KR101928454B1 - 군집 비행용 무인비행선 및 이의 제어방법 - Google Patents

군집 비행용 무인비행선 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비행 제어시 군집 비행하던 여타의 무인비행선 중 어느 한 무인비행선이 경로 이탈로 인해 일정시간 이상 위치 정보가 수신되지 않음으로 확인할 경우 경로설정프로그램에 의해 상기 경로를 이탈한 무인비행선을 제외한 나머지 무인비행선들의 위치를 고려하여 비행 경로를 재지정하고, 이렇게 재지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 제어함을 특징으로 하는 군집 비행용 무인비행선의 비행 제어방법이 제공되며, 이를 통해 군집 비행하는 무인비행선들 상호 간의 위치 인지를 통해 원하는 대열 및 형태를 정확히 유지할 수 있도록 함과 더불어 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 잔여 무인비행선들의 위치 보상이 자동으로 이루어지면서 정해진 비행을 수행할 수 있도록 한 것이다.

Description

군집 비행용 무인비행선 및 이의 제어방법{aircraft for group flying and operating method the aircraft}
본 발명은 무인비행선에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 군집 비행하는 무인비행선들 상호 간의 위치 인지를 통해 원하는 대열 및 형태를 정확히 유지할 수 있도록 함과 더불어 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 잔여 무인비행선들의 위치 보상이 자동으로 이루어지면서 정해진 비행을 수행할 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 군집 비행용 무인비행선 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 무인비행체는 사람이 직접 탑승하지 않고 비행하면서 각종 작업(예컨대, 촬영이나 물건의 운반 혹은, 항공 살포 등)을 수행할 수 있도록 이루어진 비행체이다.
이와 같은 무인비행체는 통상 미리 지정된 경로를 입력받아 GPS좌표를 이용하여 해당 경로를 따라 목적지로 비행하도록 이루어지거나 혹은, 특정 사용자가 무선 조종기를 이용하여 해당 무인비행체의 비행을 조종하도록 이루어진다.
특히, 최근에는 복수의 무인비행체가 서로 군집 비행을 수행할 수 있도록 프로그래밍함으로써 복수의 무인비행체들을 이용한 에어쇼와 같이 다양한 용도로의 활용이 가능하도록 하였으며, 이러한 무인비행체의 군집 비행에 관련하여는 등록특허 제10-1183118호, 등록특허 제10-1634878호, 공개특허 제10-2016-0069561호 등에 개시된 바와 같다.
하지만, 전술된 종래 기술들에 따른 군집 비행은 각 무인비행체들에 미리 입력된 프로그램에 따라서만 이루어지기 때문에 어느 한 무인비행체의 오동작 발생이나 돌발 상황이 발생될 경우 나머지 무인비행체들은 입력된 프로그램에 의한 비행을 계속해서 수행하더라도 군집 비행을 위한 애초의 목적(예컨대, 군집 비행을 통한 특정 글이나 그림 생성 등)에 맞지 않는 상황이 야기될 수밖에 없다는 문제점이 있다.
즉, 이상이 발생된 무인비행체가 가장 중요한 역할을 수행하는 무인비행체일 경우 해당 무인비행체가 정위치를 벗어나는 등의 돌발 상황이 발생된다면 해당 무인비행체의 역할은 생략되기 때문에 사실상 군집 비행의 의미가 없어져 버리는 것이다.
더욱이, 전술된 바와 같이 어느 한 무인비행체의 위치 이탈 발생시 이렇게 이탈된 무인비행체가 인접된 여타 무인비행체의 비행을 방해하는 등의 추가적인 문제점을 야기하게 된다.
