KR101896829B1 - 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인항공기를 이용한 풍동자료의 수집 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 비행이 가능한 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)로서, 풍압을 측정하는 측정부, 위치 정보를 수집하는 GPS(Global Positioning System), 온도를 측정하는 온도센서, 및 측정된 상기 풍압, 위치 및 온도를 송신하는 제1통신부를 구비하는 UAV; 및 상기 제1통신부에서 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 수신하는 제2통신부, 및 상기 제2통신부에서 수신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 상기 UAV가 위치한 구역의 풍속을 연산하는 연산부를 구비하는 베이스 스테이션;을 포함하는 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템 및 이를 이용한 풍동자료 수집 방법을 제공한다.

Description

무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템 및 방법{Wind data collecting system using unmanned aerial vehicle and wind data collecting method}
본 발명은 풍동자료를 수집하기 위한 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 무인항공기를 이용한 풍동자료의 수집 시스템 및 방법을 제공한다.
최근 많은 초고층 구조물이 건설되고 있으며, 이에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.
구조물이 고층화 될수록 이에 미치는 바람의 영향은 기하급수적으로 증가하게 되며, 구조적인 문제뿐만 아니라 외장, 거주성, 주변환경 등에 미치는 영향이 크므로, 계획 및 설계단계에서부터 중요한 요소로 고려되어야 한다.
따라서, 건축구조기준에서도 풍하중이라는 기준을 별도로 두어 설계시 반드시 고려하도록 하고 있다.
바람은 계절, 시간, 고도 등에 따라 불규칙하게 변하며 복잡한 양상을 띠기 때문에, 이를 단순하게 계량화 하기는 어렵다.
기상대 등에서 실측된 자료 등을 이용할 수 있으나, 이는 광활지나 주변 건물의 영향을 받지 않는 곳에서 측정되기 때문에 실제 풍동자료로 사용하기 어렵다.
최근, 직접 풍동실험 등을 통하여 풍하중을 산정하는 방법이 이용되고 있으나, 이렇게 현재 사용되는 풍동자료는 구조물이 설치되는 지점의 정확한 자료가 아닌 해석적인 방법으로 생성된 예측 풍하중을 사용하고, 이러한 예측 풍하중에는 바람의 크기 및 방향성, 고도에 따른 풍속의 변화 등 하중에 따른 가정이 포함되며, 건물과 주변 모형의 제작에 있어서도 불확실성을 내포하나, 이의 신뢰도에 대하여 쉽게 확인할 수 있는 방법은 아직 정립되어 있지 않다(비특허문헌 1).
상기한 바와 같은 예측 풍하중의 불확실성으로 인한 불안감 때문에, 구조물의 설계시에 과다설계가 이루어지기 쉬우며, 이는 곧 구조물 설계 및 설치의 비용 등의 면에 있어서 비효율이라는 문제점을 안고 있다.
비특허문헌 1: 김진구, Magazine of the Korea Concrete Institute, v.8 no.6, 1996, pp.31 - 38
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조물이 설치되 위치의 풍속을 정확히 측정하여 이를 설계시 풍하중으로 고려될 수 있도록 하는 풍동자료 수집 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 비행이 가능한 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)로서, 풍압을 측정하는 측정부, 위치 정보를 수집하는 GPS(Global Positioning System), 온도를 측정하는 온도센서, 및 측정된 상기 풍압, 위치 및 온도를 송신하는 제1통신부를 구비하는 UAV; 및 상기 제1통신부에서 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 수신하는 제2통신부, 및 상기 제2통신부에서 수신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 상기 UAV가 위치한 구역의 풍속을 연산하는 연산부를 구비하는 베이스 스테이션;을 포함하는 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 제공한다.
