KR101715637B1 - 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구 - Google Patents

드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구 Download PDF

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박성천
윤대환
박정규
곽덕수
서명원
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Abstract

드론에 탑재되는 전파 수집 유닛의 모션을 드론의 움직임과 상관없이 제어하기 위한 기구가 개시된다. 이 기구는, 드론의 베이스와 연결되는 짐벌; 및 상기 짐벌과 결합되며 상기 전파 수집 유닛의 장착을 허용하는 마운트를 포함하며, 상기 짐벌은, 상기 베이스에 회전 가능하게 연결된 채, 제1 모터에 의해 제1 회전축을 중심으로 회전하는 제1 회전부와, 상기 제1 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제2 모터에 의해 제2 회전축을 중심으로 회전하는 제2 회전부와, 상기 제2 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제3 모터에 의해 제3 회전축을 중심으로 회전하되 상기 마운트가 장착되는 제3 회전부를 포함하며, 상기 마운트는, 상기 짐벌에 맞추어, 여러 위치에서 무게 밸런스를 변화시키도록, 분리가능하게 결합되거나 또는 위치가 변화하는 무게 밸런스 조절 수단을 포함한다.

Description

드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구{motion control mechanism for electric wave mounted on drone}
본 발명은 드론을 이용하는 전파 측정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션을 제어하는 기구에 관한 것이다.
자유 공간 영역에서 송신 안테나와 수신 안테나의 사이에서는 다차 회절파로 인하여 양측 안테나 부근 영역의 반경이 매우 좁고, 양측 안테나의 중간 지점에서 반경이 가장 큰 타원체 모양이 형성되는데, 이 영역을 프레넬 영역이라 한다. 이 프레넬 영역은 전계 강도가 장해물 영향(즉, 회절, 반사 등 영향)을 받아 변화하는 영역으로 전파의 수신점에서의 전파는 직접파(직진파) 뿐만 아니라 회절파 또는 반사파에 의해서도 영향을 받는다. 이러한 영향을 받지 않도록 타원형의 어떤 영역 안에 반사 또는 회절파 영향을 주는 장해물이 없도록 해야 하는 영역을 제1 프레넬 영역이라 한다. 따라서, 신뢰성 있는 전파 측정을 위해서는 최소한 제1 프레넬 영역에 어떠한 장애물이 없도록 LOS(Line of Sight)가 확보되어야 한다. 하지만, 산이 많은 지형이나 높은 건물이 많은 도시에서, 건물 옥상이나 철탑에 위치한 무선국의 전파 세기를 측정하거나 또는 고도에 따른 전파 환경 측정 분석을 하는데 있어서, 전술한 것과 같이 LOS의 확보를 통한 신뢰성 있는 전파 측정이 어렵다. 또한, 종래에는 도보나 차량으로 사람의 접근이 불가능한 산악 지역 또는 오염 지역, 즉, 수평적 필드 테스트에서의 접근이 어려운 장소에서는 전파 환경의 측정이 실질적으로 불가능하였다.
KR 10-2014-0082695(공개일자:　2014년　07월 02일)　　
이에 대하여 본 발명의 발명자는 안테나를 포함하는 전파 수집 유닛을 드론에 탑재하여, 기존에는 접근이 어려웠던 전파 발생원에서 발생하는 전파를 수집, 측정하는 기술을 제안하게 되었다. 그러나 안테나 등 전파 수집 유닛을 드론에 탑재하여 전파의 수집 및 측정에 이용함에 있어서, 드론의 움직임에 상관없이 전파 수집 유닛이 원하는 다양한 방향으로 움직여 전파 대상물을 향하여 잘 배향되는 것이 필요하다. 헬리켐 운영시 카메라의 모션 제어를 위해 짐벌(gimbal)이 채용되고 있지만, 이는 특정 카메라의 규격이나 사양에 맞추어 설계된 기구와 프로그램의 수반이 필요하므로, 안테나를 포함하는 전파 수집 유닛의 모션 제어에 적합하지 않다. 또한, 기존에 이용되었던 짐벌을 전파 수집 유닛에 적용하려면 기존 모션 제어 대상물(특히, 특정 카메라)의 전반적인 형상 및 무게는 물론이고 세부 위치에서의 무게 및 형상을 닮아야 한다. 그렇지 않은 경우 짐벌을 작동하여 안테나 수집 유닛의 모션을 제어하는 그 자체가 불가능해질 것이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 안테나 수집 유닛을 유지한 채 짐벌에 탑재되는 마운트의 세부 위치 무게 및 밸런스를 짐벌에 맞게 적절히 조절할 수 있게 구성되어, 짐벌로 하여금 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션을 용이하게 그리고 신뢰성 있게 제어할 수 있도록 해주는 기구를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따라 드론에 탑재되는 전파 수집 유닛의 모션을 드론의 움직임과 상관없이 제어하기 위한 기구가 개시되며, 이 기구는 드론의 베이스와 연결되는 짐벌; 및 상기 짐벌과 결합되며 상기 전파 수집 유닛의 장착을 허용하는 마운트를 