KR101798908B1 - 무인 비행체 및 그의 충전 방법 - Google Patents

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임성혁
천세범
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 무인 비행체 및 그의 충전 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 장치는 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 구동부, 그리고 전력 전송 선로에서 생성된 자기장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리부를 충전시키는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 전력 전송 선로를 따라 이동하면서 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 의해 발생된 유도 기전력으로 무인 비행체를 효율적으로 충전시킬 수 있다.

Description

무인 비행체 및 그의 충전 방법{Unmanned Aerial Vehicle and Method of Charging thereof}
본 발명은 무인 비행체 및 그의 충전 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 전력 전송 선로를 이용하여 무인 비행체를 자동으로 충전시킬 수 있는 무인 비행체 및 그의 충전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무인 비행체(Unmanned Aerial Vehicle: UAV)는 조종사 없이 지정된 임무를 수행하기 위해 사전에 입력된 프로그램에 따라 비행하거나 비행체 스스로 주위 환경(장애물 또는 항로)을 인식하여 자율적으로 비행할 수 있는 비행체를 말하며, 드론(drone)이라고 불리기도 한다.
이러한 무인 비행체는 일반 비행체와는 달리 조종사를 위한 공간과 안전장치를 별도로 구비하지 않기 때문에 소형화 및 경량화가 가능하며, 사람의 접근이 어려운 곳의 정보 수집과 정찰을 위해 널리 이용된다.
그리고 무인 비행체는 생화학 감지기를 장착한 화생방용 또는 적군의 통신을 마비시키는 전자 전용 등 군사적인 용도로 다양하게 연구 및 개발되고 있으며, 최근에는 방송 및 공연, 농약 살포 또는 화재 진압 등의 민간 부분에서도 그 사용이 확산되는 추세에 있다.
하지만, 무인 비행체는 배터리에 의한 비행 시간이 수 십분 이내로 제한되기 때문에 장시간 비행의 어려움이 있는 문제점이 있었다.
이러한 배터리의 한계는 무인 비행체의 운용 시간(운용 범위)를 제한적으로 만들기 때문에 무인 비행체의 역할을 확대시키거나 보다 다양한 분야에서 사용되는 것을 막는 요인이 되었다.
한국등록특허공보 제10-1496892호 (등록일 2015. 02. 23.)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전력 전송 선로를 따라 이동하면서 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 의해 발생된 유도 기전력으로 무인 비행체를 효율적으로 충전시킬 수 있는 무인 비행체 및 그의 충전 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 명시적으로 언급된 목적 이외에도, 후술하는 본 발명의 구성으로부터 달성될 수 있는 다른 목적도 포함한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체는 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 구동부, 그리고 상기 전력 전송 선로에서 생성된 자기장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고, 상기 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리부를 충전시키는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 전력 전송 선로를 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 상기 유도 기전력이 발생되도록 코일이 권선되는 유도 기전력 발생부, 그리고 상기 발생된 유도 기전력을 상기 배터리부에 맞는 직류 전력으로 변환하는 변환부를 포함할 수 있다.
상기 변환부는 AC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 변환부는 상기 발생된 유도 기전력을 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환하는 레귤레이터, 그리고 상기 변환된 직류 전력을 상기 배터리부에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 무인 비행체가 상기 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 상기 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리부의 충전이 완료될 때까지 상기 무인 비행체의 이동이 반복되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체의 충전 방법은 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 단계, 상기 전력 전송 선로에서 생성된 자기장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키는 단계, 그리고 상기 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 무인 비행체에 설치된 배터리부를 충전시키는 단계를 포함한다.
상기 무인 비행체는 상기 전력 전송 선로에 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 상기 유도 기전력이 발생되도록 코일이 권선되는 유도 기전력 발생부, 그리고 상기 발생된 유도 기전력을 상기 배터리부에 맞는 직류 전력으로 변환하는 변환부를 포함할 수 있다.
상기 변환부는 AC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 변환부는 상기 발생된 유도 기전력을 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환하는 레귤레이터, 그리고 상기 변환된 직류 전력을 상기 배터리부에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 단계는 상기 무인 비행체를 상기 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태로 유지시키면서 상기 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시킬 수 있다.
