KR102163447B1 - 배터리 효율이 개선된 드론 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 효율이 개선된 드론에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 드론의 자체적인 충전시스템을 이용하여 드론의 비행시간을 좀 더 늘릴 수 있도록 하면서, 드론 구동을 위한 각모터로 전원을 하는 메인배터리의 전원이 완전이 방전되는 것을 방지하여, 배터리 저장공간에 따른 효율성을 높이고 배터리의 사용기한을 늘릴 수 있는 기술에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 복수의 프로펠러가 설치되는 본체부와, 상기 본체부의 상부에 태양광 모듈이 설치되어 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부를 통해 생성된 전기가 저장되며 리튬이온전지로 적용되는 축전부와, 상기 축전부의 전기를 제공받아 본체부의 프로펠러를 각각 회전시키는 구동모터와, 상기 본체부의 내부에 설치되고 구동모터의 출력을 조절하여 본체부의 비행방향을 제어하는 방향제어부와, 상기 방향제어부와 무선통신을 이용하여 원격지에서 조종하는 무선조종기;로 이루어지며, 상기 축전부는 메인배터리와 보조배터리로 구성되고, 상기 메인배터리의 전원 잔량을 체크하는 잔량체크부와, 상기 메인배터리의 전원 잔량이 10%에 도달하였을 때 보조배터리로 전환되도록 제어하는 전원공급 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 효율이 개선된 드론{Unmanned aerial vehicle with improved battery efficiency}
본 발명은 배터리 효율이 개선된 드론에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 드론의 자체적인 충전시스템을 이용하여 드론의 비행시간을 좀 더 늘릴 수 있도록 하면서, 드론 구동을 위한 각모터로 전원을 공급하는 메인배터리의 전원이 완전이 방전되는 것을 방지하여, 배터리 저장공간에 따른 효율성을 높이고 배터리의 사용기한을 늘릴 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 드론은 무인항공기를 의미하는 것으로서, 복수개의 프로펠러를 모터의 힘으로 회전시키는 형태로 비행이 이루어지며, 별도의 조종기를 통해 조종이 가능한 비행장치를 나타내는 것이다.
최초 드론은 정찰용 감시장비 또는 무기를 탑재한 군사용으로 개발되었으나, 근래에 들어 산업 전반적으로 사용되고 있다. 즉, 하나의 비행 플랫폼을 기반으로 역할을 수행하는 기기만 장착하면 되므로, 토지측량, 시설물 촬영, 미디어 촬영, 배달, 환경조건 측정, 방역, 완구, 레저 등의 다방면으로 확장되고 있다.
특히, 무거운 중량물을 옮겨야 하는 산업용 드론의 경우 중량물의 무게와 드론 자체의 무게로 인해 고출력의 모터가 사용되는데, 고출력의 모터로 인해 사용되는 전력량이 만만치가 않다. 이러한 전력량은 드론의 비행시간에 밀접한 영향을 끼치게 된다. 드론의 비행시간은 해당 역할을 수행하는 데에 있어서 가장 중요한 요소에 해당되며, 단순히 배터리의 용량을 늘린다고 해서 해결될 문제가 아니다.
이러한 드론의 비행시간을 늘리기 위해 다양한 기술들이 개시되고 있다.
① 등록특허 제10-1705838호(드론 배터리 자동 교체 시스템)에는 드론 본체와, 상기 드론 본체에 마련되며, 상기 드론 본체에 구동력을 제공하는 배터리가 내장된 배터리 수용부와, 상기 드론 본체의 비행을 제어하는 제어부와, 및 상기 드론 본체의 비행경로와 인접한 위치에 설치되어 상기 배터리 수용부의 배터리를 교체하는 배터리 교체 스테이션;을 포함하며, 상기 배터리 교체 스테이션은 상기 드론 본체가 상기 배터리 교체 스테이션의 착륙 플레이트에 락킹된 후에 배터리가 교체되는 동안 상기 드론 본체에 대체전원을 공급하는 기술이 개시되어 있다.
