KR101739185B1 - 벌룬 ｒｆ 에너지 하베스팅 비행체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 가스가 충전되어 부력을 발생시키는 벌룬, 상기 벌룬 표면에 배치되는 RF 수신 안테나, 상기 RF 수신 안테나로부터 RF 신호를 수신하여 DC로 변환하는 RF-DC 컨버터, 상기 RF-DC 컨버터로부터 인가받은 DC로 충전되는 배터리, 복수의 프로펠러를 포함하는 멀티콥터, 상기 벌룬과 상기 멀티콥터를 결합하는 결합체를 포함하고, 상기 결합체는 상기 벌룬과 상기 멀티콥터 사이의 장력을 감지하는 장력 센서를 포함하고, 상기 멀티콥터는 상기 벌룬의 부력과 상기 멀티콥터의 하중이 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러를 구동하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체를 제공한다.

Description

벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체{Balloon RF Energy Harvesting Aircraft}

본 발명은 벌룬의 표면을 이용한 RF 에너지 하베스팅 비행체에 관한 것이다.

조종사가 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수 있도록 제작된 비행체를 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)라고 한다. 무인항공기는 드론 또는 멀티콥터라고 불리기도 한다. 광학, 적외선, 레이더 센서 등을 탑재하여 감시, 정찰, 정밀 공격 무기의 유도, 통신/정보 중계, EA/EP, Decoy 등의 임무를 수행하며 폭약을 장전시켜 정밀 무기 자체로도 개발되어 실용화되고 있어 향후 미래의 주요 군사력 수단으로 주목받고 있다.

멀티콥터는 다양한 수의 프로펠러를 제어하여 비행체를 공중에 띠워서 모터의 제어를 통한 이동과 공중 체공을 가능하게 한 기술이다. 4개, 6개, 8개 등등의 다양한 프로펠러수를 가지는 헬리콥터를 멀티콥터라 칭하고 방송촬영용의 대형 장비는 헥사콥터가 주로 쓰인다. 이 장비들은 4.5kg의 중량을 가지고 15분 정도를 비행할 수있으며 최고 적재 무게는 11kg까지 가능하다. 하지만 더 놓은 해상도를 가지는 영상 장비를 운영하고 싶거나 장시간 촬영에는 멀티콥터가 사용하는 배터리 용량의 한계로 많은 제한이 있다. 비행시간이 줄고 그에 따른 비행 조정자의 숙련도를 많이 필요로 한다. 또한 추락하게 될 경우 안전성 문제도 큰 고려 대상이다. 도시 지역을 운영 장소로 하게 될 경우 추락하여 인명 피해를 줄 수 있는 사례들도 보고됨에 따라 안전성을 가지는 항공 비행체를 요구하고 있다.

비행선은 헬륨 등의 가벼운 기체를 주입하는 벌룬과 추진 장치 및 방향 조종 장치를 내장한 곤도라로 구성되는데, 무인 비행선은 항공 정찰 내지 항공 사진 촬영용으로 활용되고 있다.

대한민국 등록 특허 제10-1482609호 (공고일 : 2015.01.14) 대한민국 공개 실용신안 제20-2005-0035601호 (공고일 : 2006.03.03) 대한민국 공개 특허 제10-2010-0131411호 (공개일 : 2010.12. 15)

본 발명은 장시간 자유자재로 비행할 수 있는 무인 비행체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면,

내부에 가스가 충전되어 부력을 발생시키는 벌룬;

상기 벌룬 표면에 배치되는 RF 수신 안테나;

상기 RF 수신 안테나로부터 RF 신호를 수신하여 DC로 변환하는 RF-DC 컨버터;

상기 RF-DC 컨버터로부터 인가받은 DC로 충전되는 배터리;

복수의 프로펠러를 포함하는 멀티콥터;

상기 벌룬과 상기 멀티콥터를 결합하는 결합체;를 포함하고,

상기 결합체는 상기 벌룬과 상기 멀티콥터 사이의 장력을 감지하는 장력 센서를 포함하고, 상기 멀티콥터는 상기 벌룬의 부력과 상기 멀티콥터의 하중이 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러를 구동하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체를 제공한다.

