KR101864266B1 - 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템에 관한 것으로, 제1 무인비행체, 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체 및, 상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 서로 분리 가능하게 연결시키는 브릿지를 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 구동되지 않은 상태에서 상기 브릿지에 의해 상기 제1 무인비행체에 결합된 상태로 상기 제1 무인비행체에 의해 이동 가능하고, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 비행 중인 상기 제1 무인비행체로부터 분리 가능하다.

Description

멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템{Unmanned Aerial Vehicle System Having Rotary Wing of Multi-Rotor Type}

본 발명은 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 무인비행체가 분리 가능하게 결합되어 동시에 이동하거나 개별적으로 이동하도록 운용 가능한 무인비행체 시스템에 관한 것이다.

최근 구글 또는 아마존 등 다국적 IT 기업들이 드론을 이용한 서비스에 집중하고 있다. 예를 들어, 무인 택배 시스템, 감시 시스템, 촬영 시스템 등 그 활용 분야가 매우 넓다. 이렇게 상업용 드론이 발전함에 따라 2016년 현재 전체 드론 시장의 1%에 불과한 상업용 수요가 2023년에는 7%대로 확대될 것으로 예상되고 있다.

드론은 무인기임과 동시에 고정익 무인기와 달리 회전익이므로 호버링(hovering)이 가능하다는 특징이 있다. 또한 로터(rotor)의 크기가 작은 멀티로터(multi-rotor) 타입이므로, 하나의 로터를 가지는 헬리콥터보다 안정적이고, 안전하다. 더욱이, 엔진이 아닌 모터 기반이어서, 제어 성능이 우수하며, 비교적 소음이 적어 그 활용에 있어 크게 각광을 받고 있다. 즉, 크기가 작은 멀티로터로 동작하므로, 비교적 안전하여, 도심 등 복잡한 환경에서 운용이 용이하다는 장점이 있다.

아울러, 전통적인 항공기에 비해 드론은 로봇에 가깝기 때문에 IoT 등 정보통신 기술을 접목하는 것이 상대적으로 용이하다. 예를 들어, 카메라 등 다른 장비의 착탈이 매우 용이하므로, 이를 이용한 촬영이나 감시 업무에 이미 활용되고 있다.

그러나 드론의 가장 큰 약점은 운용 시간인데, 이는 드론이 모터를 이용하는 배터리 기반이기 때문이다. 일반적인 드론의 경우 운용 시간이 20분을 넘기기가 쉽지 않다. 더욱이 드론은 크기가 작고 배터리 타입이므로 적재하중도 작다.

또한 드론은 멀티로터 타입이기 때문에, 크기가 큰 원 로터(one-rotor)에 비해 외란에 취약하다는 문제가 있다. 외란에 강하기 위해서는 드론의 크기가 커져야 하는데, 이럴 경우 작은 크기로 제어 성능이 우수하다는 드론의 장점을 살리지 못하게 된다. 이러한 문제로 인해 특히 외란이 강한 도심의 고층빌딩 사이이거나, 혹은 산악 지역에 대한 임무 수행 시, 드론을 이용하는 것이 쉽지 않은 상황이다.

예를 들어 고층빌딩에서 화재 발생 시, 구조대원이 진입하기 이전에 현장 내 상황을 모니터링하고, 생존자에 대한 정보를 얻기 위해 드론을 투입할 필요 있다. 특히 바퀴로 구동되는 지상 구동 로봇에 비해, 현장 구조물의 상황 상 실내 드론을 투입할 경우 재난 현장의 인명 구조율이 높아질 수 있다. 그런데, 문제는 실내용 드론의 경우 크기가 클 경우 사고 시 안전에 문제가 되기 때문에 크기가 작아야 하는데, 작은 사이즈의 드론은 고층빌딩의 화재 발생 시 해당 층까지 상승하는 것이 매우 어렵다. 또한 드론의 운용 시간을 확보하기 위해서는 배터리를 절약해야 하는데, 고층으로 올라갈 수 있다 하더라도, 배터리 소모가 매우 심해 고층 빌딩 내에서 필요한 시간 동안 원하는 작업을 수행하기 어렵다.

