KR102212370B1 - 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법 - Google Patents

고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 무인 항공기는 본체 및 암 프레임을 포함한다.

Description

고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법{CONTROL METHOD OF UNMANNED AERIAL VEHICLE AND ACCESSORY EQUIPMENT TO BE USED FOR HIGH-ALTITUDE DANGEROUS WORK}
본 출원은 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법에 관한 것이다.
풍력발전 블레이드 유지 및 송전 철탑 정비 등과 같이, 고공에서 이루어지는 설비 모니터링은 위험한 작업임에도 불구하고, 인력에 의한 작업에 의존하고 있어, 작업 난이도에 비해 위험도가 매우 높아 안전사고 위험이 상존하고 있다.
고공에서 이루어지는 작업의 특성상, 날씨의 영향을 많이 받으며, 사람이 하는 작업으로는 작업기술이나 정비 업무 효율성 제고에 한계가 있다.
고비용, 고위험 정비 업무이므로, 안전 보강 비용이 많이 지출되고 있으며, 인력에 의존하는 작업 방식으로는 날로 증가하는 작업 분야와 정비 업무 효율 향상에 한계가 있다.
현재 검사 로봇을 활용한 설비 모니터링 기술이 존재하기는 하나, 이는 무인 항공기를 활용한 방법은 아니며, 외부 작업은 어려운 수준에 머무른다. 또한, 배터리 기반의 무인 항공기는 제한적인 비행 시간, 고중량 인양에 대한 문제점, 내풍성 등 비행 환경에 따른 제한점 등의 과제를 가지고 있어, 이를 개선한 장치의 개발이 요구되고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기를 제공하는데 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비를 제공하는데 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은 고공 위험 작업에 활용할 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 프로세서에 의해 수행되는 무인 항공기 및 부속 장비의 제어 방법으로서, 상기 무인 항공기는 본체 및 2개의 암 프레임을 포함하고, 상기 본체는 상기 무인 항공기에 양력을 제공하는 복수 개의 프로펠러, 상기 복수 개의 프로펠러를 구동하는 모터, 대상체를 촬영하여 이미지를 획득하는 카메라 및 상기 이미지를 송신하고, 사용자로부터의 신호를 수신하는 통신 모듈을 포함하고, 상기 프로세서에 의해 상기 신호에 응답하여, 상기 암 프레임을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 2개의 암 프레임 및 상기 본체는 H형 구조로 구성되고, 상기 암 프레임은 상기 대상체에 접촉하여 상기 무인 항공기를 고정하기 위한 2개의 고정 프레임, 길이가 늘어나거나 줄어드는 연장 프레임. 상기 고정 프레임 및 상기 연장 프레임을 수용하는 메인 프레임, 상기 메인 프레임의 중앙에 위치하는 컨트롤러, 상기 고정 프레임, 상기 연장 프레임 및 상기 메인 프레임을 결속하는 케이블, 물질을 보관하는 케이스, 상기 물질을 분사할 수 있는 세라믹 코팅 처리된 분사 노즐 및 복수 개의 서보 모터를 가지고 3축 제어를 이용하는 로봇 암을 포함하고, 상기 암 프레임을 제어하는 단계는 상기 프로세서에 의해 상기 연장 프레임 및 상기 고정 프레임 중 적어도 하나의 길이를 늘리거나 줄이는 단계 및 상기 프로세서의 의해 상기 물질을 상기 대상체에 분사하는 단계를 포함하고, 상기 고정 프레임은 블레이드에 압착되어 상기 무인 항공기의 호버링을 지원하고, 상기 연장 프레임은 상기 무인 항공기의 일방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제1 프레임 및 상기 무인 항공기의 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제2 프레임을 포함하고, 상기 연장 프레임은 상기 메인 프레임의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어들고, 상기 고정 프레임은 상기 연장 프레임의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어드고, 상기 연장 프레임 및 상기 고정 프레임은 유압 방식 또는 에어 압축 방식을 이용하여 길이가 늘어나거나 줄어들고, 상기 카메라는 비파괴 검사(visual testing, VT)를 수행하기 위한 열화상 카메라를 포함하고, 상기 카메라는 상기 암프레임이 상기 연장 프레임 또는 상기 메인 프레임을 통해 연장되거나 줄어드는 방향을 향하여 촬영되고, 상기 프로세서에 의해 상기 대상체에 상기 고정 프레임을 통해 고정된 경우, 상기 카메라 또는 모션 센서를 통해 상기 무인 항공기의 하부에 사람이 존재하는지 판단하는 단계 및 상기 프로세서에 의해 상기 무인 항공기의 하부에 사람이 존재하지 않는다고 판단한 경우, 상기 로봇 암 또는 상기 분사 노즐을 이용하여 상기 대상체의 이물질 제거를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사람이 확인하기 어려운 블레이드의 상태를 무인 항공기를 이용해서 확인할 수 있으며, 이에 따라 안전한 작업 수행이 가능하다.