상기 선행기술은 드론이 반드시 지상에 내려와 착륙 플레이트에 도킹을 실시해야 하므로, 지면에 내려오지 않고 장시간 비행을 유지해야 하는 조건에서는 적용되기 어려운 문제점이 있다.
② 등록특허 제10-1893865호(드론용 충전 시스템)에는 비행드론과 충전드론으로 구성되는 드론유닛과, 상기 비행드론과 충전드론에 각각 배치되되 상호 접속 가능하게 구비되어 상기 비행드론에 구비된 배터리를 충전하기 위한 충전수단과, 상기 비행드론에 대해 충전드론의 위치를 유도하는 도킹유도수단 및 상기 충전수단과 도킹유도수단을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지되, 상기 충전수단은, 상기 비행드론의 일측에 구비된 접속단자와, 상기 접속단자의 상면에 배치되되 인가된 전원에 의해 자력을 띠는 고정용 전자석과, 상기 접속단자의 상방을 개폐하되, 횡방향으로 이동 가능하게 배치되는 차폐판과, 상기 차폐판을 이동시키기 위한 슬라이딩수단을 포함하여 이루어진 암커넥터부와, 상기 충전드론에 하부에 구비되며 상하로 수축 가능하게 구성되는 자바라 형태의 연장관과, 상기 연장관의 말단부에 구비되어 상기 암커넥터부의 접속단자와 전기적으로 접속하는 충전단자와, 상기 충전단자의 테두리에 배치되며 인가된 전원에 의해 자력을 띠는 결합용 전자석을 포함하여 이루어진 수커넥터부;로 이루어지는 기술이 개시되어 있다.
상기 선행기술은 반드시 비행용 드론과 충전용 드론과 같이 한 쌍으로 구성되어야 하며, 강풍과 같은 환경요인에 의해 비행드론과 충전드론의 도킹이 어려울 뿐더러, 충전을 하는 동안 비행드론과 충전드론의 도킹상태를 유지해야 되기 때문에 작업을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 드론 자체에 충전시스템을 적용하여 비행과정에서 추가적인 전력생산이 이루어지도록 한 다음 생산된 전력은 메인배터리의 전원으로 저장하여, 비행시간을 늘릴 수 있도록 하고, 메인배터리와 별도로 보조배터리를 구성하여 전원을 보조함과 아울러 메인배터리의 완전방전을 방지하여 메인배터리의 수명을 늘리고, 저장공간의 활용성을 높일 수 있도록 한 배터리 효율이 개선된 드론를 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 복수의 프로펠러가 설치되는 본체부와, 상기 본체부의 상부에 태양광 모듈이 설치되어 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부를 통해 생성된 전기가 저장되며 리튬이온전지로 적용되는 축전부와, 상기 축전부의 전기를 제공받아 본체부의 프로펠러를 각각 회전시키는 구동모터와, 상기 본체부의 내부에 설치되고 구동모터의 출력을 조절하여 본체부의 비행방향을 제어하는 방향제어부와, 상기 방향제어부와 무선통신을 이용하여 원격지에서 조종하는 무선조종기;로 이루어지며, 상기 축전부는 메인배터리와 보조배터리로 구성되고, 상기 메인배터리의 전원 잔량을 체크하는 잔량체크부와, 상기 메인배터리의 전원 잔량이 10%에 도달하였을 때 보조배터리로 전환되도록 제어하는 전원공급 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 축전부에서 메인배터리는 보조배터리에 비해 더 많은 전기 저장용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 무선조종기에는 축전부의 전원 잔량, 메인배터리 및 보조배터리의 사용현황, 충전상황이 표시되도록 하는 정보패널;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발전부에서 충전되는 전기가 메인배터리 또는 보조배터리 중에서 선택되도록 제어하는 충전선택 제어부;가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 충전선택 제어부는 