KR101806139B1 - 멀티로터 성능 평가용 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티로터의 성능 평가용 시험장치에 관한 것으로, 베이스로서 기능하는 함체 형상의 지지대(10)와; 요축(Y)을 통해 상기 지지대(10)에 수직으로 설치되며, 양단이 각각 상부를 향해 설치되는 반원 형상의 하부프레임(20)과; 한 쌍의 롤축(X)을 통해 상기 하부프레임(20)의 상단 내측에 연결 설치되는 제1링(30)과; 한 쌍의 피치축(Z)을 통해 상기 제1링(30)의 내측에 상기 제1링(30)과 동심원 상으로 연결 설치되는 제2링(40) 및; 성능 평가 시험을 진행할 수 있도록 내부에 성능 평가 프로그램이 저장된 제어기(50)로 이루어지고, 상기 제2링(40)의 내측에는 상부에 시험대상 멀티로터가 설치될 수 있도록 열십(+)자 형상의 안착부(41)가 위치되며, 상기 요축(Y)과, 상기 한 쌍의 롤축(X) 중 어느 한 개의 롤축(X), 상기 한 쌍의 피치축(Z) 중 어느 한 개의 피치축(Z)에는 각각 구동모터가 구비된 요축구동부, 롤축구동부 및 피치축구동부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 멀티로터의 비행성능을 쉽게 평가할 수 있는 동시에 실제 비행 전에 제작 결함 등을 쉽게 파악할 수 있다.

Description

멀티로터 성능 평가용 시험장치{Performance Testing Device for Multirotor}

본 발명은 멀티로터의 성능 평가용 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수 개의 회전 로터를 구비하여 이들로부터 발생되는 추력을 이용하여 비행하는 UAV, 드론, 헬리캠 등의 멀티로터(이하 '멀티로터'로 통칭한다.)의 비행 성능을 상대 평가하는 데에 사용되는 멀티로터 성능 평가용 시험장치에 관한 것이다.

최근 복수 개의 회전익을 구비하여 이들 회전익에 의해 발생되는 추력을 이용하여 무인 비행하는 멀티로터(multirotor)가 개발되어 널리 사용되고 있으며, 이러한 멀티로터를 제작하였을 때에는 제작결함이 있는지 유무 또는 비행 성능을 평가하여야 하는데, 현재 이러한 평가는 주로 실외 현장에서의 시험비행을 통해 이루어지고 있으며, 이때 부품에 이상이 있는 경우 또는 조립이 잘못된 경우에는 멀티로터가 시험비행 중에 추락하는 사고가 발생되기도 한다.

더구나 상기와 같이 실외에서 시험비행을 통해 성능을 평가하는 경우 시험시마다 그 환경이 달라지기 때문에 그 성능평가 결과가 일정하지 않아 그 신뢰성을 담보할 수 없을 뿐만 아니라 성능시험의 표준화도 달성하기가 쉽지 않다.

따라서 시험환경에 영향을 받지 않으며, 또한 일정한 성능시험 결과를 도출할 수 있는 멀티로터의 성능 평가용 시험장치의 개발이 요구된다.

KR 10-136631 B1 KR 10-2015-0057787 A KR 10-2015-0090539 A KR 10-2015-0136641 A

따라서 본 발명은 상기와 같이 종래의 멀티로터 시험평가 과정에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 시험환경에 영향을 받지 않고, 또한 일정한 성능시험 결과를 도출할 수 있는 멀티로터의 성능 평가용 시험장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 멀티로터 성능 평가용 시험장치를, 베이스로서 기능하는 함체 형상의 지지대와; 요축을 통해 지지대에 수직으로 설치되며, 양단이 각각 상부를 향해 설치되는 반원 형상의 하부프레임과; 한 쌍의 롤축을 통해 하부프레임의 상단 내측에 연결 설치되는 제1링과; 한 쌍의 피치축을 통해 제1링의 내측에 제1링과 동심원 상으로 연결 설치되는 제2링 및; 성능 평가 시험을 진행할 수 있도록 내부에 성능 평가 프로그램이 저장된 제어기로 이루어지고, 제2링의 내측에는 상부에 시험대상 멀티로터가 설치될 수 있도록 열십(+)자 형상의 안착부가 위치되며, 요축과, 한 쌍의 롤축 중 어느 한 개의 롤축, 한 쌍의 피치축 중 어느 한 개의 피치축에는 각각 구동모터가 구비된 요축구동부, 롤축구동부 및 피치축구동부가 구비되도록 구성하는 것에 의해 달성된다.