상기 측정부는, 바람이 유입되는 전압 측정구, 상기 전압 측정구에서 연장되는 측면과 연통되는 정압 연결관, 및 상기 전압측정구로 유입되는 바람의 전압 및 상기 정압 연결관으로 유동하는 바람의 정압의 차를 측정하는 차압계를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 측정부는, 다수개가 구비되며, 상기 측정부의 각 전압 측정구가 서로 다른 방향을 향하도록 위치하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 UAV는 다수로 구비되어, 상기 다수의 UAV가 위치한 각 고도에서의 풍속의 연산이 가능한 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기한 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 이용한 풍동자료 수집 방법으로서, (a) 상기 UAV가 지정된 구역 및 고도로 이동되는 단계; (b) 상기 UAV에 의해 상기 지정된 구역 및 고도의 풍압, 위치 및 온도가 측정되는 단계; (c) 측정된 상기 풍압, 위치 및 온도가 상기 제1통신부에서 상기 제2통신부로 송신되는 단계; 및 (d) 상기 연산부에 의해, 상기 제2통신부로 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 풍속이 연산되는 단계;를 포함하는 풍동자료 수집 방법을 제공한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템 및 방법에 의하면 구조물의 설치 전에, 설치지점 및 고도의 정확한 풍동자료를 정확하고 신속하게 계측 가능하며, 이로써, 구조물 설계시 설계자에게 기존과 같은 풍하중 예측 값의 신뢰도에 따른 불안감을 줄일 뿐만 아니라 이에 의한 과다설계를 방지하여 구조물 설계 및 설치에 드는 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템의 일 구성인 UAV의 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템의 일 구성인 측정부에서의 풍압 측정을 나타낸다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 이용한 풍동자료 수집 방법의 플로우 차트이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, UAV(100, Unmanned Aerial Vehicle) 및 베이스 스테이션(200)을 포함한다.
도 2 및 도 3을 더 참조하여, 상기 각 구성을 상세히 설명한다.
UAV(100)의 설명
UAV(100, Unmanned Aerial Vehicle)는, 무인항공장치로서, 사람이 직접 탑승하지 않은 상태로 비행이 가능한 장치를 말한다.
일례로, 무선전파로 조종이 가능한 소형 무인항공기인 드론(Drone) 등을 들 수 있으며, 본체부(101)에 구비되는 모터 등의 구동수단(미도시)에 의하여 구동되는 프로펠러(102)와 같은 비행수단이 구비되어 비행이 가능하도록 구성되나, 이와 같은 구성에 한정되는 것은 아니다.
UAV(100)에는 측정부(110), GPS(120), 온도센서(130) 및 제1통신부(140)가 구비된다.
측정부(110)는 UAV(100)가 비행하여 위치하는 지정 구역에서의 풍압을 측정할 수 있도록 구성된다.
도 3을 더 참조하면, 측정부(110)는 본체부(101)로부터 연장되는 피토관(pitot tube) 방식의 풍압계로서, 간단하며 소형화된 구조를 통하여 풍압의 측정이 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 측정부(110)는 전압관(111), 전압 측정구(112), 정압 연결관(113) 및 차압계(114)를 구비한다.
전압관(111)은 관 형태로서, UAV(100)의 본체부(101)에 구비되는 차압계(114)로부터 일측으로 연장되며, 상기 전압관(111)과 연통되어 전압 측정구(112)가 형성된다.
정압 연결관(113)의 일측은 전압관(111)의 일측면과 연통되며, 타측은 차압계(114)와 연결된다.
전압 측정구(112)로 유입되는 바람이 각각 전압관(111) 및 정압 연결관(113)을 통하여 차압계(114)로 유동하며, 이러한 전압과 정압의 차가 풍압(동압)이 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기한 측정부(110)는 다수개가 구비되며, 다수의 전압 측정구(112)가 서로 다른 방향을 각각 향하도록 구성되어, 지정된 위치 및 고도에서의 서로 다른 방향에서 부는 바람의 풍압을 각각 측정할 수 있다.
GPS(120, Global positioning system)는, 일반적으로 알려진 장치로서, 위성에서 보내는 신호를 이용하여, 위치정보를 파악하는 장치이다.
GPS(120)는 본체부(101)에 설치되어, UAV(100)의 위치정보를 파악할 수 있도록 하며, 지정된 위치정보의 제공을 통하여 UAV(100)를 지정된 구역으로 비행시켜 위치할 수 있도록 한다.
