KR102232489B1 - 드론의 안전장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

드론의 안전장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 드론의 안전장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 무인으로 비행하는 드론에 탈부착되는 드론의 추락사고 방지 장치에 있어서, 탄성 수단에 의해 압축되어 용기 내에 수용되는 낙하산과, 액추에이터에 의해 개폐되는 낙하산 커버를 포함하는 낙하산 모듈; 상기 드론이 회전하는 각속도를 측정하는 자이로 센서; 상기 드론의 가속도를 측정하는 가속도 센서; 상기 드론의 고도를 측정하는 기압 센서; 및 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 이용하여 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 상기 드론의 추락을 감지하고, 상기 드론의 추락시 상기 기압 센서를 이용하여 상기 드론의 현재 고도를 측정하며, 상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 상기 낙하산이 펼쳐지도록 상기 액추에이터를 제어하여 상기 낙하산 커버를 개방하는 제어부를 포함한다.

Description

드론의 안전장치 및 그 제어 방법{Safety device of Drone, and Method for Controlling the Same}
본 발명은 드론에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드론의 안전장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
'드론(Drone)'이란, 사람이 타지 않고 무선전파의 유도에 의해서 비행하는 비행기나 헬리콥터 모양의 비행체를 의미하며, 주로 표적용, 정찰용, 감시용 등 군사 목적으로 사용되었으나, 최근에는 민간분야에서도 다양한 용도로 사용되고 있다.
즉, 드론은 화산 분화구 촬영처럼 사람이 직접 가서 촬영하기 어려운 장소를 촬영하거나 인터넷 쇼핑몰의 무인(無人) 택배 서비스에 이용되고 있다. 무인 택배 서비스의 경우 인공위성을 이용해 위치를 확인하는 GPS(위성항법장치) 기술을 활용해 서류, 책, 피자 등을 개인에게 배달하는 것이다.
또한, 최근에는 드론에 카메라를 장착하여 드론을 원격 조종하면서 영상을 촬영하는 헬리 캠이 방송용으로 널리 사용되고 있는 등 드론의 활용분야가 점차 넓어지고 있는 실정이다.
그러나 드론은, 여러 많은 장점에도 불구하고, 바람 등 외부 환경의 변화와 운전 조작의 미숙으로 인해 추락의 우려가 큰 것 또한 현실이다. 드론 및 그에 속한 여러 부품이 워낙 고가이므로, 드론의 파손으로 인한 경제적 피해는 심각할 수밖에 없다. 게다가, 드론이 추락하는 경우, 대인 및 대물에 대한 2차 피해의 위험성 또한 심각하다.
최근에는 드론의 추락으로 인한 파손 및 2차 피해를 방지하기 위해, 드론 낙하산이 제안되었다. 그러나 종래의 드론 낙하산은 드론에 이상이 발생한 시점부터 전개되어 다른 비행체의 운항을 방해할 수 있고, 또한, 바람이 강한 경우, 추락하는 드론이 멀리까지 날아가서 드론을 수거하는 데 어려움을 겪을 수 있다.
국내 공개특허공보 제10-2018-0039283호 국내 공개특허공보 제10-2017-0114353호
본 명세서는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 드론의 이상 발생시 드론의 추락에 따른 드론의 파손을 방지하면서, 다른 비행체의 운항을 방해하는 것을 최소화하는 드론의 안전장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 명세서의 실시예에 따르면, 본 명세서에 따른 드론의 안전장치는, 무인으로 비행하는 드론에 탈부착되는 드론의 안전장치에 있어서, 모듈 하우징의 내부에서, 스프링을 가압하면서 낙하산을 지지하고, 하부로 연장 형성되는 인출 샤프트를 구비하는 인출패널과, 액추에이터의 회전축과 결합하여 상기 액추에이터의 회전에 의해 상기 인출 샤프트에 분리 가능하게 삽입되는 인출 안내핀을 구비하는 구동패널을 포함하는 낙하산 모듈; 상기 드론이 회전하는 각속도를 측정하는 자이로 센서; 상기 드론의 가속도를 측정하는 가속도 센서; 상기 드론의 고도를 측정하는 기압 센서; 및 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 이용하여 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 상기 드론의 추락을 감지하고, 상기 드론의 추락시 상기 기압 센서를 이용하여 상기 드론의 현재 고도를 측정하며, 상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 상기 낙하산이 펼쳐지도록 상기 액추에이터를 제어하여 상기 인출패널의 인출 샤프트로부터 상기 구동패널의 인출 안내핀을 분리하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 초기화한 후, 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 캘리브레이션(calibration)하여 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서의 옵셋값을 저장하고, 상기 자이로 센서를 이용하여 상기 드론의 각속도를 측정하며, 상기 자이로 센서에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나는 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 각속도의 X, Y값 > 저장된 옵셋값 + 90 또는 각속도의 X, Y값 < 저장된 옵셋값 - 90인 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 자이로 센서에 의해 측정된 각속도에 상기 가속도 센서에 의해 측정된 가속도를 적용하여 상기 자이로 센서의 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 드론의 낙하가 초속 8 미터 이상으로 0.3 초 이상 지속되는 