KR101945120B1

KR101945120B1 - 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체

Info

Publication number: KR101945120B1
Application number: KR1020170116688A
Authority: KR
Inventors: 유명종
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-02-01
Also published as: US20190077498A1

Abstract

일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체는 몸체; 상기 몸체에서 외측 방향 상측 또는 외측 방향 하측으로 기울어지게 연장되는 복수 개의 아암들; 각각의 상기 아암 상에 배치되는 복수 개의 로터들; 및 상기 로터의 회전속도를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있고, 복수 개의 상기 로터들은 각각 수평면을 기준으로 경사지고 상기 몸체에 대하여 대칭되는 제1 평면과 제2 평면 상에 배치될 수 있다.

Description

경사진 로터 배열을 구비하는 비행체{AIRCRAFT HAVING A FIXED INCLINED ROTOR ARRANGEMENT}

경사진 로터 배열을 구비하는 비행체가 개시된다. 보다 상세하게는, 복수 개의 로터가 몸체로부터 좌우 대칭으로 경사지게 배열되고, 이러한 로터가 설치되는 아암의 길이를 변경할 수 있는 비행체가 개시된다.

비행체는 대표적으로 항공기, 무인 항공기, 헬기, 기구 및 글라이더 등이 있다.

이러한 비행체들 중 무인 비행체는 사람이 타지 않고 무선 전파를 이용해 원격 조종할 수 있다. 따라서, 무인 비행체는 부피와 무게를 줄여서 연료 효율 및 적재 효율을 상승 시킬 수 있고, 사람 대신 위험 지역에서 임무를 수행 할 수 있는 운송수단으로 사용될 수 있다.

최근 이러한 무인 비행체는 생산 기술 발달에 따라 제작비가 낮아지고 다양한 활용도로 인해, 글로벌 기업, IT업체, 공과 대학 등 많은 단체에서도 다양한 목적으로 사용하고 있다.

일반적으로, 멀티콥터 무인 비행체들은 주로 다수의 로터를 이용하여 무인기를 이륙시키는 양력을 생성하고, 또한 로터의 추력을 변경하여 자세 유지 및 자세 변경으로 전진 비행을 구현한다.

이러한 무인 비행체는 2014년 7월 29일 출원된 대한민국 특허 공개번호 제 2016-0014266호 "무인 비행체"에 개시되어 있다.

일 실시예에 따른 목적은 간단한 구조로 비행체 비행 시 발생하는 요(yaw)축 회전을 저감하여 비행 안정성을 증대시키는 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체를 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 민첩한 회전이 가능한 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체를 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 비행체의 비행 중 회전에 필요한 토크를 줄여 에너지를 절약할 수 있고 따라서 체공시간을 연장할 수 있는 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체는 몸체; 상기 몸체에서 외측 방향 상측 또는 외측 방향 하측으로 기울어지게 연장되는 복수 개의 아암들; 각각의 상기 아암 상에 배치되는 복수 개의 로터들; 및 상기 로터의 회전속도를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있고, 복수 개의 상기 로터들은 각각 수평면을 기준으로 경사지고 상기 몸체에 대하여 대칭되는 제1 평면과 제2 평면 상에 배치될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 복수 개의 상기 로터들은 상기 제1 평면 상에 배치되는 제1 로터; 회전축이 상기 제1 로터의 회전축과 평행하며, 상기 제1 평면 상에 배치되는 제2 로터; 상기 제2 평면 상에 배치되며 상기 제2 로터와 상기 몸체에 대하여 대칭인 제3 로터; 및 회전축이 상기 제3 로터의 회전축과 평행하고 상기 제2 평면 상에 배치되며 상기 제1 로터와 상기 몸체에 대하여 대칭인 제4 로터;를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 요축 회전 전체 토크(τ_total)는 τ_total =(k_τcosα + kbsinα)(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)이며, 상기 제어부는 상기 비행체의 최대 요축 회전 토크량에 따라 상기 α와 상기 b값을 설정할 수 있고, 여기서, k_τ는 0 이상의 자유비행에서 준정적기동을 위한 상수이고, k는 상기 로터들의 설계에 따른 상수이며, α는 상기 몸체에 대하여 경사진 상기 로터들의 각도이고, b는 상기 제1 로터와 상기 제4 로터 사이 및 상기 제2 로터와 상기 제3 로터 사이 거리의 절반이며, ω₁은 상기 제1 로터의 각속도, ω₂는 상기 제2 로터의 각속도, ω₃은 상기 제3 로터의 각속도 및 ω₄는 상기 제4 로터의 각속도이다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 상기 α는 45도 이하일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 복수 개의 상기 아암은 상기 몸체에 대하여 개별적으로 신축되어서, 각각의 상기 로터들과 상기 몸체 사이의 이격거리를 연장 또는 감소시킬 수 있다.

