KR101664105B1 - 멀티로터 시스템용 실험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치는 멀티로터 시스템의 안전한 실험을 위한 것으로, 베이스와, 베이스로부터 수직으로 연장되는 지지대와, 지지대에 수직으로 이동 가능하게 설치되는 로드와, 로드의 상단에 설치되는 볼 조인트와, 볼 조인트와 결합되며 멀티로터 시스템이 장착되는 장착 부재를 포함할 수 있다.

Description

멀티로터 시스템용 실험 장치 {APPARATUS FOR TESTING MULTIROTOR SYSTEM}
본 발명은 멀티로터 시스템에 대한 자세 제어, 고도 제어 및 비행 제어와 관련된 실험을 수행하기 위한 실험 장치에 관한 것이다.
최근에 군사지역의 정찰 업무나 위험 지역의 탐사 등을 목적으로 무인 비행체에 대한 관심이 늘고 있다. 미국의 무인정찰기는 이미 오래 전부터 사용되어 왔으며 최근에는 상용으로 쓰이게 되어 개인생활 보호 측면에서 사회적인 문제로 대두되었다.
우리나라는 최근에 북한에서 무인기가 넘어오면서 무인기에 대한 관심과 경계심이 최고이다. 이들 무인기는 대부분 CTOL(conventional take-off and landing)방식으로 활주로가 필요하며 장거리 비행이 가능한 장점이 있다. 반면에 수직 이착륙방식의 VTOL(vertical take-off and landing)구조의 무인 비행체는 복잡한 도심이나 근거리 작업에 적합하여 최근에 군용이나 상용으로 많이 사용되고 있다.
대표적인 VTOL구조인 멀티로터 시스템은 호버링 뿐만 아니라 전 방향 움직임이 가능한 장점이 있어 많은 분야에서 개발되고 있으며, 필요에 따라 여러 가지의 형태로 제작하고 있다.
이러한 멀티로터 시스템이 복잡한 지형을 안정적으로 비행하기 위해서는 안정적인 자세제어가 중요하며, 안정적인 자세제어를 위해 다양한 제어 방식이 적용되었다. 이를 위해, 신경회로망과 퍼지와 같은 지능 도구를 이용하거나, 적응 방식 등의 다양한 방법을 연구되고 있다. 또한, 바람과 같은 외란에 강건하도록 센서를 이용한 가속도 측정 기반의 시간 지연 제어를 수행하거나, 외란 관측기 등을 사용하였고, 실험을 통해 성능이 검증되었다.
이처럼 다양한 제어 알고리즘을 실험으로 검증하기 위해서는 먼저 실내에서 실험을 해야 한다. 하지만 종래의 경우에는 멀티로터 시스템의 자세 제어, 고도 제어나 추력 및 경로 추종 제어 등과 같은 실험을 실내에서 수행할 수 없는 단점이 있다.
또한, 멀티로터 시스템을 제작하고 비행 여부를 실험하는 과정에서 시스템이 파손되거나 인명 피해가 발생하는 일이 발생할 수 있다. 실내에서의 실험은 매우 위험하여 격리된 공간에서만 실험이 가능하나, 공간적으로 여유가 없으면 이 또한 문제가 된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 멀티로터 시스템의 안전하고 안정적인 실험을 위한 멀티로터 시스템용 실험 장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 3축을 기준으로 하는 각도 제어뿐만 아니라 고도제어도 수행 가능하며, 3차원 공간 내에서의 경로 추종 제어도 가능한 멀티로터 시스템용 실험 장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치는, 베이스와, 베이스로부터 수직으로 연장되는 지지대와, 지지대에 수직으로 이동 가능하게 설치되는 로드와, 로드의 상단에 설치되는 볼 조인트와, 볼 조인트와 결합되며 멀티로터 시스템이 장착되는 장착 부재를 포함할 수 있다. 로드에는 유니버설 조인트가 구비될 수 있다.
로드에는 로드와 와이어를 통하여 연결되어 멀티로터 시스템이 상승할 때 멀티로터 시스템의 추력을 측정하는 센서가 설치될 수 있다.
지지대는 그 사이에 로드가 위치되는 한 쌍의 프레임으로 구성되고, 한 쌍의 프레임 사이에는 로드를 수직 이동 가능하게 지지하는 베어링이 설치될 수 있다.
로드의 하단에는 지지대에 수직으로 슬라이드 가능하게 지지되어 로드의 수직 이동을 안내하는 안내 부재가 구비될 수 있다.