본 발명에 따르면, 무인 항공기는 임무 형태에 따라 로봇 암의 모듈을 타입별로 변경할 수 있기 때문에, 도장액 분사 작업, 블레이드 스크래치 보정 작업, 블레이드 보수 작업과 관련한 작업자의 자재 이송 업무를 협동에서 임무 수행할 수 있는 협동 로봇의 역할도 할 수 있기 때문에, 블레이드 보수 작업을 진행하는 작업자의 작업 피로도를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 작업자가 안전한 환경에서 작업을 할 수 있도록 뒷받침이 가능하다.
본 발명에 따르면, 무인 항공기의 작업 결과는 원격지에 위치한 관리센터 등에 전송되어 관리자가 블레이드 상태에 따른 적절한 조치를 취할 수 있으며, 현장 작업자에게도 정보를 제공함으로써 안전한 보수 작업이 가능할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 무인 항공기가 블레이드의 곡면을 따라 이동하거나 작업하는 과정에서 휴먼 에러를 방지할 수 있고, 로봇 암으로 최소 이격 거리를 확보하고 작업하므로 블레이드의 손상이 최소화된다.
본 발명에 따르면, 블레이드의 손상 여부 등을 검사할 때, 무인 항공기는 자체 부착된 로봇 암을 이용하여 블레이드에 부착된 이물질 등의 청소 동작을 함께 수행할 수 있으며, 간단한 도색 작업은 물론 웬만한 보수작업 또한 충분히 작업 수행이 가능하다.
본 발명에 따르면, 무인 항공기가 지면, 특정 구조물, 블레이드가 결합되는 허브나 풍력 발전기의 나셀까지의 거리를 측정한 후, 측정 결과에 따라 상하로 이동할 수 있도록 구동하여, 검사 대상이 되는 부분만을 선별하여 검사하는 것이 가능하며, 위험 요소 발견시 즉시 현장에서 블레이드 분리 없이 작업이 가능하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기를 나타낸다.
도 1b는 일 실시예에 따른 무인 항공기의 블록도를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2h는 일 실시예에 따른 모터의 제작 방법을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무인 항공기를 운용하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)를 나타내고, 도 1b는 일 실시예에 따른 무인 항공기의 블록도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 무인 항공기(100)는 사용자의 조작에 기초하여 비행 업무를 수행할 수 있다. 무인 항공기(100)는 사람이 탑승하지 않고 원격 조정에 의해 비행하거나 지정된 경로를 따라 자율적으로 비행하는 비행체로서, 드론(drone)으로도 지칭될 수 있으나, 탑승자 없이 원격 조정에 의해 비행하거나 지정된 경로를 따라 자율적으로 비행할 수 있는 모든 형태의 비행체를 포함할 수 있으며, 특정한 명칭 및 형태에 제한되는 것은 아니다. 무인 항공기(100)는 군사, 운송, 방범, 관찰, 촬영 등 다양한 용도로 운용될 수 있으며, 그 용도에 따라 카메라, 적외선 센서, 장애물 감지 센서, 열 감지 센서, 자세 센서, 기압계 센서, 위치 측정 센서(예를 들어, GPS 수신기) 등과 같은 다양한 센서들이 탑재될 수 있다.
예를 들어, 무인 항공기(100)는 사람이 접근하여 모니터링, 관찰, 유지 및 보수가 힘든 설비를 대상으로 업무를 수행할 수 있다. 이러한 설비의 예로는 송전 철탑, 대규모 교량, 고층 건물, 풍력 발전기 등이 있을 수 있다. 이때, 풍력 발전기는 바다 또는 육지에서 바람이 가지는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 풍력 발전기는 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 적절한 회전 속도를 유지하는 증속기 또는 감속기, 블레이드의 회전에 따라 전류를 발생하는 발전기 등을 포함한다. 풍력에 따라 블레이드가 회전하는 과정에서 손상되거나, 이물질이 부착되면, 풍력 발전기의 공기 역학적 성능을 저해시킬 수 있다. 이에, 무인 항공기(100)를 사용하여 고공의 풍력 발전기의 이상 유무를 실시간으로 모니터링하고 이상 발생시 적절하게 대처함으로써 효율적인 이용을 가능하게 할 수 있다. 기존에 풍력 발전기를 유지 보수하기 위해서는 풍력 발전기의 블레이드를 떼어내서 공장으로 이동하여야 했으나, 무인 항공기(100)를 사용함으로써 블레이드를 분리할 필요 없이 바로 작업하기 때문에 비용과 시간이 획기적으로 절약되며, 또한, 사람이 위험 지역에서 작업할 수 있는 작업환경을 근본적으로 개선할 수 있으므로, 안전 사고 예방 관련 비용도 획기적으로 줄이는 이점이 있다.