상기 무인 비행체는 상기 배터리부의 충전이 완료될 때까지 이동이 반복될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체 및 그의 충전 방법에 따르면, 전력 전송 선로를 따라 이동하면서 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 의해 발생된 유도 기전력으로 무인 비행체를 효율적으로 충전시킬 수 있는 장점이 있다.
즉 무인 비행체는 방전 또는 배터리의 잔량이 부족할 경우, 주변에 위치하는 전력 전송 선로를 통해 유도 기전력을 발생시켜 배터리를 용이하게 충전시킬 수 있기 때문에 무인 비행체의 비행 시간을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 무인 비행체의 운용 범위를 확대하여 보다 다양한 분야에서 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 상술된 것에 국한되지 않고 후술하는 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 다른 효과도 본 발명의 효과에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체가 전력 전송 선로를 따라 이동하면서 충전하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체의 충전 과정을 보여주는 동작 흐름도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체의 구성도 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체가 전력 전송 선로를 따라 이동하면서 충전하는 과정을 설명하기 위한 예시도를 나타낸다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 무인 비행체(1)는 구동부(100), 배터리부(200), GPS부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
무인 비행체(1)는 사람이 탑승하지 않은 상태로 비행하는 비행 유닛으로서, 배터리부(200)의 전력을 기초로 복수 개의 회전 날개(30)를 회전시켜 비행함으로써 부여된 임무를 수행할 수 있도록 한다. 무인 비행체(1)는 사용자의 리모콘 조작이나 사용자 단말(미도시)과 통신하여 다양한 패턴 또는 주어진 명령에 따라 비행할 수 있다.
구동부(100)는 복수 개의 회전 날개(30)를 구동시켜 무인 비행체(1)를 비행시키거나 수직 이착륙시킬 수 있다.
보다 자세하게는, 구동부(100)는 배터리부(200)에 저장되어 있는 전력(전기 에너지)를 기계 에너지로 변환하는 모터(motor)를 포함할 수 있고, 모터에 의해 복수 개의 회전 날개(30)를 회전시켜 무인 비행체(1)를 수직으로 이착륙시키고, 전후 또는 좌우 방향으로 이동시킬 수 있다. 이와 같은 구동부(100)는 일반적인 무인 비행체(1)에서도 동일하게 적용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
배터리부(200)는 무인 비행체(1)의 본체에 충전 가능하도록 구성되며, 구동부(100)와 전기적으로 연결되어 구동부(100)로 구동력을 제공할 수 있다.
GPS부(300)는 인공위성을 이용하여 무인 비행체(1)의 현재 위치 및 부여된 임무를 수행하기 위한 목표점의 위치를 파악할 수 있다.
제어부(400)는 무인 비행체(1)를 전반적으로 제어하며, 비행 중인 무인 비행체(1)가 방전되거나 배터리부(200)의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우, GPS부(300)를 이용하여 무인 비행체(1)의 현재 위치에서 가장 가깝게 위치하는 전력 전송 선로(50)의 위치를 파악할 수 있다.
그리고 제어부(400)는 비행 중이던 무인 비행체(1)를 가장 가깝게 위치하는 전력 전송 선로(50)로 이동시킨 후, 전력 전송 선로(50)의 길이 방향을 따라 이동하면서 배터리부(200)에 충전이 이루어지게 제어할 수 있다. 이때 제어부(400)는 무인 비행체(1)가 전력 전송 선로(50)로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 전력 전송 선로(50)의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 제어부(400)는 무인 비행체(1)를 전력 전송 선로(50)의 상측이나 좌우측 방향으로 이동시킨 후 전력 전송 선로(50)로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 전력 전송 선로(50)의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어함으로써 비접촉 방식으로(무선으로) 전력을 제공받을 수 있다. 전력 전송 선로(50)는 발전소 또는 변전소로부터 다른 발전소 또는 변전소로 전력을 보내기 위해 사용되는 전선으로, 일정한 거리로 이격된 복수의 전주 또는 송전탑 사이에 설치될 수 있다. 그리고 전력 전송 선로(50)를 흐르는 고주파 교류 전력에 의해 전력 전송 선로(50)의 주변에는 자기장이 생성될 수 있다.
제어부(400)는 전력 전송 선로(50)에서 생성된 자기장(B)을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리부(200)를 충전시킬 수 있다.