또는, 다른 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체는 몸체; 상기 몸체의 외측 방향 상측 또는 외측 방향 하측으로 연장되는 복수 개의 아암들; 각각의 상기 아암에, 상기 몸체에 대하여 경사지게 설치된 복수 개의 로터들; 및 상기 아암의 가변과 상기 로터의 토크를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있고, 각각의 상기 아암들은 상기 아암의 길이를 조정하는 길이조정부재를 포함하고, 상기 길이조정부재는 비행체의 거동에 따라 상기 몸체와 상기 로터들의 이격거리가 조절되도록 상기 아암들을 신축시킬 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 복수 개의 상기 로터들은 수평면을 기준으로 경사지고 상기 몸체에 대하여 대칭인 제1 평면과 제2 평면 상에 대칭되게 배치될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 상기 로터들은 제1 로터, 제2 로터, 제3 로터 및 제4 로터를 포함할 수 있고, 요축 회전 전체 토크(τ_total)는 τ_total =k_τ(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)cosα + k(b₁ω₁ ² ₊b₂ω₃ ² _-b₃ω₂ ² _-b₄ω₄ ²) sinα이며, 상기 제어부는 상기 비행체의 목표 요축 토크량에 따라 상기 길이조정부재를 신축시킬 수 있고, 여기서, k_τ는 0이상의 자유비행에서 준정적기동을 위한 상수이고, k는 상기 로터들의 설계에 따른 상수이며, α는 상기 몸체에 대하여 경사진 상기 로터들의 각도이고, b₁은 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면 사이의 대칭면과 상기 제1 로터와의 수직거리, b₂는 상기 대칭면과 상기 제2 로터 사이의 수직거리, b₃은 상기 대칭면과 상기 제3 로터 사이의 수직거리, 및 b₄는 상기 대칭면과 상기 제4 로터 사이의 수직거리이며, ω₁은 상기 제1 로터의 각속도, ω₂는 상기 제2 로터의 각속도, ω₃은 상기 제3 로터의 각속도 및 ω₄는 상기 제4 로터의 각속도이다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 상기 제어부는 외력에 둔감하거나 조정 신호에 민감하도록 상기 아암들의 길이를 동시에 신축시키게 상기 길이조정부재를 제어 할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 상기 제어부는 요축 일 방향으로의 회전력을 증가시키기 위해 각각의 상기 아암들이 포함하는 상기 길이조정부재를 개별적으로 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체에 의하면, 간단한 구조로 비행체의 비행 시 발생하는 요축 회전을 저감하여 비행 안정성을 증대시킬 수 있는 비행체가 제공될 수 있다.

일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체에 의하면, 민첩한 회전이 가능한 비행체가 제공될 수 있다.

일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체에 의하면, 비행체의 비행 중 회전에 필요한 토크를 줄여 에너지를 절약하고, 따라서 체공시간을 연장할 수 있는 비행체가 제공될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 사시도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 정면도를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 몸체와 경사진 로터와 아암 사이의 각도형성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 로터 회전 방향을 개략적으로 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 아암 길이 변화를 개략적으로 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 요축회전 토크 변경을 위한 아암의 길이 변화를 개략적으로 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 아암의 길이 변화에 따른 비행체의 회전을 개략적으로 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체의 로터 토크에 따른 비행체의 거동 변화를 개략적으로 도시한다.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 사시도를 도시하고, 도 2는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 정면도를 도시하며, 도 3은 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 몸체(110)와 경사진 로터(120)와 아암(130) 사이의 각도형성을 개략적으로 도시한다. 또한, 도 4는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 로터(120) 회전 방향을 개략적으로 도시한다.

도 1 내지 도 4의 도면을 참조하여, 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)는 몸체(110), 복수 개의 아암(130)들, 복수 개의 로터(120)들 및 제어부를 포함한다.

