KR102086834B1 - 하이브리드 계류형 비행체 시스템 - Google Patents

하이브리드 계류형 비행체 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헬륨 유선형의 비행체 기구; 장기간 임무 수행을 위한 광통신 및 전력선을 포함하여 이루어진 테더 케이블; 테더 케이블의 길이를 조절하도록 이루어진 윈치부; 비행체 기구의 공중 운용 및 임무수행을 위한 모니터링과 지령을 전달함과 더불어 필요 전력을 공급하도록 이루어진 지상통제부; 비행체 기구가 초기 설정 위치로 복귀되도록 동작되는 추진부; 추진부의 동작을 제어하는 운용장비;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 하이브리드 계류형 비행체 시스템이 제공되며, 이를 통해 지정된 운용 고도와 위치에서 감시, 관측 및 통신 재난 시 무선통신 중계 등의 특수한 임무를 장시간 수행할 수 있도록 한 것이다.

Description

하이브리드 계류형 비행체 시스템{hybrid aerostate}
본 발명은 비행체 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 지상의 무어링 장비와 연결되어 지상으로부터 전력을 공급받아 지정된 운용 고도와 위치에서 감시, 관측 및 통신 재난 시 무선통신 중계 등의 특수한 임무를 장시간 수행할 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 강력한 풍속 및 복잡한 도심에서도 운용성이 뛰어난 하이브리드 계류형 비행체 시스템에 관한 것이다.
최근들어서 4차 산업혁명의 도래 및 정보통신 분야의 발전으로 다양한 분야에서 무인항공기(UVA)가 폭넓게 활용되고 있다.
무인항공기(UVA)는 크기, 운용고도, 운용범위, 제한중량(Payload), 체공시간, 체공방식에 따라 분류하고, 임무수행에 따라 요구성능을 달리한다.
특히 수요 급증이 예상되는 실시간 감시, 관측, 통신 재난 시 긴급복구를 위한 무선통신 중계 등의 특수한 임무수행 분야에서의 무인항공기는 강력한 풍속(15m/s 이상) 등의 예상치 못한 가혹한 환경변화에 대응해야 하고, 도심의 복잡하면서도 협소한 운용지역 내에서도 안정적으로 장기간 임무를 수행할 수 있도록 장기간의 체공시간, 체공 안정성, 추락 사고예방 등의 기술 확보가 필수적으로 요구되는데, 현재 폭넓게 활용되고 있는 회전익 무인항공기(드론)는 2시간 이내의 체공시간으로 장기간 임무 수행에 부적합하며, 이를 해결하기 위해 등록특허 제 10-1350291호에 기재된 바와 같이 회전익 무인항공기(드론)와 지상에서의 전력을 공급하는 테더 케이블을 연결하여 장기간 공중에서 체류하는 구조를 제공하고 있으나, 회전익 무인항공기(드론)의 구조 특성 상 부양 및 체공을 위해 추진부의 추력모터가 지속적으로 동작해야 하며, 내구성에 한계가 있는 추력모터의 고장 등의 원인으로 추락사고의 위험성을 내재하고 있다. 이는 장기간 안정적인 임무수행이 요구되는 특수한 분야에서의 회전익 무인항공기(드론)의 활용은 그 구조적 한계로 인하여 새로운 형태의 무인항공기(UVA) 기술이 요구되고 있는데, 상대적으로 장기간의 체공시간, 체공 안정성, 추락 사고예방 등에 장점이 있는 계류형 비행체 시스템과 자율비행 무인 비행선이 최근 들어서 대두되고 있다.