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 서버와 데이터를 송수신할 수 있는 통신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 드론의 비행 중에는 상기 통신부를 통해 기설정된 시간 간격으로 시간, 비행 정보, 고도, 및 위치를 상기 서버로 전송하고, 상기 드론의 추락시 즉시 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 상기 서버로 전송하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비행 정보는 상기 드론의 기울기, 속도, 사고발생 유무, 및 낙하산 전개 여부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 낙하산 모듈의 낙하산과 연결끈으로 연결되는 제2 낙하산을 포함하는 제2 낙하산 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 본 명세서에 따른 드론의 안전장치의 제어 방법은, 무인으로 비행하는 드론에 탈부착되는 드론의 안전장치의 제어 방법에 있어서, 자이로 센서 및 가속도 센서를 이용하여 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시하여 상기 드론의 추락을 감지하는 단계; 상기 드론의 추락시, 기압 센서를 이용하여 상기 드론의 현재 고도를 측정하는 단계; 상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 모듈 하우징의 내부에서, 스프링을 가압하면서 낙하산을 지지하고, 하부로 연장 형성되는 인출 샤프트를 구비하는 인출패널과, 액추에이터의 회전축과 결합하여 상기 액추에이터의 회전에 의해 상기 인출 샤프트에 분리 가능하게 삽입되는 인출 안내핀을 구비하는 구동패널을 포함하는 낙하산 모듈에 있어서, 상기 낙하산이 펼쳐지도록 상기 액추에이터를 제어하여 상기 인출패널의 인출 샤프트로부터 상기 구동패널의 인출 안내핀을 분리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 드론의 비행 중에 기설정된 시간 간격으로 시간, 상기 드론의 비행 정보, 고도, 및 위치를 서버로 전송하는 단계; 및 상기 드론의 추락시 즉시 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 상기 서버로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 본 명세서에 따른 드론 감시 시스템은, 무인으로 비행하는 드론에 장착되어, 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 상기 드론의 추락을 감지하고, 상기 드론의 추락시 상기 드론의 현재 고도를 측정하며, 상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 낙하산을 펼침과 동시에 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 전송하는 드론의 안전장치; 및 상기 드론의 안전장치로부터 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 수신하고, 수신한 드론의 위치 및 비행 정보를 암호화하여 저장하는 서버를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 명세서에 의하면, 드론의 추락을 감지하고, 드론의 추락시 현재 고도를 확인하여, 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 낙하산이 펼쳐지도록 하는 드론의 안전장치 및 그 제어 방법을 제공함으로써, 드론의 추락에 따른 드론의 파손을 방지하면서, 다른 비행체의 운항을 방해하는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 드론의 추락시 낙하산을 펼침과 동시에 드론의 위치 및 비행 정보를 서버로 전송하는 드론의 안전장치 및 그 제어 방법, 그리고 드론 감시 시스템을 제공함으로써, 파손된 드론의 비행 기록 복원이 불가능하더라도, 서버에 저장되어 있는 비행기록을 확인하여 사고 원인 및 시간 등의 분석 자료로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안전장치가 장착된 드론의 사시도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 낙하산 모듈을 나타낸 분해 사시도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 낙하산 모듈의 구동 프레임을 나타낸 도면,
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 낙하산 모듈의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 낙하산 제어 모듈 내부의 개략적인 구성을 나타낸 블럭 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행 전 드론의 안전장치의 제어 방법을 나타낸 흐름도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비행시 드론의 안전장치의 제어 방법을 나타낸 흐름도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 드론 감시 시스템의 구성을 나타낸 도면, 및
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 드론 감시 시스템의 서버의 모니터 화면을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안전장치가 장착된 드론의 사시도를 나타낸다.
우선, 드론(100)은 지상의 관리자에 의해 수동 조작되거나, 설정된 비행 프로그램에 의해 자동 조종되면서 무인 비행하게 되는 것이다. 이와 같은 드론(100)은 도 1에서와 같이 메인 프레임(110), 수평 및 수직이동 추진장치(120), 및 착륙용 레그(130)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
메인 프레임(110)은 카메라 모듈(도 2의 200) 등의 모듈이 장착되는 몸체 부위이다.