그 외에도 구조물 진단 및 정찰 등의 업무 수행에 있어 항시 추락의 위험이 있는 바, 추락 시 구조물의 안전을 위해서는 드론의 크기가 작은 것이 유리하다. 결과적으로 드론의 장점을 최대한 살리기 위해서는 작은 형태의 드론이 효과적이나, 작은 드론은 배터리 문제로 인해 운용 시간이 짧고, 또한 외란에 취약하다는 문제점이 있다. 따라서, 고층 빌딩 등의 실외에서 고층에 위치한 재난 현장에 안정적으로 접근이 가능하며, 실내로 진입하여 원활하게 임무 수행을 진행할 수 있는 드론 시스템이 요구되어 왔다.

한국 특허공개 2016-0106826에는 복수의 드론이 개시되어 있다. 도 1은 종래기술에 의한 복수의 드론을 설명하는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 적어도 하나 이상 비행원(14)과 제어부(16) 구비의 통상의 드론은, 제어부(16)에 제어되는 제어부(16a) 구비의 자드론(10b)과 상기 자드론(10b)을 적어도 하나 이상 구비의 모드론(10a)을 포함한다. 이러한 모자드론은 모드론(10a)과 자드론(10b)에 동시 또는 개별 구비되며 상호결합 하는 적어도 하나이상 통상의 고정체(15)와, 고정체(15)에 구비한 상호결합을 감지하는 적어도 하나이상 통상의 센서(15a)와, 상기 모드론(10a) 및 자드론(10b)을 제어 및 상기 센서(15a) 신호로 고정체(15)를 더 제어하는 제어부(16a)를 구비한다.

이러한 종래의 복수 드론은 여러 개의 드론이 결합 및 분리되는 드론 시스템을 개시하고 있기는 하지만, 회전익 비행체의 동작 특성상 복수의 드론이 수평으로 연결되어 같이 동작한다는 점에서 현재 요구되고 있는 드론 시스템의 목적은 충족하기 어렵다.

KR20160106826, JP2016064768A, US8950698

본 발명은 전술한 무인비행체의 운용상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분리 가능하게 결합된 복수의 무인비행체를 이용하여, 일 무인비행체가 다른 무인비행체를 이송하고, 특정 위치에서 분리된 무인비행체가 개별적으로 운용 가능하게 구성되는 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템은 제1 무인비행체, 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체 및, 상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 서로 분리 가능하게 연결시키는 브릿지를 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 구동되지 않은 상태에서 상기 브릿지에 의해 상기 제1 무인비행체에 결합된 상태로 상기 제1 무인비행체에 의해 이동 가능하고, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 비행 중인 상기 제1 무인비행체로부터 분리 가능하다.

바람직하게, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 제1 무인비행체의 상방 또는 하방에 상기 브릿지에 의해 수직방향으로 결합한다. 이때, 상기 제1 무인비행체에 부착된 복수개의 상기 브릿지에 의해 복수개의 상기 제2 무인비행체가 결합되거나, 또는 상기 제1 무인비행체에 결합된 상기 제2 무인비행체에 부착된 상기 브릿지에 의해 연속적으로 복수의 제2 무인비행체가 결합된다.

바람직하게, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 제1 무인비행체 보다 크기가 작다.

바람직하게, 상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 결합하고 있는 상태에는, 상기 제1 무인비행체만 양력을 발생하고 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 양력을 발생하지 않으며, 상기 제1 무인비행체로부터 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 분리되기 위해 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 양력을 발생하면, 상기 제1 무인비행체는 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체에서 발생된 양력만큼 양력을 줄이며, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 정상 상태에 도달하여 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 상기 제1 무인비행체로부터 분리되면, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체의 양력은 그대로 유지되고, 상기 제1 무인비행체는 단독으로 호버링이 가능한 양력으로 복귀한다.

바람직하게, 상기 제1 무인비행체는 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 대기 위치까지 이송하며, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 대기 위치에서 상기 제1 무인비행체로부터 분리되어 목표 위치로 투입된다. 이때, 상기 대기 위치는 실외에 위치하며, 상기 목표 위치는 실내에 위치한다.