지지대에는 안내 부재와 연결되어 안내 부재의 수직 이동을 안내하는 안내 레일이 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치에 따르면, 공간상의 제약으로 인하여 실험을 하기 어려운 환경에서도 멀티로터 시스템의 비행 실험을 안전하고 안정적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 멀티로터 시스템이 실험 장치에 고정된 상태로 유지되므로, 멀티로터 시스템이 불안정적으로 동작하더라도, 멀티로터 시스템이 충돌이나 추락으로 인해 파손되거나 인명피해가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치에서, 멀티로터 시스템의 자세 제어 시, 장착 부재가 볼 조인트를 중심으로 회전되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치에서, 멀티로터 시스템의 고도 제어 및 추력 측정 시, 장착 부재 및 로드가 상승되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치에서, 멀티로터 시스템의 경로 추종 제어 시, 장착 부재 및 로드가 유니버설 조인트를 중심으로 회전되는 상태를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치는 실내 또는 실험이 수행되는 장소의 바닥에 놓여지는 베이스(10)와, 베이스(10)로부터 수직(Z-축 방향)으로 연장되는 지지대(30)와, 지지대(30)에 수직으로 이동 가능하게 설치되는 로드(40)와, 로드(40)의 상단에 설치되는 볼 조인트(50)와, 로드(40)의 하단에 구비되어 로드(40)의 수직 이동을 안내하는 안내 부재(60)와, 볼 조인트(50)에 결합되며 멀티로터 시스템(100)이 장착되는 장착 부재(70)를 포함할 수 있다.
멀티로터 시스템의 제어에서 중요한 사항은 페이로드(payload)가 얼마인지, 추력은 얼마인지, 경로 추종 제어는 잘 이루어 지는지 등을 실험으로 확인하는 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치는 이러한 멀티로터 시스템의 제어에 관한 실험을 실내 또는 공간상의 제약이 있는 장소에서도 안전하고 안정적으로 수행할 수 있도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 멀티로터 시스템(100)으로서 4개의 날개를 갖는 쿼드로터(quadrotor) 시스템에 대한 실험이 본 발명의 실시예에 따른 실험 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
베이스(10)는 멀티로터 시스템(100)의 동작이 불안정한 경우에도 멀티로터 시스템(100)을 견고하게 지지하고 유지할 수 있도록 실내의 바닥에 고정될 수 있다. 이에 따라, 멀티로터 시스템(100)의 동작이 불안정한 경우에도 이로 인한 실험 장치의 파손이나 인명피해를 방지할 수 있다. 예를 들면, 베이스(10)는 알루미늄으로 이루어진 다수의 프로파일을 조립하여 제작될 수 있다. 베이스(10)는 가능한 한 넓은 면적으로 바닥에 접촉하도록 제작되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 베이스(10)은 0.63m의 가로(X-축 방향) 길이 및 0.53m의 세로(Y-축 방향) 길이를 가질 수 있다.
지지대(30)는 로드(40) 및 안내 부재(60)를 지지하면서 로드(40) 및 안내 부재(60)의 수직 이동을 안내하는 역할을 한다. 예를 들면, 지지대(30)은 0.42m의 높이를 가질 수 있다. 지지대(30)는 그 사이에 로드(40) 및 안내 부재(60)가 위치되는 한 쌍의 프레임(31, 32)으로 이루어질 수 있다. 그리고, 각 프레임(31, 32)의 내면에는 안내 부재(60)와 연결되어 안내 부재(60)의 수직 이동을 안내하는 안내 레일(33)이 설치될 수 있다. 이러한 안내 레일(33)에 의해 로드(40) 및 안내 부재(60)가 보다 원활하게 수직 방향으로 이동될 수 있으며, 이에 따라, 멀티로터 시스템(100)이 보다 원활하게 승강할 수 있다. 또한, 안내 레일(33)이 구비됨에 따라, 로드(40) 및 안내 부재(60)가 지지대(30)로부터 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
지지대(30)에는 로드(40)를 지지하는 베어링(20)이 구비될 수 있다. 베어링(20)은 한 쌍의 프레임(31, 32) 사이에 고정될 수 있다. 베어링(20)에 의하여 로드(40)가 수직 이동 가능하게 지지대(30)에 지지될 수 있다. 따라서, 베어링(20)이 구비됨에 따라, 로드(40)가 상승하거나 하강할 때의 로드(40)와 주변 부품 사이의 마찰을 방지할 수 있다.