메인배터리의 전원잔량이 20%이하일 경우 메인배터리를 우선적으로 충전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 드론 자체에 추가적인 전력을 생성할 수 있는 발전구성을 설치하여, 배터리의 용량보다 더 많은 비행시간을 늘릴 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 축전부의 구성을 리튬이온전지로 적용하며, 메인배터리와 별도로 보조배터리를 구성하여 전원을 보조함과 아울러 메인배터리의 완전방전을 방지하여 메인배터리의 수명을 늘리고, 저장공간의 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 축전부를 보호할 수 있는 보호케이스를 구비하되, 비행과정에서 유입되는 공기에 의해 축전부를 냉각시킬 수 있도록 하면서, 겨울철에는 보호케이스로 공기의 유입을 차단할 수 있도록 하여, 외부 온도에 축전부의 성능저하 및 내구성감소 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 효율이 개선된 드론의 구성에 관한 충전 시스템도
도 2는 본 발명의 배터리 효율이 개선된 드론의 일 실시예
도 3 내지 4는 본 발명에 따른 보호케이스의 외부공기 유입 및 배출과정을 나타낸 단면도
도 5는 본 발명에 따른 보호케이스의 개폐부재를 통해 외부의 공기유입을 차단한 상태를 나타낸 단면도
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 배터리 효율이 개선된 드론은 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 프로펠러(110)가 설치되는 본체부(100)와, 상기 본체부(100)의 상부에 태양광 모듈이 설치되어 전기를 생성하는 발전부(200)와, 상기 발전부(200)를 통해 생성된 전기가 저장되며 리튬이온전지로 적용되는 축전부(300)와, 상기 축전부(300)의 전기를 제공받아 본체부(100)의 프로펠러(110)를 각각 회전시키는 구동모터(400)와, 상기 본체부(100)의 내부에 설치되고 구동모터(400)의 출력을 조절하여 본체부(100)의 비행방향을 제어하는 방향제어부(500)와, 상기 제어부와 무선통신을 이용하여 원격지에서 조종하는 무선조종기(600);로 이루어진다.
그리고 상기 축전부(300)는 메인배터리(310)와 보조배터리(320)로 구성되고, 상기 메인배터리(310)의 전원 잔량을 체크하는 잔량체크부(700)와, 상기 메인배터리(310)의 전원 잔량이 10%에 도달하였을 때 보조배터리(320)로 전환되도록 제어하는 전원공급 제어부(800);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 본체부(100)는 드론의 외형을 이루는 구성으로서, 적어도 4곳 내지 8곳 정도 프로펠러(110)가 설치되어 있다. 그리고 각각의 프로펠러(110)에는 구동모터(400)가 독립적으로 설치되어 있어서, 방향제어부(500) 및 무선조종기(600)를 통해 구동모터(400)의 출력을 미세하게 조정하여 본체부(100)의 비행방향을 제어하게 되는 것이다.
상기 발전부(200)는 본체부(100)의 상부 즉, 태양광의 가시면적에 해당되는 부분에 태양광 모듈을 설치함으로써, 태양에너지를 통해 전기를 생성하게 된다. 상기 발전부(200)는 이러한 태양광 발전방식 이외에도 본체부(100) 프로펠러(110)의 회전력을 전기에너지로 전환하는 방식 또는 본체부(100)의 하강과정에서 자연적으로 발생하는 바람의 힘을 이용한 풍력발전 방식으로 적용될 수도 있다.
본 발명의 메인배터리(310)와 보조배터리(320)로 구성되며, 발전부(200)를 통해 비행중에 충전이 이루어질 수도 있고, 지정된 장소에서 충전 케이블(120)을 통해 220V와 같은 상용전기가 공급될 수 있도록 한다.