또한, 전술된 종래 기술들에 따른 군집 비행을 위해 제공되는 각 무인비행체들은 GPS 정보를 토대로 각 무인비행체의 위치를 확인하도록 이루어짐에 따라 외부 환경으로부터 폐쇄된 실내에서의 군집 비행은 사실상 불가능하다는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1183118호 등록특허 제10-1634878호 공개특허 제10-2016-0069561호
본 발명은 전술된 종래 기술에 따른 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 군집 비행하는 무인비행선들 상호 간의 위치 인지를 통해 원하는 대열 및 형태를 정확히 유지할 수 있도록 함과 더불어 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 잔여 무인비행선들의 위치 보상이 자동으로 이루어지면서 정해진 비행을 수행할 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 군집 비행용 무인비행선 및 이의 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 군집 비행용 무인비행선은 공기로부터 떠오를 수 있도록 내부에 기체가 충전되고, 각 방향별 이동 및 자세유지를 위한 추진력을 제공하는 추진부가 구비되어 이루어진 기낭; 상기 기낭의 비행 방향에 대한 실내 벽면이나 주변 구조물 혹은, 인접한 여타 무인비행선과의 이격된 거리 정보를 수집하는 복수의 라이다센서; 상기 각 라이다센서들로부터 취득된 거리 측정 정보를 토대로 해당 무인비행선의 위치를 확인하는 위치 측위모듈; 상기 추진부를 동작시키면서 지정된 비행 경로 및 위치를 따라 비행 및 비행속도를 제어하며, 군집 비행하는 여타의 무인비행선의 경로 이탈 발생시 미리 등록된 군집 비행 대형을 고려하여 상기 지정된 비행 경로를 재지정함과 더불어 이렇게 재지정된 비행 경로를 토대로 비행되도록 비행 및 비행속도를 제어하는 비행 제어모듈; 주변의 무인비행선과 무선 통신하면서 위치 정보를 서로 교환하여 상기 비행 제어모듈로 제공하는 무선 통신모듈;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비행 제어모듈은 가속도 센서 및 고도 센서를 포함하면서 기낭의 움직임 정보를 측정하는 관성측정부와, 상기 관성측정부에 의해 측정된 기낭의 움직임 정보를 토대로 추진부의 동작을 제어하면서 미리 지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 프로그래밍된 제어프로그램과, 상기 지정된 비행 경로를 이탈하거나 비행 방향으로의 충돌 우려 발생시 미리 설정된 위치로 강제 복귀하도록 프로그래밍된 복귀프로그램과, 군집하여 비행하는 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 미리 등록된 군집 비행 대형을 고려하여 상기 지정된 비행 경로를 재지정하도록 프로그래밍된 경로설정프로그램을 포함하여 이루어진 비행제어 컴퓨터와, 추진부의 속도 제어를 위한 비행속도제어부(ECS:Electronic Speed Controller)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 경로설정프로그램은 군집하여 비행하는 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 상기 이탈된 무인비행선을 제외한 나머지 무인비행선들의 대수 및 해당 군집 비행의 기본 대형을 고려하여 계산된 거리만큼 더욱 인접한 경로를 따라 비행할 수 있게 해당 무인비행선의 비행 경로를 재지정하도록 프로그래밍됨을 특징으로 한다.
그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 군집 비행용 무인비행선의 비행 제어방법에 따르면 각 무인비행선에 각각의 비행 경로를 지정하는 경로 지정단계; 주변의 무인비행선과 무선 통신하면서 위치 정보를 서로 교환함과 더불어 비행 제어모듈을 이루는 비행제어 컴퓨터에 의한 비행 제어를 통해 상기 지정된 비행 경로를 기준으로 비행되도록 제어하는 비행 제어단계;를 포함하여 진행되며, 상기 비행 제어단계에 의한 비행 제어시 군집 비행하던 여타의 무인비행선 중 어느 한 무인비행선이 경로 이탈로 인해 일정시간 이상 위치 정보가 수신되지 않음으로 확인할 경우 경로설정프로그램에 의해 해당 무인비행선이 제외되었음을 고려하여 비행 경로를 재지정하고, 이렇게 재지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 제어함을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비행 제어단계에 의한 비행 제어시 오동작이나 돌발 상태로 인한 비정상적 상황 발생시 원위치로 복귀되도록 제어하는 복귀 제어를 수행하고, 상기 복귀 제어가 발생될 경우 비행제어 컴퓨터는 주변의 무인비행선으로 위치 정보의 제공을 중단하도록 제어됨을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 군집 비행용 무인비행선 및 그의 비행 제어방법은 군집 비행 중 어느 한 무인비행선의 예기치 못한 상황이 발생된다 하더라도 각 무인비행선들 서로 간의 위치 정보에 대한 교환 및 이를 기준으로 한 비행 경로의 재설정이 이루어지면서 이 재설정된 비행 경로에 따라 자율 비행할 수 있게 된 효과를 가진다.
특히, 본 발명의 군집 비행용 무인비행선 및 그의 비행 제어방법은 복귀 제어가 이루어질 경우 주변의 다른 무인비행선들에 위치 정보의 제공이 중단되도록 이루어짐에 따라 해당 무인비행선에 대한 경로 이탈 여부를 다른 무인비행선들이 정확히 인지할 수 있게 되고, 이로써 빠른 비행 경로의 재설정이 이루어질 수 있게 된 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실내 검사용 무인비행선의 외관 구조를 설명하기 위해 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실내 검사용 무인비행선의 외관 구조를 설명하기 위해 나타낸 정면도
도 3은 도 2의 “A”부 확대도
도 4는 도 2의 “B”부 확대도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실내 검사용 무인비행선의 외관 구조를 설명하기 위해 나타낸 측면도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실내 검사용 무인비행선의 외관 구조를 설명하기 위해 나타낸 평면도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실내 검사용 무인비행선의 자동 비행을 위한 구조를 설명하기 위해 나타낸 블럭도
이하, 본 발명의 군집 비행용 무인비행선에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 군집 비행용 무인비행선의 외관 구조를 설명하기 위해 나타낸 사시도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 군집 비행용 무인비행선의 외관 구조를 각 방향별로 나타낸 상태도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 군집 비행용 무인비행선의 자동 비행을 위한 구조를 설명하기 위해 나타낸 블럭도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 군집 비행용 무인비행선은 크게 기낭(100)과, 추진부(200)와, 복수의 라이다센서(300)와, 위치 측위모듈(400)과, 비행 제어모듈(500) 및 무선 통신모듈(600)을 포함하여 구성되며, 특히 상기 비행 제어모듈(500)은 각 라이다센서(300)들로부터 취득된 거리 측정 정보를 제공받아 이를 미리 저장된 실내 측위 정보를 토대로 상기 추진부(200)를 동작시키면서 비행을 제어하도록 이루어짐과 더불어 주변의 군집하여 비행하는 무인비행선들과 상기 무선 통신모듈(600)을 통해 위치 정보를 교환하면서 어느 한 무인비행선의 이탈이 발생된다 하더라도 이 이탈된 무인비행선의 비행 경로를 고려한 나머지 무인비행선들의 비행 경로가 스스로 새로이 재지정되어 자율 비행할 수 있도록 한 것이다.