바람직하게, 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체와 무선 송수신하며 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체의 작동을 제어하는 제어 장치를 더 포함하며, 상기 목표 위치로 투입된 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는, 상기 대기 위치에서 대기 중인 상기 제1 무인비행체를 통해 상기 제어 장치와 송수신한다.

아울러, 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체와 무선 송수신하여 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 실시간으로 조종하는 조종 장치를 더 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 주위 공간을 촬영한 영상을 상기 제어 장치로 송신할 수 있다.

바람직하게, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 목표 위치에 진입하여 실내 위치 인식을 수행하고, 수색 및 가스, 온도 등의 환경을 모니터링 하여 상기 제어 장치로 송신한다.

바람직하게, 상기 브릿지는 상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 전기적으로 연결하며, 상기 브릿지를 통해 상기 제1 무인비행체로부터 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체로 전원 공급이 가능하다.

도 1은 종래기술에 의한 복수의 드론을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 개략적인 사시도,
도 3은 도 2의 무인비행체 시스템을 구성하는 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 양력 컨트롤을 설명하기 위한 그래프,
도 5a~5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마더 드론의 수직 하방에 베이비 드론이 결합된 형태의 개략도,
도 6a~6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마더 드론의 수직 상방에 베이비 드론이 결합된 형태의 개략도,
도 7은 도 2의 무인비행체 시스템의 예시적인 운용 방법을 도시하는 흐름도,
도 8 및 9는 고층빌딩에서 화재발생시 본 발명에 의한 회전익 무인비행체 시스템이 동작하는 일예를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 의한 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템에 대해 설명하기로 한다.

일반적으로 드론은 회전익 항공기와 유사한 형태로 제작된 무인 비행체(무인기)를 지칭하는 것으로, 용어상으로 ICAO(국제민간항공기구)에서는 UAV (Unmanned Aerial Vehicle), FAA(미 연방항공청)에서는 UA(Unmanned Aircraft)라는 명칭을 사용하고 있다. 본 명세서에서는 상업적으로 사용되는 용어인 드론 대신 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체라는 용어를 사용하고, 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체의 일예로서 드론의 다양한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 구성을 설명하는 블록도이다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템은 제1 무인비행체(100), 제2 무인비행체(200), 브릿지(300), 제어 장치(400) 및, 조종 장치(500)를 포함한다.

제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 각각 몸체(110, 210)와, 몸체(110, 210)에 구비되어 비행을 위한 회전력을 제공하는 날개부(120, 220)를 구비한다. 각각의 무인비행체(100, 200)를 이루는 몸체(110, 210)와 날개부(120, 220)의 형상은 용도에 따라 다양한 형상들로 적절하게 선택될 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템은 제1 무인비행체(100)가 제2 무인비행체(200)를 이송하는 형태이다. 따라서, 제1 무인비행체(100)의 몸체(110) 및 날개부(120)는, 후술하는 바와 같이 제2 무인비행체(200)의 몸체(210) 및 날개부(220) 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 각각의 무인비행체(100, 200)의 몸체(110, 210)와 날개부(120, 220)의 크기는 요구되는 비행고도에서의 저항과 이송 시 필요한 양력 등을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다.

제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200) 각각의 몸체(110, 210)에는 무선 송수신부(130, 230)가 구비된다. 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 각각의 무선 송수신부(130, 230)를 통해 서로 신호를 주고 받을 수 있다. 또한, 무인비행체(100, 200)는 각각의 무선 송수신부(130, 230)를 통해 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)와 제어 또는 조종에 필요한 신호, 예를 들면 무인비행체(100, 200)의 위치 추적과 관련된 신호 등을 받을 수 있다.

한편, 제2 무인비행체(200)가 제1 무인비행체(100)로부터 분리되어 임무 수행 시, 제1 무인비행체(100)는 제2 무인비행체(200)와 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500) 간의 무선 송수신 상의 중계 역할을 수행할 수도 있다. 즉, 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)로부터 송신된 신호는 실외에 위치한 제1 무인비행체(100)를 거쳐 실내의 제2 무인비행체(200)에 전달될 수 있다. 또한, 제2 무인비행체(200)로부터 송신되는 신호는 제1 무인비행체(100)를 거쳐 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)에 전달될 수 있다.