계류형 비행체 시스템과 자율비행 무인 비행선은 헬륨 가스가 충진되어 부양하는 유선형 비행체 기구로서 상대적으로 장기간의 체공시간, 체공 안정성, 추락 사고예방 등이 확보된 기술이다. 일반적으로 지정된 장소의 운용고도에서 장기간 임무를 수행하는 종래의 계류형 비행체 시스템은 상대적으로 단기간 임무를 수행하는 자율비행 무인 비행선과 달리 자세 및 위치제어를 위한 추진부와 방향타 등을 포함한 자율비행장치를 별도로 구성하지 않고, 지상과 연결된 케이블에 의해 고정되어 지정된 운용고도 및 풍속 15m/s 이하의 제한적 환경에서 운용하는 것이 일반적이다. 계류형 비행체 시스템의 비행체 기구(10)는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 헬륨 가스가 충진되어 부양하는 유선형 비행체 기구로서 풍속의 영향을 최소화한 공기역학적 구조설계를 기반으로 하여 “Roll, Pitch, Yaw” 자세유지를 위한 꼬리날개가 역“Y 자” 형상의 동일한 크기와 각도로 이루어져, 바람이 부는 방향에 따라 일정하게 자세를 유지하는 구조적 특징을 가지고 있다.
상기한 구조적 특징은 상대적으로 자율비행 무인 비행선과 비교 시 예상치 못한 풍속 등의 환경변화에도 운용 특성이 뛰어난 측면이 있다. 특히 풍속 15m/s 이하의 일반적인 환경에서 운용되는 계류형 비행체 시스템은 자세제어를 위한 별도의 장치가 요구되지 않는 장점이 있다.
그러나, 종래의 계류형 비행체 시스템과 자율비행 무인 비행선 기술은 첨부된 도 2에 도시된 바와 같이 15m/s 이상의 강력한 풍속 등의 예상치 못한 가혹한 환경변화(상승·하강 기류 변화 등)에는 자세 및 위치제어에 한계가 있고, 이는 운용지역 경로 이탈, 장애물 등의 충돌사고로 이어진다.
이를 해결하기 위해 공개특허 제10-2014-0111414호에 기재된 바와 같이 지상에서 다수의 그라운드 유닛을 비행선에 이격 설치하여 위치를 유지하는 구조를 제공하고 있으나, 이는 높은 건축물과 전신주 등이 즐비한 도심의 복잡하고, 협소한 운용지역 내에서의 설치에 한계가 있고, 예상치 못한 환경변화(상승·하강 기류 변화 등) 발생 시 안정적으로 장기간 임무를 수행함에 있어서 그 한계가 있다.
등록특허 제 10-1350291호 공개특허 제 10-2014-0111414호
본 발명은 전술된 종래 기술에 따른 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 지상의 무어링 장비와 연결되어 지상으로부터 전력을 공급받아 지정된 운용 고도와 위치에서 감시, 관측 및 통신 재난 시 무선통신 중계 등의 특수한 임무를 장시간 수행할 수 있도록 한 새로운 형태에 따른 강력한 풍속 및 복잡한 도심에서도 운용성이 뛰어난 하이브리드 계류형 비행체 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 계류형 비행체 시스템에 따르면 헬륨 가스가 충진되어 부양하도록 이루어진 유선형의 비행체 기구; 상기 비행체 기구에 일단이 연결되면서 장기간 임무 수행을 위한 광통신 및 전력선을 포함하여 이루어진 테더 케이블; 지상에 위치됨과 더불어 상기 테더 케이블의 타단이 연결되면서 상기 테더 케이블의 길이를 조절하도록 이루어진 윈치부; 지상에 위치되면서 상기 테더 케이블을 통해 상기 비행체 기구의 공중 운용 및 임무수행을 위한 모니터링과 지령을 전달함과 더불어 필요 전력을 공급하도록 이루어진 지상통제부; 상기 비행체 기구의 표면에 틸팅 동작이 가능하게 설치됨과 더불어 해당 비행체 기구가 초기 설정 위치로 복귀되도록 동작되는 추진부; 상기 비행체 기구에 탑재되면서 비행체 기구가 초기 설정된 운용지역으로부터 벗어날 경우 초기 설정 위치로 복귀되도록 상기 추진부의 동작을 제어하는 운용장비;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비행체 기구는 자세유지를 위해 구비되는 꼬리날개와, 탑재장비를 장착하기 위한 탑재부와, 상기 테더 케이블의 연결을 위한 케이블 연결부로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 운용장비는 상기 비행체 기구의 위도, 경도, 고도의 