그리고 본 발명의 축전부(300)는 리튬이온전지로 적용된다. 리튬이온전지는 종래의 니켈-카드뮴전지에 비해 무게가 가볍고, 크기에 비해 많은 양의 전기에너지를 저장할 수 있고, 자가방전율이 낮으며, 중금속을 사용하지 않아 친환경적인 이점을 갖는다. 반면, 메모리효과(memory effect)가 존재하지 않으며 완전 방전시 배터리의 수명이 단축되며, 외부 온도에 의해 배터리가 민감한 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 축전부(300)가 완전 방전되어 수명이 단축되는 것을 방지하기 위해, 잔량체크부(700)를 통해 메인배터리(310)의 전원 잔량을 실시간으로 체크하여, 메인배터리(310)의 전원 잔량이 줄어들면서 10%로 감소하였을 경우, 전원공급 제어부(800)에서 이를 감지하여 공급전원을 메인배터리(310)에서 보조배터리(320)로 전환되도록 한다.
본 발명의 전원공급 제어부(800)는 구동모터(400)의 전원을 메인배터리(310)의 전원을 사용할지 보조배터리(320)의 전원을 사용할지 판단하여, 전원공급의 주체를 변경하는 구성에 해당된다.
상기 보조배터리(320)는 메인배터리(310)가 완전히 방전되는 것을 막기 위한 보조수단에 해당되기 때문에, 메인배터리(310)는 보조배터리(320)에 비해 더 많은 전기 저장용량을 갖도록 한다. 즉, 메인배터리(310)는 고가의 고용량 배터리로 적용하고 배터리 방전을 막아 장기간 사용할 수 있도록 하되, 보조배터리(320)는 저용량 저가의 배터리로 적용함으로써, 비교적 고가의 메인배터리(310)보다 저가의 보조배터리(320)를 교체를 유도하여 배터리 사용에 따른 유지비용을 최소화하고자 하는 것이다.
그리고 본 발명의 무선조종기(600)에는 축전부(300)의 전원 잔량, 메인배터리(310) 및 보조배터리(320)의 사용현황, 충전상황이 표시되도록 하는 정보패널(610);을 더 포함하여 다양한 정보를 사용자가 직접 확인할 수 있도록 하는 것이 좋다.
아울러, 본 발명은 충전 케이블(120)을 통한 충전은 메인배터리(310)와 보조배터리(320)가 동시에 충전되도록 하되, 발전부(200)에서 충전되는 전기가 메인배터리(310) 또는 보조배터리(320) 중에서 선택되도록 제어하는 충전선택 제어부(900);가 더 구비될 수 있다. 즉, 발전부(200)에서 충전되는 전기에너지만으로 메인배터리(310)와 보조배터리(320)를 동시에 충전하는데에 한계가 존재하기 때문에, 메인배터리(310)의 전원잔량이 20%이하일 경우 메인배터리(310)를 우선적으로 충전함으로써 메인배터리(310)의 완전방전을 방지하고, 일정 %의 충전상태를 유지함으로써 메인배터리(310)의 수명을 연장할 수 있다.
상기 충전선택 제어부(900)의 충전 방법에 대해 좀더 구체적으로 설명하자면,상기 메인배터리(310)의 충전은 전원 잔량이 20%이하일 경우 80%에 도달할 때까지 우선적으로 충전한 다음, 보조배터리(320)의 충전을 진행하게 된다. 만약, 메인배터리(310)의 전원 잔량이 80% 이상일 경우 보조배터리(320)의 충전을 우선적으로 하게 되며, 메인배터리(310)와 보조배터리(320) 모두 80% 이상의 전원 잔량일 경우 메인배터리(310)->보조배터리(320) 순서로 완전 충전하게 되는 것이다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 축전부(300)는 리튬이온전지로 적용되기 때문에, 외부의 온도에 민감한 단점을 갖고 있다. 즉, 외부의 온도가 너무 낮은 경우 배터리의 일시적인 성능저하가 발생되고, 온도가 너무 높을 경우 배터리의 노화현상이 발생하게 되어 수명이 단축되게 된다.