몸체(110)는 비행체(100)의 목적과 필요에 따라, 배터리, 카메라 또는 화물수용부 등과 같은 다양한 구성을 포함할 수 있다.

복수 개의 로터들(120)은 몸체(110)로부터 이격되게 위치될 수 있고, 복수 개의 아암들(130)은 몸체(110)와 로터들(120)을 연결하도록 배치될 수 있다.

구체적으로, 도 1을 참조하여, 복수 개의 아암들(130)은 몸체(110)의 외측방향으로 연장될 수 있으며, 복수 개의 아암들(130) 상에 각각 설치되는 복수 개의 로터들(120)은 서로 추진력의 방향이 다르게 몸체(110)에 대하여 기울게 배치될 수 있다.

도 1 내지 도 3를 참조하여, 이러한 복수 개의 로터들은(120)은 두 가상의 평면(P1, P2) 상에 분배되어 위치될 수 있다.

도 1을 참조하여 가상의 평면인 제1 평면(P1)과 제2 평면(P2)은 또 다른 가상의 평면인 수평면(Ph)을 기준으로 각도 α만큼 기울어질 수 있다. 복수 개의 로터들(120)은 제1 평면(P1)과 제2 평면(P2) 상에 동일한 숫자로 분배될 수 있다. 또한, 제1 평면(P1)과 제2 평면(P2)의 사이에는, 즉 몸체(110)의 중심을 포함하고 몸체(110)의 높이 방향 축과 몸체(110)의 폭 또는 길이 방향 축으로 정의되는 가상의 평면(Ps)이 제공될 수 있으며, 제1 평면(P1)과 제2 평면(P2)은 상기 가상의 평면(Ps)을 대칭면(Ps)으로 하여 대칭되게 배치될 수 있다.

따라서, 상기 로터(120)들은 대칭면(Ps)을 통해 서로 대칭되게 배열될 수 있으며, 또한 상기 로터들(120)은 몸체(110)에 대하여 경사진 형태로 배열될 수 있다.

제어부는 각각의 로터들(120)의 회전속도를 개별적으로 제어할 수 있다.

도 4를 참조하여, 비행체(100)가 예를 들어 쿼드로콥터일 때, 복수 개의 로터들(120)은 제1 평면(P1) 상에 배치되는 제1 로터(121), 제1 로터(121)와 동일한 방향으로 추력을 생성하도록 로터(122)의 회전축이 제1 로터(121)의 회전축과 평행하며 제1 로터(121)와 동일하게 제1 평면(P1) 상에 배치되는 제2 로터(122), 제1 평면(P1)과 면대칭되는 제2 평면(P2) 상에 배치되며 제2 로터(122)와 면대칭인 제3 로터(123) 및 제3 로터(123)와 동일한 방향으로 추력을 생성하도록 로터(124)의 회전축이 제3 로터(123)의 회전축과 평행하며 제3 로터(123)와 동일하게 제2 평면(P2) 상에 배치되는 제4 로터(124)를 포함할 수 있다.

즉, 도 1 및 도2를 참조하여, 제1 로터(121)의 회전축과 제2 로터(122)의 회전축은 제1 평면(P1)과 수직하게 배치될 수 있고, 제3 로터(123)의 회전축과 제4 로터(124)의 회전축은 제2 평면(P2)과 수직하게 배치될 수 있다.

제1 로터(121) 및 제2 로터(122)는 제3 로터(123) 및 제4 로터 (124)와 추력의 방향이 각도 2α만큼 차이가 난다.

비행체(100)가 쿼드로콥터일 경우 비행체(100)의 요축 회전 전체 토크(τ_total)는 다음과 같은 수학식에 의해 정의될 수 있다.

[수학식 1]

τ_total =(k_τcosα + kbsinα)(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)

수학식 1에서,

k_τ는 자유비행에서의 준정적기동을 위한 상수이고 값은 0 이상이며, k는 로터들(120)의 설계에 따라 변화되는 상수이다. 도 3을 참조하여, α는 상기 로터들(120)이 배치된 두 평면(P1, P2)들과 수평면(Ph) 사이의 각도이고, 도 4를 참조하여, b는 제1 로터(121)와 제4 로터(124) 사이 및 제2 로터(122)와 제3 로터(123) 사이 거리의 절반이다. ω₁은 제1 로터(121)의 각속도, ω₂는 제2 로터(122)의 각속도, ω₃은 제3 로터(123)의 각속도 및 ω₄는 제4 로터(124)의 각속도이다. 제어부는 비행체(100)의 최대 요축 회전 토크량에 따라 α와 b값을 설정할 수 있다.