값을 제공하는 지피에스(GPS)와, 상기 지피에스의 각 정보 값을 실시간 통신으로 전달받고, 상기 비행체 기구의 경로 이탈시 추진부의 구동을 제어하는 비행속도 제어장치(ESC:Electronic Speed Controls)와, 자세 및 위치 제어, 초기 설정 위치로 비행체 기구의 강제 복귀 임무를 수행하는 비행제어 컴퓨터(FCC:Flight Control Computer)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 비행제어 컴퓨터는 가속도, 고도, 자이로 센서를 포함하는 IMU 센서모듈과, 비행체 기구의 위치를 계산하는 위치 계산 프로그램과, 비행체 기구의 자세를 제어함과 더불어 비행을 제어하기 위한 제어 프로그램과, 비행체 기구가 설정 위치를 벗어날 경우 초기 설정 위치로 강제 복귀되도록 하는 강제 복귀프로그램과, 비행체 기구의 위치 정보 및 제어 정보를 송수신하기 위한 송수신 통신모듈을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 테더 케이블에 가해지는 장력의 측정을 위한 장력 측정부가 더 구비되고, 상기 윈치부에는 상기 테더 케이블에 가해지는 장력이 설정된 장력을 초과할 경우 해당 장력을 감쇄시키는 텐션 조절부가 더 구비됨을 특징으로 한다.
본 발명의 전술된 내용을 살펴보면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 풍속 15m/s 이하의 일반적인 운용 환경에서는 별도의 동력원 없이 헬륨 가스가 충진되어 부양하는 공기역학적 형상의 유선형 비행체 구조로 바람이 부는 방향에 따라 일정하게 자세를 유지하는 구조적 특징을 가지고 있어서, 일시적으로 15m/s 이상의 강력한 풍속 등의 예상치 못한 가혹한 환경변화(상승·하강 기류 변화 등)에만 자세 및 위치제어를 위한 추진부가 구동된다. 이는 계류형 비행체와 자율비행 무인 비행선의 단점은 보완하고, 장점을 취합한 것으로서, 장기간 임무 수행에 안정적이고, 효율적인 효과를 가져온다. 특히, 강력한 풍속 및 복잡한 도심에서의 운용성이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무어링 장비는 테더 케이블의 파손 및 고장을 최소화하고, 유선형 비행체 기구를 안전하게 이·착륙시켜 충돌사고를 예방할 수 있다. 아울러 운용 및 유지·보수 비용이 절감된다.
도 1은 종래 계류형 비행체의 구조를 개략적으로 나타낸 상태도
도 2는 종래 계류형 비행체가 강력한 풍속에서의 영향에 따른 실시예를 계략적으로 보인 예시도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체 시스템의 구성을 설명하기 위해 나타낸 상태도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 하이브리드 계류형 비행체가 도심에 설치되어 운용되는 상태의 일 예를 설명하기 위해 나타낸 상태도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체의 윈치부에 대한 구조를 설명하기 위해 나타낸 사시도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체의 윈치부에 대한 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 프레임들을 제거한 상태를 나타낸 사시도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체의 윈치부 중 텐션 조절을 위한 구조를 설명하기 위해 나타낸 요부 사시도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체를 이루는 운용장비의 구조를 블럭화하여 나타낸 구조도
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체가 전방에서 불어오는 바람에의 영향이나 상승기류 혹은, 하강기류에 따른 동작 상태를 설명하기 위해 나타낸 각각의 상태도
이하, 본 발명의 하이브리드 계류형 비행체 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명하도록 한다.