따라서 본 발명의 축전부(300)는 도 3에 도시한 바와 같이 보호케이스(330)를 구성하여 내부에 메인배터리(310)와 보조배터리(320)를 설치하게 된다. 상기 보호케이스(330)는 겨울철을 제외한 나머지 계절에는 비행과정에서 내부로 유입되는 바람에 의해 메인배터리(310)와 보조배터리(320)의 열을 식힐 수 있도록 하면서, 겨울철에는 외부의 공기가 유입되지 않도록 차단되는 구조로 되어 있다.
상기 보호케이스(330)의 구체적인 구성은 도면에 도시한 바와 같이 원통형으로 이루어지고 바닥부(331c)를 제외한 측면부(331b)와 상면부(331a)에 각각 제1통공부(331-1)가 형성되어 있는 케이스본체(331)와, 상기 케이스본체(331)의 내측에서 바닥부(331c)를 제외한 나머지 부분에 밀착되도록 구성되되, 제1통공부(331-1)와 대응되는 위치에 제2통공부(332-1)가 형성되고 케이스본체(331) 내에서 회전을 통해 제1통공부(331-1)를 개폐하는 개폐부재(332);로 이루어져 있다.
상기 케이스본체(331)에는 제1통공부(331-1)가 상면부(331a)와 측면부(331b)에 각각 형성되어 있다. 상기 제1통공부(331-1)를 통해 유입되는 공기가 메인배터리(310)와 보조배터리(320)를 냉각한 다음 제1통공부(331-1)를 통해 외부로 배출되게 된다.
이때 상기 제1통공부(331-1)를 통한 공기의 유입 및 배출방향은 드론의 상승 또는 하강방향에 따라 달라지게 된다. 즉, 드론의 상승시에는 도 3에 도시한 바와 같이 상면부(331a)에 형성된 통공부를 통해 유입되고, 유입된 공기는 측면부(331b)의 제1통공부(331-1)를 통해 배출되게 된다. 상기 측면부(331b)에 형성된 제1통공부(331-1)는 하향경사진 방향으로 형성되어 상부의 공기가 하부방향으로 배출되는 구조를 갖는다. 그리고 드론의 하강시에는 도 4에 도시한 바와 같이 측면부(331b)의 제1통공부(331-1)로 공기가 유입되고 상면부(331a)의 제1통공부(331-1)를 통해 공기가 배출되게 된다.
상기 케이스본체(331)는 도면과 같이 상면부(331a)가 드론 본체부(100)로부터 이격된 형태로 설치되어야 제1통공부(331-1)의 공기유입 및 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.
그리고 상기 케이스본체(331)의 측면부(331b)에는 도면에 도시한 바와 같이 하강시 케이스본체(331)의 측면을 지나는 공기가 제1통공부(331-1)로 안내될 수 있도록 날개부(331-2)가 돌출형성 될 수 있다. 상기 날개부(331-2)의 방향은 도면에 도시한 바와 같이 상승시 저항을 최소화하면서 하강시에만 공기유입 안내가 이루어지도록 하향경사진 형태로 형성되어야 한다.
상기 개폐부재(332)는 케이스본체(331) 내에서 회전되도록 구성되어 있으며 제2통공부(332-1)의 배열형태와 제1통공부(331-1)의 배열형태가 대응되도록 구성되어 있다. 따라서, 겨울철을 제외한 나머지 계절에는 도 3 내지 4에 도시한 바와 같이 개폐부재(332)의 제2통공부(332-1)가 케이스본체(331)의 제1통공부(331-1)와 동일한 위치에 배치되도록 하여 비행중 유입되는 공기에 의해 메인배터리(310) 및 보조배터리(320)의 과열을 방지할 수 있도록 한다.
그리고 겨울철에는 도 5에 도시한 바와 같이 개폐부재(332)를 회전시켜 제2통공부(332-1)의 위치가 제1통공부(331-1)와 어긋나게 되면, 개폐부재(332)가 제1통공부(331-1)를 차단하게 되는 구조가 되면서 외부의 차가운 공기가 보호케이스(330) 내부로 유입되지 않도록 한다.
