴퓨터 220 : 통신장치 230 : 통제장치
240 : 데이터 관리기 241 : 영상장치 250 : 전원공급장치
300 : 테더장비
310 : 테더 케이블 311 : 보강심선 312 : 전력선
313 : 통신선 320 : 케이블 윈치 321 : 권취드럼
322 : 회전수단 323 : 케이블가이드

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 통신장치와 관측장치를 탑재하고 로터(150)를 가동하여 공중에 체공하는 회전익 타입의 무인항공기(100); 및
    무인항공기(100)와 통신하여 무인항공기(100)의 체공 비행을 제어하고 관측정보를 전송받는 지상통제장비(200);
    를 포함하는 무인항공기 시스템에 있어서,
    상기 무인항공기(100)와 지상통제장비(200)를 전력선(312)을 포함한 테더 케이블(310)을 이용하여 전기적으로 연결하고, 무인항공기(100)에서 필요한 전력을 상기 전력선(312)을 통해 지상통제장비(200)에서 공급하며;
    상기 테더 케이블(310)은 통신선(313)을 더욱 포함하고, 무인항공기(100)와 지상통제장비(200) 간에 상기 통신선(313)으로 유선통신하고;
    상기 지상통제장비(200)에는 상기 테더 케이블(310)의 풀림 및 되감기 동작을 하는 케이블 윈치(320)가 마련되며;
    상기 무인항공기(100)는 테더 케이블(310)의 장력을 감지하는 장력감지기(180) 및 테더 케이블(310)의 꼬임 상태를 감지하는 꼬임감지기(170)를 구비하고, 로터(150)의 동작을 제어하여 자세를 조정함으로써 장력을 미리 설정값 이하로 유지하고 꼬임을 방지함을 특징으로 하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 무인항공기(100)는,
    상하로 관통된 덕트(101)를 복수개로 구비하되, 몸체의 중심을 기준으로 대칭을 이루게 배치하고, 각각의 덕트(101) 내부에 로터(150)을 장착하여 덕티드 프로펠러(ducted propeller)로 구성하며, 일부 로터가 고장이 나면 나머지 정상 가동할 수 있는 로터들로 양력의 균형을 맞추어 체공함을 특징으로 하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 무인항공기(100)는,
    비상용 2차전지(162)를 내장하여, 상기 테더 케이블(310)을 통해 공급받는 전기로 상기 비상용 2차전지(162)를 충전하고, 상기 테더 케이블(310)을 통한 전기공급이 끊길 경우에 상기 비상용 2차전지(162)에 축전한 전기를 전원으로 사용하여 비상착륙함을 특징으로 하는 유선연결 수직 이착륙 무인항공기 시스템.
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