첨부된 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체 시스템의 구성을 설명하기 위해 나타낸 상태도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 하이브리드 계류형 비행체가 도심에 설치되어 운용되는 상태의 일 예를 설명하기 위해 나타낸 상태도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체 시스템은 크게 비행체 기구(100)와, 테더 케이블(200)과, 윈치부(300)와, 지상통제부(400)와, 추진부(500)와, 운용장비(600)를 포함하여 이루어지며, 특히 상기 비행체 기구(100)가 미리 지정된 위치를 벗어났을 경우 상기 윈치부(300)와 추진부(500) 및 운용장비(600)가 연계 동작되면서 상기 비행체 기구(100)가 빠르게 최초의 설정 위치로 복귀될 수 있도록 한 것이다.
이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 비행체 기구(100)는 실시간 감시, 관측, 통신 재난 시 긴급복구를 위한 무선통신 중계를 위해 제공되는 구성이다.
이와 같은 비행체 기구(100)는 내부에 헬륨 가스가 충진되어 부양하도록 이루어진 계류형의 비행체로 구성되며, 고도나 기상변화에 따른 압력변화를 수용할 수 있도록 제공되는 여압장치(도시는 생략됨)와, 자세유지를 위해 구비되는 꼬리날개(110)와, 탑재장비(710)를 장착하기 위한 탑재부(120)와, 상기 테더 케이블(200)의 연결을 위한 케이블 연결부(130)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 탑재장비(710)는 풍향, 풍속, 기압, 기온 등을 감지하기 위한 센서들과 해당 비행체 기구(100)의 운용 목적을 위한 각종 기기나 장비(예컨대, 감시 카메라 혹은, 무선통신 중계기 등)가 포함되어 이루어진다. 이와 함께, 상기 탑재부(120)에는 상기 탑재장비(710) 외에도 후술될 운용장비(600)가 탑재되도록 이루어진다.
또한, 상기 비행체 기구(100)의 표면은 외부 손상에 의해 찢어지거나 긁힐 수가 있지만, 풍선이 터지듯이 폭발하지 않고, 서서히 헬륨이 누설되는 안정성을 갖도록 형성된다.
또한, 상기 케이블 연결부(130)는 복수의 계류로프로 이루어지며, 상기 각 계류로프가 합쳐지는 부위에 테더 케이블(200)이 연결되도록 이루어진다. 이때 상기 탑재부(120)는 상기 케이블 연결부(130)에 고정 설치되도록 이루어진다.
다음으로, 상기 테더 케이블(200)은 장기간 임무 수행을 위한 광통신 및 전력선을 포함하여 이루어진 케이블이다.
이와 같은 테더 케이블(200)은 그 일단이 상기 비행체 기구(100)의 케이블 연결부(140)에 연결됨과 더불어 타단은 후술될 윈치부(300)에 연결되도록 이루어진다.
이때, 상기 테더 케이블(200)과 케이블 연결부(140) 간의 연결 부위는 회전 가능하게 구성하여 상기 테더 케이블(200)의 꼬임을 방지할 수 있도록 하며, 이와 함께 상기 테더 케이블(200)과 케이블 연결부(140) 간의 연결 부위에는 상기 테더 케이블(200)에 가해지는 장력의 측정을 위한 장력 측정부(720)가 더 구비되도록 한다.
다음으로, 상기 윈치부(300)는 테더 케이블(200)의 길이를 조절하도록 제공되는 기기이다.
이와 같은 윈치부(300)는 지상에 위치되며, 첨부된 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 테더 케이블(200)의 타단이 권취되는 윈치드럼(310)과, 상기 윈치드럼(310)의 강제 구동을 위한 윈치용 서보모터(320)와, 상기 윈치드럼(310)에 권취되는 테더 케이블(200)을 정렬하는 케이블 정렬기(330)와, 상기 테더 케이블(200)에 제공되는 급격한 장력 변동을 해소하기 위한 텐션 조절기(340)와, 상기 테더 케이블(200)을 안내하는 가이드풀리(350)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 케이블 정렬기(330)는 상기 윈치드럼(310)과 함께 윈치용 서보모터(320)의 구동력을 전달받아 좌우 이동되면서 상기 테더 케이블(200)이 윈치드럼(310)의 전 부위에 고르게 권취되도록 이루어진다.