로드(40)는 베어링(20) 및 안내 부재(60)에 의해 지지대(30)에 수직 이동 가능하게 지지될 수 있다. 로드(40)는 볼 조인트(50) 및 장착 부재(70)를 통하여 멀티로터 시스템(100)과 연결된다. 따라서, 멀티로터 시스템(100)이 상승하는 경우, 멀티로터 시스템(100)의 상승과 연동하여 로드(40)가 지지대(30)를 따라 수직으로 상승할 수 있다. 또한, 멀티로터 시스템(100)이 하강하는 경우, 멀티로터 시스템(100)의 하강과 연동하여 로드(40)가 지지대(30)를 따라 수직으로 하강할 수 있다.
로드(40)에는 멀티로터 시스템(100)이 상승할 때 멀티로터 시스템(100)의 추력을 측정하기 위한 센서(90)가 연결될 수 있다. 센서(90)는 와이어(93)를 통하여 안내 부재(60)와 연결될 수 있다. 이와 같은 경우, 지지대(30) 또는 베이스(10)에는 와이어(93)를 지지하는 와이어 가이드(97)가 구비될 수 있으며, 와이어 가이드(97)는 와이어(93)가 감기는 풀리(미도시)를 포함할 수 있다. 센서(90)로는 안내 부재(60)와 와이어(93)를 통하여 연결되어 멀티로터 시스템(100)이 상승할 때 와이어(93)를 통하여 가해지는 힘을 측정하여 하중을 검출하는 저울 또는 로드셀 등이 사용될 수 있다.
예를 들면, 로드(40)의 무게는 약 0.7kg일 수 있다. 멀티로터 시스템(100)의 자중과 로드(40)의 자중의 합에 비하여 큰 추력이 발생하는 경우에는, 멀티로터 시스템(100) 및 로드(40)가 수직 방향(Z-축 방향)으로 상승하며, 이때, 센서(90)를 이용하여 멀티로터 시스템(100)에 의해 발생하는 추력을 측정할 수 있다.
볼 조인트(50)에 의하여 장착 부재(70)가 3축(X-축, Y-축 및 Z-축)을 기준으로 회전(즉, 피칭, 롤링 및 요잉)될 수 있으며, 이에 따라, 멀티로터 시스템(100)이 볼 조인트(50)를 통하여 로드(40)에 연결된 상태로 3축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있다. 따라서, 멀티로터 시스템(100)이 용이하게 그 자세를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 멀티로터 시스템(100)의 자세 제어에 대한 성능을 안정적으로 평가할 수 있다.
안내 부재(60)는 로드(40)의 수직 이동을 안내하기 위한 것으로 지지대(30)에에 수직으로 슬라이드 가능하게 지지될 수 있다.
장착 부재(70)는 멀티로터 시스템(100)을 안정적으로 지지할 수 있도록, 평판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 장착 부재(70)와 멀티로터 시스템(100)은 나사(71)에 의해 서로 결합될 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 멀티로터 시스템(100)이 상승하는 과정에서 로드(40) 및 안내 부재(60)가 함께 상승하며, 이 과정에서 안내 부재(60)와 와이어(93)를 통하여 연결된 센서(90)에 의해 멀티로터 시스템(100)의 추력이 측정될 수 있다. 따라서, 멀티로터 시스템(100)의 고도에 따라 멀티로터 시스템(100)의 추력이 안정적으로 측정될 수 있다.
한편, 로드(40)에는 유니버설 조인트(80)가 마련될 수 있다. 유니버설 조인트(80)는 로드(40)의 하단에 인접한 부위에 구비될 수 있다. 이러한 유니버설 조인트(80)에 의하여 로드(40)가 여러 방향으로 기울어질 수 있으며, 이에 따라, 경로 제어에 따른 멀티로터 시스템(100)의 움직임에 관한 실험을 안정적으로 수행할 수 있다. 즉, 멀티로터 시스템(100)으로부터 일정 추력 이상의 추력이 발생하면, 멀티로터 시스템(100)이 상승하면서, 도 4에 도시된 바와 같이, 로드(40)의 유니버설 조인트(80) 부분이 베어링(20)을 빠져 나오게 되는데, 이러한 경우, 멀티로터 시스템(100)이 3차원 직교좌표 공간에서, 다양한 궤적을 추종하면서 이동할 수 있다. 따라서, 실내 또는 공간상의 제약이 있는 장소에서도, 멀티로터 시스템(100)의 다양한 움직임을 측정하면서 멀티로터 시스템(100)의 비행 동작 및 경로 추종에 관한 실험을 수행할 수 있다. 예를 들어, 멀티로터 시스템(100)이 최대로 추종할 수 있는 원의 반지름은 0.2m일 수 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치의 작동에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치를 이용하면, 멀티로터 시스템(100)의 자세 제어, 고도 제어 및 경로 추종 제어에 대한 실험을 실내 또는 공간상의 제약이 있는 장소에서도 안정적으로 수행할 수 있다.