이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 기낭(100)은 무인비행선의 외형을 이루는 부위이다.
이와 같은 기낭(100)은 내부에 기체가 충전되는 구형의 풍선으로 형성되며, 이때 상기 내부에 충전되는 기체는 해당 기낭(100)을 공기로부터 떠오를 수 있도록 하는 헬륨가스가 될 수 있다.
물론, 상기 기낭(100)의 형상은 타원형이나 유선형 등과 같이 여타의 다양한 형상으로 형성될 수 있지만, 이의 경우 후술될 각 라이다센서(300)에 의한 거리 측정 및 각 추진부(200)의 제어상 어려움이 존재할 수 있기 때문에 본 발명의 실시예에서와 같은 구형의 풍선으로 형성함이 가장 바람직하다.
이와 함께, 상기 기낭(100)에는 하나 혹은, 둘 이상 복수의 발광체(120)가 더 구비된다.
이러한 발광체(120)는 원거리에서 해당 무인비행선의 육안 식별이 가능하도록 빛을 발광하는 통상의 LED로 구성된다.
다음으로, 상기 추진부(200)는 상기 기낭(100)의 각 방향별 이동을 위한 추진력을 제공하는 부위이다.
이와 같은 추진부(200)는 상기 기낭(100)의 중앙측 둘레를 따라 복수로 제공됨과 더불어 구동력을 제공받아 회전되는 회전익(210) 및 상기 회전익(210)을 구동시키는 추진용모터(220)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 회전익(210)은 복수의 블레이드를 갖는 프로펠러이고, 상기 추진용모터(220)는 상기 회전익(210)의 회전 속도에 대한 제어가 가능하도록 BLDC 모터로 구성됨을 제시한다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 각 추진부(200)가 상기 회전익(210)의 회전에 따른 추진력의 제공 방향이 변경 가능하도록 전자 제어에 의한 방향 조절이 가능하게 이루어짐을 특징으로 제시한다. 즉, 상기 각 추진부(200)의 회전익(210)은 지지림(230)에 의해 지지를 받아 회전되도록 설치되고, 상기 지지림(230)은 틸팅용모터(240)에 의해 틸팅 가능하게 구성됨으로써 각 추진부(200)에 대한 추진력의 제공 방향이 변경 가능하게 된다. 이는 첨부된 도 4에 도시된 바와 같다.
물론, 상기 틸팅용모터(240) 역시 BLDC모터로 구성하여 그 회전 각도의 제어가 정확히 이루어질 수 있도록 한다.
다음으로, 상기 라이다센서(lidar sensor)(300)는 무인비행선과 실내 벽면 혹은, 구조물과의 이격 거리 정보를 수집하기 위해 제공되는 센서이다.
이와 같은 라이다센서(300)는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도를 감지하도록 이루어진 센서로써, 레이저 발생기(310) 및 레이저 수신기(320)와 신호의 수집, 처리 및 데이터 송수신을 위한 컨트롤러(도시는 생략됨)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기한 라이다센서(300)는 복수로 제공되면서 상기 기낭(100)의 전후 및 좌우 방향과 회전 방향에 대한 실내 벽면이나 구조물과의 이격된 거리 정보를 수집하도록 구성된다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 기낭(100)의 저면에 컨트롤박스(700)를 구비하고, 상기 각 라이다센서(300)는 상기 컨트롤박스(700)의 전면과 후면 및 양측면에 각각 구비되면서 무인비행선의 수평 방향에 대한 거리 정보를 수집하도록 이루어진다.
이때, 상기 컨트롤박스(700)는 상기 기낭(100)의 저면에 밀착 고정되고, 상기 기낭(100)의 저면 중 상기 컨트롤박스(700)가 밀착되는 부위에는 각종 신호선 및 전원선이 통과되는 통과홀(도시는 생략됨)이 형성된다. 상기 통과홀은 상기 컨트롤박스(700)와의 밀착에 의해 외부 노출이 방지되면서 기밀을 유지하도록 이루어진다.
한편, 상기 기낭(100)의 외표면에는 로프(예컨대, 견인 로프)의 연결을 위한 복수의 기낭 패치(110)가 더 구비되고, 상기 컨트롤박스(700)는 상기 각 기낭 패치(110)에 연결되는 로프(도시는 생략됨)를 이용하여 보강됨으로써 상기 기낭(100)과의 결합이 더욱 안정적으로 이루어질 수 있도록 구성된다.