수평 및 수직이동 추진장치(120)는 메인 프레임(110)에 수직으로 설치되는 하나 이상의 프로펠러(122)와, 이 프로펠러(122)의 회전 작동을 지지하는 스포크 암(124)으로 이루어지는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 수평 및 수직이동 추진장치(120)는 서로 이격 배치된 복수개의 프로펠러(122)로 이루어진다. 여기서 수평 및 수직이동 추진장치(120)는 프로펠러가 아닌 에어 분사형 추진기 구조로 이루어질 수도 있다.
착륙용 레그(130)는 메인 프레임(110)의 저면에 서로 이격 배치된다. 또한, 착륙용 레그(130)의 하부에는 드론(100)이 착륙할 때 지면과의 충돌에 의한 충격을 최소화하는 완충 지지부재(132)가 장착될 수 있다.
물론 드론(100)은 상기와 다른 비행체 구성의 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 드론의 안전장치(300)는 수평 및 수직이동 추진장치(120)에 구성되는 것으로, 바람직하게는 서로 대향하는 위치에 구성되는 스포크 암(124)에 장착된다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 드론(100)의 비행에 영향을 주지 않는 선에서 메인 프레임(110)의 상부 또는 하부에 장착될 수도 있다.
또한, 스포크 암(124)에는 드론의 안전장치(300)가 안정적으로 장착될 수 있도록 고정 프레임(306)이 더 구성될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
드론의 안전장치(300)는 크게 낙하산 모듈(302) 및 낙하산 제어 모듈(304)로 구성된다.
낙하산 모듈(302)은 장착커버(310), 액추에이터(320), 구동 프레임(330), 스프링(340), 인출패널(350), 모듈 하우징(360) 및 밀폐커버(370)를 포함하여 구성된다.
장착커버(310)는 하단부가 스포크 암(124)에 구성된 고정 프레임(306)에 고정 결합되며, 낙하산 모듈(302)을 스포크 암(124)에 장착시키는 것으로, 상부 원주면을 따라 소정 간격 이격되게 다수개로 구성되는 방열홈이 형성된다.
액추에이터(320)는 장착커버(310)의 내부에 구비되며, 상부가 구동 프레임(330)에 장착되도록 구성되는 것으로, 인출패널(350)이 모듈 하우징(360)으로부터 인출될 수 있도록 소정의 회전력을 제공하는 구성요소이다.
구동 프레임(330)은 하부 및 상부 원주면에 각각 장착커버(310)의 상부와 모듈 하우징(360)의 하부가 결합된다.
이러한 구동 프레임(330)은 일측으로 액추에이터(320)가 장착되는 액추에이터 장착부(332)가 관통 형성되며, 중앙부로 모듈 하우징(360)의 내부에 구비되는 인출패널(350)이 분리 가능하게 결합되며, 액추에이터(320)의 회전력에 의해 인출패널(350)의 인출 작동이 이루어지도록 가이드 하는 작동 가이드부(334)가 형성된다.
또한, 구동 프레임(330)에는 일단이 액추에이터(320)와 결합되고, 타단이 작동 가이드부(334)를 관통하는 인출패널(350)과 분리 가능하게 결합되어 액추에이터(320)의 작동시 인출패널(350)이 모듈 하우징(360)으로부터 인출이 이루어지도록 하는 구동패널(380)이 더 구성된다.
구동패널(380)은 일측 단부에 액추에이터(320)의 회전축과 결합되는 결합홀(382)이 형성되고, 이 결합홀(382)로부터 소정 간격 이격된 위치에 다수개로 형성되는 핀 고정홀(384)과, 일단이 핀 고정홀(384)에 결합되고, 타단부가 인출패널(350)의 하부에 연장 형성되는 인출 샤프트(352)에 분리 가능하게 삽입되는 인출 안내핀(386)으로 구성된다.
인출 안내핀(386)은 구동패널(380)의 회전 작동시 인출 샤프트(352)로부터 분리되어 인출패널(350)이 스프링(340)의 탄성력에 의해 모듈 하우징(360)으로부터 인출되면서 낙하산의 개방이 이루어지도록 한다.
한편, 본 발명의 구동패널(380)에는 인출 안내핀(386)이 인출 샤프트(352)로부터 분리되더라도 구동 프레임(330)에 고정하는 핀 고정부재(390)가 더 구성될 수 있다.
핀 고정부재(390)는 인출 안내핀(386)의 위치를 일정하게 유지시켜 낙하산의 재장착시 인출 샤프트(352)와 인출 안내핀(386) 간의 용이한 재결합이 이루어지도록 안내하는 것으로, 인출 안내핀(386)이 삽입 및 관통하는 관통홀(392)이 형성된다.