또한, 무인 항공기(100)는 송전탑, 전주에 대하여 모니터링, 유지 및 보수 등을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 무인 항공기(100)는 고공에 존재하는 육각 스페이서의 교체 작업, 애자 진단, 청소, 조류 산란기에 빈번하게 발생하는 단락 사고, 지락 사고의 사전 예방, 활선 작업 등의 작업을 수행할 수도 있다.
일 실시예에 따른 무인 항공기(100)는 본체 및 암 프레임을 포함한다. 예를 들어, 암 프레임은 부속 장비라고 나타낼 수도 있다.
본체는 복수 개의 프로펠러(110), 모터(120), 카메라(130), 통신 모듈(140), 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
복수 개의 프로펠러(110)는 모터(120)에 연결되어 무인 항공기(100)에 양력을 제공할 수 있다. 무인 항공기(100)가 복수 개의 프로펠러(110)를 포함함으로써 와류 현상 등 무인 항공기(100)에 가해지는 외력에 대하여 안정성을 증대시킬 수 있다. 이때, 무인 항공기(100)는 각각의 프로펠러마다 틸트부를 결합시켜, 각각의 프로펠러를 특정 각도로 기울일 수 있다. 이에, 사용자는 원하는 위치로 무인 항공기(100)를 이동시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서는 설명의 편의를 위해 복수 개의 프로펠러(110)의 개수가 네 개인 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 그 실시 형태에 따라 단일 로터형, 듀얼 콥터, 쿼드 콥터, 헥사 콥터, 옥타 콥터 등으로 구현될 수 있다. 이 경우, 암 프레임을 구성하고 있는 성분들의 형상 또한 변경될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
모터(120)는 복수 개의 프로펠러(110)를 구동시킬 수 있다. 이때, 모터(120)는 배터리 및 내연 기관을 사용하여 구동되는 하이브리드 방식을 사용할 수 있다. 예를 들어, i) 모터(120)가 기본적으로 내연 기관으로 구동되며, 내연 기관의 연료가 소진되는 경우 배터리로 구동되거나, ii) 모터(120)는 배터리로 구동되며, 내연 기관은 배터리를 충전시키는 발전기로서 사용되거나, 또는 iii) 이들 임의의 조합을 통해서 모터(120)가 구동될 수 있다. 하이브리드 방식을 사용함으로써, 배터리의 크기 및 용량이 줄어들어 무인 항공기(100)가 소형화 및 고성능화 될 수 있다. 이상에서는 내연 기관을 사용한 하이브리드 방식을 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 연료 전지, 태양광, 태양열 등의 어떠한 형태의 에너지 발생 수단도 모두 사용될 수 있다.
하이브리드 방식은, 정격 전압은 44.4V (최대 50V), 최대 출력은 6kW * 4ea (12kW/100V), 중량은 7.2kg * 4ea, 작동 온도는 -20도 내지 45도이고, 원터치 스타트의 구동 방법을 사용하고, 냉각 방식은 공냉식이며, 전력 제어 방식은 자동 출력 제어(auto PMU) 방식을 사용할 수 있다.
모터(120)는 기존 직립형 엔진 시스템의 컨버젼으로 인해 무인 항공기(100)에 적합하도록 최적화 설계되어, 개선될 수 있다. 예를 들어, 모터(120)는 다음의 방식을 통해 제작될 수 있다:
기존 직립형 선외기 엔진에서 드라이브(기어 모듈(Gear Module)), 커버, 레귤레이터, 파워 틸트, 프로펠러, 리미터(limiter) 등의 구성품을 제거하는 단계;
엔진 블록의 필요 구성품 추출하는 단계 - 여기서, 필요 구성품은 블록, 보어(Bore), 실린더(Cylinder), 스타팅 모터(Starting motor) 등을 포함할 수 있음 -;
엔진 회전 수 1500 내지 3000rpm 영역에서 엔진 출력 마진을 확인하는 단계 - 여기서, 최대 rpm은 5500임 -;
최대 엔진 회전 수를 확인하고, 정격 엔진의 지속성을 확인하는 단계;
엔진 독립 구동 방식으로 전장 하네스/컨트롤러를 변경하고 일체화하는 단계; 및
수냉(청수) 방식의 최적화된 연료 구성을 설정하는 단계.
이와 같은 모터(120)를 제작하는 일 예가 도 2a 내지 도 2h에 도시되어 있다.