이와 함께, 상기 텐션 조절기(340)는 테더 케이블(200)에 가해지는 장력(인장하중 또는, 충격하중)이 그 한계치를 넘어 단락되는 것을 방지하도록 제공되는 기기로써, 상기 테더 케이블(200)이 순차적으로 경유되도록 이격 설치되는 두 권취풀리(341)와, 상기 두 권취풀리(341) 간의 탄력 이동을 위한 복수의 탄력스프링(342)을 포함하여 이루어진다. 즉, 상기 각 탄력스프링(342)에 의한 두 권취풀리(341) 간의 상대 방향측을 향한 이동으로써 해당 테더 케이블(200)에 가해지는 장력이 설정된 장력을 초과할 경우 해당 장력을 감쇄시켜 테더 케이블(200)의 단락 사고를 예방할 수 있도록 한 것이다. 이에 대하여는 첨부된 도 7에 도시된 바와 같다.
한편, 상기한 윈치부(300)는 지상에 얹히는 베이스프레임(730)의 상면에 회전 가능하게 설치되면서 상기 테더 케이블(200)의 꼬임 등으로 인한 단락 사고를 방지할 수 있도록 구성된다.
다음으로, 상기 지상통제부(400)는 테더 케이블(200)을 통해 상기 비행체 기구(100)의 공중 운용 및 임무수행을 위한 모니터링과 지령을 전달함과 더불어 필요 전력을 공급하도록 이루어진 기기이다.
이와 같은 지상통제부(400)는 지상에 위치되면서 상기 비행체 기구(100)의 탑재부(120)에 탑재된 풍향, 풍속, 기압, 기온 등의 각종 센서로부터 제공받는 운용환경 정보와 상기 비행체 기구(100)의 정보를 실시간으로 모니터링하고, 긴급 상황 발생시 상기 비행체 기구(100)의 강제 복귀를 수동으로 지령할 수 있도록 구성된다.
다음으로, 상기 추진부(500)는 비행체 기구(100)가 초기 설정 위치로 복귀 이동될 수 있도록 동작되는 부위이다.
이와 같은 추진부(500)는 첨부된 도 7에 도시된 바와 같이 회전익(510) 및 이 회전익(510)의 회전 동작을 위해 구동되는 추진용모터(520)와, 상기 회전익(510)이 회전 가능하게 설치되는 지지림(530) 및 이 지지림의 틸팅 동작을 위한 틸팅용모터(540)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 틸팅용모터(540)는 비행체 기구(100)의 내부에 구비되도록 이루어지며, 상기 추진용모터(520)와 함께 후술될 운용장비(600)의 동작 제어를 받아 동작되도록 구성된다.
이와 함께, 상기한 추진부(500)는 복수로 제공되면서 상기 비행체 기구(100)의 양측에 각각 구비되도록 이루어진다.
다음으로, 상기 운용장비(600)는 비행체 기구(100)가 초기 설정된 운용지역으로부터 벗어날 경우 초기 설정 위치로 복귀되도록 상기 추진부(500)의 동작을 제어하는 장비이다.
이와 같은 운용장비(600)는 상기 비행체 기구(100)의 탑재부(120)에 탑재되도록 이루어지며, 상기 비행체 기구의 위도, 경도, 고도의 값을 제공하는 지피에스(GPS:Global Positioning System)(610)와, 상기 지피에스(610)의 각 정보 값을 실시간 통신으로 전달받고, 상기 비행체 기구(100)의 경로 이탈시 추진부(500)의 구동을 제어하는 비행속도 제어장치(ESC:Electronic Speed Controls)(620)와, 상기 비행속도 제어장치(620)와 연동되면서 자세 및 위치 제어, 초기 설정 위치로 비행체 기구의 강제 복귀 임무를 수행하는 비행제어 컴퓨터(FCC:Flight Control Computer)(630)를 포함하여 이루어진다. 이에 대하여는 첨부된 도 8에 도시된 바와 같다.