상기 안테나는 폴리머 박막위에 전도성 물질을 인쇄하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나는 상기 벌룬 외표면에 전도성 물질을 인쇄하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 멀티콥터는 상기 결합체의 상기 장력 센서에 전기적으로 연결되어 상기 프로펠러의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 장력센서의 감지 신호에 따라 상기 벌룬에 의한 상기 멀티콥터에 작용하는 부력을 연산하여 상기 프로펠러의 출력을 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면,

a) 상기 멀티콥터에 필요한 장비를 탑재한 후, 상기 멀티콥터에 상기 결합체와 상기 벌룬을 결합하는 단계;

b) 상기 벌룬의 기낭에 기체를 주입하는 단계;

c) 상기 기체의 주입에 따라 상기 벌룬이 팽창하며 상승하면, 상기 장력센서가 상기 벌룬의 팽창과 상승에 따른 장력을 변화를 감지하는 단계;

d) 상기 제어부는 상기 장력 센서의 감지 신호에 따라 상기 벌룬의 부력을 연산하고 상기 a) 단계에서 탑재된 장비의 중량을 체크하는 단계;

e) 상기 제어부는 상기 d) 단계에서 연산된 부력과 장비 중력에 따라 프로펠러의 출력을 조정하는 단계;

f) 상기 벌룬에 주입되는 기체와 상기 프로펠러의 구동에 따라 비행체가 상승하고, 원하는 고도에 위치하면 상기 제어부는 상기 프로펠러의 출력을 제어하여 원하는 위치로 비행체를 이동시키는 단계;를 포함하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체 제어 방법을 제공한다.

상기 f) 단계 실시 후, 상기 제어부는 장력센서의 감지 신호를 모니터하여, 부력과 하중이 일정하게 유지되도록 프로펠러 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 멀티콥터와 벌룬을 결합여 벌룬의 넓은 면적을 이용하여 RF 에너지를 수집하여 에너지 하비스팅을 하고 하비스팅된 에너지를 멀티콥터에 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 멀티콥터가 벌룬에 의해 부양력을 갖추게 되어 전기 에너지가 고갈되는 경우에도 추락하여 지상의 인명 등의 피해를 최소화할 수 있는 충분한 안정성을 제공할 수 있다.

도 1 은 기존의 비행선을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체의 분리 사시도, 및
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 RF 에너지 하베스팅 비행체의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체의 분리 사시도이다. 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 하베스팅 비행체는 벌룬(100)과 벌룬(100) 표면에 부착되어 RF 신호를 수신하는 안테나(110), RF 신호를 DC로 변환하는 RF-DC 컨버터, 변환된 DC 전류를 저장하는 배터리, 상기 배터리에서 전원을 인가받는 멀티콥터(200), 멀티콥터(200)를 제어하는 제어부(210), 멀티콥터(200)와 벌룬(100)을 결합하는 결합체(300)를 포함한다.

벌룬(100)에는 헬륨과 같이 공기보다 가벼운 기체가 주입되어 결합하는 멀티콥터(200)에 부력을 제공한다. 기체가 충전되는 벌룬(100)의 부력으로 멀티콥터(200)의 체공시간을 확보할 수 있게 된다. 벌룬(100)은 내부에 기체가 주입되는 복수의 기낭을 포함하는 것이 안정성 강화를 위해 바람직하다. 벌룬(100)은 헬륨과 같은 주입 기체 누설이 적고, 고강도의 경량인 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 벌룬 소재는 강도 100kg/cm 이상, 무게 200g/m2 이하의 조건을 충족해야 한다. 벌룬(100) 외피는 카본 섬유나 폴리에스테르 합성섬유, 또는 이들의 복합 원단을 사용할 수 있다. 벌룬(100)의 체적이 클수록 큰 하중을 부양시킬 수 있으므로, 벌룬(100)의 체적은 결합하는 멀티콥터(200)의 무게와 필요한 장비 등의 무게를 고려하여 결정할 수 있다.