인출패널(350)은 하부면이 스프링(340)을 가압하면서 모듈 하우징(360)의 내부에 구성되고, 상부면이 낙하산(308)과 연결되며, 하부 중앙으로 연장 형성되고 인출 안내핀(386)이 분리 가능하게 결합되는 인출 샤프트(352)가 구성된다.
이러한 인출패널(350)은 인출 샤프트(352)가 인출 안내핀(386)과 결합이 이루어진 상태인 경우, 스프링(340)을 가압하고, 인출 안내핀(386)이 인출 샤프트(352)로부터 분리되는 경우, 스프링(340)의 탄성력에 의해 모듈 하우징(360)의 상부로 인출되면서 낙하산(308)의 펼쳐짐 작동이 이루어지도록 구성된다. 예를 들면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 액추에이터(320)가 약 90°에 위치하는 경우, 구동패널(380)의 회전에 의해 인출 샤프트(352)와 인출 안내핀(386)이 결합하여 인출패널(350)이 스프링(340)을 가압하고, 도 2d에 도시된 바와 같이, 액추에이터(320)가 약 170°에 위치하는 경우, 구동패널(380)의 회전에 의해 인출 안내핀(386)이 인출 샤프트(352)로부터 분리되어, 스프링(340)의 탄성력에 의해 인출패널(350)이 모듈 하우징(360)의 상부로 인출되면서 낙하산(308)의 펼쳐짐 작동이 이루어진다.
이때, 모듈 하우징(360)의 상부에 결합되는 밀폐커버(370)는 인출패널(350)의 인출압력에 의해 모듈 하우징(360)으로부터 분리되면서 낙하산(308)의 펼쳐짐 작동이 이루어지도록 구성됨이 바람직하다.
인출패널(350)은 낙하산(308)과 연결끈 등으로 각각 연결되어 낙하산(308)의 개방시 모듈 하우징(360)으로부터 완전한 인출이 이루어지도록 구성된다.
여기서, 본 발명의 낙하산(308)은 인출패널(350)의 인출 작동에 의해 펼쳐짐 작동이 이루어지며, 연결끈 등과 같은 수단을 통해 드론(100)의 메인 프레임(110), 또는 스포크 암(124)과 연결되어 드론(100)의 추락을 방지하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 드론의 안전장치(300)는 제2 낙하산 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다. 제2 낙하산 모듈(미도시)의 낙하산은 낙하산 모듈(302)의 낙하산(308)과 연결끈으로 연결되어, 낙하산 모듈(302)의 낙하산(308)이 펼쳐져서 바람 등의 영향에 의해 날라감에 따라 제2 낙하산 모듈(미도시)의 낙하산 또한 펼쳐질 수 있다. 이에, 제2 낙하산 모듈(미도시)은 액추에이터, 구동 프레임, 구동패널, 스프링, 및 인출패널을 필요로 하지 않는다.
낙하산 제어 모듈(304)은 드론(100)의 기울기 및 자유낙하를 감시하여 드론(100)의 추락을 감지하고, 드론(100)의 추락시 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(320)를 제어하는 모듈로서, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서, 가속도 센서, 및 기압 센서 등의 각종 센서, 제어부, GPS 수신기, 통신 모듈, 및 메모리부 등을 포함할 수 있다. 낙하산 제어 모듈(304)의 자세한 구성에 대해서는 이하에서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 낙하산 제어 모듈 내부의 개략적인 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
우선, 설명에 앞서, 드론(100)은 안정적으로 비행하기 위해서 각종 센서들을 이용해 자신의 비행상태를 측정한다. 드론의 비행상태는 회전운동상태(Rotational States)와 병진운동상태(Translational States)로 정의된다. 회전운동상태는 ‘요(Yaw)’, ‘피치 (Pitch)’, 및 ‘롤 (Roll)’을 의미하며, 병진운동상태는 경도, 위도, 고도, 및 속도를 의미한다.
여기서, ‘롤’, ‘피치’, 및 ‘요’는 오일러 (Euler) 각도라 부르며, 비행기 기체좌표 x,y,z 세 축이 어떤 특정 좌표, 예를 들어, NED 좌표 N, E, D 세 축에 대하여 회전된 각도를 나타낸다. 비행기 전면이 기체좌표의 z축을 기준으로 좌우로 회전할 경우, 기체좌표의 x축은 NED 좌표의 N축에 대하여 각도 차이가 생기게 되며, 이 각도를 "요"(Ψ)라고 한다. 비행기의 전면이 오른쪽으로 향한 y축을 기준으로 상하로 회전을 할 경우, 기체좌표의 z축은 NED 좌표의 D축에 대하여 각도 차이가 생기게 되며, 이 각도를 "피치"(θ)라고 한다. 비행기의 동체가 전면을 향한 x축을 기준으로 좌우로 기울게 될 경우, 기체좌표의 y축은 NED 좌표의 E축에 대하여 각도가 생기게 되며, 이 각도를 "롤"(Φ)이라 한다.