보다 자세하게는, 제어부(400)는 유도 기전력 발생부(420) 및 변환부(440)를 포함할 수 있는데, 유도 기전력 발생부(420)는 전력 전송 선로(50)에 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 유도 기전력이 발생되도록 코일(C)이 권선될 수 있다. 즉 유도 기전력 발생부(420)는 전력 전송 선로(50)에 흐르는 고주파 교류 전력에 의해 코일(C)에 전자기 유도 현상이 발생됨에 따라 코일(C)에 유기되는 유도 기전력을 획득할 수 있다. 전자기 유도 현상은 하나의 폐회로를 통과하는 자기장의 세기가 시간에 따라 변하면 그 변화 속도에 비례하는 기전력이 유도되는 현상으로서, 전류가 흐르는 전력 전송 선로(50)의 주위에 생성되는 자기장에 의해 유도 기전력이 발생될 수 있다.
변환부(440)는 유도 기전력 발생부(420)에서 발생된 유도 기전력을 배터리부(200)에 맞는 직류 전력으로 변환할 수 있는 AC/DC 컨버터(442)로 이루어질 수 있다.
또는 변환부(440)는 레귤레이터(444a) 및 DC/DC 컨버터(444b)를 포함할 수 있다. 레귤레이터(444a)는 유도 기전력 발생부(420)에서 발생된 유도 기전력을 안정화하여 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환할 수 있는 예컨대, 리니어 레귤레이터(Linear Regulator) 등으로 이루어질 수 있다. DC/DC 컨버터(444b)는 변환된 직류 전력을 배터리부(200)에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환할 수 있다.
이와 같이, 유도 기전력 발생부(420)에서 발생되는 유도 기전력은 전력 전송 선로(50)와의 이격 거리에 따라 크기가 변하게 되므로 레귤레이터(444a)를 이용하여 교류 유도 기전력을 일정한 전압으로 안정화하면서 직류 전력으로 변환할 수 있다. 즉 무인 비행체(1)가 이동하면서 전력 전송 선로(50)와의 이격 거리가 변하더라도 레귤레이터(444a)를 이용하여 미리 정해진 직류 전력으로 변환할 수 있다.
그리고 제어부(400)는 배터리부(200)의 충전이 완료될 때까지 무인 비행체(1)의 이동이 반복되도록 제어할 수 있다.
보다 자세하게는, 제어부(400)는 유도 기전력의 효과를 극대화하기 위하여 무인 비행체(1)가 전력 전송 선로(50)에서 생성된 자기장(B)에 직교하는 방향을 따라 주기적으로 반복 이동되도록 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 무인 비행체를 충전시키는 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무인 비행체의 충전 과정을 보여주는 동작 흐름도를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시킬 수 있다(S300).
비행 중인 무인 비행체가 방전되거나 배터리부의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우, 무인 비행체의 현재 위치에서 가장 가깝게 위치하는 전력 전송 선로의 위치를 파악할 수 있다. 그리고 비행 중이던 무인 비행체를 가장 가깝게 위치하는 전력 전송 선로로 이동시킨 후, 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동되게 할 수 있다. 이때 무인 비행체가 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어할 수 있다.
무인 비행체는 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동하면서 전력 전송 선로에서 생성된 자기장을 이용하여 유도 기전력을 발생(S310)시킬 수 있고, 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 무인 비행체에 설치된 배터리부를 충전시킬 수 있다(S320).
이를 위하여 무인 비행체는 유도 기전력 발생부 및 변환부를 포함할 수 있는데, 유도 기전력 발생부는 전력 전송 선로에 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 유도 기전력이 발생되도록 코일(C)이 권선될 수 있다. 즉 유도 기전력 발생부는 전력 전송 선로(50)에 흐르는 고주파 교류 전력에 의해 코일(C)에 전자기 유도 현상이 발생됨에 따라 코일(C)에 유기되는 유도 기전력을 획득할 수 있다. 전자기 유도 현상은 하나의 폐회로를 통과하는 자기장의 세기가 시간에 따라 변하면 그 변화 속도에 비례하는 기전력이 유도되는 현상으로서, 전류가 흐르는 전력 전송 선로의 주위에 생성되는 자기장에 의해 유도 기전력이 발생될 수 있다.
변환부는 유도 기전력 발생부에서 발생된 유도 기전력을 배터리부에 맞는 직류 전력으로 변환할 수 있는 AC/DC 컨버터로 이루어질 수 있다.