수학식 1은 아래와 같은 순서로 도출될 수 있다.

로터들(120)의 경사각 α가 0인 쿼드로콥터에서 요축 회전 전체 토크(τ_t)는 다음과 같은 수학식으로 정의될 수 있다.

[수학식 2]

τ_t =τ₁ + τ₃ - τ₂ - τ₄= k_τ(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)

수학식2에서 τ₁은 제1 로터(121)의 토크이고, τ₂는 제2 로터(122)의 토크이며, τ₃는 제3 로터(123)의 토크이고, τ₄는 제4 로터(124)의 토크이다. +와 -는 각 로터의 방향을 의미한다.

일 실시예에 따라 로터들(120)이 경사각 α로 경사져서, 변형된 요축 회전 전체 토크(τ_total)는 다음과 같은 수학식으로 정의될 수 있다.

[수학식 3]

τ_total = (τ₁ + τ₃ - τ₂ - τ₄)cosα + (F ₁ + F ₃ - F ₂ - F ₄ )bsinα

위 수학식에서 cosα는 로터들(120)과 몸체(110) 사이의 각도에 따라 수정되는 각 로터의 토크값 변화를 의미하고, F(추력)와 sinα 그리고 b는 로터들(120)의 기울어짐에 의해 형성되는 추력과 추력의 로터 배치방향 힘을 의미한다.

위 수학식 3은 아래와 같이 정리될 수 있다.

= k_τ(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)cosα + k(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)bsinα

= (k_τcosα + kbsinα)(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)

이 때, α가 45도 이하일 때 α값이 증가할수록 로터(120)의 각속도 증감량 대비 요축 토크의 변화량은 증가될 수 있다. 또한, 로터(121, 123)와 로터(124, 122) 사이의 거리를 의미하는 b값, 즉 아암의 길이가 길어질수록 로터(120)의 각속도 증감량 대비 요축 토크의 변화량은 증가될 수 있다.

따라서, 로터들(120)의 경사진 배열은 로터들(120)의 회전속도에 따라 생성되는 비행체(100)의 요축 토크의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(110)의 아암(130) 길이 변화를 개략적으로 도시하고, 도 6은 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(120)의 요축회전 토크 변경을 위한 아암(130) 길이 변화를 개략적으로 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이 비행체(100)가 쿼드로콥터일 때, 복수 개의 아암들(130)은 제1 아암(131), 제2 아암(132), 제3 아암(133) 및 제4 아암(134)을 포함할 수 있다. 제1 아암(132)은 제1 로터(121)와 연결되고, 제2 아암(132)은 제2 로터(122)와 연결되며, 제3 아암(133)은 제3 로터(123)와 연결되고 제4 아암(124)은 제4 로터(134)와 연결될 수 있다.

도 5는 제1 아암(131)과 제3 아암(133)의 길이가 늘어난 상태와 제2 아암(132)과 제4 아암(134)의 길이가 줄어든 상태를 도시한다.

도 5 및 도 6을 참조하여, 각각의 아암들(131, 132, 133, 134)은 아암들(131, 132, 133, 134)의 길이가 조정될 수 있는 길이조정부재를 각각 포함하고, 길이조정부재는 제어부에 의해 개별적 또는 일률적으로 제어되어서, 각각의 아암들(130)은 개별적 또는 일률적으로 길이가 변화될 수 있고, 이에 따라 각각의 아암들(131, 132, 133, 134)은 몸체(110)와 로터들(121, 122, 123, 124) 사이의 이격거리를 연장 또는 감소시킬 수 있다.

[수학식 4]

τ_total =k_τ(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)cosα + k(b₁ω₁ ² ₊b₂ω₃ ² _-b₃ω₂ ² _-b₄ω₄ ²) sinα

수학식 4에서 b₁은 제1 평면(P1) 및 제2 평면(P2) 사이의 대칭면(Ps)과 제1 로터(121)와의 수직거리, b₂는 대칭면(Ps)과 제2 로터(122) 사이의 수직거리, b₃은 대칭면(Ps)과 제3 로터(123) 사이의 수직거리, 및 b₄는 대칭면(Ps)과 제4 로터(124) 사이의 수직거리이다.

