KR101664899B1 - 멀티콥터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피칭 제어가 필요 없이 수평 자세에서 이동이 가능하고 프로펠러의 회전 속도의 조정 없이 요잉 제어가 가능한 멀티콥터에 관한 것으로, 몸체부(110)에 지지되어 회전 구동되는 복수의 프로펠러(130)와; 상기 몸체부(110) 아래에 설치되어 회전각 제어가 가능한 가변날개(143)를 포함하여 상기 프로펠러(130)에 의해 생성된 바람을 측방으로 유도하여 전후 좌우 이동 또는 요잉 제어를 위한 추력을 발생시키는 추력조절수단(140);을 포함한다.

Description

멀티콥터{multicopter}

본 발명은 피칭 제어가 필요 없이 수평 자세에서 이동이 가능하며, 또한 프로펠러의 회전 속도의 조정 없이 요잉 제어가 가능한 멀티콥터에 관한 것이다.

멀티콥터(multicopter) 또는 멀티로터(multirotor)는 고정익 비행체와 대비되어 두 개 이상의 로터(rotor)를 이용하여 부양력을 얻는 비행체를 의미하며, 비행체의 운동은 각 로터의 상대적인 회전속도를 조정하여 이루어진다.

최근 멀티콥터는 주로 군사무기로만 활용되던 무인항공기로서 다양한 분야에서 새롭게 주목을 받고 있다. 예를 들어 차세대 물류 배송수단으로 부각이 되는가하면, 농업, 재난 구조, 방송, 레저 등과 같이 다양한 분야에서 활용되면서 무한한 가능성을 인정받고 있다.

이러한 멀티콥터는 로터의 숫자에 따라서 4-, 6-, 8-로터 헬리콥터(helicopter) 등으로 불리기도 한다.

도 1은 일반적인 쿼드콥터의 평면 구성도이다.

도 1을 참고하면, 쿼드콥터(10)는 몸체부(10)와, 몸체부(10)에서 방사형으로 고정되는 4개의 암(20)과, 각 암(20)에 마련된 모터(40)에 의해 회전 구동이 이루어지는 4개의 프로펠러(30)로 구성된다.

이와 같이 구성된 쿼드콥터(10)는 각 프로펠러(30)의 회전속도를 제어하여 비행에 필요한 추력과 자세제어가 이루어진다.

도 2의 (a)(b)(c)는 일반적인 쿼드콥터의 작동 원리를 예시하여 보여주는 도면으로써, 각 프로펠러의 화살표는 회전 방향과 속도의 크기를 나타낸다.

예를 들어, 도 2를 참고하면, 서로 대향하여 배치되는 제1프로펠러(31) 및 제3프로펠러(33)와, 제2프로펠러(32) 및 제4프로펠러(34)는 서로 반대 방향으로 동일한 회전속도로 회전이 이루어지는 경우에 회전 속도의 크기에 따라서 쿼드콥터는 평행한 자세로 높이 조정이 이루어지거나 호버링(hovering)이 이루어진다(a).

또한 4개의 프로펠러 중의 특정 프로펠러의 회전 속도를 변화시켜 요잉(yawing), 롤링(rolling) 및 피칭(pitching)이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제1프로펠러(31) 및 제3프로펠러(33)와, 제2프로펠러(32) 및 제4프로펠러(34)의 회전 속도를 서로 다르게 제어함으로써, 비행체의 요잉 제어가 이루어질 수 있으며(b), 4개의 프로펠러 중에서 특정 프로펠러만의 회전 속도를 다르게 제어하여 비행체의 피칭 제어가 이루어질 수 있다.

이와 같이 작동이 이루어지는 쿼드콥터는 특정 방향으로 이동하고자 하는 경우에는 피칭 제어를 통하여 이루어지며, 이는 프로펠러의 숫자와 무관하게 멀티콥터에서는 기본적인 작동 원리에 해당한다.

그러나 이와 같이 피칭 제어를 통한 멀티콥터의 추력 발생은 비행체가 진행 방향으로 기울어진 상태에서 이루어지게 됨으로써 멀티콥터의 활용에 제한적인 요소로 작용할 수가 있다.

예를 들어 카메라가 장착되어 영상 촬영을 목적으로 하는 멀티콥터에서는 비행체의 자세에 따라서 카메라 앵글이 달라질 수 있으며, 따라서 필요한 영상을 얻기 위하여 비행체의 이동에 따른 피칭각(pitching angle)이 같이 고려되어야 하는 문제점이 있다.