드론(100)은 회전운동상태를 측정하기 위해 3축 자이로 센서(Gyroscopes), 3축 가속도 센서(Accelerometers), 및 3축 지자기 센서(Magnetometers)를 이용하고, 병진운동상태를 측정하기 위해 GPS 수신기와 기압 센서(Barometric Pressure Sensor)를 이용한다.
이러한 드론(100)의 운동상태를 감시하기 위해, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31), 가속도 센서(32), 및 기압 센서(33)를 포함한다. 여기서, 자이로 센서(31)와 가속도 센서(32)는 드론(100)의 기체좌표(Body Frame Coordinate)가 지구관성좌표(Earth Centered Inertial Coordinate)에 대해 회전한 상태와 가속된 상태를 측정해주는데, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 반도체 공정기술을 이용해 관성측정기(IMU: Inertial Measurement Unit)라 부르는 단일 칩(Single Chip)으로 제작될 수도 있다. 또한, IMU 칩 내부에는 자이로 센서(31)와 가속도 센서(32)가 측정한 지구관성좌표 기준의 측정치들을 지역좌표 (Local Coordinate), 예를 들어 GPS가 사용하는 NED(North-East-Down) 좌표로 변환해주는 마이크로컨트롤러가 포함될 수 있다. 이에 더해, 낙하산 제어 모듈(304)은 제어부(35), 통신부(36), 메모리부(37), LED부(38), 및 알람부(39)를 더 포함할 수 있다.
자이로 센서(31)는 드론(100)의 기체좌표 x, y, z 세 축이 지구관성좌표에 대하여 회전하는 각속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값(Wx.gyro, Wy.gyro, Wz.gyro)을 계산하고, 이 값을 선형 미분방정식을 이용해 오일러 각도(Φgyro, θgyro, ψgyro)로 변환한다. 여기서, 자이로 센서(31)의 측정치는 저주파수 대역에서 바이어스(Bias) 오차를 포함하기 때문에(즉, 드론이 정지해 있을 때에도 자이로 센서의 측정치가 0이 되지 않음) x, y, z 세 축에 대한 자이로 센서(31)의 바이어스 오차가 제거되어야 한다. 이에 대한 방법은 후술하기로 한다.
가속도 센서(32)는 드론(100)의 기체좌표 x, y, z 세 축의 지구관성좌표에 대한 가속도를 측정한 후 고정좌표로 변환된 값(fx,acc, fy,acc, fz,acc)을 계산하고, 이 값을 ‘롤(Φacc)’과 ‘피치(θacc)’로 변환하며, 이 값들은 자이로 센서(31)의 측정치를 이용해 계산한 ‘롤(Φgyro)’과 ‘피치(θgyro)’에 포함된 바이어스 오차를 제거하는 데 이용된다. 하지만, 가속도 센서(32)는 ‘요’를 측정할 수 없기 때문에 자이로 센서(31)를 이용해 측정한 ‘요(ψgyro)’에 포함된 바이어스 오차를 제거할 수 없다. 이를 위해, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 지자기 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
지자기 센서(미도시)는 드론(100)의 기체좌표 x, y, z 세 축의 자북점에 대한 방향을 측정하고, 이 값을 이용해 기체좌표의 NED 좌표에 대한 ‘요’ 값을 계산한다. 제어부(35)는 지자기 센서(미도시)로 측정한 ‘요(ψmag)’를 이용해 자이로 센서(31)의 측정치 ‘요(ψgyro)’에 포함된 바이어스 오차를 제거한다.
GPS 수신기(34)는 GPS 위성들로부터 수신한 신호를 이용해 NED 좌표 상에서 드론(100)의 병진운동상태, 즉, 위도(Pn.GPS), 경도(Pe.GPS), 고도(hMSL.GPS), 위도 상의 속도(Vn.GPS), 경도 상의 속도(Ve.GPS), 및 고도 상의 속도(Vd.GPS)를 계산한다. 여기서, 첨자 MSL은 해수면(MSL: Mean Sea Level)을 의미한다.