물론, 상기 라이다센서(300)를 컨트롤박스(700)의 둘레면 중 어느 한 면에만 제공함과 더불어 상기 컨트롤박스(700)는 상기 기낭(100)의 저면에 회전 가능하도록 구성함으로써 무인비행선의 수평 방향에 대한 거리 정보를 수집할 수도 있지만, 이는 구형으로 이루어지는 무인비행선의 특성상 정밀하지 못한 자세에 의한 방향성의 오류가 발생될 우려가 있을 뿐 아니라 다양한 상황의 대처가 어렵다는 단점이 있다.
이에 따라, 상기 라이다센서(300)는 복수로 제공하되, 그 각각은 특정한 방향만을 향하도록 구성함으로써 방향성의 오류 발생을 최소화할 수 있도록 함이 가장 바람직하다.
또한, 도시되지는 않았으나 상기한 라이다센서(300)는 상기 기낭(100)의 상면에도 추가로 제공하여 해당 무인비행선의 수직 방향에 대한 거리 정보도 추가로 수집할 수 있도록 할 수도 있다.
다음으로, 상기 위치 측위모듈(400)은 각 라이다센서(300)에 의해 측정된 거리 측정값을 토대로 무인비행선의 위치와 속도 및 방위각 계산하도록 프로그래밍된 프로그램이다.
이와 같은 위치 측위모듈(400)은 각 라이다센서(300)로부터 입력된 로우 센싱 데이터를 최소자승법으로써 센서 보정을 수행한 후 라이다센서(300)의 출력값에 대한 유효성을 검증하고, 무효한 라이다센서 입력값이 출력되는 경우 직전 저장된 최신 센서 데이터를 곡선 맞춤(Curve fitting) 기법으로 유효 데이터를 확보하고, 1차 로우 패스 필터(1st Low pass filter)로써 해당 데이터에 포함된 노이즈를 제거한 다음 신뢰성 체크를 재차 수행하여 무인비행선의 기준 좌표값으로 지정하며, 이렇게 지정된 기준 좌표값을 실내공간 좌표계의 데이터 값과 결합 및 변환하여 해당 무인비행선에 대한 위치와 속도 및 방위각 계산이 이루어질 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
다음으로, 상기 비행 제어모듈(500)는 상기 위치 측위모듈(400)로부터 계산된 무인비행선의 위치, 속도 및 방위각과 실내 측위 정보를 토대로 지정된 경로 및 위치를 따라 비행되도록 추진부(200)를 제어하는 부위이다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 상기한 비행 제어모듈(500)이 미리 설정되지 않은 비 설정 상황의 발생시 상기 지정된 경로를 보상함과 더불어 이렇게 보상된 경로를 토대로 자율 비행되도록 비행 및 비행속도를 제어하도록 이루어지며, 비행제어 컴퓨터(510)와, 비행속도제어부(520)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 비행제어 컴퓨터(FCC:Flight Control Computer)(510)는 무인비행선의 비행제어를 위해 제공되는 컨트롤러로써 상기 기낭(100)의 저면에 위치된 컨트롤박스(700) 내에 구비되며, 관성측정부(511)와, 제어프로그램(512)과, 복귀프로그램(513) 및 경로설정프로그램(514)을 포함하여 이루어진다.
특히, 상기 비행제어 컴퓨터(510)를 이루는 관성측정부(IMU;Inertial Measurement Unit)(511)는 가속도 센서 및 고도 센서를 포함하여 이루어지면서 해당 무인비행선이 동작되면서 변화되는 관성의 변화를 계속하여 기록하도록 구성되고, 상기 제어프로그램(512)은 상기 관성측정부(511)에 의해 측정된 기낭(100)의 움직임 정보를 토대로 추진부(200)를 동작하면서 비행 자세 및 비행 속도를 제어함과 더불어 미리 지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 프로그래밍되어 이루어진다.
즉, 무인비행선의 경우 지면과 같은 수평한 표면을 따라 움직이는 구조물이 아니라 공간을 부유하면서 움직이는 구조물이기 때문에 그의 방향 이동에 따라 원치않게 기울어지거나 회전되는 경우가 발생될 수 있다는 것을 고려한다면 상기한 관성측정부(511)를 통한 관성의 변화에 대한 확인 및 제어프로그램(512)의 동작 제어에 의해 기울어짐과 회전됨을 정확히 파악하여 이에 따른 자세 제어 및 움직임 속도에 대한 제어가 이루어질 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기 복귀프로그램(513)은 안전을 위해 추가로 제공되는 프로그램으로써 각 라이다센서(300)에 의해 취득된 거리 측정 정보가 미리 설정된 거리 이내일 경우 미리 설정된 위치로 강제 복귀하도록 프로그래밍되어 이루어진다.
즉, 무인비행선의 비행 도중 제어프로그램(512)의 오류나 기타 예상치 못한 상황 등과 같은 이상 상황이 발생될 경우 상기 제어프로그램(512)에 의한 제어를 무시하고 원위치로 강제 복귀되도록 함으로써 무인비행선의 추락이나 실내 벽면에의 부딪힘과 같은 안전 사고의 발생 우려를 미연에 방지할 수 있도록 한 것이다.