등록특허 제10-1366310호(공고일자: 2014.02.21) 공개특허공보 제10-2013-0130116호(공개일자: 2013.12.02) 미국 공개특허 US2010/0243794(공개일자: 2010.09.30) 미국 공개특허 US2013/0287577(공개일자: 2013.10.13)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 비행체의 피칭 제어가 필요 없이 수평 자세에서 비행체의 이동이 가능하며, 또한 프로펠러의 회전 속도의 조정 없이 요잉 제어가 가능한 멀티콥터를 제공하고자 하는 것이다.

또한 본 발명은 멀티콥터의 하강 시에 비행체의 자세 안정성을 개선할 수 있는 멀티콥터를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티콥터는, 몸체부에 지지되어 회전 구동되는 복수의 프로펠러와; 상기 몸체부 아래에 설치되어 회전각 제어가 가능한 가변날개를 포함하여 상기 프로펠러에 의해 생성된 바람을 측방으로 유도하여 전후 좌우 이동 또는 요잉 제어를 위한 추력을 발생시키는 추력조절수단;을 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 추력조절수단은, 상기 몸체부 하단에서 수직하게 마련되는 로드와; 상기 가변날개가 수평축 상에서 회전 구동이 가능하게 최소한 두 개 이상 방사형으로 구비되어 상기 로드 하단에 마련되는 제2몸체부;를 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 가변날개는 상기 제2몸체부에 대해 회전 대칭되게 배치됨을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 몸체부와 상기 제2몸체부 사이의 간격 조정이 가능한 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는, 상기 몸체부와 상기 제2몸체부를 연결하는 로드는 상기 몸체부 또는 제2몸체부와 랙과 피니언 기어로 결합됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 멀티콥터는 양력을 발생시키기 위한 복수의 프로펠러 하부에 풍향을 조정하게 되는 추력조절수단이 마련됨으로써, 프로펠러의 회전 구동을 통한 비행체의 피칭 제어가 필요 없이 수평 자세에서 추력조절수단의 회전각 조작만으로 비행체의 이동이 가능하며, 또한 프로펠러의 회전 속도의 조정 없이 요잉 제어가 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 멀티콥터는 추력조절수단의 상하 높이 조절이 가능하여 비행체의 자세 안정성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 쿼드콥터의 평면 구성도,
도 2의 (a)(b)(c)는 일반적인 쿼드콥터의 작동 원리를 예시하여 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티콥터의 사시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티콥터의 정면 구성도,
도 5의 (a)(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티콥터의 작동예를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티콥터의 정면 구성도.
도 7의 (a)(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티콥터의 저면도 및 정면도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 하며, 본 실시예에서는 쿼드콥터를 예시하여 설명한다.

도 3에 예시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 쿼드콥터(100)는 몸체부(110)와, 몸체부(110)에서 방사형으로 고정되는 4개의 로터암(120)과, 각각의 로터암(120)의 수직축 상에서 회전 구동이 가능하게 마련되는 프로펠러(130)와, 몸체부(110) 하단에 배치되어 수평축 상에서 회전 구동이 가능하게 마련되어 프로펠러(130)에 의해 발생되는 풍향을 가변하게 되는 추력조절수단(140)을 포함한다.

몸체부(110)는 비행체의 원격 조작을 위한 송수신 장치와, 가속도 센서, 자이로센서와 같은 자세 제어를 위한 각종 센서류, 및 콘트롤러 등을 포함할 수 있으며, 이러한 전장 부품들을 고정 수납하게 되는 프레임을 포함할 수 있다.

몸체부(110) 하단에는 지면에 착지 시에 몸체부(110)를 안정되게 지지할 수 있는 랜딩스키드(landing skid)와 같은 지지수단이 부가될 수 있으며, 이러한 지지수단은 추력조절수단과 간섭이 발생되지 않는 범위 내에서 다양한 형태에 의해 제공될 수 있다.

바람직하게는, 쿼드콥터의 무게 중심은 몸체부(110)의 중심에 위치함으로써 비행체의 제어가 간편하게 이루어질 수 있을 것이다.

로터암(120)은 몸체부(110)의 중심으로부터 회전 대칭되게 방사형으로 연장되게 마련되며, 각 로터암(120)의 자유단에는 프로펠러(130)를 회전 구동하기 위한 제1구동원이 마련되며, 제1구동원은 전동식의 구동모터(131)에 의해 제공될 수 있으며 로터암(120)과 수직하게 설치된다.

본 실시예에서 각 프로펠러는 구동모터(131)에 직접 연결되는 것으로 예시하고 있으나, 구동모터와 프로펠러는 일렬의 기어 군을 매개로 하여 프로펠러의 회전 구동이 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이며, 이때 구동모터는 로터암의 자유단이 아닌 몸체부에 배치될 수도 있을 것이다.