GPS 수신기(34)를 통해 수신한 위치 좌표에는 항상 5 ~ 10 m의 오차가 있다. 민수용 GPS 수신기는 L1 주파수밴드(1.5 ㎓)의 C/A(Coarse-Acquisition) 코드 혹은 L2 주파수밴드(1.2 ㎓)의 C/A 코드 둘 중의 하나만을 수신할 수 있다. 하지만, 군사용 GPS 수신기는 L1 C/A와 L2 C/A를 동시에 수신할 수 있어 다이버시티(Diversity)로 인한 이득을 얻을 수 있으며, 추가로 암호화 신호(Encrypted Signal) P(Y)를 수신할 수 있어 GPS 신호가 지구의 이온층을 통과할 때 교란되는 것을 보정할 수 있다(Ionospheric Correction, 이온층 보정이라 함). 5 m ~ 10 m의 GPS 고도 오차는 주로 저공비행을 하는 드론의 지상시설물들과의 충돌 위험을 야기시킨다. 따라서, 별도의 기압 센서를 이용하여 고도(hALP.baro)를 측정하기도 한다. 여기서, 첨자 ALP는 기압(Air-Level Pressor)을 의미하며, 기압 센서(33)는 드론(100)의 이륙시 기압과 현재 비행고도에서의 기압을 비교해 이륙 지점으로부터의 현재 고도를 계산한다.
제어부(35)는 펌웨어 업데이트가 쉽고 오픈소스를 사용하며, 최근 사물인터넷에서 각광받고 있는 아두이노(Arduino)를 적용할 수 있다. 제어부(35)는 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 이용하여 드론(100)의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 드론(100)의 추락을 감지하고, 드론(100)의 추락시 기압 센서(33)를 이용하여 현재 고도를 측정하며, 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리한다. 제어부(35)는 꼭 고도가 아니더라도 풍속, 기압, 온도, 및 습도 등의 환경적인 요소를 고려하여 인출 안내핀(386)의 분리 여부를 결정할 수 있다. 이하에서는, 제어부(35)가 낙하산 모듈(302)을 제어하는 구체적인 방법에 대해서 설명하기로 한다.
우선, 제어부(35)는 낙하산 모듈(302)의 제어에 앞서 낙하산 제어 모듈(304)을 구성하는 각 구성요소들을 초기화한다.
즉, 제어부(35)는 전원 인가시 LED부(38)를 통해 녹색 LED를 온하고, 드론(100)의 배터리 전압을 체크한다. 제어부(35)는 배터리의 셀당 전압이 기설정된 전압 미만인 경우, 배터리의 저전압을 경고한다. 즉, 제어부(35)는 LED부(38)를 통해 빨간색 LED를 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다. 이때, 제어부(35)는 배터리 전압이 저전압인 경우 드론(100)의 동작을 제한할 수 있다.
제어부(35)는 자이로 센서(31), 가속도 센서(32), 기압 센서(33), GPS 수신기(34), 및 통신부(36)를 초기화한 후, 각 센서의 이상 유무를 확인하고, 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 캘리브레이션(calibration)하며, 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)의 옵셋값을 저장한다. 여기서, 제어부(35)는 초기화 및 캘리브레이션 진행시 LED부(38)를 통해 노란색 LED를 점멸하고, 어느 센서에 이상이 있는 경우 LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다.
또한, 제어부(35)는 메모리부(37)를 초기화한 후, 메모리부(37)의 이상 여부를 체크하고, 메모리부(37)에 이상이 있는 경우, LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 점멸하며, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생한다. 이때, 제어부(35)는 드론(100)이 동작하도록 하되, 에러 로그 및 비행 로그 등을 저장하는 블랙박스 기능을 금지(Disable)시킨다. 이와 더불어, 제어부(35)는 메모리부(37)가 카드 타입의 메모리인 경우, 메모리의 삽입 여부를 확인할 수도 있다.
또한, 제어부(35)는 액추에이터(314)를 초기화한다. 즉, 제어부(35)는 액추에이터(314)가 90°에 위치하도록 하여 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)에 결합한다. 이와 같이, 제어부(35)는 자이로 센서(31), 가속도 센서(32), 기압 센서(33), GPS 수신기(34), 통신부(36), 메모리부(37), 및 액추에이터(314)의 초기화를 완료한 후, 10개 이상의 GPS 위성으로부터 위도와 경도 데이터를 업데이트하고, LED부(38)를 통해 녹색 LED를 온하고, 노란색 LED를 오프하며, 완료 사운드를 재생함으로써, 사용자에게 초기화가 완료되었음을 알린다.
한편, 제어부(35)는 일련의 초기화 과정이 완료된 후, 드론(100)이 비행을 시작하면, 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 이용하여 드론(100)의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 드론(100)의 추락을 감지하고, 드론(100)의 추락시 기압 센서(33)를 이용하여 현재 고도를 측정하며, 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리한다. 여기서, 제어부(35)가 드론(100)의 추락을 감지하는 방법은 아래와 같이 두 가지 방법으로 나누어질 수 있다.