그리고 본 발명은 요축에 멀티로터 회전익의 추력을 측정할 수 있도록 스트레인게이지가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 한 쌍의 롤축 중 롤축구동부가 설치되지 않은 롤축과, 한 쌍의 피치축 중 피치축구동부가 설치되지 않은 피치축, 안착부에는 각각 관성모멘트조절부재가 설치되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

더욱이 본 발명은 안착부에 설치되는 관성모멘트조절부재가 슬라이딩 방식에 의해 그 설치위치가 가변될 수 있는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명은 시험장치가 서로 간섭되지 않는 구조로 이루어지면서 3개의 축을 독립적으로 제어할 수 있는 시험장치를 사용하여 멀티로터의 성능을 시험할 수 있기 때문에 시험의 정확성과 신뢰성을 담보할 수 있다.

또한 본 발명은 롤축과, 피치축 및 안착부에는 각각 관성모멘트조절부재를 설치하여 멀티로터의 무게중심과 시험장치의 무게중심을 일치시킬 수 있기 때문에 편중 하중에 의한 영향이 배제되어 더욱 정확하고 정교한 시험이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티로터의 성능 평가용 시험장치의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 멀티로터의 성능 평가용 시험장치의 예를 보인 사시도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 제작된 멀티로터의 비행 성능을 일정하고 효과적으로 평가할 수 있는 멀티로터 성능 평가용 시험장치를 제공하고자 하는 것으로, 본 발명의 시험장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 지지대(10), 하부프레임(20), 제1링(30), 제2링(40) 및 제어기(50)를 포함한다.

지지대(10)는 4각 함체 형상으로서 이하에서 설명하는 각 구성부품 등을 지지하기 위한 베이스로서 기능하며, 구조적 강건성을 유지할 수 있도록 금속의 재질로 제작된다.

지지대(10)의 상부에는 반원 형상의 하부프레임(20)이 수직 방향으로 위치되며, 반원의 중앙 부분은 지지대(10)에 수직 방향으로 설치되는 요축(Y)을 통해 지지대(10)에 고정되고, 그 양단은 각각 위쪽을 향하도록 설치되며, 지지대(10)에 설치된 요축(Y)의 하단에는 구동모터(M1)가 구비된 요축축구동부(도면부호 없음)가 설치된다.

그리고 하부프레임(20)의 상단 내측에는 원환(圓環) 형상의 제1링(30)이 하부프레임(20)과 일정 간격을 두고 후술하는 롤축(X)을 통해 하부프레임(20)에 연결되어 설치되며, 이 제1링(30)의 내측에는 다시 제1링(30)과 일정 간격을 두고 동심원 상으로 제1링(30)이 이루는 평면과 동일한 평면상에 후술하는 피치축(Z)을 통해 원환 형상의 제2링(40)이 설치된다.

또한 제2링(40)의 내측에는 2개의 바가 서로 직교하도록 설치됨으로써 열십(+)자 형상의 안착부(41)를 이루며, 이 안착부(41)의 중앙, 즉 2개의 바가 서로 교차하는 부분에는 시험대상 멀티로터가 설치되게 되며, 안착부에는 시험대상 멀티로터를 안착시켜 시험하는 과정에서 멀티로터(1)의 설치위치가 변하지 않도록 멀티로터(1)를 고정하는 고정부재(도면부호 없음)가 구비된다.

하부프레임(20)의 상단 내측에 일정 간격을 두고 설치된 제1링(30)에는 한 쌍의 롤축(X)이 서로 180ㅀ를 이루도록 대향하여 설치되며, 이 한 쌍의 롤축(X)은 각각 그 단부가 하부프레임(20)의 외측에 위치되도록 하부프레임(20)을 관통하여 설치되고, 이 하부프레임(20)의 외측에 위치되는 한 쌍의 롤축(X) 중 한 개의 롤축(X)에는 구동모터(M2)가 구비된 롤축구동부(도면부호 없음)가 설치된다.