모터(120)가 하이브리드 방식을 사용함으로써, 페이로드가 100kg 이상으로 탑재 능력이 향상되고, 플라잉 타임은 2시간 이상 지속되는 것을 확인하였다(호버링 기준이며, 풍향에 따라 상이함).
카메라(130)는 대상체를 촬영하여 이미지를 획득할 수 있다. 이때, 카메라(130)는 이미지 센서, 열화상 카메라 등으로 구현되어 비파괴 검사(Visual Testing, VT)를 수행할 수 있다. 카메라(130)가 열화상 카메라로 구현되는 경우, 카메라(130)는 대상체에서 비정상적으로 온도가 높은 부분, 비정상적으로 온도가 낮은 부분 등을 검출할 수 있다. 무인 항공기(100)는 열화상 카메라를 통해 획득되는 물체의 온도를 온도 임계치와 비교하여, 비정상 유무를 판단할 수 있다. 해당 비정상 부분이 검출되면, 무인 항공기(100)는 대기 모드로 돌입하여 사용자의 명령을 대기할 수 있다. 이때, 무인 항공기(100)는 호버링을 수행할 수 있다. 대상체는 풍력 발전기의 블레이드일 수 있다.
카메라(130)의 위치와 개수에 대해서는 특별한 제한이 없다고 할 것이지만, 바람직하게는, 카메라(130)는 암 프레임이 연장되고 축소되는 방향을 향하여 촬영을 수행할 수 있다. 또한, 카메라(130)에 틸트부를 부착함으로써, 사용자는 프로세서(150)를 사용하여 카메라(130)를 조작하여, 폭넓은 영역을 모니터링 할 수 있다.
통신 모듈(140)은 사용자와 데이터를 주고받는 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 모듈(140)은 사용자로부터 명령을 수신하고, 사용자에게 무인 항공기(100)의 위치, 카메라(130)로부터 획득된 이미지, 배터리 잔량, 비행 가능 시간 등을 송신할 수 있다.
프로세서(150)는 사용자의 신호에 응답하여 암 프레임을 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 상하좌우 이동 명령에 응답하여 프로세서(150)는 무인 항공기(100)가 이동하도록 복수 개의 프로펠러(110)을 제어할 수 있다.
프로세서(150)는 사용자의 신호에 응답하여 컨트롤러(190)를 제어하여 고정 프레임(160)과 연장 프레임(171 및 172)의 길이를 조절할 수 있다.
프로세서(150)는 사용자의 신호에 응답하여 고정 프레임(160)이 대상체에 접속되도록 제어할 수 있다. 대상체에 접속한다는 것은 고정 프레임(160)이 대상체에 고정되어 움직임이 없는 상태이거나, 또는 고정 프레임(160)이 대상체에 연결되어 일정 거리 이상 벗어나지 않는 상태를 의미할 수 있다.
프로세서(150)는 내연 기관의 연료가 제1 임계치보다 낮고, 배터리의 잔량이 제2 임계치보다 낮은 경우, 미리 정해진 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 임계치는 10%, 제2 임계치는 20%와 같이 설정되거나, 모두 동일하게 20%로 설정되거나, 제1 임계치는 20%, 제2 임계치는 50%로 설정되는 등 사용 환경에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 여기서, 미리 정해진 동작은: 무인 항공기(100)를 절전 모드로 전환하는 것; 제자리 착륙을 수행하는 것; 무인 항공기(100)를 출발지로 회귀시키는 것; 사용자를 호출하는 것; 연료가 소진될 때까지 내연 기관을 가동하여 배터리를 충전하는 것; 및 잔여 비행 가능 시간을 사용자에게 통지하는 것 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절전 모드는 비행을 중단하고 사용자와의 통신만을 수행하는 모드를 의미할 수 있다.
또한, 프로세서(150)는 기압계 센서의 기압 변화 속도가 제3 임계치 이상인 경우, 낙하산을 전개하여 제자리 착륙을 수행할 수 있다. 즉, 무인 항공기(100)는 낙하산을 더 포함할 수 있다.
통신 모듈(140)이 일정 기간 이상 동안 통신이 중단된 경우, 프로세서(150)는 무인 항공기(100)를 출발지로 회귀시킬 수 있다.
프로세서(150)는 미확인 물체에 충돌한 경우, 방전된 경우, 프로펠러가 정상 작동하지 않는 경우 등에 있어서 낙하산을 전개시킬 수 있다. 이때, 프로세서(150)는 스로틀 밸브 제어를 사용하여 내연 기관의 추진체로 공급되는 급유를 차단하여 폭발 위험을 제거할 수 있다. 무인 항공기(100)는 연료 공급 시스템과 엔진 구동 파트가 분리 구조로 격벽 설계됨으로써 안정성이 향상될 수 있다.