포함하며, 상기 짐벌은, 상기 베이스에 회전 가능하게 연결된 채, 제1 모터에 의해 제1 회전축을 중심으로 회전하는 제1 회전부와, 상기 제1 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제2 모터에 의해 제2 회전축을 중심으로 회전하는 제2 회전부와, 상기 제2 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제3 모터에 의해 제3 회전축을 중심으로 회전하되 상기 마운트가 장착되는 제3 회전부를 포함하며, 상기 마운트는, 상기 짐벌에 맞추어, 여러 위치에서 무게 밸런스를 변화시키도록, 분리가능하게 결합되거나 또는 위치가 변화하는 무게 밸런스 조절 수단을 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 전파 수집 유닛은 안테나를 포함하며, 상기 마운트는 상기 안테나가 접속되는 안테나 접속부가 마련된 전방벽을 포함하는 마운트 본체와, 상기 무게 밸런스 조절 수단의 일 부분으로서 상기 마운트 본체의 상부와 전방을 덮도록 제공되며 상기 마운트 본체의 상단에 설치된 각도 조절 힌지에 의해 전방으로 기울어지는 정도가 조절되어, 상기 마운트의 전방 무게 밸런스 조절에 참여하는 전방 무게 밸런스 조절 갓을 포함하며, 상기 무게 밸런스 조절 갓은 상기 안테나가 전파 발생원으로 향하는 것을 가리지 않도록 개구부가 형성된다.
일 실시예에 따라, 상기 전방벽에는 카메라와 레이저 거리 측정기가 더 설치되며, 상기 개구부는 상기 카메라와 상기 거리 측정기가 전파 발생원으로 향하는 것을 가리지 않도록 형성된다.
일 실시예에 따라, 상기 마운트 본체는 적어도 하부벽, 좌측벽 및 우측벽을 더 포함하며, 상기 하부벽, 좌측벽 및 우측벽에는 상기 무게 밸런스 조절 수단의 일부로서, 볼트 체결 수 및 배치에 의해 마운트의 해당 위치에서 무게 및 무게 밸런스를 조절하는 무게 밸런스 조절용 볼트 체결 장공이 형성된다.
일 실시예에 따라, 상기 전방 무게 밸런스 조절 갓은 상기 마운트 본체의 상부를 덮는 상판과 상기 마운트 본체의 전방을 덮는 앞판을 포함하며, 상기 개구부는 상기 앞판 일부 영역에서부터 상기 상판 일부 영역까지 확장된다.
본 발명에 따르면, 안테나 수집 유닛을 유지한 채 짐벌에 탑재되는 마운트의 세부 위치 무게 및 밸런스를 짐벌에 맞게 적절히 조절할 수 있게 구성되어, 짐벌로 하여금 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션을 용이하게 그리고 신뢰성 있게 제어할 수 있도록 전파 수집 유닛의 모션 제어 유닛이 구현된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전파 수집 유닛 및 그 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구가 탑재된 드론을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구를 설명하기 위한 측면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 모션 제어 기구의 마운트를 전방 무게 밸런스 조절 갓의 각도 조절 전 상태(즉, 전방으로 기울이지 않은 상태)에서 도시한 정면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 마운트에 포함된 본체의 정면도, 평면도, 저면도, 좌측면도 및 우측면도를 함께 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 I-I를 따라 취해진 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 첨부된 도면들 및 이에 관한 설명은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자로 하여금 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 의도로 제공된다. 따라서 도면들 및 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전파 수집 유닛 및 그 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구가 탑재된 드론을 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구를 설명하기 위한 측면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 모션 제어 기구의 마운트를 전방 무게 밸런스 조절 갓의 각도 조절 전 상태(즉, 전방으로 기울이지 않은 상태)에서 도시한 정면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 마운트에 포함된 본체의 정면도, 평면도, 저면도, 좌측면도 및 우측면도를 함께 도시한 도면이며, 도 5는 도 4의 I-I를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 드론(10)은 베이스(11)와, 상기 베이스(11)를 중앙에 두고 일정 간격으로 설치되는 복수개의 지지암(12)과, 상기 지지암(12) 각각에 설치되는 로터(13)와, 상기 로터(13)에 설치되는 회전 블레이드(14)를 포함한다.