각 구동모터(131)는 콘트롤러에 의해 구동 제어가 이루어지며, 각 구동모터(131)에 의한 프로펠러(130)의 회전 방향과 회전 속도의 제어를 통하여 비행체의 비행이 이루어진다.

특히 본 발명에서 몸체부(110) 하단에는 수평축 상에서 회전 구동이 가능하여 회전각의 제어가 이루어질 수 있는 추력조절수단(140)이 마련됨을 특징으로 한다.

구체적으로 추력조절수단(140)은 몸체부(110) 하단에서 수직하게 고정되는 로드(141)와, 이 로드(141) 하단에 지지되는 제2몸체부(142)와, 제2몸체부(142)에서 방사형으로 배치되어 수평축에서 회전 구동이 가능하게 마련되는 최소한 두 개 이상의 가변날개(143)를 포함한다.

로드(141) 상단은 몸체부(110)의 중심에 고정됨이 바람직하며, 가변날개(143)는 제2구동원에 의해 회전각 제어가 이루어지며, 제2구동원으로는 회전각 제어가 가능한 서보모터(RC servo)에 의해 제공될 수 있다.

본 실시예에서 가변날개(143)는 프로펠러와 동일하게 4개로 구성됨을 보여주고 있으나, 회전 대칭되게 방사형으로 배치된 구조의 범위 내에서 2개 이상이면 족할 것이다.

한편 도시되지 않았으나 쿼드콥터의 용도에 따라서는 제2몸체부(142) 하부에는 카메라 등의 부가 구조물이 설치될 수 있으며, 또한 부가 구조물은 제2몸체부과 일체형 구조일 수도 있다.

도 4를 참고하면, 프로펠러(130)에 의해 발생된 수직 방향의 풍력은 가변날개(143)의 회전각에 따라서 그 방향을 수평 방향으로 바꿀 수가 있으며, 이러한 수평 방향의 풍력은 쿼드콥터(100)의 자세를 수평하게 유지한 상태에서 쿼드콥터(100)의 이동에 필요한 추력을 발생시킬 수 있으며, 또는 정지 상태에서 요잉 제어(자전)가 이루어질 수 있다.

도 5의 (a)(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티콥터의 작동예를 보여주는 도면이다.

예를 들어, 도 5의 (a)를 참고하면, 호버링이 이루어지도록 4개의 프로펠러가 동일 속도로 회전 구동하는 상태에서 제1,3가변날개(143a)(143c)는 수직한 상태를 유지하고 서로 대향하는 두 개의 제2,4가변날개(143b)(143d)만이 특정 방향으로 경사를 갖도록 회전하는 경우에 쿼드콥터는 수평 자세를 유지한 상태에서 경사를 갖는 가변날개의 방향으로 전진 또는 후진이 이루어질 수가 있다.

한편, 도 5의 (b)를 참고하면, 호버링이 이루어지도록 4개의 프로펠러가 구동하는 상태에서 네 개의 가변날개(143a)(143b)(143c)(143d)가 회전 방향으로 동일 각도만큼 경사를 갖도록 회전이 이루어지는 경우에는 해당 가변날개에 의해 발생된 수평한 방향의 풍력에 의해 요잉 모멘트가 발생되어 회전(자전)이 이루어질 수가 있다.

특히 이와 같이 가변날개를 이용한 쿼드콥터(100)의 이동이나 요잉 제어는 쿼드콥터의 호버링 상태에서 프로펠러의 회전속도를 변경하지 않고 가변날개의 회전각 조작만으로 이루어질 수 있으므로, 프로펠러만의 회전 속도 제어를 통한 종래의 쿼드콥터와 경우와 비교하여 빠른 동작 응답성을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티콥터의 정면 구성도로써, 앞서 실시예와 동일 구성에 대해서는 동일 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 6을 참고하면, 로드(241) 하단에 마련되는 제2몸체부(242)는 로드(241)를 따라서 상하 이동 가능하게 마련되며, 로드(241) 하단에는 랙기어(242a)가 형성되고 제2몸체부(242)는 랙기어(242a)와 치합되는 피니언기어(243)가 마련된다.

피니언기어(243)는 정회전 또는 역회전 구동이 가능한 모터(244)에 의해 회전 구동이 이루어지며, 따라서 모터(244)의 회전에 의해 제2몸체부(242)는 상하 높이 조정이 이루어질 수 있다.