여기서, 상기 비행제어 컴퓨터(630)는 가속도, 고도, 자이로 센서를 포함하는 IMU 센서모듈(631)과, 해당 비행체 기구의 위치를 계산하는 위치 계산 프로그램(632)과, 자세를 제어함과 더불어 비행을 제어하기 위한 제어 프로그램(633)과, 설정 위치를 벗어날 경우 초기 설정 위치로 강제 복귀되도록 하는 강제 복귀프로그램(634)과, 위치 정보 및 제어 정보를 송수신하기 위한 송수신 통신모듈(635)을 포함하여 이루어진다.
하기에서는, 전술된 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 계류형 비행체 시스템의 동작 과정을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 비행체 기구(100)의 탑재부(120)에 운용장비(600) 및 운용 목적을 위한 각종 탑재장비(710)를 탑재한다. 이때 운용장비(600)를 이루는 위치 계산 프로그램(632)은 비행체 기구(100)가 지상에 계류되었을 때를 원점으로 절대좌표 값(0.0.0)이 설정된다. 물론, 상기 원점은 별도의 시작점을 기준으로 하는 상대좌표 값으로도 설정될 수가 있다.
그리고, 상기한 바와 같은 운용장비(600) 및 여타 탑재장비(710)가 탑재된 상태에서 상기 비행체 기구(100) 내에 헬륨을 충전하여 해당 비행체 기구(100)를 점차 상승 이동시킨다.
상기한 비행체 기구(100)의 상승 이동이 이루어질 때에는 윈치부(300)를 이루는 윈치용 서보모터(320)의 동작 제어가 이루어지면서 테더 케이블(200)을 윈치드럼(310)으로부터 점차 권출하게 되며, 이로써 상기 비행체 기구(100)가 설정된 방향을 향해 점차적으로 떠오를 수 있도록 한다.
그리고, 상기한 과정에 의해 상기 비행체 기구(100)가 초기 설정 위치에 도달하면 비행제어 컴퓨터(630)는 해당 비행체 기구(100)가 설정 영역 내에 위치된 상태를 유지하면서 그 목적에 따른 운용이 수행될 수 있도록 제어하게 된다.
즉, 운용장비(600)를 이루는 비행제어 컴퓨터(630)는 지피에스(610)로부터 해당 비행체 기구(100)의 위도, 경도, 고도의 값을 제공받아 비행속도 제어장치(620)와 연계되면서 해당 비행체 기구(100)가 정위치를 유지하도록 자세 및 위치를 제어하는 것이다.
이때, 상기 운용장비(600) 및 각종 탑재장비(710)로는 테더 케이블(200)을 통해 전원이 공급됨과 더불어 각종 정보 데이터가 송수신된다.
한편, 상기한 비행체 기구(100)의 운용 도중 예상치 못한 15m/s 이상의 강력한 기류가 해당 비행체 기구(100)로 제공되어 상기한 기류의 영향에 의해 비행체 기구(100)가 급격히 기울어지거나 상승 혹은, 하강할 경우 이러한 이상 상황 발생에 따른 위치 좌표의 급격한 변동이 지피에스(610)를 통해 비행제어 컴퓨터(630)로 제공된다.
그리고, 상기 비행제어 컴퓨터(630)는 상기 제공받은 비행체 기구(100)의 좌표값이 설정된 범위를 이탈하였는지를 확인하며, 만일 비행체 기구(100)가 설정된 범위를 이탈하였음으로 확인된다면 비행속도 제어장치(620)를 통해 추진부(500)의 동작 제어를 수행하면서 상기 비행체 기구(100)가 빠르게 초기 설정 위치로 강제 복귀되도록 한다.