제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200) 각각의 몸체(110, 210)에는 전원부(140, 240)가 구비된다. 전원부(140, 240)는 각각의 무인비행체(100, 200)의 구동에 필요한 전원을 날개부(120, 220)에 공급한다. 또한, 전원부(140, 240)는 무인비행체(100, 200) 내 전원 공급을 요하는 구성요소에 전원을 공급할 수 있다.

도 2에 도시된 일 실시예에 의하면, 제1 무인비행체(100)가 실외에서 제2 무인비행체(200)를 이송하는 점에서, 제1 무인비행체(100)의 전원부(140)는 대용량의 배터리 또는 연료 전지를 사용하는 것이 바람직하다. 제2 무인비행체(200)의 전원부(240)는 수행할 임무를 고려하여 적정 용량의 배터리를 사용하는 것이 이송 효율 측면에서 좋다.

한편, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 촬영부(150, 250)를 포함할 수 있다. 각각의 촬영부(150, 250)는 이동 중에 무인비행체(100, 200) 주위를 촬영하여 영상을 생성하며, 무선 송수신부(130, 230)를 통해 제어 장치(400)로 송신할 수 있다. 촬영된 영상은 무인비행체(100, 200) 간의 결합, 분리 및 이동에 대한 정보를 모니터링하고 분석하는데 사용될 수 있다.

상술한 바와 같은 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 브릿지(300)에 의해 수직으로 서로 연결 및 분리가 가능하다. 즉, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 서로 연결되어 함께 이동하거나, 서로 분리되어 개별적으로 이동할 수 있다. 예를 들면, 제1 무인비행체(100)는 제2 무인비행체(200)와 연결되어 일정 경로 동안 제2 무인비행체(200)를 이송하고, 이송 후 제2 무인비행체(200)를 분리시킬 수 있다.

제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)가 수직 방향으로 서로 결합되는 이유는, 멀티 로터 타입 회전익 무인비행체의 특성상 무게 중심 기반의 밸런싱(balancing)을 용이하게 수행하기 위해서이다. 즉, 종래기술과 같이 양력의 증가를 위해서 복수의 무인비행체를 결합시키는 것이 아니고, 어느 하나의 무인비행체의 배터리를 아낀 상태로 타겟 지역에 접근하는 것이기 때문에, 수평으로 결합할 경우 동작하지 않는 무인비행체로 인하여 무게 중심을 잡기가 어렵다. 또한 대부분의 결합 상태에서의 운용 시간에 작은 무인비행체는 동작하지 않기 때문에 하방력(down force) 문제가 비교적 적다.

이와 같이, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 브릿지(300)에 의해 수직으로 결합됨으로써 일체로 작동한다. 따라서, 브릿지(300)는 제1 무인비행체(100)에 대해 제2 무인비행체(200)의 하중을 지지할 수 있도록 충분히 견실한 구조와 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 브릿지(300)는 제1 무인비행체(100)의 몸체(110)에 완전히 고정되거나, 탈착 가능하게 결합될 수 있다. 제1 무인비행체(100)와 브릿지(300)는 서로 결합된 상태로 운용되고, 보관 시에만 분리될 수 있다. 제1 무인비행체(100)는 브릿지(300)와 삽입 결합, 나사 결합 등으로 결합되거나, 제조 시 일체로 형성될 수도 있다.

제2 무인비행체(200)는 브릿지(300)의 제1 무인비행체(100) 맞은편에 위치하는 단부에 결합된다. 이로써, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)와 일체를 이루도록 연결될 수 있다. 한편, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)가 정지하고 있는 경우는 물론, 제1 무인비행체(100)가 비행 중인 경우에도 제1 무인비행체(100)와 연결되거나, 제1 무인비행체(100)로부터 분리될 수 있다. 예를 들면, 후술되는 바와 같이 제1 무인비행체(100)는 제2 무인비행체(200)를 높은 고도의 대기 위치까지 이송한 후, 제2 무인비행체(200)가 단독으로 개별 임무를 수행할 수 있도록 제2 무인비행체(200)와 공중에서 분리될 수 있다.