도시하지는 않았지만, 상기 드론(10)에 지상의 무인 비행 제어부(미도시됨)와 통신하는 통신 수단과 드론(10)의 자세와 위치를 감지하는 센서(또는, 관성 측정 모듈 또는 GPS)들이 구비되고, 상기 복수의 로터(13)가 개별적으로 제어되므로, 드론(10)을 지상의 무인 비행 제어부(미도시됨)가 원격 제어하는 것이 가능하다. 상기 드론(10)의 베이스(11) 하부에는 3축 회전 플랫폼, 즉, 짐벌(20)이 연결된다.
상기 짐벌(20)은 독립적으로 구동되는 3개의 모터(21, 22, 23)에 의해 이하 자세히 설명되는 마운트(30)를 3축 방향으로 회전시킬 수 있는데, 상기 마운트(30)에 전파 수집 기능을 수행하는 안테나(40)가 결합되어 있으므로, 상기 짐벌(20)은 결국 상기 안테나(40)를 3축 방향으로 회전시키면서, 그 안테나(40)가 전파 발생원(미도시됨)에 잘 배향될 수 있게 해준다. 상기 짐벌(20)과 상기 마운트(30)가 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구(MC)를 구성한다.
상기 짐벌(20)은, 상기 베이스(11)에 회전 가능하게 연결된 채, 제1 모터(21)에 의해 제1 회전축(a)을 중심으로 회전하는 제1 회전부(24)와, 상기 제1 회전부(24)에 회전가능하게 연결된 채, 제2 모터(22)에 의해 제2 회전축(b)을 중심으로 회전하는 제2 회전부(25)와, 상기 제2 회전부(25)에 회전가능하게 연결된 채, 제3 모터(23)에 의해 제3 회전축(c)을 중심으로 회전하는 제3 회전부(26)를 포함한다. 제1 회전축(a), 제2 회전축(b) 및 제3 회전축(c)은 서로에 대해 90도를 이룬다. 상기 제3 회전부(26)에는 마운트(30)가 장착되는 마운트 장착부가 제공된다.
상기 드론(10)의 위치에서 촬영한 영상을 지상에 전송하기 위해, 상기 마운트(30)에는 카메라(50)가 결합될 수 있다. 또한, 상기 마운트(30)에는 전파 발생원과 안테나(40) 사이의 거리 측정을 위한 레이저 거리 측정기(60)가 결합될 수 있다. 드론(10) 및 그에 탑재된 안테나(40) 등의 위치 또는 자세 변화에 따라, 짐벌(20)을 제어하는 수단(예컨대, 무인 비행 제어부에 구비될 수 있음)은 드론(10)의 위치 또는 자세 변화에도 불구하고 안테나(40)의 자세와 위치를 안정적으로 제어하여 그 안테나(40)가 공중의 특정 위치에서 전파를 신뢰성 있게 수신할 수 있도록 돕는다.
안테나(40)를 이용한 전파 수집 및 측정에 드론(10)을 이용함으로써, 고도에 따른 전파 환경의 측정이 가능하고, 건물 옥상, 철탑 또는 산악 지형 등 사람의 접근이 불가능한 지역에서의 전파 세기 측정이 가능하다. 또한, 상기 짐벌(20)의 적용은 드론이 선회, 하버링(hovering), 상승, 하강 (falling) 또는 틸팅(tilting)과 같은 여러 자세로 변화될 때 안테나(40)를 의도한 위치로 유지 또는 변경할 수 있도록 해준다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 마운트(30)는 적어도 상부벽(311), 하부벽(312), 좌측벽(313), 우측벽(314) 및 전방벽(315)을 포함하여 이루어진 속이 빈 마운트 본체(31)를 포함한다.
상기 상부벽(311), 하부벽(312), 좌측벽(313) 및 우측벽(314) 및 전방벽(315) 각각은 금속판 또는 플라스틱판으로 구성될 수 있다. 상기 마운트(30)의 전체 무게와 형상은 짐벌(20)에 장착되어 사용되었던 기존 헬리캠용 카메라의 무게와 형상을 고려하여 설계되는 것이 바람직하다. 마운트 본체(31)의 전방벽(315)에 형성된 돌출부(315a)는 기존 카메라 형상을 고려하여 형성된 것이다.