예컨대, 각 라이다센서(300)에 의해 측정된 무인비행선의 위치 측위를 토대로 한 제어가 이루어짐에도 불구하고 특정 라이다센서(300)를 통해 측정되는 위치가 해당 방향측의 실내 벽면과 계속해서 인접되고 있음으로 확인될 경우에는 해당 라이다센서(300)의 오류이거나 제어프로그램(512)의 오류 혹은, 관성측정부(511)의 오류 중 어느 한 오류이기 때문에 더 이상 추가적인 비행을 수행하지 않고 곧장 복귀될 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기 경로설정프로그램(514)은 해당 무인비행선이 또 다른 무인비행선들과 군집하여 비행할 경우 그 비행을 위한 기본적인 비행 경로를 지정함과 더불어 군집하여 비행하는 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 미리 등록된 군집 비행 대형(隊形)을 고려하여 상기 지정된 비행 경로를 새로운 경로로 재지정하도록 프로그래밍된 프로그램이다. 이때, 상기 군집 비행을 위한 기본적인 비행 경로 및 군집 비행 대형은 모든 무인비행선들을 일괄적으로 통제하기 위해 제공되는 통제컴퓨터(도시는 생략됨)로부터 제공받아서 비행제어 컴퓨터(510)에 등록되어 지정된다.
특히, 상기한 경로설정프로그램(514)에 의한 비행 경로의 재지정은 비행 대형 및 잔여 무인비행선의 대수를 고려하여 수행되며, 이탈된 무인비행선의 지정 비행 경로를 향해 일정 거리만큼 인접하면서도 나머지 무인비행선들과는 일정 거리만큼 멀어지게 지정된다. 예컨대, 원형의 대형을 이루면서 비행하는 10대의 무인비행선 중 1대의 비행선이 이탈되면 나머지 9대의 무인비행선이 상기 원형의 대형을 이룰 수 있도록 서로 간의 이격 거리가 모두 동일하게 재지정되는 것이다.
물론, 상기 경로설정프로그램(514)은 어느 한 무인비행선이 지정된 경로를 일부 이탈하도록 변경될 경우에는 무선 통신모듈(600)을 통해 상기 변경된 비행 경로 및 위치 정보를 제공받음과 더불어 이 비행 경로 및 위치 정보를 토대로 경로 보정을 추가로 수행하도록 프로그래밍되며, 이로써 어느 한 무인비행선의 경로 변경시 나머지 무인비행선들 모두가 상기 변경된 경로에 해당되는 거리만큼 경로를 보상하여 비행함으로써 서로 간의 충돌이나 대형의 흐트러짐이 없는 안정적인 자율비행이 가능하게 된다.
그리고, 상기 비행 제어모듈(500)을 이루는 비행속도제어부(ECS:Electronic Speed Controller)(520)는 상기 추진부(200)를 이루는 추진용모터(220)의 구동 속도를 제어하도록 이루어진 부위이다.
다음으로, 상기 무선 통신모듈(600)은 해당 무인비행선의 비행 제어모듈(500)이 상기 통제컴퓨터와의 무선 통신을 수행할 수 있도록 함과 더불어 군집하도록 지정된 여타의 무인비행선들과도 무선 데이터 통신을 수행할 수 있도록 제공되는 통신용 모듈이다.
이때, 상기 무선 통신모듈(600)은 무선 신호를 송수신하기 위한 안테나(610)를 가지며, 이러한 안테나(531)는 상기 컨트롤박스(700) 외부로 노출되게 설치된다.
한편, 상기 컨트롤박스(700)의 저부에는 촬영부(730)가 더 구비된다.
이러한 촬영부(730)는 실내의 벽면 및 구조물을 촬영하도록 제공되는 기기로써, 통상적인 영상 촬영을 위한 카메라(731) 및 이 카메라(731)의 자세 제어를 통해 정확한 촬영 영상의 취득이 가능하도록 하기 위한 짐벌(Gimbal)(732)을 포함하여 구성된다.
이와 함께, 상기 촬영부(730)는 상기 기낭(100)의 저면에 고정되는 컨트롤박스(700)의 저부에 위치되면서 상기 컨트롤박스(700)에 연결된 설치프레임(710)에 설치되며, 특히 수평방향을 향하여 360°회전 가능하게 설치된다. 이때 상기 촬영부(730)의 수평 회전은 상기 제어프로그램(512)에 의해 동작 제어를 받는 선회모터(733)의 구동을 통해 이루어지도록 구성된다.
또한, 상기 기낭(10)의 저면에 이착륙시 지면에 안착되는 랜딩부(800)가 더 구비된다.
이와 같은 랜딩부(800)는 바(bar) 구조로 형성됨과 더불어 복수로 제공되면서 상기 컨트롤박스(700)의 저부에 지면을 향하도록 각각 설치된다.