제2 무인비행체(200)는, 비행 중에 제1 무인비행체(100)로부터 분리되거나 제1 무인비행체(100)에 결합될 수 있는 점에서, 브릿지(300)와 전자적으로 제어될 수 있도록 결합되는 것이 바람직하다. 먼저, 제2 무인비행체(200)의 무선 송수신부(230)에 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)로부터 송신된 분리 신호가 수신되면, 제2 무인비행체(200) 내의 잠금 수단(미도시)이 전자적으로 해제됨으로써 제2 무인비행체(200)가 브릿지(300)와 분리될 수 있다. 제2 무인비행체(200)와 브릿지(300) 간의 결합 방식은 전자적으로 제어 가능한 공지의 결합 방식이 적절하게 채용될 수 있다.

제2 무인비행체(200)는 임무 수행 후 제1 무인비행체(100)에 다시 접근하여 재차 브릿지(300)와 결합함으로써 비행 중인 제1 무인비행체(100)에 연결될 수 있다. 이때, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)와의 위치 관계에 따라 제어 장치(400)에 미리 설정된 결합 프로세스를 통해 브릿지(300)에 결합될 수 있다. 또한, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)에 근접 시 별도의 가이드 수단(미도시)에 의해 결합 가능하게 안내됨에 따라 브릿지(300)에 결합될 수도 있다.

브릿지(300)는 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)를 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다. 예를 들면, 제2 무인비행체(200)의 전원부(240)는, 브릿지(300)를 통해 제1 무인비행체(100)의 전원부(140)로부터 전원을 공급받을 수 있다. 이로써, 제2 무인비행체(200)의 임무 수행 중 전원이 부족한 경우 재차 제1 무인비행체(100)와 결합하여 전원을 공급받아 계속하여 임무를 수행할 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 양력 컨트롤에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 양력 컨트롤을 설명하기 위한 그래프이다. 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 그래프의 세로축은 양력을 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 무인비행체가 동시에 동작할 경우, 양력의 밸런스가 깨져 호버링이 어려울 수 있다. 따라서, 제1 무인비행체와 제2 무인비행체가 단순히 결합만 하고 있는 t1 이전에는 제1 무인비행체만 양력을 발생하고 제2 무인비행체는 양력을 발생하지 않는다. 이후, 제1 무인비행체로부터 제2 무인비행체가 분리되기 위해 제2 무인비행체가 양력을 발생하면, 제1 무인비행체는 제2 무인비행체에서 발생된 양력만큼 양력을 줄인다. 즉, t1~t3 까지는 제2 무인비행체가 양력을 발생하여도 전체 양력은 동일하다. 제2 무인비행체가 정상 상태(제2 무인비행체가 분리된 상태에서도 호버링이 가능한 수준)에 도달하기 까지, 제1 무인비행체와 제2 무인비행체는 결합 상태를 유지한다.

t3에 제2 무인비행체가 제1 무인비행체로부터 분리되면, 제2 무인비행체의 양력은 그대로 유지되나, 제1 무인비행체는 단독으로 호버링이 가능할 만큼의 양력으로 복귀한다. 즉, 제1 무인비행체는 제2 무인비행체가 분리되면 1차적으로 양력이 부족해지면서 고도가 떨어지게 되므로, 자체 파워를 늘려 양력을 회복하여, 다시 호버링 모드로 들어가게 된다. 이후, 제1 무인비행체 및 제2 무인비행체는 각자 독립적으로 동작하게 된다.

이하에서는 도 5a~6c를 참조하여 무인비행체들의 다양한 결합 방식에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위해 도 2에서 설명한 제1 무인비행체(100)는 마더 드론으로, 제2 무인비행체(200)는 베이비 드론으로 단순화하여 도시하고 설명한다.

도 5a~5c는 마더 드론의 수직 하방에 베이비 드론이 결합된 형태를 도시한다. 마더 드론과 베이비 드론은 브릿지로 결합될 수 있는데, 도 5a와 같이 하나의 베이비 드론이 연결될 수도 있고, 도 5b와 같이 하방으로 계속하여 복수개의 베이비 드론이 연결될 수도 있다. 또는, 도 5c와 같이, 복수개의 브릿지에 의해 복수개의 베이비 드론이 연결될 수도 있다. 이러한 복수개의 드론은 브리지의 일부 또는 전체가 연결된 상태로 이동 가능하다.