상기 마운트 본체(31)의 전방벽(315)에는 안테나 접속부(40') 마련되어 안테나(40; 도 1 및 도 2 참조)가 분리가능하게 접속된 채 전방을 향해 연장될 수 있다. 또한, 상기 마운트 본체(31)의 전방벽(315)에는 카메라(50)와 레이저 거리 측정기(60)가 설치된다.
또한, 상기 마운트 본체(31)의 벽들, 특히, 하부벽(312), 좌측벽(313) 및 우측벽(314)에는 볼트(70) 체결 수 및 배치를 통해 해당 위치의 무게 및 밸런스를 조절하기 위한 무게 밸런스 조절용 볼트 체결 장공(s)이 가로 방향으로 길게 형성된다. 또한, 상기 장공(s) 주위에는 볼트(70)의 머리가 돌출되지 않도록 하기 위한 단차홈(g)이 형성된다. 상기 볼트(70)는 마운트 본체(31) 안쪽에서 너트(80)과 체결되어 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마운트(30)는 상기 마운트 본체(31)의 상부와 전방을 덮도록 제공되며 상기 마운트 본체(31)의 상단에 설치된 각도 조절 힌지(33)에 의해 전방으로 기울어지는 정도가 조절되어, 상기 마운트(30)의 전방 무게 밸런스를 조절하는데 이용되는 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)을 포함한다.
본 실시예에서 상기 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)은 상기 마운트 본체(31)의 상부를 덮는 상판(324)과 상기 마운트 본체(31)의 전방을 덮는 앞판(322)을 포함한다. 한편, 상기 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)은 그것이 안테나(40), 카메라(50) 및 레이저 거리 측정기(60)를 가리지 않도록 개구부(325)를 갖는다. 본 실시예에서, 상기 개구부(325)는 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)의 앞판(322) 일부 영역에서부터 상판(324) 일부 영역까지 확장된다.
도 3은 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)을 전방으로 기울이는 각도 조절을 하기 전 상태로서, 안테나가 장착되는 안테나 장착부(40')가 개구부(325)를 통해 노출되지 못하고 전방 무게 밸런스 조절 갓(32)에 가려져 있다. 하지만, 마운트(30)가 드론에 탑재될 때에는 도 2에 잘 도시된 바와 같이 전방으로 기울어지는 정도가 커져 개구부(322)를 통해 안테나 장착부(40') 및 그것에 장착되는 안테나(40)가 노출된다. 도시하지는 않았지만, 상기 마운트 본체(31)의 내측에는 스펙트럼 분석기가 내장될 수 있으며, 스펙트럼 분석기와 안테나가 안테나 장착부(40')를 통해 접속될 수도 있다.
한편, 전술한 드론(10)은 총 이륙 무게 11kg 이상, 페이로드(payload) 5kg 이상, 운행거리 반경 600m 이상, 비행 시간 15분 이상, 배터리 22.2V/22000mAh 5set의 규격을 만족시키는 것이 좋다. 또한 드론(10)은 1차 배터리 Low(잔량 낮음) 경고시 최초 운행 지점으로 자동 복귀하도록 그리고 2차 배터리 Low 경고시 현재 위치에서 수직 착륙하고 착륙 위치의 고도 및 위, 경도 데이터를 송신할 수 있도록 미리 프로그래밍되는 것이 선호된다.
안테나(40)는 짐벌(20)과 마운트(30)을 포함하는 기구에 의해 드론(10)에 탑재되며, 특정 위치의 전파 세기를 드론(10) 상에서 측정한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 짐벌(20) 및 그 짐벌(20) 제어하는 수단에 의해, 드론(10)의 위치 또는 자세 변화에도 불구하고, 안테나(40)는 자세 및 위치가 안정적으로 유지된 채 공중의 특정 위치에서 전파 세기를 신뢰성 있게 수신할 수 있다. 안테나(40)는 비지향성(omni-directional) 타입인 것이 바람직하며 페이로드를 고려해 최소 중량으로 제공된다. 주파수 범위, 300 ~ 8000 MHz, 안테나 이득 3.5dBi(평균), 무게 54g의 규격을 갖는 안테나와, 주파수 범위 800 ~ 6000 MHz, VSWR < 2.21, 무게 75g을 갖는 안테나 중 하나가 선택되어 이용되는 것이 바람직하다. 안테나(40)로 필요에 따라 AARRONIA가 제조한 모델명 OmniLOG 30800과 Ocane가 제조한 모델명 AU-800-6000 중 하나를 선택해 사용하는 것이 바람직하다.