제1 임계치, 제2 임계치, 제3 임계치는 사용자에 의해 미리 설정되는 수치로, 현장 조건에 적합하게 설정될 수 있다.
프로세서(150)는 대상체의 미리 지정된 구역에 대하여 모니터링이 완료되면 복수 개의 프로펠러(110)를 제어하여 출발지로 복귀할 수 있다. 예를 들어, 미리 지정된 구역은 하나의 블레이드, 두 개의 블레이드, 하나의 송전 선로, 복수 개의 애자 등을 포함하는 구역을 의미할 수 있다.
프로세서(150)는 무인 항공기(100)가 자율 비행을 하도록 제어할 수 있다. 무인 항공기(100)의 자율 주행 중에도 사용자로부터 신호가 수신되면 자율 주행을 중단하고 사용자의 명령에 따라 동작할 수 있다.
예를 들어, 무인 항공기(100)는 대상체 주위의 미리 설정된 구역을 일정한 속도로 정찰하거나, 일정 시간 동안 호버링을 할 수 있다. 무인 항공기(100)의 자율 주행 중 장애물 센서로부터 장애물이 검출되는 경우, 프로세서(150)는 무인 항공기(100)가 장애물을 회피하는 방향으로 비행하도록 복수 개의 프로펠러(110)를 제어할 수 있다.
암 프레임은 H형 구조체를 사용하여 본체에 연결될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 무인 항공기(100)의 비행 안정성을 위하여 다른 형상의 구조체로 구현될 수도 있다.
암 프레임은 고정 프레임(160), 연장 프레임(171 및 172), 메인 프레임(180), 및 컨트롤러(190)를 포함할 수 있다.
고정 프레임(160)은 대상체에 접촉하여 무인 항공기(100)를 고정시킬 수 있다. 일 예를 들어, 고정 프레임(160)은 압착 방식을 사용하여 대상체에 고정되어, 무인 항공기(100)의 호버링을 안정적으로 지원할 수 있다. 다른 예를 들어, 대상체가 여러 곡면을 갖거나, 재질이 압착 가능한 성질의 것이 아닌 등 압착 방식으로 고정이 힘든 경우에는, 고정 프레임(160)은 집게 등의 형상을 가지는 것으로 구현될 수 있다. 이 경우, 집게가 대상체를 잡음으로써 무인 항공기(100)의 호버링을 효과적으로 지원할 수 있다.
연장 프레임(171 및 172)은 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있다. 구체적으로, 연장 프레임(171 및 172)은 무인 항공기(100)의 일방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제1 연장 프레임(171) 및 무인 항공기(100)의 타방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제2 연장 프레임(172)을 포함하고, 일방향과 타방향은 서로 반대 방향을 지시할 수 있다. 제1 연장 프레임(171)과 제2 연장 프레임(172)는 프로세서(150)의 제어에 따라 같은 속도로 동시에 연장 또는 축소되거나, 또는 상이한 길이와 속도로 상이하게 제어될 수도 있다.
메인 프레임(180)은 고정 프레임(160) 및 연장 프레임(171 및 172)을 수용할 수 있다. 예를 들어, 메인 프레임(180)은 내부에 고정 프레임(160)을 수용하고, 고정 프레임(160)은 내부에 연장 프레임(171 및 172)을 수용할 수 있다.
컨트롤러(190)는 메인 프레임(180)의 중앙에 위치할 수 있다. 컨트롤러(190)는 프로세서(150)의 명령에 따라 고정 프레임(160) 및 연장 프레임(171 및 172) 중 적어도 하나의 길이를 늘리거나 줄일 수 있다. 무인 항공기(100)와 대상체 사이의 거리가 연장될 필요가 있는 경우, 컨트롤러(190)는 고정 프레임(160) 및 연장 프레임(171 및 172) 중 적어도 하나의 길이를 늘리고, 세밀하고 미세한 조작을 위하여 무인 항공기(100)와 대상체 사이의 거리가 가까워질 필요가 있는 경우, 컨트롤러(190)는 고정 프레임(160) 및 연장 프레임(171 및 172) 중 적어도 하나의 길이를 줄일 수 있다.
이때, 연장 프레임(171 및 172)은 메인 프레임(180)의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어들고, 고정 프레임(160)은 연장 프레임(171 및 172)의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있다.
대상체의 크기가 비교적 큰 경우, 프로세서(150)는 두 개 이상의 고정 프레임을 사용하여 무인 항공기(100)를 고정시킬 수 있다. 대상체의 크기가 비교적 작은 경우, 프로세서(150)는 하나의 고정 프레임만을 사용하여 무인 항공기(100)를 고정시킬 수도 있다.