안테나(110)는 별도의 폴리머 박막에 전도성 물질로 인쇄한 후 폴리머 박막을 벌룬(100) 외면에 부착하거나, 벌룬(100)을 구성하는 외피 표면에 직접 전도성 물질을 인쇄하여 안테나를 구성할 수 있다. 벌룬(100)의 넓은 외피 표면에 안테나(110)의 패턴이 형성될 수 있으므로, 안테나(110)의 게인이 향상되어 하베스팅 효율이 높아진다. 벌룬(100) 상면에 배치되는 안테나(110a)는 타원체 벌룬(100)의 상면 형상에 상응하여 하방으로 오목한 형상으로 형성된다. 하방으로 오목한 형상으로 형성되는 안테나(110a)는 지상에서 공중을 향하여 방사되는 RF 신호를 수집할 수 있다. 안테나(110) 패턴은 FM 라디오 신호에서 레이더에 이르기까지의 공중 통신, 방송 등을 위하여 송출되는 전파를 수신할 수 있도록 설계된다. 태양 전지를 이용하는 비행체의 경우에는 태양이 존재하는 동안에만 에너지 하베스팅이 가능한 데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 비행체는 RF 신호를 하베스팅하여 전기에너지를 생성하므로, 그러한 제한이 없는 장점이 있다.

RF-DC 컨버터는 안테나(110)가 수신한 RF 신호를 DC로 변환하여 배터리로 인가한다. 배터리는 RF-DC컨버터에서 인가되는 DC를 저장하여 멀티콥터(200)에 제공하게 된다.

멀티콥터(200)는 복수개의 프로펠러(220)가 프레임으로 연결되고, 구동장치와 통신장치를 포함하는 제어부(210)가 프로펠러(220)의 구동을 제어하여 비행체가 상승과 하강 및 수평 이동하도록 한다. 멀티콥터(200)에는 카메라나 관측 장비 등 비행체의 목적에 따라 필요한 장비가 탑재될 수 있다.

결합체(300)는 벌룬(100)과 멀티콥터(200)를 결합하는 것으로 벌룬(100)과 멀티콥터(200) 사이의 장력을 감지하는 장력 센서를 포함한다. 장력 센서의 감지 신호는 제어부(210)에 인가되고, 제어부(210)는 장력센서의 감지 신호에 따라 멀티콥터(200)에 작용하는 부력을 연산하여 프로펠러(220)의 출력을 조정한다. 즉, 비행체의 상승에 따라 벌룬(100)의 부피가 팽창하면 부력이 상승하게 되는 등, 벌룬(100)의 부력이 변화하는 경우에도 제어부(210)가 장력센서의 감지신호를 이용하여 부력과 멀티콥터의 하중이 일정하게 유지하도록 프로펠러(220)의 출력을 조정할 수 있다.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체의 작동 방법을 나타낸 흐름도로서, 도시하는 바와 같이 먼저 멀티콥터(200)에 필요한 장비를 탑재한다(S10). 멀티콥터(200)에 장비를 탑재한 후, 결합체(300)와 벌룬(100)을 결합한다(S20). 그 다음 벌룬(100)의 기낭에 기체를 주입한다(S30). 공기보다 가벼운 기체를 주입하면 기체의 주입에 따라 벌룬(100)이 부풀며 상승하고, 결합체(300)의 장력센서는 벌룬(100)의 팽창과 상승에 따른 장력을 감지한다. 제어부(210)는 장력 센서의 감지 신호에 따라 부력과 탑재된 장비의 중량을 체크한다(S40). 제어부(210)는 연산된 부력과 장비 중력에 따라 프로펠러(220)의 출력을 조정한다(S50). 벌룬(100)에 주입되는 기체로 인해 벌룬(100)이 상승하고, 프로펠러(220)가 구동하면 비행체가 상승하게 된다(S60). 프로펠러(220)의 구동 없이 벌룬(100)의 기낭에 공기보다 가벼운 기체의 주입 만으로 비행체를 상승하게 할수도 있다. 제어부(210)는 프로펠러(220)의 출력을 제어하여 원하는 위치로 비행체를 이동시킨다(S70). 벌룬(100)은 고도에 따라 압력과 온도가 변화하여 기체의 부피가 변화하게 되므로, 제어부(210)는 장력센서의 감지 신호를 모니터하여, 부력과 하중이 일정하게 유지되도록 프로펠러 구동을 제어한다(S80).