첫 번째로, 제어부(35)는 드론(100)의 기울기를 감시하여 드론(100)의 추락을 감시할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(35)는 자이로 센서(31)를 이용하여 드론(100)의 각속도를 측정하고, 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 초기화 과정에서 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나는 경우(예를 들면, 각속도의 X, Y 값이 저장된 옵셋값보다 +90보다 크거나 -90보다 작은 경우), 드론(100)이 추락하는 것으로 판단한다.
이때, 제어부(35)는 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도에 가속도 센서(32)에 의해 측정된 가속도를 적용하여 자이로 센서(31)의 오차를 보정할 수 있다. 구체적으로는, 보상 필터는 고주파대역 특성이 좋은 자이로 센서(31)의 상태측정치(Φgyro, θgyro)를 고주파대역 필터로 추출하고, 저주파대역 특성이 좋은 가속도 센서(32)의 상태측정치(Φacc, θacc)를 저주파대역 필터로 추출한 후 이 둘을 합쳐서 자이로 센서(31)의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, θE)를 산출한다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(35)는 확장칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용하여 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 오차를 보정할 수도 있다. 구체적으로는, 확장칼만 필터는 자이로 센서(31)를 이용한 측정치(Φgyro, θgyro, ψgyro), 가속도 센서(32)를 이용한 측정치(Φacc, θacc), 지자기 센서(미도시)를 이용한 측정치(ψmag) 및 GPS 수신기(34)를 이용한 측정치(Vn.GPS, Ve.GPS, Vd.GPS)를 이용해 실시간으로 드론(100)의 회전운동역학(Rotational Dynamics)을 모델링하면서 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, θE, ψE)를 산출한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 전술한 지자기 센서(미도시) 및 GPS 수신기(34)를 포함하는 것이 바람직하다.
두 번째로, 제어부(35)는 드론(100)의 자유낙하를 감시하여 드론(100)의 추락을 감지할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(35)는 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 활용하여 드론(100)의 낙하가 초속 8 미터 이상으로 0.3 초 이상 지속되는 경우 드론(100)이 추락하는 것으로 판단한다. 이는 일반적으로 드론(100)이 정상적으로 작동하는 범위가 초속 0 ~ 6 미터이기 때문이다.
또한, 제어부(35)는 드론(100)의 비행 중에는 통신부(36)를 통해 1초에 1회씩 시간, 비행 상태에 관한 정보(이하, '비행 정보'라고 함), 고도, 및 위치를 지상 관제 서버로 전송할 수 있다. 또한, 제어부(35)는 드론(100)의 사고 발생시 즉시 드론(100)의 위치 및 비행 정보를 지상 관제 서버로 전송할 수 있다. 여기서, 비행 정보는 기울기, 속도, 사고발생 유무, 및 낙하산 전개 여부 등을 포함할 수 있다.
통신부(36)는 지상 관제 서버로부터 조종 신호를 수신하고, 조종 신호를 제어부(35)에 의해 해석 가능한 형태로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 통신부(36)는 적외선(infrared) 통신, RF(Radio Frequency) 통신, 와이파이(Wi-Fi) 통신, 지그비(ZigBee) 통신, 블루투스(bluetooth) 통신, 레이저 통신, UWB(Ultra Wideband) 통신 중 적어도 하나의 통신 방식으로 지상 관제 서버와 통신할 수 있다.
메모리부(37)는 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 로그를 저장한다. 메모리부(37)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램, 롬 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 이때, 메모리부(37)가 카드 타입의 메모리인 경우, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 메모리부(37)를 대신하여 메모리 슬롯을 포함할 수 있다.
LED부(38)는 녹색 LED, 빨간색 LED, 및 노란색 LED 등을 포함할 수 있다. LED부(38)는 배터리 저전압 여부, 각 센서의 이상 여부, 초기화 및 캘리브레이션 진행 상태, 메모리부(37)의 용량 상태, 초기화 완료 여부, 및 드론(100)의 추락 여부 등을 표시할 수 있다.
알람부(39)는 LED부(38)와 함께 배터리 저전압 여부, 각 센서의 이상 여부, 초기화 및 캘리브레이션 진행 상태, 메모리부(37)의 용량 상태, 초기화 완료 여부, 및 드론(100)의 추락 여부 등을 알리기 위한 신호를 출력한다. 알람부(39)는 오디오 신호나 비디오 신호 이외에 다른 형태로 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다. 예를 들면, 소리나 진동 형태로 신호를 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행 전 드론의 안전장치의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 낙하산 제어 모듈(304)은 제어 모듈의 배터리 전압을 체크하여, 제어 모듈의 전압이 기설정된 전압 이상인지 여부를 판단한다(S410). 이때, 배터리 전압이라 함은 배터리의 셀당 전압을 의미한다.