특히, 상기한 각 랜딩부(800)는 저부로 갈수록 외측으로 벌어지도록 경사지게 설치됨과 더불어 서보모터(810)의 구동에 의해 상하로 젖혀지면서 상기 촬영부(730)의 촬영 영역으로부터 벗어나도록 이루어진다. 즉, 무인비행선의 비행 중에는 상기 각 랜딩부(800)가 상부로 들어올려진 상태를 이루도록 함으로써 촬영부(730)에 의한 촬영시의 간섭 발생이 방지될 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 랜딩부(800)는 상기 설치프레임(710)에 상하 젖힘 회전 가능하게 설치되며, 상기 설치프레임(710)과 상기 컨트롤박스(700) 간의 결합부위 사이에는 무인비행선 착륙시 해당 랜딩부(800)를 통해 제공되는 하중을 완충하는 완충부(900)가 더 구비되어 이루어진다.
또한, 상기 설치프레임(710)의 상면에는 배터리(720)가 구비되며, 이러한 배터리(720)에 의해 각종 전원 공급이 이루어지게 된다.
하기에서는, 전술된 본 발명의 실시예에 따른 군집 비행용 무인비행선의 군집 비행을 위한 비행 제어 과정을 더욱 상세히 설명하도록 한다. 이때 군집 비행은 실내에서 이루어짐을 그 예로 한다.
우선, 사용자는 각 무인비행선의 비행제어 컴퓨터(510)에 군집 비행을 위한 대형(隊形) 정보 및 해당 무인비행선에 대한 비행 경로를 지정하여 등록한다.
이때, 상기 각 무인비행선에 대하여 지정되는 비행 경로는 군집 비행의 대형 구조를 고려하여 결정된다.
그리고, 상기한 각 무인비행선에 대한 각각의 기준 비행 경로가 등록된 상태로 군집 비행에 대한 총괄 제어 명령이 제공되면 각 무인비행선을 이루는 비행제어 컴퓨터(510)는 그의 과성측정부(511)와 제어프로그램(512) 및 경로설정프로그램(514)의 연동에 의한 비행 제어를 수행하게 된다.
즉, 각 무인비행선의 비행제어 컴퓨터(510)는 각 라이다센서(300)로부터 측정된 각 방향별 거리 데이터를 토대로 위치 측위모듈(400) 및 비행속도제어부(520)와 연동되면서 해당 무인비행선의 각 추진부(200)를 제어하여 해당 무인비행선이 지정된 비행 경로를 따라 비행할 수 있도록 하는 것이다.
이의 과정에서, 각 라이다센서(300)로부터 센싱된 로우(Law) 센싱 데이터는 위치 측위모듈(400)을 통해 무인비행선의 기준 좌표값으로 설정되고, 이렇게 설정된 기준 좌표값은 실내공간의 좌표계에 대한 데이터 값과 결합 및 변환하여 해당 무인비행선의 위치와 속도 및 방위각이 계산되며, 계속해서 상기 계산된 무인비행선의 위치와 속도 및 방위각을 토대로 비행제어 컴퓨터(510) 및 비행속도제어부(520)에 의한 각 추진부(200)의 제어가 이루어지면서 자세 제어 및 비행 제어가 이루어진다.
여기서, 각 라이다센서(300)로부터 센싱된 로우 센싱 데이터는 오차가 발생할 수 있기 때문에 상기 위치 측위모듈(400)에서는 상기 로우 센싱 데이터를 최소자승법으로써 센서 보정을 수행한 후 센서의 출력값에 대한 유효성을 검증하며, 무효한 센서 입력값이 출력되는 경우 직전 저장된 3개의 최신 센서 데이터를 곡선 맞춤(Curve Fitting) 기법을 이용하여 데이터를 확보하고, 이후 1st low pass filter를 이용하여 상기 데이터에 포함된 노이즈를 1차적으로 제거한 다음 이를 통해 얻은 좌표계값으로 해당 무인비행선에 대한 위치, 속도 및 방위각을 계산하여 유효성을 체크한 후 상기 비행제어 컴퓨터(510)로 제공한다. 이때, 상기 곡선 맞춤과 1st low pass filter에서 사용되는 센서 값은 직전 3개의 센서 값이 사용되며, 이 과정에서 연속하여 4개의 센서 값이 무효함으로 판단될 경우에는 그 유효성의 체크를 통해 무효로 처리된다.
이와 함께, 상기 각 추진부(200)의 제어는 각 추진부(200)의 틸팅 각도 조절을 통한 각 추진부별 추진력 제공 방향의 제어와, 각 추진부(200)별 추진용모터(220)의 구동력 조절을 통한 회전익(210)의 회전 속도 제어가 될 수 있다.
또한, 상기 과정에서 비행제어 컴퓨터(510)의 제어프로그램(512)은 해당 비행제어 컴퓨터(510)를 이루는 관성측정부(511)를 통해 무인비행선이 자율 비행하면서 변화되는 관성의 변화에 따른 기낭(100)의 움직임 정보를 토대로 추진부(200)의 동작 제어에 관여하면서 비행 자세 및 비행 속도를 제어하게 된다.
한편, 상기한 바와 같이 각 무인비행선들의 군집 비행 도중 각 무인비행선들의 비행제어 컴퓨터(510)는 무선 통신모듈(600)을 통해 주변의 무인비행선과 무선 통신하면서 위치 정보를 서로 교환한다.