그리고 제1링(30)의 내측에 일정 간격을 두고 설치된 제2링(40)에도 한 쌍의 피치축(Z)이 서로 180ㅀ를 이루도록 대향하여 설치되며, 이때 한 쌍의 피치축(Z)은 각각 롤축(X)과 직각(90ㅀ)을 이루도록 설치되며, 이들 피치축(Z)은 각각 그 단부가 제1링(30)의 외측에 위치되도록 제1링(30)을 관통하여 설치되고, 이 제1링(30)의 외측에 위치되는 한 쌍의 피치축(Z) 중 한 개의 피치축(Z)에는 구동모터(M3)가 구비된 피치축구동부(도면부호 없음)가 설치된다.

그리고 요축구동부, 롤축구동부 및 피치축구동부에는 각각 전원선과 제어선이 연결되어 PC 등의 제어기(50)에 의해 제어되며, 이들 축구동부에 각각 구비되는 구동모터(M1, M2, M3)는 정확한 회전 제어가 이루어질 수 있도록 서보모터 또는 BLDC모터가 사용되고, 요축과 롤축(23)이 각각 관통하는 하부프레임(20) 부분과 피치축(Z)이 관통하는 제1링(30) 부분에는 각각 이들 구동축(X, Y, Z)을 지지하면서 원활한 회전이 이루어질 수 있도록 베어링(B)이 설치되며, 이러한 구조에 의해 각각의 구동축(X, Y, Z)이 독립적으로 제어되면서 회전되게 된다.

한편 위에서 설명한 바와 같이 멀티로터를 시험할 때에는 멀티로터를 열십(+)자 형상의 안착부(41)의 중앙에 설치하여 시험하는데, 하부프레임(20)과 제1링(30)의 한쪽에만 구동모터 등이 설치되기 때문에 요축(Y), 롤축(X) 및 피치축(Z)에 편중 하중이 작용하게 되며, 이 경우 요축(Y), 롤축(X) 및 피치축(Z)을 정확하게 제어한다고 하더라도 이 편중 하중 때문에 이들 축으로 기준으로 한 관성모멘트의 불평형이 일어나 정확한 제어가 곤란하다.

이에 따라 본 발명에서는 한 쌍의 롤축(X) 중 롤축구동부가 설치되지 않고 제1링(30)의 외측으로 돌출된 롤축(X)의 단부와 한 쌍의 피치축(Z) 중 피치축동부가 설치되지 않고 제1링(30)의 외측으로 돌출된 피치축(Z)의 단부에 각각 무게추와 같은 관정조절부재(I)를 설치할 수 있도록 하고, 이와 더불어 제2링(40)의 내측에 설치된 안착부(41)를 구성하는 한 쌍의 바에도 각각 관성모멘트조절부재(I)를 설치할 수 있도록 하며, 안착부(41)의 바에 설치되는 관성모멘트조절부재(I)는 슬라이딩 방식에 의해 그 설치위치가 가변될 수 있도록 설치된다.

그리고 롤축(X)과 피치축(Z) 및 안착부(41)에 각각 관성모멘트조절부재를 설치할 때에는 안착부(41)에 시험대상 멀티로터를 설치한 상태에서 적절한 중량의 관성모멘트조절부재(I)를 설치하며, 이들 관성모멘트조절부재(I)의 중량과 설치위치는 관성모멘트조절부재(I)를 롤축(X)과 피치축(Z) 및 안착부(41)에 각각 위치시켰을 때 제1링(30)과 제2링(40)이 각각 정확히 수평을 이루는 중량과 위치로 결정되며, 이러한 과정에 의해 멀티로터(1)의 무게중심과 시험장치의 무게중심이 정확히 일치하게 되며, 따라서 제어기(50)를 통해 이들 축을 각각 제어할 때 정확한 제어가 이루어지면서 멀티로터(1)에 대한 정확하고 신뢰성이 높은 성능평가가 달성될 수 있다.