먼저, 멀티로터 시스템(100)의 자세 제어와 관련하여서는 멀티로터 시스템(100)이 호버링 자세를 유지하는 것이 가장 중요한데, 도 2에 도시된 바와 같이, 멀티로터 시스템(100)이 볼 조인트(50)에 의하여 3축(X-축, Y-축 및 Z-축)을 기준으로 회전(즉, 피칭, 롤링 및 요잉)될 수 있으므로, 멀티로터 시스템(100)의 자세 제어와 관련된 실험을 용이하게 수행할 수 있다.
다음으로, 멀티로터 시스템(100)의 고도 제어 및 추력에 대한 실험과 관련하여, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 멀티로터 시스템(100)이 상승하면서 로드(40)가 상승하게 되게 되는데, 이때, 센서(90)를 이용하여 멀티로터 시스템(100)에 의한 추력을 측정할 수 있다. 예를 들면, 멀티로터 시스템(100)이 무게가 0.7kg인 로드(40)를 들어올리면서 원하는 위치로 상승하는지를 측정할 수 있다. 이 경우, 멀티로터 시스템(100)과 0.7kg의 로드(40)의 중량에 비하여 큰 추력이 발생하면 멀티로터 시스템(100)은 로드(40)와 함께 상승한다. 이를 통해, 멀티로터 시스템(100)이 비행을 할 충분한 추력을 가지고 있는지, 또는 얼마만큼의 하중을 들어올릴 수 있는지 실험할 수 있다. 또한, 센서(90)가 로드(40)의 하단에 연결된 경우에는 추력을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
다음으로, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 멀티로터 시스템(100)의 경로 추종 제어에 대한 실험은, 멀티로터 시스템(100) 및 로드(40)가 소정의 높이(예를 들면, 약 0.42m)로 상승한 후, 멀티로터 시스템(100)의 이동에 따라 로드(40)가 유니버설 조인트(80)를 중심으로 회전되는 것에 의해 수행될 수 있다. 자세 제어와 고도 제어 등의 성능을 통합하는 것이 3차원 공간에서의 비행 제어인데, 실제의 비행 실험 중에 멀티로터 시스템(100)이 충돌이나 추락 등으로 인해 파손될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 멀티로터 시스템용 실험 장치를 이용하여 비행 실험을 수행함으로써, 이러한 사고를 줄일 수 있다. 예를 들면, 실내에서의 비행 제어는 실험 장치에 고정된 멀티로터 시스템(100)에 무선 통신을 이용하여 기준 경로에 관한 신호를 보내어 멀티로터 시스템(100)이 주어진 경로를 추종하도록 하는 것을 통하여 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.
10: 베이스 20: 베어링
30: 지지대 40: 로드
50: 볼 조인트 60: 안내 부재
70: 장착 부재 80: 유니버설 조인트
90: 센서

Claims (6)

  1. 베이스와;
    상기 베이스로부터 수직으로 연장되는 지지대와;
    상기 지지대에 수직으로 이동 가능하게 설치되는 로드와;
    상기 로드의 하단에 구비되는 유니버설 조인트와;
    상기 로드의 상단에 설치되는 볼 조인트와;
    상기 볼 조인트와 결합되며 멀티로터 시스템이 장착되는 장착 부재와;
    상기 로드와 와이어를 통하여 연결되어 상기 멀티로터 시스템이 상승할 때 멀티로터 시스템의 추력을 측정하는 로드셀 센서를 포함하는 멀티로터 시스템용 실험 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지대는 그 사이에 상기 로드가 위치되는 한 쌍의 프레임으로 구성되고, 상기 한 쌍의 프레임의 사이에는 상기 로드를 수직 이동 가능하게 지지하는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티로터 시스템용 실험 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 로드의 하단에는 상기 지지대에 수직으로 슬라이드 가능하게 지지되어 상기 로드의 수직 이동을 안내하는 안내 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티로터 시스템용 실험 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 지지대에는 상기 안내 부재와 연결되어 상기 안내 부재의 수직 이동을 안내하는 안내 레일이 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티로터 시스템용 실험 장치.
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