또는 변환부는 레귤레이터 및 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 레귤레이터는 유도 기전력 발생부에서 발생된 유도 기전력을 안정화하여 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환할 수 있는 예컨대, 리니어 레귤레이터(Linear Regulator) 등으로 이루어질 수 있다. DC/DC 컨버터는 변환된 직류 전력을 배터리부에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환할 수 있다. 유도 기전력 발생부에서 발생되는 유도 기전력은 전력 전송 선로와의 이격 거리에 따라 크기가 변하게 되므로 레귤레이터를 이용하여 교류 유도 기전력을 일정한 전압으로 안정화하면서 직류 전력으로 변환할 수 있다. 즉 무인 비행체가 이동하면서 전력 전송 선로와의 이격 거리가 변하더라도 레귤레이터를 이용하여 미리 정해진 직류 전력으로 변환할 수 있다.
이와 같이, 비행 중인 무인 비행체가 방전되거나 배터리부의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우, 무인 비행체의 현재 위치에서 가장 가깝게 위치하는 전력 전송 선로의 위치를 파악하고, 무인 비행체를 전력 전송 선로의 상측이나 좌우측 방향으로 이동시킨 후 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어함으로써 비접촉 방식으로(무선으로) 전력을 제공 받을 수 있게 된다.
그리고 배터리부의 충전이 완료될 때까지 무인 비행체의 이동이 반복되도록 제어할 수 있다.
보다 자세하게는, 유도 기전력의 효과를 극대화하기 위하여 무인 비행체가 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 직교하는 방향을 따라 주기적으로 반복 이동하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함한다. 이 매체는 앞서 설명한 무인 비행체의 충전 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다. 이 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 매체의 예에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 자기-광 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치 등이 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 무인 비행체
100: 구동부
200: 배터리부
300: GPS부
400: 제어부
420: 유도 기전력 발생부
440: 변환부

Claims (12)

  1. 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 구동부, 그리고
    상기 전력 전송 선로에서 생성된 자기장을 이용하여 유도 기전력을 발생시키고, 상기 발생된 유도 기전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리부를 충전시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전력 전송 선로를 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 상기 유도 기전력이 발생되도록 코일이 권선되는 유도 기전력 발생부, 그리고
    상기 전력 전송 선로와의 이격 거리에 따라 크기가 변하는 유도 기전력을 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환하는 레귤레이터와, 상기 변환된 직류 전력을 상기 배터리부에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 변환부를 포함하고,
    상기 배터리부의 충전이 완료될 때까지 상기 무인 비행체가 상기 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 직교하는 방향을 따라 주기적으로 반복 이동되도록 제어하는 무인 비행체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에서,
    상기 제어부는,
    상기 무인 비행체가 상기 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태를 유지하면서 상기 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동되도록 제어하는 무인 비행체.
  6. 삭제
  7. 제어부가 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 단계,
    유도 기전력 발생부가 상기 전력 전송 선로를 흐르는 교류 전력의 전자기 유도에 의해 유도 기전력을 발생시키는 단계,
    레귤레이터가 상기 전력 전송 선로와의 이격 거리에 따라 크기가 변하는 상기 유도 기전력을 미리 정해진 전압의 직류 전력으로 변환하는 단계,
    DC/DC 컨버터가 상기 변환된 미리 정해진 전압의 직류 전력을 상기 무인 비행체에 설치된 배터리부에 맞는 전압의 직류 전력으로 변환하는 단계, 그리고
    상기 제어부가 상기 배터리부에 맞게 변환된 직류 전력을 이용하여 상기 배터리부를 충전시키는 단계를 포함하고,
    상기 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 단계는,
    상기 배터리부의 충전이 완료될 때까지 상기 무인 비행체를 상기 전력 전송 선로에서 생성된 자기장에 직교하는 방향을 따라 주기적으로 반복 이동시키는 무인 비행체의 충전 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 7 항에서,
    상기 무인 비행체를 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 단계는,
    상기 무인 비행체를 상기 전력 전송 선로로부터 미리 정해진 간격만큼 이격된 상태로 유지시키면서 상기 전력 전송 선로의 길이 방향을 따라 이동시키는 무인 비행체의 충전 방법.
  12. 삭제
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