대상체 사이의 틈에 무인 항공기(100)를 고정해야 하는 경우, 프로세서(150)는 네 개의 고정 프레임을 모두 사용하여 틈 사이에 무인 항공기(100)를 고정할 수도 있을 것이다. 이와 같이, 고정 프레임의 사용 예는 특별히 제한되지 않으며, 특정한 상황과 사용 하에서 상이하게 구현될 수 있다.
컨트롤러(190)는 유압 방식 또는 에어 압축 방식의 스키드 전개를 사용할 수 있다. 즉, 고정 프레임(160)과 연장 프레임(171 및 172)은 유압 방식 또는 에어 압축 방식을 사용하여 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있다.
암 프레임은, 안정성을 향상시키기 위하여 고정 프레임(160), 연장 프레임(171 및 172), 및 메인 프레임(180) 중 적어도 둘을 결속하는 케이블을 더 포함할 수 있다. 고공에서 비행하는 경우, 난기류, 강한 풍속의 풍량에 의하여 무인 항공기(100)가 불안정해질 수 있지만, 케이블을 사용하는 경우 암 프레임의 안정성을 향상시킬 수 있다.
다른 예로, 대상체를 연결하는 케이블을 설치하고, 무인 항공기(100)는 케이블로서 구축되는 경로 상에서 대상체 모니터링을 수행할 수 있다. 이때, 이러한 경로는 케이블에 한정되는 것이 아니고, 절연체이고, 쉽게 열이 발생하지 않으며 오랜 사용에도 끊어지지 않는 재질의 것이라면 케이블 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력설비 순시에 있어서 송전, 배전 선로에 평행하게 경로를 구축하여 무인 항공기(100)를 사용하여 대상체를 모니터링, 유지 및 보수를 수행할 수 있다. 대상체가 풍력 발전기인 경우, 풍력 발전기의 상층부 헤드와 무인 항공기(100)를 연결하는 케이블을 사용함으로써 무인 항공기(100)의 안정적인 호버링을 지원할 수 있다.
암 프레임은 로봇 암을 더 포함할 수 있다. 프로세서(150)는 로봇 암을 제어하여 대상체에 대하여 유지 및 보수 작업을 수행할 수 있다.
로봇 암은 3축 제어를 사용하고, 복수 개의 서보 모터를 갖고, PWM 펄스 구동 방식을 사용함으로써 360도 회전이 가능하다. 즉, 로봇 암은 무인 항공기(100)의 소정 거리 이내의 모든 영역으로 이동하여 정밀한 작동이 가능하다. 무인 항공기(100)는 로봇 암을 사용함으로써 기존에 사람이 위험을 무릅쓰고 해야만 했던 활선 작업, 고지대의 송전탑 유지 및 보수 등의 작업을 수행할 수 있다.
암 프레임은, 물질을 보관하는 케이스 및 프로세서(150)의 명령에 따라 물질을 대상체에 분사하는 분사 노즐을 더 포함할 수 있다. 분사 노즐은 실시예에 따라 로봇 암과 함께 결합되어 있을 수도 있고, 로봇 암과는 별개로 구현될 수도 있다. 이때, 프로세서(150)는 사용자의 명령에 따라 분사 노즐의 분사량을 조절할 수 있다. 대안적으로, 프로세서(150)는 센서로부터 풍향, 고도 등의 정보를 획득하여, 획득된 정보에 기초하여 위치를 이동시켜 물질을 분사하거나, 또는 분사 각도, 분사량 등을 제어할 수 있다.
물질이 기체인 경우, 분사 노즐에 세라믹 코딩 처리를 함으로써 활선 작업시의 유도 전류나 코로나 현상 등에 대하여 대비할 수 있다.
무인 항공기(100)는 분사 노즐을 사용함으로써 대상체 표면의 부식이나 도장이 벗겨진 부분을 검출하여 도색, 도포 작업을 수행하고, 균열 부위에 대하여 보강 작업을 할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무인 항공기를 운용하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 무인 항공기(100)가 비행 도중 대상체를 인식한다(310). 무인 항공기(100)는 OpenCV 객체 탐지 소프트웨어 알고리즘에 기반하여 전력 설비를 인식할 수 있다. 이때, 전력 설비는 전주, 전주 선로, 변압기, 개폐기, 애자, 스페이서 등을 포함할 수 있다. 본 도면에서는 대상체가 전력 설비인 것으로 예를 들었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 모니터링이 필요한 기타 설비가 될 수도 있다.
무인 항공기(100)는 대상체를 모니터링할 수 있다(320). 예를 들어, 무인 항공기(100)는 전주와 부속품을 인식하고, 이에 존재하는 이물질을 탐색할 수 있다.