그리고 본 발명의 시험장치에는 제어상태와 시험결과 등을 확인할 수 있도록 각도계, 회전속도센서, 각도 센서, 각속도 센서 및 스트레인게이지가 설치되는데, 각도계는 제1링(30)과 제2링(40)의 기울어진 각도를 측정할 수 있도록 요축구동부와 피치축구동부의 반대편의 요축(Y)과 피치축(Z)에 각각 설치되며, 회전속도계는 멀티로터(1)의 프롭 회전수를 비접촉식으로 측정할 수 있도록 제2링(40)의 상면에 설치되고, 각도 센서와 각속도 센서는 각각 안착부(41)의 중앙 하부에 설치되어 멀티로터(1)의 각도와 회전 각속도를 실시간으로 측정하며, 이들 센서로부터 각각 검출된 결과는 후술하는 제어기(50)에 실시간으로 전송된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 시험장치에 롤축구동부와 피치축구동부 및 요축구동부를 구비하고, 이들 롤축구동부와 피치축구동부 및 요축구동부를 이용하여 멀티로터(I)가 여러 비행 환경조건 하에서 비행하면서 획득한 비행데이터에 맞추어 피치축(Z), 롤축(X), 요축(Y)을 각각 제어함으로써 비행환경을 모사할 수 있지만, 시험이 시험장치 상에 고정된 상태에서 이루어지기 때문에 비행 고도의 변화에 대한 모사는 행할 수 없으며, 따라서 본 발명에서는 멀티로터(1)의 회전익의 회전에 의한 상승 추력을 측정할 수 있도록 요축(Y)에는 스트레인게이지(도시하지 않음)가 설치된다.

그리고 롤축구동부와 피치축구동부 및 요축구동부에 대한 제어는 제어기(50)에 의해 이루어지며, 이때 제어기(50)는 디스플레이(60)를 구비한 PC가 사용되고, 이 PC에는 각 센서와 제어신호의 입출력이 이루어질 수 있도록 인터페이스가 구비되며, 또한 성능 시험을 수행하고 평가하는 데에 필요한 성능 평가 프로그램이 저장되며, 아울러 비행 시에 획득한 비행데이터는 가공을 거쳐 피치축(Z), 롤축(X), 요축(Y) 각각에 대한 제어변수 형태로 저장되며, 이에 의해 사용자가 제어기의 디스플레이(60) 상에 나타난 여러 비행조건 중 하나를 선택하면 제어 프로그램에 의해 롤축구동부와 피치축구동부 및 요축구동부에 각각 구비된 구동모터(M1, M2, M3)의 동작을 제어하여 성능시험을 수행하고, 성능시험 과정에서 나타나는 멀티로터(1) 회전익의 회전속도, 각속도 등은 센서에 의해 측정되어 제어기(50)에 실시간으로 전송된다.

상기와 같은 구조로 이루어진 시험장치를 이용하여 멀티로터의 비행성능 등을 평가할 때에는 아래의 3가지 방식에 의해 평가한다.

(1) 멀티로터가 처음 제작되었을 때 혹시 부품이나 조립에 이상이 있는지를 평가할 수 있도록 먼저 시험장치에 마련된 안착부(41)의 중앙에 시험대상 멀티로터를 설치한 상태에서 관성모멘트조절부재(I)의 설치위치와 무게 등을 조정하여 제1링과 제2링이 수평의 한 평면을 이루도록 한 상태에서 멀티로터의 회전익을 가동시키고, 이때 시험장치에 설치된 각도계, 회전속도센서, 각도 센서, 각속도 센서 및 스트레인게이지 등을 이용하여 제1링(30)과 제2링(40)이 평형을 유지하는지 여부와 기울어진 각도, 멀티로터의 프롭 회전수, 멀티로터의 각도와 회전 각속도 및 추력 등을 측정하여 이전에 획득된 다른 멀티로터의 시험데이터와 비교함으로써 부품이나 조립 등에 이상이 있는지 여부를 평가한다.