한편 본 실시예에서는 로드(241)와 제2몸체부(242)가 랙과 피니언 기어로 결합되어 몸체부(110)와 제2몸체부(242) 사이의 간격 조정이 이루어짐을 예시하고 있으나, 다른 실시예로써 몸체부와 로드가 랙과 피니언 기어로 결합이 이루어져 몸체부에 대해 로드가 상하 이동하여 몸체부와 제2몸체부 사이의 간격 조정이 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

이와 같이 몸체부(110)와 제2몸체부(242) 사이의 간격 조정이 가능함으로써 쿼드콥터(200)의 자세 안정성을 높일 수가 있다.

구체적으로 설명하면, 제2몸체부(242)는 앞서도 설명한 것과 같이 카메라와 같은 부가 구조물이 설치될 수 있으며, 따라서 쿼드콥터의 무게 중심은 몸체부(110)와 함께 제2몸체부(242) 및 부가 구조물의 하중에 의해 결정된다.

한편 쿼드콥터(200)의 하강 중에는 프로펠러(130)의 회전 속도의 감속이 이루어지므로 풍속에 많은 영향을 받게 되어 불안정한 비행이 이루어질 수 있다.

이와 같은 비행 상황에서 본 발명에서는 몸체부(241)와 제2몸체부(242) 사이의 간격을 멀게 하여 제2몸체부(242)가 무게중심에서 멀리 위치하도록 함으로써 모멘트를 발생시켜 회전력을 만들어 자세 안정성을 높임으로써 프로펠러의 회전 속도의 감속이 이루어지는 하강 비행 시에 발생될 수 있는 쿼드콥터의 불안정한 자세를 개선할 수가 있다.

도 7의 (a)(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티콥터의 저면도 및 정면도이다. 앞서 실시예들과 동일 구성에 대해서는 동일 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 쿼드콥터(300)는 몸체부(310)에 직접 프로펠러(320)가 마련되는 형태로써, 몸체부(310)는 디스크 형태로써 프로펠러(320)가 설치될 위치에 로터홀(311)이 형성되며, 각 로터홀(311) 내에 프로펠러(320)가 마련된다.

각 로터홀(311)은 몸체부(310)에서 연장된 하나 또는 복수의 로드(312)가 마련되며, 로드(312)에 의해 프로펠러(320)를 구동하기 위한 구동모터(321)가 고정된다.

추력조절수단(140)은 몸체부(310) 하단에 배치되어 프로펠러에서 발생되는 풍향을 수평 방향으로 변경이 가능함은 앞서 설명한 것과 동일하며, 또한 추력조절수단은 몸체부에 대해 상하 높이 조절이 이루어질 수 있다.

이와 같이 본 발명에서 몸체부의 형태는 다양하게 변경이 가능하며, 이러한 몸체부의 구조에 따라서 복수의 프로펠러는 몸체부에 직접 또는 별도의 암에 의해 지지될 수 있으며, 이때 추력조절수단은 프로펠러에서 발생되는 풍향을 변경이 가능한 범위 내에서 다양한 변형이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

예를 들어, 본 실시예에서는 4개의 프로펠러로 구성되는 쿼드콥터를 예시하여 설명하였으나, 프로펠러의 구성에 따라서 Tri-copter, Hex-copter, Octo-copter와 같이 2개 이상의 프로펠러에 의해 비행이 이루어지는 멀티콥터에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.

100, 200, 300 : 쿼드콥터 110, 310 : 몸체부
120 : 로터암 130, 320 : 프로펠러
140 : 추력조절수단 141, 241 : 로드
142, 242 : 제2몸체부 143 : 가변날개
242a : 랙기어 243 : 피니언기어

Claims (5)

1. 몸체부에 지지되어 회전 구동되는 복수의 프로펠러와;
   상기 몸체부 아래에 설치되어 회전각 제어가 가능한 가변날개를 포함하여 상기 프로펠러에 의해 생성된 바람을 측방으로 유도하여 전후 좌우 이동 또는 요잉 제어를 위한 추력을 발생시키는 추력조절수단;을 포함하며,
   상기 추력조절수단은,
   상기 몸체부 하단에서 수직하게 마련되는 로드와;
   상기 가변날개가 수평축 상에서 회전 구동이 가능하게 최소한 두 개 이상 방사형으로 구비되어 상기 로드 하단에 마련되되, 상기 몸체부와의 수직 간격의 조정이 가능하도록 마련되는 제2몸체부;를 포함하는 멀티콥터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 가변날개는 상기 제2몸체부에 대해 회전 대칭되게 배치됨을 특징으로 하는 멀티콥터.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 몸체부와 상기 제2몸체부를 연결하는 로드는 상기 몸체부 또는 제2몸체부와 랙과 피니언 기어로 결합됨을 특징으로 하는 멀티콥터.

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