무인 항공기(100)는 대상체를 식별하는 ID를 송신할 수 있다(330). 예를 들어, 무인 항공기(100)는 해당 전주의 데이터 번호를 사용자 및/또는 서버에 송신할 수 있다. 대상체 ID를 통해, 사용자는 모니터링 하고자 하는 대상체를 정확하게 식별할 수 있다.
무인 항공기(100)는 자신의 위치를 송신할 수 있다(340). 예를 들어, 무인 항공기(100)가 모니터링을 위해 호버링하게 되는 위치가 존재하는데, 이의 위치를 사용자 및/또는 서버에 송신할 수 있다. 무인 항공기(100)의 위치는 제1 위치, 제2 위치, ... 제n 위치와 같이 순차적으로 넘버링되며, 사용자는 무인 항공기(100)의 위치를 기록하고 이전의 위치로 되돌아가거나 특정 위치로 무인 항공기(100)를 제어할 수 있다.
무인 항공기(100)는 대상체에 접근할 수 있다(350). 대상체 주변에 이물질이 존재하는 경우, 이를 처리하기 위하여 무인 항공기(100)는 로봇 암이 전개 가능한 거리로 접근할 수 있다.
무인 항공기(100)는 작업 공간에 장애물이 존재하는지 검출할 수 있다(360). 이때, 무인 항공기(100)는 카메라(130), 장애물 센서, 모션 센서 등을 사용하여 장애물의 존재 여부를 판단할 수 있다.
장애물이 존재하는 경우, 무인 항공기(100)는 위치를 이동할 수 있다(370). 이때, 사용자로부터 명령을 수신하여 지정된 위치로 이동하거나, 이물질이 장애물에 의해 차단되지 않는 위치로 이동할 수 있다. 무인 항공기(100)는 이동된 위치를 사용자 및/또는 서버에 송신할 수 있다(340).
장애물이 존재하지 않는 경우, 무인 항공기(100)의 하부에 사람이 존재하는지 검출할 수 있다(380). 무인 항공기(100)는 카메라(130), 장애물 센서, 모션 센서 등을 사용하여 사람의 존재 여부를 판단할 수 있다. 사람 이외에도 동물 등과 같은 생명체 또한 같은 설명이 적용될 수 있다.
사람이 존재하는 경우, 이미지를 송신할 수 있다(390). 즉, 사용자는 이미지를 확인하여 이물질 처리에 영향을 받을 수 있는 사람의 존재를 확인할 수 있다.
무인 항공기(100)는 사용자로부터의 명령에 기반하여 동작을 수행할 수 있다(400). 사용자는 무인 항공기(100)의 하부에 존재하는 사람에게 영향을 끼치지 않도록 사람이 지나갈 때까지 호버링을 유지하거나, 또는 다른 구역으로 이동하여 모니터링을 지속할 수 있다. 이때, 무인 항공기(100)는 이물질을 제거하지 않는 지점에 대하여 위치를 기록하고, 모니터링이 종료된 이후에 해당 지점에 대하여 알림을 송신할 수 있다.
무인 항공기(100)의 하부에 사람이 존재하지 않는 경우, 무인 항공기(100)는 이물질 제거 작업을 수행할 수 있다(410). 이때, 무인 항공기(100)는 로봇 암, 분사 노즐 등을 사용하여 이물질 제거 작업을 수행할 수 있다. 로봇 암은 3축 제어를 사용하고, 복수 개의 서보 모터를 갖고, PWM 펄스 구동 방식을 사용함으로써 360도 회전이 가능하고, 쉽게 이물질을 제거할 수 있다.
이물질 제거 작업이 끝나고 나면, 사용자는 원격 제어 및 모니터링을 통해 무인 항공기(100)를 조작할 수 있다(420). 예를 들어, 사용자는 무인 항공기(100)를 다음 개소로 이동시키거나, 다른 블레이드를 모니터링하거나, 출발지로 복구시키는 등의 조작을 수행할 수 있다.
본원의 무인 항공기(100)를 사용함으로써 사용자는 다음의 기술적 효과를 기재할 수 있다:
첫째, 사람이 확인하기 어려운 블레이드의 상태를 무인 항공기(100)를 이용해서 확인할 수 있으며, 이에 따라 안전한 작업 수행이 가능하다.
둘째, 무인 항공기(100)는 임무 형태에 따라 로봇 암의 모듈을 타입별로 변경할 수 있기 때문에, 도장액 분사 작업, 블레이드 스크래치 보정 작업, 블레이드 보수 작업과 관련한 작업자의 자재 이송 업무를 협동에서 임무 수행할 수 있는 협동 로봇의 역할도 할 수 있기 때문에, 블레이드 보수 작업을 진행하는 작업자의 작업 피로도를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 작업자가 안전한 환경에서 작업을 할 수 있도록 뒷받침이 가능하다.