도 5c는 도해의 편의를 위해 예시적으로 도시된 것이며, 베이비 드론은 마더 드론의 어느 방향에 배치되도록 결합되어도 무방하다. 예를 들면, 마더 드론의 중심에 대해 대칭을 이루도록 복수의 베이비 드론이 마더 드론의 측방에 연결될 수도 있다. 하지만, 도 5c와 같이, 하나 이상의 베이비 드론이 장착 시, 해당 베이비 드론이 분리되었을 때 전체적인 무게 중심의 변화가 불가피하다. 이때 무게 중심 이동에 대한 예측이 가능하므로, 이를 고려하여 밸런싱 컨트롤을 하여야 한다. 일반적으로 드론은 기울기 센서 기반으로 밸런싱 컨트롤을 수행하나, 베이비 드론 분리 시는 해당 드론이 분리된 상태에서의 무게 및 양력 변화에 대한 추정이 가능하기 때문에 기울기 센서가 없이도 빠른 밸런싱 컨트롤이 가능하다.

도 6a~6c는 마더 드론의 수직 상방에 베이비 드론이 결합된 형태를 도시한다. 도 6a와 같이, 마더 드론의 상방에 하나의 브릿지를 통해 하나의 베이비 드론이 연결될 수 있다. 또는 도 6b와 같이, 마더 드론의 상방에 2개 이상의 브릿지에 의해 2개 이상의 베이비 드론이 각각 연결될 수도 있다. 또는, 도 6c와 같이, 브릿지는 하나이나 상방의 다른 연결 수단에 의해 복수의 베이비 드론이 연결될 수도 있다.

이하, 도 7을 이용하여 본 발명에 의한 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템의 동작에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명에 의한 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템 동작의 일예를 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 서로 연결된 상태로 출발 위치로부터 목표 위치와 인접한 실외의 대기 위치까지 이동한다(S10). 이때, 제1 무인비행체(100)는 브릿지(300)를 통해 제2 무인비행체(200)를 지지하며 이동한다.

예를 들면, 제1 무인비행체(100)는 지상에서부터 목표 위치가 있는 건물의 해당 층 고도의 실외 위치까지 이동할 수 있다. 이때, 제2 무인비행체(200)는 구동하지 않은 상태로 이송된다.

한편, 목표 위치가 지정되면, 제어 장치(400)는 미리 설정된 규칙에 따라 이동 경로를 결정하여 제1 무인비행체(100) 및 제2 무인비행체(200)를 이동시킬 수 있다. 또한, 조종 장치(500)를 이용하여 제1 무인비행체(100)를 직접 조종하여 목표 위치까지 이동시킬 수도 있다.

그 다음으로, 대기 위치에 도달한 후, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)로부터 분리된다(S20). 제어 장치(400)에 의해 제1 무인비행체(100) 및 제2 무인비행체(200)가 대기 위치에 도달한 것이 확인되면, 제어 장치(400)는 제1 무인비행체(100) 또는 제2 무인비행체(200)로 분리 신호를 송신한다. 이때, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 미리 설정된 분리 프로세스 또는 수동 조작으로써 서로 분리될 수 있다.

제2 무인비행체(200)가 분리된 제1 무인비행체(100)는 대기 위치에서 호버링(hovering)하도록 제어될 수 있다. 즉, 제1 무인비행체(100)가 외력에 의해 대기 위치를 벗어날 경우, 제1 무인비행체(100)는 대기 위치를 기준으로 현재 위치와 대기 위치 간의 오차를 줄이는 방향으로 이동하도록 제어될 수 있다.

분리 후, 제2 무인비행체(200)는 제1 무인비행체(100)와는 별도로 비행할 수 있다. 이때, 제2 무인비행체(200)는 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)에 의해 작동 가능하다.

그 다음으로, 제2 무인비행체(200)는 실내의 목표 위치로 이동하며 주어진 임무를 수행한다(S30). 예를 들면, 화재 현장에 진입하는 제2 무인비행체(200)의 경우, 촬영부(250)를 통해 생존자 유무와 위치를 파악할 수 있다.