온도센서(130)는 본체부(101)에 설치되며, 바람직하게는 측정부(110)의 전압관(111) 일측에 설치되어, 풍압측정시에 전압관(111) 내를 유동하는 바람의 온도를 직접 측정할 수 있도록 설치된다.
제1통신부(140)는 무선통신이 가능한 장치로 구성되어, 상기와 같이, 상기 측정부(110), GPS(120) 및 온도센서(130)에서 측정된 풍압, 위치, 및 온도를 포함하는 풍동자료를 후술할 베이스 스테이션(200)으로 송신하는 구성이다.
베이스 스테이션(200)의 설명
도 1 및 도 2를 다시 참조하여 베이스 스테이션(200)의 구성을 설명한다.
베이스 스테이션(200)은, 상기 UAV(100)의 제1통신부(140)로부터 송신되는 풍압, 위치, 및 온도를 포함하는 풍동자료가 수신되는 구성이다.
베이스 스테이션(200)은 지정된 장소에 위치할 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 이동이 가능한 차량으로 구성되어, 상기 UAV(100)를 적재하고 이동하며 풍동자료를 수집할 수 있도록 할 수 있다.
베이스 스테이션(200)은 제2통신부(210) 및 연산부(220)를 포함한다.
제2통신부(210)는 제1통신부(140)와 마찬가지로 무선통신이 가능한 장치로 구성되며, 상기와 같이 UAV(100)의 제1통신부(140)로부터 송신되는 풍압, 위치, 및 온도를 포함하는 풍동자료를 수신한다.
연산부(220)는 제2통신부(210)로 수신된 상기 풍동자료를 통하여 UAV(100)가 위치한 구역의 풍속을 연산하며, 이와 같은 풍속의 연산은 예를 들면 하기 식 1과 같은 정하여진 식을 통하여 연산될 수 있다.
Figure 112017017343695-pat00001
이하, 첨부된 도 5를 더 참조하여 상기 실시예에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 이용한 풍동자료 수집 방법을 상세히 설명한다.
먼저, UAV(100)가 지정된 구역 및 고도로 이동된다(S100).
UAV(100)를, 풍속의 측정이 필요한 지정 장소로 비행하여 이동되도록 한다.
이와 같은 UAV(100)의 이동은 직접 조종에 의해 이루어지거나, 지정된 위치의 GPS(120)를 입력하여 지정된 위치로 이동하도록 할 수 있다.
다음, UAV(100)에 의해 지정된 구역 및 고도의 풍압, 위치 및 온도가 측정된다(S200).
지정 위치 및 고도로 이동한 UAV(100)의 측정부(110), GPS(120) 및 온도센서(130)에 의해, 상기와 같이 풍압, 위치 및 온도를 포함하는 풍동자료가 측정된다.
다음, 측정된 풍압, 위치 및 온도가 제1통신부(140)에서 제2통신부(210)로 송신된다(S300).
UAV(100)의 측정부(110), GPS(120) 및 온도센서(130)에 의해 측정된, 풍압, 위치 및 온도를 포함하는 풍동자료가 제1통신부(140)에서 제2통신부(210)로 무선 송신된다.
다음, 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 풍속이 연산된다(S400).
제2통신부(210)는 제1통신부(140)로부터 송신되는 풍동자료를 수신하며, 연산부(220)는 수신된 풍동자료를 통하여 풍속을 연산한다.
이후, 다른 지정된 위치 및 고도에서의 풍동자료가 더 필요한 경우, 지정 위치 및 고도를 변경하여 상기 S100 내지 S400 단계를 반복적으로 수행하여 여러 위치 및 고도에서의 풍동자료를 수집할 수 있다.
또한, 상기 UAV(100)는 다수개가 구비되어, 여러 위치 및 고도에서의 풍동자료를 동시에 수집할 수 있다.