상기 개폐부재(332)의 회전구성은 케이스본체(331)의 상부 중앙에 회전축(332-2)으로 결합되고, 회전축(332-2)의 상부에는 사용자가 개폐부재(332)를 용이하게 회전시킬 수 있도록 회전레버(332-3)가 형성되어 있다.
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
100 : 본체부 110 : 프로펠러
120 : 충전케이블 200 : 발전부
300 : 축전부 310 : 메인배터리
320 : 보조배터리 330 : 보호케이스
331 : 케이스본체 331-1 : 제1통공부
331a : 상면부 331b : 측면부
331c : 바닥부 331-2 : 날개부
332 : 개폐부재 332-1 : 제2통공부
332-2 : 회전축 332-3 : 회전레버
400 : 구동모터 500 : 방향제어부
600 : 무선조종기 610 : 정보패널
700 : 잔량체크부 800 : 전원공급 제어부
900 : 충전선택 제어부

Claims (5)

  1. 복수의 프로펠러(110)가 설치되는 본체부(100)와, 상기 본체부(100)의 상부에 태양광 모듈이 설치되어 전기를 생성하는 발전부(200)와, 상기 발전부(200)를 통해 생성된 전기가 저장되며 리튬이온전지로 적용되는 축전부(300)와, 상기 축전부(300)의 전기를 제공받아 본체부(100)의 프로펠러(110)를 각각 회전시키는 구동모터(400)와, 상기 본체부(100)의 내부에 설치되고 구동모터(400)의 출력을 조절하여 본체부(100)의 비행방향을 제어하는 방향제어부(500)와, 상기 방향제어부(500)와 무선통신을 이용하여 원격지에서 조종하는 무선조종기(600);로 이루어지며,
    상기 축전부(300)는 메인배터리(310)와 보조배터리(320)로 구성되고, 상기 메인배터리(310)의 전원 잔량을 체크하는 잔량체크부(700)와, 상기 메인배터리(310)의 전원 잔량이 10%에 도달하였을 때 보조배터리(320)로 전환되도록 제어하는 전원공급 제어부(800);를 포함하여 이루어지는 드론에 있어서,
    상기 축전부(300)에는 보호케이스(330)를 설치하되,
    상기 보호케이스(330)는 원통형으로 이루어지고 바닥부(331c)를 제외한 측면부(331b)와 상면부(331a)에 각각 제1통공부(331-1)가 형성되어 있는 케이스본체(331)와, 상기 케이스본체(331)의 내측에서 바닥부(331c)를 제외한 나머지 부분에 밀착되도록 구성되되, 제1통공부(331-1)와 대응되는 위치에 제2통공부(332-1)가 형성되고 케이스본체(331) 내에서 회전을 통해 제1통공부(331-1)를 개폐하는 개폐부재(332);로 이루어지며,
    상기 케이스본체(331)의 측면부(331b)에는 하강시 케이스본체(331)의 측면을 지나는 공기가 제1통공부(331-1)로 안내될 수 있도록 하향경사진 날개부(331-2)가 돌출형성되고,
    상기 개폐부재(332)는 케이스본체(331)의 상부 중앙에 회전축(332-2)으로 결합되고, 회전축(332-2)의 상부에는 사용자가 개폐부재(332)를 회전시킬 수 있는 회전레버(332-3)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 효율이 개선된 드론
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무선조종기(600)에는 축전부(300)의 전원 잔량, 메인배터리(310) 및 보조배터리(320)의 사용현황, 충전상황이 표시되도록 하는 정보패널(610);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 효율이 개선된 드론
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발전부(200)에서 충전되는 전기가 메인배터리(310) 또는 보조배터리(320) 중에서 선택되도록 제어하는 충전선택 제어부(900);가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 효율이 개선된 드론
  5. 삭제
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