(2) 상기와 같은 과정에 의해 시험대상 멀티로터의 비행성능이 문제가 없는 것으로 평가되면 다음에는 멀티로터의 회전익을 가동시킨 상태에서 제어기에 저장되어 있는 제어프로그램을 이용하여 요축구동부, 롤축구동부 및 피치축구동부에 각각 구비된 구동모터(M1, M2, M3)의 동작을 각각 제어하여 요축, 롤축 및 피치축을 회전시켜가면서 각각의 제어조건 하에서의 멀티로터의 프롭 회전수, 멀티로터의 각도와 회전 각속도 및 추력 등을 측정하여 이들 값과 이전에 획득된 다른 멀티로터의 시험데이터와 비교함으로써 시험대상 멀티로터가 제어기의 제어에 순응하여 제어되고 있는지 여부, 비행조건(입력조건)에 따른 제1링, 제2링 및 멀티로터의 각도, 추력 등이 어떻게 변하는지 여부 등을 평가한다.

(3) 멀티로터는 대기 중을 비행하기 때문에 기상상태에 따라 그 비행성능이 달라질 뿐만 아니라, 기상조건이 악화되는 경우 자칫 추락의 가능성도 존재한다.

따라서 멀티로터의 여러 기상상태에 따른 비행성능을 평가하는 것이 바람직한데, 이를 위해 다른 멀티로터가 비행하면서 획득한 풍향, 풍속, 우량 등의 여러 기상조건 하에서의 비행데이터를 요축, 롤축 및 피치축에 대한 제어데이터로 각각 변환시켜 멀티로터의 회전익을 가동시킨 상태에서 이들 복수 개의 제어데이터에 기초하여 제어기를 이용하여 요축, 롤축 및 피치축을 제어하여 그때의 멀티로터의 각도 등을 측정하게 되면 복수 개의 기상조건에 따른 기상조건별 멀티로터의 비행성능을 평가할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 멀티로터가 처음 제작되었을 때 또는 사용 중에 시험장치에 설치한 상태에서 여러 가지의 설정된 비행조건에 따라 그 비행성능을 사전에 상대 평가할 수 있기 때문에 실제의 비행 전에 제작 결함 등을 사전에 쉽게 파악하여 조치할 수 있으며, 또한 성능평가 결과가 축적되는 경우 이 결과를 이용하여 성능평가 표준을 확립할 수 있다.

1: 멀티로터 10: 지지대
20: 하부프레임 30: 제1링
40: 제2링 41: 안착부
50: 제어기 60: 디스플레이
I: 관성모멘트조절부재 M1, M2, M3: 구동모터

Claims (4)

1. 멀티로터의 비행성능을 평가하기 위한 멀티로터 성능 평가용 시험장치에 있어서,
   시험장치는, 베이스로서 기능하는 함체 형상의 지지대(10)와;
   요축(Y)을 통해 상기 지지대(10)에 수직으로 설치되며, 양단이 각각 상부를 향해 설치되는 반원 형상의 하부프레임(20)과;
   한 쌍의 롤축(X)을 통해 상기 하부프레임(20)의 상단 내측에 연결 설치되는 제1링(30)과;
   한 쌍의 피치축(Z)을 통해 상기 제1링(30)의 내측에 상기 제1링(30)과 동심원 상으로 연결 설치되는 제2링(40) 및;
   성능 평가 시험을 진행할 수 있도록 내부에 성능 평가 프로그램이 저장된 제어기(50)로 이루어지고,
   상기 제2링(40)의 내측에는 상부에 시험대상 멀티로터가 설치될 수 있도록 열십(+)자 형상의 안착부(41)가 위치되며,
   상기 요축(Y)과, 상기 한 쌍의 롤축(X) 중 어느 한 개의 롤축(X), 상기 한 쌍의 피치축(Z) 중 어느 한 개의 피치축(Z)에는 각각 구동모터가 구비된 요축구동부, 롤축구동부 및 피치축구동부가 구비되고,
   상기 한 쌍의 롤축(X) 중 롤축구동부가 설치되지 않은 롤축(X)과, 상기 한 쌍의 피치축(Z) 중 피치축구동부가 설치되지 않은 피치축(Z) 및 상기 안착부(41)에는 각각 관성모멘트조절부재(I)가 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티로터의 성능 평가용 시험장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   요축(Y)에는 멀티로터 회전익의 추력을 측정할 수 있도록 스트레인게이지가 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티로터의 성능 평가용 시험장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 안착부에 설치되는 관성모멘트조절부재(I)는 슬라이딩 방식에 의해 설치위치가 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티로터의 성능 평가용 시험장치.

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