스펙트럼 분석기는, 무선국의 전파 세기 측정/분석, 음영 지역 전파 분석, 고도에 따른 전파 환경 측정/특성 연구, 특정 지점에서의 전파 세기 측정 목적을 위해, 드론에 탑재된 채, 안테나(40)를 통해 전파를 수신해, 수신된 전파를 스펙트럼 분석해 드론(10)에 함께 탑재된 탑제 제어유닛으로 보낸다.
스펙트럼 분석기는 Tektronix가 제조한 모델명 RSA306이 선호된다.
레이저 거리 측정기(50)는 레이저를 이용해 전파 발생원으로부터의 거리를 측정해 드론(10)이 전파 발생원으로부터 특정 거리에 위치하도록 거리 정보를 드론(10)에 함께 탑재되어 있는 탑재 제어유닛으로 보낸다. 거리 측정기(50)는 Bosch가 제조한 GLM 모델명 100 C 레이저 거리 측정계가 사용되며, 이 레이저 거리 측정계는 무게 140g, 80m 이상 거리 측정이 가능하다.
탑재 제어유닛은 스펙트럼 분석기를 제어하고, 측정된 전파 측정 데이터 및 거리 데이터를 지상의 전파 모니터링부로 전송한다. 상기 탑재 제어유닛은 인켈코어 i5-3371(1.8GHz) 이상의 CPU, DDR-3.4GB 이상의 메모리, SSD 128GB 이상의 HDD, USB 3.0 입출력단자, WINDOW 7 이상의 OS, 900g 이하 무게를 갖는 것이 좋다. 지상 제어장치 또는 지상의 제어 PC에 구비된 전파 측정 소프트웨어와 WI-FI 통해 연결되어 측정 기기의 제어 및 측정 데이터의 실시간 전송 기능을 수행한다.
10: 드론 20: 짐벌
30: 마운트 40: 안테나
50: 카메라 60: 레이저 거리 측정기

Claims (5)

  1. 드론에 탑재되는 전파 수집 유닛의 모션을 드론의 움직임과 상관없이 제어하기 위한 기구로서,
    드론의 베이스와 연결되는 짐벌; 및
    상기 짐벌과 결합되며 상기 전파 수집 유닛의 장착을 허용하는 마운트를 포함하며,
    상기 전파 수집 유닛은 안테나를 포함하고, 상기 짐벌은, 상기 베이스에 회전 가능하게 연결된 채, 제1 모터에 의해 제1 회전축을 중심으로 회전하는 제1 회전부와, 상기 제1 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제2 모터에 의해 제2 회전축을 중심으로 회전하는 제2 회전부와, 상기 제2 회전부에 회전가능하게 연결된 채, 제3 모터에 의해 제3 회전축을 중심으로 회전하되 상기 마운트가 장착되는 제3 회전부를 포함하며, 상기 마운트는 상기 안테나가 접속되는 안테나 접속부가 마련된 전방벽을 포함하는 마운트 본체와, 상기 마운트 본체의 상부와 전방을 덮도록 제공되며 상기 마운트 본체의 상단에 설치된 각도 조절 힌지에 의해 전방으로 기울어지는 정도가 조절되어, 상기 마운트의 전방 무게 밸런스 조절에 참여하는 전방 무게 밸런스 조절 갓을 포함하며, 상기 무게 밸런스 조절 갓은 상기 안테나가 전파 발생원으로 향하는 것을 가리지 않도록 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전방벽에는 카메라와 레이저 거리 측정기가 더 설치되며, 상기 개구부는 상기 카메라와 상기 거리 측정기가 전파 발생원으로 향하는 것을 가리지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 마운트 본체는 적어도 하부벽, 좌측벽 및 우측벽을 더 포함하며, 상기 하부벽, 좌측벽 및 우측벽에는 볼트 체결 수 및 배치에 의해 상기 마운트의 해당 위치에서 무게 및 무게 밸런스를 조절하는 무게 밸런스 조절용 볼트 체결 장공이 형성된 것을 특징으로 하는 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 전방 무게 밸런스 조절 갓은 상기 마운트 본체의 상부를 덮는 상판과 상기 마운트 본체의 전방을 덮는 앞판을 포함하며, 상기 개구부는 상기 앞판 일부 영역에서부터 상기 상판 일부 영역까지 확장된 것을 특징으로 하는 드론에 탑재된 전파 수집 유닛의 모션 제어 기구.
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