도 5 및 6을 참조하여, 수직거리 값들(b_1, b_2,b_3,b₄)은 아암들(130)의 연장 또는 감소에 따라 변경될 수 있다. 즉, 제1 아암(131)의 길이가 증가되어 제1 로터(121)와 몸체(110) 사이의 거리가 이격된다면, 제1 아암(131)의 수직거리 값(b₁)은 증가될 수 있다. 수직거리 값(b₁)이 증가된다면, 제1 로터(121)의 각속도 대비 생성되는 전체 토크 값이 증가할 수 있다. 즉, 아암(130)의 길이가 연장되면 로터(120)의 각속도 대비 증가량 대비 생성되는 토크 증가량이 증가될 수 있다.

따라서, 제어부는 아암들(130)의 길이제어를 통해 요축 토크 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6a을 참조하여, 각각의 아암들(131, 132, 133, 134)은 모두 연장된 상태가 될 수 있다. 아암들(131, 132, 133, 134)의 길이가 연장됨 따라, 각 로터(120)의 회전속도 대비 비행체(110)의 요축 회전은 보다 민감하게 반응될 수 있다. 또한, 도 6b를 참조하여, 각각의 아암들(131, 132, 133, 134)의 길이는 모두 축소된 상태가 될 수 있으며, 아암들(131, 132, 133, 134)의 길이가 축소됨에 따라, 각 로터(120)의 회전속도 대비 비행체(110)의 요축 회전은 보다 둔감하게 반응될 수 있다.

또한, 제어부는 바람 등 외력에 의한 비행체(100)의 요축 회전을 저감하도록 아암들(130)의 길이를 개별적 또는 동시에 제어할 수 있다.

구체적으로, 비행체(100)가 조정신호에 따라 민첩하게 회전하도록 아암들(130)의 길이를 개별적으로 제어할 수 있고, 제어부는 비행체(100)의 요축 일 방향으로의 회전력을 증가시키기 위해 각각의 아암들(130)의 길이를 개별적으로 제어할 수 있다.

이러한 제어 방법은 도 7 및 도 8을 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.

도 7은 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 아암(130)의 길이 변화에 따른 비행체(100)의 회전을 개략적으로 도시한다.

보다 상세하게, 도 7a는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 우측 회전에 따른 로터들(120)의 토크 변화와 아암들(130)의 길이 변화를 도시하고, 도 7b는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 좌측 회전에 따른 로터들(120)의 토크 변화와 아암들(130)의 길이 변화를 도시한다.

도 7에서 표시된 화살표의 방향은 로터(120)의 회전 방향을 의미하며, 화살표의 두께는 로터(120)의 회전 속도를 의미한다. 화살표의 두께가 두꺼울수록 로터(120)의 회전속도는 상대적으로 빠른 것을 의미하며, 두께가 얇을수록 로터(120)의 회전속도는 상대적으로 느린 것을 의미한다.

도 7a를 참조하여, 비행체(100)가 오른쪽 요축 회전력을 생성할 때, 제어부는 시계방향으로 회전하는 로터들(121, 123)과 몸체(100) 사이의 이격거리가 반 시계 방향으로 회전하는 로터들(122, 124) 사이의 이격거리 보다 커지도록 아암들(130)을 제어할 수 있다. 각각의 로터들(120)이 생성하는 회전력은 아암들(130)의 길이와 비례하여 증가하기 때문에, 비행체(100)의 오른쪽 회전을 증가시키기 위해서는 시계 방향으로 회전하는 로터들(121, 123)과 몸체(110) 사이의 이격거리를 증가시켜야 한다.

구체적으로, 제1 아암(131)은 시계 방향으로 회전하는 제1 로터(121)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 증가되게 연장될 수 있고, 제3 아암(133)도 시계 방향으로 회전하는 제3 로터(123)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 증가되게 연장될 수 있다. 또한, 제2 아암(132)은 반 시계 방향으로 회전하는 제2 로터(122)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 감소되게 축소될 수 있고, 제4 아암(134)도 반 시계 방향으로 회전하는 제4 로터(134)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 감소되게 축소될 수 있다.

또한, 비행체(100)의 오른쪽 방향 요축 회전력을 더욱 증대시키기 위하여, 제어부는 제1 로터(121)와 제3 로터(123)의 회전속도를 제2 로터(122)와 제4 로터(124)의 회전속도 보다 크게 제어할 수 있다.