임무 수행 동안, 제2 무인비행체(200)는, 실내에서 운용되는 점에서 근접한 실외 위치에 있는 제1 무인비행체(100)를 통해 제어 장치(400) 또는 조종 장치(500)와 통신하는 것이 유리하다. 제2 무인비행체(200)의 위치, 촬영된 영상 등은 무선 송수신부(230)로부터 제1 무인비행체(100)의 무선 송수신부(130)를 통해 제어 장치(400)로 송신될 수 있다.

한편, 촬영된 영상을 바탕으로, 조종 장치(500)로써 실시간으로 제2 무인비행체(200)를 조종하여 원하는 위치로 제2 무인비행체(200)를 이동시키고 임무를 수행시킬 수도 있다.

그 다음으로, 임무 수행 후, 제2 무인비행체(200)는 대기 위치에서 호버링 중인 제1 무인비행체(100)로 이동하여 제1 무인비행체(100)와 다시 결합한다(S40).

이때, 제1 무인비행체(100)는 분리 전 대기 위치에서 비행 중일 수도 있으나, 제2 무인비행체(200)의 임무가 종료되는 위치와 인접한 다른 대기 위치에서 비행 중일 수도 있다.

제2 무인비행체(200)는 제2 무인비행체(200)의 몸체(210) 상의 결합 부분과 브릿지(300)의 단부가 근접하도록 이동하며, 제어 장치(400)를 통해 미리 설정된 결합 프로세스로써 브릿지(300)와 결합되거나, 가이드 수단의 보조에 의해 브릿지(300)와 결합될 수도 있다.

재결합 후, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 출발 위치로 이동하여 임무를 종료한다(S50). 한편, 또 다른 임무가 연속적으로 주어진 경우, 제1 무인비행체(100)와 제2 무인비행체(200)는 다음 목표 위치와 인접한 대기 위치로 이동하며, 상기 단계들을 반복하여 임무를 수행할 수도 있다.

이하에서는, 도 8~9를 참조하여 화재 발생시 무인비행체가 동작하는 일예에 대해 설명한다.

도 8 및 9는 고층빌딩에서 화재발생시 본 발명에 의한 회전익 무인비행체 시스템이 동작하는 일예를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 의한 회전익 무인비행체는 설명의 편의를 위해 제1 무인비행체(100)는 마더 드론으로, 제2 무인비행체(200)는 베이비 드론으로 단순화하여 도시하고 설명한다.

도 8을 참조하면, 고층빌딩에서 화재발생시 소방차 등이 접근하기 어렵다. 이 경우, 초기 화재 대응 및 모니터링을 위해 마더 드론이 베이비 드론과 결합된 상태에서 고층으로 접근할 수 있다. 베이비 드론은 위에서 설명한 것처럼 마더 드론의 상방 또는 하방 등에 수직 방향으로 다양한 형태로 결합될 수 있다. 이때, 베이비 드론은 양력이 발생하지 않는 정지 상태이다. 마더 드론이 베이비 드론을 결합하여 타겟 고도 및 위치에 도달하면, 재난이 발생한 빌딩 층의 현장 입구쪽으로 최대한 접근할 수 있다.

이어서, 마더 드론이 타겟 위치에서 안정적으로 호버링하는 동안, 베이비 드론이 마더 드론으로부터 분리된다. 베이비 드론은 빌딩내 재난현장으로 진입하고, 마더 드론은 분리 위치에 고정 대기할 수 있도록 제어된다.

이러한 동작을 위해, 마더 드론은 연료전지 또는 대용량 배터리를 탑재할 수 있다. 따라서, 운반 가능한 무게가 크며, 오랜 기간동안 호버링이 가능하므로, 고층건물의 재난재해 현장에 초근접 대기 운용이 가능하다. 한편, 베이비 드론은 마더 드론 보다는 적은 적정용량 배터리를 탑재할 수 있다. 따라서, 운용시간이 짧으므로, 원하는 위치까지 이동시에는 동작하지 않으며, 빌딩내로 진입하여 실내 운용 목적 또는 타겟 지역 진입용으로 동작할 수 있다.