예컨대, 첨부된 도 9에서와 같이 앞쪽에서 불어오는 강력한 바람에 의해 비행체 기구(100)가 후방으로 이동되면서 기울어질 경우 추진부(500)가 동작되면서 상기 비행체 기구(100)를 초기 설정 위치를 향해 전방으로 이동되도록 하고, 첨부된 도 10에서와 같이 위쪽에서 불어오는 강력한 하강기류에 의해 비행체 기구(100)가 아래로 급격히 처질 경우 추진부(500)가 동작되면서 상기 비행체 기구(100)를 초기 설정 위치를 향해 상향 이동되도록 하며, 첨부된 도 11에서와 같이 위쪽에서 불어오는 강력한 상승기류에 의해 비행체 기구(100)가 상방으로 이동될 경우 추진부가 동작되면서 상기 비행체 기구(100)를 초기 설정 위치를 향해 하향 이동되도록 하는 것이다.
이때, 상기 추진부(500)는 틸팅용모터(540)의 동작에 의해 추진 방향이 결정됨과 더불어 추진용모터(529(의 구동에 의한 회전익(510)의 회전 동작에 의해 해당 비행체 기구(100)로 각 방향별 추진력을 제공하게 된다.
특히, 상기한 비행체 기구(100)의 급격한 상승 이동 혹은, 하강 이동시에는 테어 케이블(200)과 탑재부(120) 간의 연결 부위에 구비된 장력 측정부(720)에 의한 상승 이동 혹은, 하강 이동의 감지가 이루어짐에 따라 지피에스(610)에 의한 좌표값의 감지가 순간적으로 늦게 이루어지거나 확인 불량이 이루어진다 하더라도 추진부(500)의 추진 동작은 정확히 이루어질 수 있게 된다.
이와 함께, 상기한 비행체 기구(100)의 급격한 상승이나 급격한 하강시에는 테더 케이블(200)에 작용되던 장력이 순간적으로 커지거나 혹은, 작아지게 되어 테더 케이블(200)의 단락 발생이나 꼬임이 발생될 수 있지만 윈치부(300)에 구비되는 텐션 조절기(340)에 의해 상기 급격한 장력 변동이 해소됨에 따라 해당 테더 케이블(200)의 단락이나 꼬임 발생이 방지될 수 있다.
결국, 본 발명의 하이브리드 계류형 비행체 시스템은 풍속 15m/s 이하의 일반적인 운용 환경에서는 별도의 동력원 없이 헬륨 가스가 충진되어 부양하는 공기 역학적 형상의 유선형 비행체 구조에 의해 바람이 부는 방향에 따라 일정하게 자세를 유지할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 하이브리드 계류형 비행체 시스템은 일시적으로 15m/s 이상의 강력한 바람이나 예상치 못한 가혹한 환경 변화(상승기류 혹은, 하강기류의 변화 등)가 발생될 경우 자세 및 위치제어를 위한 추진부(500)가 구동되면서 빠르게 초기 설정 위치로 복귀될 수 있어서 복잡한 도심에서의 운용이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 하이브리드 계류형 비행체 시스템은 테더 케이블(200)의 장력 변동이 발생된다 하더라도 텐션 조절기가 이러한 장력 변동을 해소할 수 있도록 동작되며, 윈치부(300) 전체가 베이스프레임(730)으로부터 회전 가능하게 설치됨과 더불어 테더 케이블(200)과 케이블 연결부(130) 간의 연결 부위가 회전 가능하게 구성됨에 따라 테더 케이블(200)의 꼬임을 방지할 수 있게 된다.