도 7b를 참조하여, 비행체(100)가 왼쪽 요축 회전력을 생성할 때, 제어부는 반 시계방향으로 회전하는 로터들(122, 124)과 몸체(100) 사이의 이격거리가 시계 방향으로 회전하는 로터들(121, 123) 사이의 이격거리 보다 커지도록 아암들(130)을 제어할 수 있다.

구체적으로, 제2 아암(132)은 반 시계 방향으로 회전하는 제2 로터(122)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 증가되게 연장될 수 있고, 제4 아암(134)도 반 시계 방향으로 회전하는 제4 로터(124)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 증가되게 연장될 수 있다. 또한, 제1 아암(131)은 시계 방향으로 회전하는 제1 로터(121)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 감소되게 축소될 수 있고, 제3 아암(133)도 시계 방향으로 회전하는 제3 로터(133)와 몸체(110) 사이의 이격거리가 감소되게 축소될 수 있다.

또한, 비행체(100)의 왼쪽방향 요축 회전력을 더욱 증대시키기 위하여, 제어부는 제2 로터(122)와 제4 로터(124)의 회전속도를 제1 로터(121)와 제3 로터(123)의 회전속도 보다 크게 제어할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)의 거동에 따른 로터(120)의 토크 변화를 개략적으로 도시한다.

구체적으로, 도 8의 a는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)가 우측으로 회전할 때, 각 로터(120)의 회전속도 변화를 도시하고, 도 8의 b는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)가 일 방향으로 전진할 때, 각 로터(120)의 회전속도 변화를 도시한다. 또한, 도 8의 c는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)가 공중으로 승강될 때, 각 로터(120)의 회전속도 변화를 도시하고, 도 8의 d는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)가 착륙할 때, 각 로터(120)의 회전속도 변화를 도시하며, 도 8의 e는 일 실시예에 따른 경사진 로터(120) 배열을 구비하는 비행체(100)가 좌측 방향으로 회전할 때, 각 로터(120)의 회전속도 변화를 도시한다.

구체적으로, 제어부는 도 8의 a를 참조하여 비행체(100)를 오른쪽으로 회전시키기 위해 반 시계 방향으로 회전하는 제2 로터(122)와 제4 로터(124)의 회전속도가 시계 방향으로 회전하는 제1 로터(121)와 제3 로터(123)의 회전속도보다 상대적으로 높아지도록 제어하고, 도 8의 b를 참조하여 비행체(100)를 전진시키기 위해 면대칭 위치에 있으며 서로 회전 방향이 반대인 제1 로터(121)와 제4 로터(124) 또는 제2 로터(122)와 제3 로터(123)의 회전속도를 상대적으로 높이거나 줄일 수 있다. 또한, 제어부는 도 8의 c과 도 8의 d를 참조하여 비행체(100) 승하강 시키기 위해 전체 로터들(120)의 회전속도를 높이거나 줄일 수 있다. 제어부는 도 8의 e를 참조하여 비행체(100)를 왼쪽으로 회전시키기 위해 시계 방향으로 회전하는 제1 로터(121)와 제3 로터(123)의 회전속도가 반 시계방향으로 회전하는 제2 로터(122)와 제4로터(124)의 회전속도 보다 상대적으로 높아지도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체(100)의 상기와 같은 특징들에 의해, 비행체(100)는 비행 시 외력에 의해 발생하는 요축회전을 저감 및 상쇄하여 비행 안정성을 증대시킬 수 있고, 민첩한 회전이 가능하도록 회비행체(100)의 회전력을 증대시킬 수 있고, 비행 중 회전에 필요한 토크를 저감하여 에너지를 절약시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 비행체
110 : 몸체
120 : 로터
121 : 제1 로터
122 : 제2 로터
123 : 제3 로터
124 : 제4 로터
130 : 아암
131 : 제1 아암
132 : 제2 아암
133 : 제3 아암
134 : 제4 아암