즉, 상기 각 무인비행선들 간의 무선 통신에 따른 위치 정보의 교환을 통해 각 무인비행선들 간의 상대 위치를 실시간적으로 파악함과 동시에 여타 무인비행선들 역시 지정된 비행 경로를 따라 비행하는지를 지속적으로 확인하게 되는 것이다.
만일, 전술된 과정 중 예기치 못한 방해물(예컨대, 군집 비행하지 않는 또 다른 비행체나 조류 등)로 인해 군집 비행하던 각 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선이 지정된 비행 경로를 벗어나도록 제어 된다.
하지만, 상기한 상황 발생시 상기 경로를 벗어난 무인비행선의 비행제어 컴퓨터(510)는 무선 통신모듈(600)을 통해 해당 무인비행선에 대한 위치 정보를 여타의 군집 비행중인 무인비행선들에 전송하게 되며, 계속해서 상기 여타의 군집 비행 중인 무인비행선들의 경로설정프로그램(514)은 상기 경로를 벗어난 무인비행선의 위치 정보를 토대로 경로 보정을 수행하면서 상기 벗어난 거리만큼의 새로운 비행 경로를 재지정한다.
이에 따라, 상기 경로를 벗어난 무인비행선을 제외한 여타의 무인비행선들은 일괄적인 경로 변경이 이루어지면서 상기 경로를 벗어난 무인비행선과 함께 동일한 대형을 유지하면서 새로운 비행 경로를 따라 군집 비행하게 된다.
이로써 어느 한 무인비행선의 경로 이탈이 발생된다 하더라도 대형의 흐트러짐이 없이 여타 무인비행선들 모두가 상기 이탈된 경로에 해당되는 거리만큼 경로를 보상하여 비행하는 자율비행이 가능하게 된다.
한편, 상기 군집 비행하던 모든 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선이 미리 설정된 형태의 오동작이나 위급 상황 발생(예컨대, 계속된 비행 제어에도 불구하고 비지정된 위치로 비행하거나, 설정 거리 이내로 벽과 같은 상대물이 인접될 경우 혹은, 사용자에 의한 복귀 조작이 이루어질 경우 등)시에는 복귀프로그램(513)이 상기 제어프로그램(512)의 제어에 우선하여 실행되면서 미리 설정된 위치로 강제 복귀하도록 각 추진부(200)를 제어함과 동시에 해당 무인비행선의 비행제어 컴퓨터(510)는 주변의 무인비행선으로 위치 정보의 제공을 중단하도록 제어하게 된다.
또한, 상기와 같이 군집 비행하는 각 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선이 복귀 제어로 인해 복귀되면서 경로를 이탈할 경우에는 더 이상의 위치 정보 제공이 중단된다.
이에 따라 나머지 무인비행선들은 상기 어느 한 무인비행선으로부터 위치 정보를 수신받지 못하게 되고, 이의 상황이 일정시간 이상 경과된다면 상기 나머지 무인비행선들의 경로설정프로그램(514)들은 나머지 무인비행선들의 위치를 고려하여 비행 경로를 재지정하고, 이렇게 재지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 제어하게 된다.
즉, 어느 한 무인비행선이 이탈된다 하더라도 최대한 미리 설정된 비행 대형과 최대한 유사한 대형을 이루도록 경로가 재설정된 상태로 비행함에 따라 상기 군집 비행의 대형이 흐트러짐이 최소화될 수 있는 것이다.
결국, 전술된 본 발명의 군집 비행용 무인비행선 및 그의 비행 제어방법에 의해 군집 비행 중 어느 한 무인비행선의 예기치 못한 상황이 발생된다 하더라도 각 무인비행선들 서로 간의 위치 정보에 대한 교환 및 이를 기준으로 한 비행 경로의 재설정이 이루어지면서 이 재설정된 비행 경로에 따라 자율 비행할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 군집 비행용 무인비행선 및 그의 비행 제어방법은 복귀 제어가 이루어질 경우 주변의 다른 무인비행선들에 위치 정보의 제공이 중단되도록 이루어짐에 따라 해당 무인비행선에 대한 경로 이탈 여부를 다른 무인비행선들이 정확히 인지할 수 있게 되고, 이로써 빠른 비행 경로의 재설정이 이루어질 수 있게 된다.