100. 비행체 기구 110. 꼬리날개
120. 탑재부 130. 케이블 연결부
200. 테더 케이블 300. 윈치부
310. 윈치드럼 320. 윈치용 서보모터
330. 케이블 정렬기 340. 텐션 조절기
341. 권취풀리 342. 탄력스프링
350. 가이드풀리 400. 지상통제부
500. 추진부 510. 회전익
520. 추진용모터 530. 지지림
540. 틸팅용 모터 600. 운용장비
610. 지피에스 620. 비행속도 제어장치
630. 비행제어 컴퓨터 631. IMU 센서모듈
632. 위치 계산 프로그램 633. 제어 프로그램
634. 강제 복귀프로그램 710. 탑재장비
720. 장력 측정부 730. 베이스프레임

Claims (5)

  1. 헬륨 가스가 충진되어 부양하도록 이루어진 유선형의 비행체 기구;
    상기 비행체 기구에 일단이 연결되면서 장기간 임무 수행을 위한 광통신 및 전력선을 포함하여 이루어진 테더 케이블;
    지상에 위치됨과 더불어 상기 테더 케이블의 타단이 연결되면서 상기 테더 케이블의 길이를 조절하도록 이루어진 윈치부;
    지상에 위치되면서 상기 테더 케이블을 통해 상기 비행체 기구의 공중 운용 및 임무수행을 위한 모니터링과 지령을 전달함과 더불어 필요 전력을 공급하도록 이루어진 지상통제부;
    상기 비행체 기구의 표면에 틸팅 동작이 가능하게 설치됨과 더불어 해당 비행체 기구가 초기 설정 위치로 복귀되도록 동작되는 추진부;
    상기 비행체 기구에 탑재되면서 비행체 기구가 초기 설정된 운용지역으로부터 벗어날 경우 초기 설정 위치로 복귀되도록 상기 추진부의 동작을 제어하는 운용장비;
    상기 테더 케이블에 가해지는 장력의 측정을 위한 장력 측정부;를 포함하되,
    상기 윈치부는 지상에 얹히는 베이스프레임의 상면에 회전 가능하게 설치되되, 상기 테더 케이블의 타단이 권취되는 윈치드럼과, 상기 윈치드럼의 강제 구동을 위한 윈치용 서보모터와, 상기 윈치용 서보모터의 구동력을 전달받아 좌우 이동되면서 상기 테더 케이블이 상기 윈치드럼의 전 부위에 고르게 권취되도록 정렬하는 케이블 정렬기와, 상기 테더 케이블에 제공되는 급격한 장력 변동을 해소하기 위한 텐션 조절기와, 상기 테더 케이블을 안내하는 가이드풀리를 포함하며,
    상기 텐션조절기는 상기 테더 케이블이 순차적으로 경유되도록 이격 설치되는 두 권취풀리와, 상기 두 권취풀리 간의 탄력 이동을 위한 복수의 탄력스프링을 포함하여, 각 탄력스프링에 의한 두 권취풀리 간의 상대 방향측을 향한 이동으로써 상기 테더 케이블에 가해지는 장력이 설정된 장력을 초과할 경우 해당 장력을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 계류형 비행체 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비행체 기구는
    자세유지를 위해 구비되는 꼬리날개와,
    탑재장비를 장착하기 위한 탑재부와,
    상기 테더 케이블의 연결을 위한 케이블 연결부로 구성됨을 특징으로 하는 하이브리드 계류형 비행체 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 운용장비는
    상기 비행체 기구의 위도, 경도, 고도의 값을 제공하는 지피에스(GPS)와,
    상기 지피에스의 각 정보 값을 실시간 통신으로 전달받고, 상기 비행체 기구의 경로 이탈시 추진부의 구동을 제어하는 비행속도 제어장치(ESC:Electronic Speed Controls)와,
    자세 및 위치 제어, 초기 설정 위치로 비행체 기구의 강제 복귀 임무를 수행하는 비행제어 컴퓨터(FCC:Flight Control Computer)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 하이브리드 계류형 비행체 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비행제어 컴퓨터는
    가속도, 고도, 자이로 센서를 포함하는 IMU 센서모듈과,
    비행체 기구의 위치를 계산하는 위치 계산 프로그램과,
    비행체 기구의 자세를 제어함과 더불어 비행을 제어하기 위한 제어 프로그램과,
    비행체 기구가 설정 위치를 벗어날 경우 초기 설정 위치로 강제 복귀되도록 하는 강제 복귀프로그램과,
    비행체 기구의 위치 정보 및 제어 정보를 송수신하기 위한 송수신 통신모듈을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 하이브리드 계류형 비행체 시스템.
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