셋째, 무인 항공기(100)의 작업 결과는 원격지에 위치한 관리센터 등에 전송되어 관리자가 블레이드 상태에 따른 적절한 조치를 취할 수 있으며, 현장 작업자에게도 정보를 제공함으로써 안전한 보수 작업이 가능할 수 있도록 할 수 있다.
넷째, 무인 항공기(100)가 블레이드의 곡면을 따라 이동하거나 작업하는 과정에서 휴먼 에러를 방지할 수 있고, 로봇 암으로 최소 이격 거리를 확보하고 작업하므로 블레이드의 손상이 최소화된다.
다섯째, 블레이드의 손상 여부 등을 검사할 때, 무인 항공기(100)는 자체 부착된 로봇 암을 이용하여 블레이드에 부착된 이물질 등의 청소 동작을 함께 수행할 수 있으며, 간단한 도색 작업은 물론 웬만한 보수작업 또한 충분히 작업 수행이 가능하다.
여섯째, 무인 항공기(100)가 지면, 특정 구조물, 블레이드가 결합되는 허브나 풍력 발전기의 나셀까지의 거리를 측정한 후, 측정 결과에 따라 상하로 이동할 수 있도록 구동하여, 검사 대상이 되는 부분만을 선별하여 검사하는 것이 가능하며, 위험 요소 발견시 즉시 현장에서 블레이드 분리 없이 작업이 가능하다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

  1. 프로세서에 의해 수행되는 무인 항공기의 제어 방법으로서,
    상기 무인 항공기는 본체 및 2개의 암 프레임을 포함하고,
    상기 본체는 상기 무인 항공기에 양력을 제공하는 복수 개의 프로펠러, 상기 복수 개의 프로펠러를 구동하는 모터, 대상체를 촬영하여 이미지를 획득하는 카메라 및 상기 이미지를 송신하고, 사용자로부터의 신호를 수신하는 통신 모듈을 포함하고,
    상기 프로세서에 의해 상기 신호에 응답하여, 암 프레임을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 2개의 암 프레임 및 상기 본체는 H형 구조로 구성되고,
    상기 암 프레임은 상기 대상체에 접촉하여 상기 무인 항공기를 고정하기 위한 2개의 고정 프레임, 길이가 늘어나거나 줄어드는 연장 프레임. 상기 고정 프레임 및 상기 연장 프레임을 수용하는 메인 프레임, 상기 메인 프레임의 중앙에 위치하는 컨트롤러, 상기 고정 프레임, 상기 연장 프레임 및 상기 메인 프레임을 결속하는 케이블, 물질을 보관하는 케이스, 상기 물질을 분사할 수 있는 세라믹 코팅 처리된 분사 노즐 및 복수 개의 서보 모터를 가지고 3축 제어를 이용하는 로봇 암을 포함하고,
    상기 암 프레임을 제어하는 단계는,
    상기 프로세서에 의해 상기 연장 프레임 및 상기 고정 프레임 중 적어도 하나의 길이를 늘리거나 줄이는 단계; 및
    상기 프로세서의 의해 상기 물질을 상기 대상체에 분사하는 단계를 포함하고,
    상기 고정 프레임은 블레이드에 압착되어 상기 무인 항공기의 호버링을 지원하고,
    상기 연장 프레임은 상기 무인 항공기의 일방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제1 프레임 및 상기 무인 항공기의 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 길이가 늘어나거나 줄어드는 제2 프레임을 포함하고,
    상기 연장 프레임은 상기 메인 프레임의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어들고, 상기 고정 프레임은 상기 연장 프레임의 내부에서 길이가 늘어나거나 줄어드고, 상기 연장 프레임 및 상기 고정 프레임은 유압 방식 또는 에어 압축 방식을 이용하여 길이가 늘어나거나 줄어들고,
    상기 카메라는 비파괴 검사(visual testing, VT)를 수행하기 위한 열화상 카메라를 포함하고, 상기 카메라는 상기 암프레임이 상기 연장 프레임 또는 상기 메인 프레임을 통해 연장되거나 줄어드는 방향을 향하여 촬영되고,
    상기 프로세서에 의해 상기 대상체에 상기 고정 프레임을 통해 고정된 경우, 상기 카메라 또는 모션 센서를 통해 상기 무인 항공기의 하부에 사람이 존재하는지 판단하는 단계; 및
    상기 프로세서에 의해 상기 무인 항공기의 하부에 사람이 존재하지 않는다고 판단한 경우, 상기 로봇 암 또는 상기 분사 노즐을 이용하여 상기 대상체의 이물질 제거를 수행하는 단계를 더 포함하는,
    무인 항공기의 제어 방법.
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