100. 기낭 110. 기낭 패치
120. 발광체 200. 추진부
210. 회전익 220. 추진용모터
230. 지지림 240. 틸팅용모터
300. 라이다센서 310. 레이저 발생기
320. 레이저 수신기 400. 위치 측위모듈
500. 비행 제어모듈 510. 비행제어 컴퓨터
511. 관성측정부 512. 제어프로그램
513. 복귀프로그램 514. 경로설정프로그램
520. 비행속도제어부 600. 무선 통신모듈
610. 안테나 700. 컨트롤박스
710. 설치프레임 720. 배터리
730. 촬영부 731. 카메라
732. 짐벌 733. 선회모터
800. 랜딩부 810. 서보모터
900. 완충부

Claims (5)

  1. 복수가 서로 군집하여 비행하도록 이루어진 무인비행선에 있어서,
    상기 무인비행선은
    공기로부터 떠오를 수 있도록 내부에 기체가 충전되고, 각 방향별 이동 및 자세유지를 위한 추진력을 제공하는 추진부가 구비되어 이루어진 기낭;
    상기 기낭의 비행 방향에 대한 실내 벽면이나 주변 구조물 및 인접한 여타 무인비행선과의 이격된 거리 정보를 수집하는 복수의 라이다센서;
    상기 각 라이다센서들로부터 취득된 거리 측정 정보를 토대로 해당 무인비행선의 위치를 확인하는 위치 측위모듈;
    상기 추진부를 동작시키면서 지정된 비행 경로 및 위치를 따라 비행 및 비행속도를 제어하며, 지정된 비행 경로를 이탈하거나 비행 방향으로의 충돌 우려 발생시 미리 설정된 위치로 강제 복귀되면서 군집 비행하는 여타 무인비행선으로는 위치 정보의 제공을 중단하도록 프로그래밍됨과 더불어 군집 비행하는 여타의 무인비행선으로부터 일정시간 이상 위치 정보가 수신되지 않음으로 확인할 경우 해당 무인비행선을 경로 이탈로 판단하고 이러한 경로 이탈 발생시에는 미리 등록된 군집 비행 대형 및 각 라이다센서와 위치 측위모듈에 의해 확인 및 수집된 여타 무인비행선의 위치 정보를 고려하여 상기 지정된 비행 경로를 재지정한 후 이렇게 재지정된 비행 경로를 토대로 비행할 수 있게 비행 및 비행속도를 제어하도록 프로그래밍된 비행 제어모듈;
    주변의 무인비행선과 무선 통신하면서 위치 정보를 서로 교환하여 상기 비행 제어모듈로 제공하는 무선 통신모듈;을 포함하며,
    상기 기낭의 저면에는 컨트롤박스가 구비됨과 더불어 상기 각 라이다센서는 상기 컨트롤박스의 전면과 후면 및 양측면에 각각 구비되면서 무인비행선의 수평 방향에 대한 거리 정보를 수집하도록 이루어짐을 특징으로 하는 군집 비행용 무인비행선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비행 제어모듈은
    가속도 센서 및 고도 센서를 포함하면서 기낭의 움직임 정보를 측정하는 관성측정부와, 상기 관성측정부에 의해 측정된 기낭의 움직임 정보를 토대로 추진부의 동작을 제어하면서 미리 지정된 비행 경로를 따라 비행하도록 프로그래밍된 제어프로그램과, 상기 지정된 비행 경로를 이탈하거나 비행 방향으로의 충돌 우려 발생시 미리 설정된 위치로 강제 복귀하도록 프로그래밍된 복귀프로그램과, 군집하여 비행하는 무인비행선들의 지정된 비행 경로를 새로운 비행 경로로 재지정하도록 프로그래밍된 경로설정프로그램을 포함하여 이루어진 비행제어 컴퓨터와,
    추진부의 속도 제어를 위한 비행속도제어부(ECS:Electronic Speed Controller)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 군집 비행용 무인비행선.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 경로설정프로그램은
    군집하여 비행하는 무인비행선들 중 어느 한 무인비행선의 이탈 발생시 상기 이탈된 무인비행선을 제외한 나머지 무인비행선들의 대수 및 해당 군집 비행의 기본 대형을 고려한 비행 경로로 재지정하도록 프로그래밍됨을 특징으로 하는 군집 비행용 무인비행선.
  4. 복수가 서로 군집하여 비행하는 무인비행선의 비행 제어 방법에 있어서,
    각 무인비행선에 각각의 비행 경로를 지정하는 경로 지정단계;
    주변의 무인비행선과 무선 통신하면서 위치 정보를 서로 교환함과 더불어 비행 제어모듈을 이루는 비행제어 컴퓨터에 의한 비행 제어를 통해 상기 지정된 비행 경로로 비행되도록 제어하는 비행 제어단계;를 포함하여 진행되며,
    상기 비행 제어단계에 의한 비행 제어시 오동작이나 돌발 상태로 인한 비정상적 상황 발생시 원위치로 복귀되도록 제어하는 복귀 제어를 수행함과 더불어 상기 복귀 제어가 발생될 경우 해당 무인비행선의 비행제어 컴퓨터는 주변의 무인비행선으로 위치 정보의 제공을 중단하도록 제어하고,
    상기 비행 제어단계에 의한 비행 제어시 군집 비행하던 여타의 무인비행선 중 어느 한 무인비행선이 경로 이탈로 인해 일정시간 이상 위치 정보가 수신되지 않음으로 확인할 경우 해당 무인비행선의 비행제어 컴퓨터는 경로설정프로그램에 의해 상기 경로를 이탈한 무인비행선을 제외한 나머지 무인비행선들의 위치를 고려하여 비행 경로를 재지정한 후 이렇게 재지정된 비행 경로를 따라 해당 무인비행선이 비행하도록 제어함을 특징으로 하는 군집 비행용 무인비행선의 비행 제어방법.
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