도 9는 마더 드론이 대기하는 상태에서 베이비 드론이 빌딩내로 진입한 것을 도시한다. 베이비 드론은 타겟 위치에 진입하여 실내 위치 인식을 수행하고, 수색 및 가스, 온도 등의 환경을 모니터링 한다. 또한, 영상을 이용하여 재난 환경 및 구조 정보를 송신할 수 있다. 마더 드론은 대기 상태에서 베이비 드론을 위한 통신 중계기 역할을 할 수 있으며, 베이비 드론에 대한 모니터링이나 추가 항법 신호를 제공할 수 있다. 또한, 마더 드론은 타겟 지역에 대한 4G/3G 등 임시 통신망을 구축할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 제1 무인비행체
110 : 제1 무인비행체 몸체
120 : 제1 무인비행체 날개부
130 : 제1 무인비행체 무선 송수신부
140 : 제1 무인비행체 전원부
150 : 제1 무인비행체 촬영부
200 : 제2 무인비행체
210 : 제2 무인비행체 몸체
220 : 제2 무인비행체 날개부
230 : 제2 무인비행체 무선 송수신부
240 : 제2 무인비행체 전원부
250 : 제2 무인비행체 촬영부
300 : 브릿지
400 : 제어 장치
500 : 조종 장치

Claims (11)

1. 멀티로터 타입의 회전익 무인비행체 시스템에 있어서,
   제1 무인비행체;
   적어도 하나 이상의 제2 무인비행체; 및
   상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 서로 분리 가능하게 연결시키는 브릿지를 포함하며,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 구동되지 않은 상태에서 상기 브릿지에 의해 상기 제1 무인비행체에 결합된 상태로 상기 제1 무인비행체에 의해 이동 가능하고,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 비행 중인 상기 제1 무인비행체로부터 분리 가능하고,
   상기 제1 무인비행체에 결합된 상기 제2 무인비행체에 부착된 상기 브릿지에 의해 연속적으로 복수의 제2 무인비행체가 결합되고,
   상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 결합하고 있는 상태에는, 상기 제1 무인비행체만 양력을 발생하고 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 양력을 발생하지 않으며,
   상기 제1 무인비행체로부터 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 분리되기 위해 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 양력을 발생하면, 상기 제1 무인비행체는 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체에서 발생된 양력만큼 양력을 줄이며,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 정상 상태에 도달하여 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체가 상기 제1 무인비행체로부터 분리되면, 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체의 양력은 그대로 유지되고, 상기 제1 무인비행체는 단독으로 호버링이 가능한 양력으로 복귀하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 제1 무인비행체의 상방 또는 하방에 상기 브릿지에 의해 수직방향으로 결합하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 무인비행체에 부착된 복수개의 상기 브릿지에 의해 복수개의 상기 제2 무인비행체가 결합되는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 제1 무인비행체 보다 크기가 작은 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 무인비행체는 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 대기 위치까지 이송하며,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 상기 대기 위치에서 상기 제1 무인비행체로부터 분리되어 목표 위치로 투입되는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 대기 위치는 실외에 위치하며, 상기 목표 위치는 실내에 위치하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체와 무선 송수신하며 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체의 작동을 제어하는 제어 장치를 더 포함하며,
   상기 목표 위치로 투입된 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는, 상기 대기 위치에서 대기 중인 상기 제1 무인비행체를 통해 상기 제어 장치와 송수신하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체와 무선 송수신하여 상기 제1 무인비행체 및 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 실시간으로 조종하는 조종 장치를 더 포함하며,
   상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 주위 공간을 촬영한 영상을 상기 제어 장치로 송신하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체는 목표 위치에 진입하여 실내 위치 인식을 수행하고, 수색 및 가스, 온도 등의 환경을 모니터링 하여 상기 제어 장치로 송신하는 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 브릿지는 상기 제1 무인비행체와 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체를 전기적으로 연결하며,
    상기 브릿지를 통해 상기 제1 무인비행체로부터 상기 적어도 하나 이상의 제2 무인비행체로 전원 공급이 가능한 것을 특징으로 하는 무인비행체 시스템.
    

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