벌룬(100)이 공중에 위치하는 동안 벌룬(100) 표면에 형성된 안테나(110)는 RF 신호를 수신하고, 안테나(110)가 수신한 RF 신호는 RF-DC 컨버터에 의해 DC로 변환되어 배터리에 저장된다. 배터리는 멀티콥터(200)의 작동에 필요한 전기 에너지를 제공하게 된다. 벌룬(100)에 안테나(110)를 적용하므로 벌룬(100)의 큰 표면적을 이용할 수 있으므로 RF 에너지 하베스팅 효율이 증대된다.

100 : 벌룬 110 : 안테나
200 : 멀티콥터 210 : 제어부
220 : 프로펠러 230 : 프레임
300 : 결합체

Claims (6)

1. 내부에 기체가 충전되어 부력을 발생시키는 벌룬;
   상기 벌룬 표면에 배치되는 RF 수신 안테나;
   상기 RF 수신 안테나로부터 RF 신호를 수신하여 DC로 변환하는 RF-DC 컨버터;
   상기 RF-DC 컨버터로부터 인가받은 DC로 충전되는 배터리;
   복수의 프로펠러를 포함하는 멀티콥터;
   상기 벌룬과 상기 멀티콥터를 결합하는 결합체;를 포함하고,
   상기 결합체는 상기 벌룬과 상기 멀티콥터 사이의 장력을 감지하는 장력 센서를 포함하고,
   상기 멀티콥터는 상기 결합체의 상기 장력 센서에 전기적으로 연결되어 상기 프로펠러의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 장력센서의 감지 신호에 따라 상기 벌룬에 의한 상기 멀티콥터에 작용하는 부력을 연산하여 상기 프로펠러의 출력을 조절하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나는 폴리머 박막위에 전도성 물질을 인쇄하여 형성되는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나는 상기 벌룬 외표면에 전도성 물질을 인쇄하여 형성되는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체.
4. 삭제
5. 제 1 항의 RF 에너지 하베스팅 비행체의 제어 방법에 있어서,
   a) 상기 멀티콥터에 필요한 장비를 탑재한 후, 상기 멀티콥터에 상기 결합체와 상기 벌룬을 결합하는 단계;
   b) 상기 벌룬의 기낭에 기체를 주입하는 단계;
   c) 상기 기체의 주입에 따라 상기 벌룬이 팽창하며 상승하면, 상기 장력센서가 상기 벌룬의 팽창과 상승에 따른 장력을 변화를 감지하는 단계;
   d) 상기 제어부는 상기 장력 센서의 감지 신호에 따라 상기 벌룬의 부력을 연산하고 상기 a) 단계에서 탑재된 장비의 중량을 체크하는 단계;
   e) 상기 제어부는 상기 d) 단계에서 연산된 부력과 장비 중력에 따라 프로펠러의 출력을 조정하는 단계;
   f) 상기 벌룬에 주입되는 기체와 상기 프로펠러의 구동에 따라 비행체가 상승하고, 원하는 고도에 위치하면 상기 제어부는 상기 프로펠러의 출력을 제어하여 원하는 위치로 비행체를 이동시키는 단계;를 포함하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체 제어 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 f) 단계 실시 후, 상기 제어부는 장력센서의 감지 신호를 모니터하여, 부력과 하중이 일정하게 유지되도록 프로펠러 구동을 제어하는 벌룬 ＲＦ 에너지 하베스팅 비행체.

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