Claims

몸체;
상기 몸체에서 외측 방향 상측 또는 외측 방향 하측으로 기울어지게 연장되는 복수 개의 아암들;
각각의 상기 아암 상에 배치되는 복수 개의 로터들; 및
상기 로터의 회전속도를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
복수 개의 상기 로터들은 각각 수평면을 기준으로 경사지고 상기 몸체에 대하여 대칭되는 제1 평면과 제2 평면 상에 배치되고,
복수 개의 상기 로터들은,
상기 제1 평면 상에 배치되는 제1 로터;
회전축이 상기 제1 로터의 회전축과 평행하며, 상기 제1 평면 상에 배치되는 제2 로터;
상기 제2 평면 상에 배치되며 상기 제2 로터와 상기 몸체에 대하여 대칭인 제3 로터; 및
회전축이 상기 제3 로터의 회전축과 평행하고 상기 제2 평면 상에 배치되며 상기 제1 로터와 상기 몸체에 대하여 대칭인 제4 로터;
를 포함하며,
비행체의 요축 회전 전체 토크(τ_total)는
τ_total=(k_τcosα + kbsinα)(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)
이며,
상기 제어부는 상기 비행체의 최대 요축 회전 토크량에 따라 상기 α와 상기 b값을 설정하고,
여기서, k_τ는 0 이상의 자유비행에서 준정적기동을 위한 상수이고,
k는 상기 로터들의 설계에 따른 상수이며,
α는 상기 몸체에 대하여 경사진 상기 로터들의 각도이고,
b는 상기 제1 로터와 상기 제4 로터 사이 및 상기 제2 로터와 상기 제3 로터 사이 거리의 절반이며,
ω₁은 상기 제1 로터의 각속도, ω₂는 상기 제2 로터의 각속도, ω₃은 상기 제3 로터의 각속도 및 ω₄는 상기 제4 로터의 각속도인, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.
삭제
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제 1항에 있어서,
상기 α는 45도 이하인, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.
제 1항에 있어서,
복수 개의 상기 아암은 상기 몸체에 대하여 개별적으로 신축되어서, 각각의 상기 로터들과 상기 몸체 사이의 이격거리를 연장 또는 감소시키는, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.
몸체;
상기 몸체의 외측 방향 상측 또는 외측 방향 하측으로 연장되는 복수 개의 아암들;
각각의 상기 아암에, 상기 몸체에 대하여 경사지게 설치된 복수 개의 로터들; 및
상기 아암의 가변과 상기 로터의 토크를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
각각의 상기 아암들은 상기 아암의 길이를 조정하는 길이조정부재를 포함하고,
상기 길이조정부재는 비행체의 거동에 따라 상기 몸체와 상기 로터들의 이격거리가 조절되도록 상기 아암들을 신축시키고,
복수 개의 상기 로터들은 수평면을 기준으로 경사지고 상기 몸체에 대하여 대칭인 제1 평면과 제2 평면 상에 대칭되게 배치되며,
상기 로터들은 제1 로터, 제2 로터, 제3 로터 및 제4 로터를 포함하고,
상기 비행체의 요축 회전 전체 토크(τ_total)는
τ_total=k_τ(ω₁ ² ₊ω₃ ² _-ω₂ ² _-ω₄ ²)cosα + k(b₁ω₁ ² ₊b₂ω₃ ² _-b₃ω₂ ² _-b₄ω₄ ²) sinα
이며,
상기 제어부는 상기 비행체의 목표 요축 토크량에 따라 상기 길이조정부재를 신축시키고,
여기서, k_τ는 0이상의 자유비행에서 준정적기동을 위한 상수이고,
k는 상기 로터들의 설계에 따른 상수이며,
α는 상기 몸체에 대하여 경사진 상기 로터들의 각도이고,
b₁은 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면 사이의 대칭면과 상기 제1 로터와의 수직거리, b₂는 상기 대칭면과 상기 제2 로터 사이의 수직거리, b₃은 상기 대칭면과 상기 제3 로터 사이의 수직거리, 및 b₄는 상기 대칭면과 상기 제4 로터 사이의 수직거리이며,
ω₁은 상기 제1 로터의 각속도, ω₂는 상기 제2 로터의 각속도, ω₃은 상기 제3 로터의 각속도 및 ω₄는 상기 제4 로터의 각속도인, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.
삭제
삭제
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 외력에 둔감하거나 조정 신호에 민감하도록 상기 아암들의 길이를 동시에 신축시키게 상기 길이조정부재를 제어하는, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 요축 일 방향으로의 회전력을 증가시키기 위해 각각의 상기 아암들이 포함하는 상기 길이조정부재를 개별적으로 제어하는, 경사진 로터 배열을 구비하는 비행체.