이와 같이 연산된 풍속은 구조물의 설계 모델링 등에서 풍하중을 고려하는 데에 유용하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템 및 방법에 의하면 구조물의 설치 전에, 설치지점 및 고도의 정확한 풍동자료를 정확하고 신속하게 계측 가능하며, 이로써, 구조물 설계시 설계자에게 기존과 같은 풍하중 예측 값의 신뢰도에 따른 불안감을 줄일 뿐만 아니라 이에 의한 과다설계를 방지하여 구조물 설계 및 설치에 드는 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: UAV
110: 측정부
120: GPS
130: 온도센서
140: 제1통신부
200: 베이스 스테이션
210: 제2통신부
220: 연산부

Claims (5)

  1. 구조물이 설치될 지점의 고도별 풍하중을 산정하기 위한 풍동자료 수집 시스템으로서,
    비행이 가능한 UAV(100, Unmanned Aerial Vehicle)로서, 본체부(101), 상기 본체부(101)의 일측으로부터 연장되어 풍압을 측정하는 측정부(110), 위치 정보를 수집하는 GPS(120, Global Positioning System), 온도를 측정하는 온도센서(130), 및 측정된 상기 풍압, 위치 및 온도를 송신하는 제1통신부(140)를 구비하는 UAV(100); 및
    상기 제1통신부(140)에서 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 수신하는 제2통신부(210), 및 상기 제2통신부(210)에서 수신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 상기 UAV(100)가 위치한 구역의 풍속을 연산하는 연산부(220)를 구비하는 베이스 스테이션(200);을 포함하고,
    상기 연산부(220)는,
    상기 UAV(100)가 이동된 고도에서 측정된 풍압(Pd);
    상기 UAV(100)가 이동된 고도에서 측정된 온도(θ); 및
    상기 UAV(100)가 이동된 위치에서, 상기 GPS(120)로부터 제공받는 위치 정보 및 고도에 따른 대기압(P0);을 포함하는 정보 및 하기의 수학식 1을 통해 풍속(V)을 연산하며(K는 피토큐브계수임),
    Figure 112018078263144-pat00007
    <수학식 1>

    상기 측정부(110) 각각은,
    바람이 수평 방향에서 유입되도록 형성된 전압 측정구(112);
    일단은 상기 전압 측정구(112)와 연통되며, 타단은 상기 본체부(101)에 고정된 전압관(111);
    상기 전압관(111)의 측면과 연통되는 정압 연결관(113); 및
    상기 본체부(101)에 내장되되, 상기 전압관(111)의 타단 및 상기 정압 연결관(113)과 각각 연통되어 상기 전압 측정구(112)로 유입되는 바람의 전압 및 상기 정압 연결관(113)으로 유동하는 바람의 정압의 차를 측정하는 차압계(114); 를 포함하고,
    상기 측정부(110)는 상기 본체부(101) 상에 원주 방향을 따라 다수개가 구비되되, 상기 전압 측정구(112)는 각각 상기 원주의 중심에 대향하는 방향을 향하도록 위치되며,
    상기 UAV(100)는 다수로 구비되어, 상기 다수의 UAV(100)가 위치한 각 고도에서의 풍속의 연산을 동시에 수행하고,
    상기 정압 연결관(113)의 상기 일단 및 타단 사이는 절곡 형성되어 상기 전압 측정구(112)로 유입된 풍압을 감소시키는,
    무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 따른 무인항공기를 이용한 풍동자료 수집 시스템을 이용한 풍동자료 수집 방법으로서,
    (a) 상기 UAV(100)가 지정된 구역 및 고도로 이동되는 단계;
    (b) 상기 UAV(100)에 의해 상기 지정된 구역 및 고도의 풍압, 위치 및 온도가 측정되는 단계;
    (c) 측정된 상기 풍압, 위치 및 온도가 상기 제1통신부(140)에서 상기 제2통신부(210)로 송신되는 단계; 및
    (d) 상기 연산부(220)에 의해, 상기 제2통신부(210)로 송신된 상기 풍압, 위치 및 온도를 통하여 풍속이 연산되는 단계;를 포함하는,
    풍동자료 수집 방법.
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KR101103846B1 (ko) * 2011-08-30 2012-01-12 김준규 공중에 떠 다니는 무인 정보 수집과 송신하는 방법 및 그 시스템

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