낙하산 제어 모듈(304)은 제어 모듈의 전압이 기설정된 전압 미만인 경우, 배터리 저전압을 경고한다(S412). 예를 들면, 낙하산 제어 모듈(304)은 LED부(38)를 통해 빨간색 LED를 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장할 수 있다. 이때, 낙하산 제어 모듈(304)은 드론(100)의 동작을 제한할 수 있다.
낙하산 제어 모듈(304)은 제어 모듈의 배터리 전압이 기설정된 전압 이상인 경우, 자이로 센서(31), 가속도 센서(32), 기압 센서(33), GPS 수신기(34), 및 통신부(36)를 초기화한 후(S420), 각 센서에 이상이 있는지 여부를 판단한다(S440).
낙하산 제어 모듈(304)은 어느 센서에 이상이 있는 경우, 센서 이상을 경고한다(S442). 예를 들면, 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)에 이상이 있는 경우, LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 1회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다. 또한, 낙하산 제어 모듈(304)은 기압 센서(33)에 이상이 있는 경우, LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 2회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다. 또한, 낙하산 제어 모듈(304)은 GPS 수신기(34)에 이상이 있는 경우, LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 3회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다. 또한, 낙하산 제어 모듈(304)은 통신부(36)에 이상이 있는 경우, LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 4회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장한다.
낙하산 제어 모듈(304)은 센서에 이상이 없는 경우, 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 캘리브레이션하고(S450), 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)의 옵셋값을 메모리부(37)에 저장한다(S460).
또한, 낙하산 제어 모듈(304)은 단계 S420과 동시에 메모리부(37)를 초기화하고(S430), 메모리부(37)에 이상이 있는지 여부를 판단한다(S432). 이때, 낙하산 제어 모듈(304)은 메모리부(37)가 카드 타입의 메모리인 경우, 메모리의 삽입 여부를 확인할 수도 있다.
낙하산 제어 모듈(304)은 메모리부(37)에 이상이 있다고 판단한 경우, 메모리 이상을 경고한다(S434). 예를 들면, 낙하산 제어 모듈(304)은 LED부(38)를 통해 노란색 LED 및 빨간색 LED를 5회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 에러 사운드를 재생한다. 이때, 낙하산 제어 모듈(304)은 드론(100)이 동작하도록 하되, 에러 로그 및 비행 로그 등을 저장하는 블랙박스 기능을 금지(Disable)시킨다.
낙하산 제어 모듈(304)은 단계 S460과 단계 S432 이후에, 액추에이터(314)를 초기화한다(S470). 예를 들면, 낙하산 제어 모듈(304)은 액추에이터(314)가 90°에 위치하도록 하여 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)에 결합한다.
끝으로, 낙하산 제어 모듈(304)은 10개 이상의 GPS 위성으로부터 위도와 경도 데이터를 업데이트한다(S480).
추가로, 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31), 가속도 센서(32), 기압 센서(33), GPS 수신기(34), 통신부(36), 메모리부(37), 및 액추에이터(314)의 초기화를 완료한 후, LED부(38)를 통해 녹색 LED를 온하고, 노란색 LED를 오프하며, 완료 사운드를 재생함으로써, 사용자에게 초기화가 완료되었음을 알릴 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 단계 S420 및 단계 S430을 동시에 수행하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단계 S420 및 단계 S430은 순차적으로 진행될 수 있다. 예를 들면, 단계 S420, 단계 S440, 단계 S450, 단계 S460, 단계 S430, 단계 S432, 단계 S470, 및 단계 S480 순으로 진행될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비행시 드론의 안전장치의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 도 5에 도시된 바와 같이 드론(100)의 기울기를 감시하여 드론(100)의 추락을 감지하거나, 도 6에 도시된 바와 같이 드론(100)의 자유낙하를 감시하여 드론(100)의 추락을 감지할 수 있다.
우선, 도 5를 참조하면, 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)의 센서값을 리딩한다(S510). 즉, 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31)를 이용하여 드론(100)의 각속도를 측정하고, 가속도 센서(32)를 이용하여 드론(100)의 가속도를 측정한다.
낙하산 제어 모듈(304)은 보상 필터를 통해 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도에 가속도 센서(32)에 의해 측정된 가속도를 적용하여 자이로 센서(31)의 오차를 보정한다(S520). 구체적으로는, 보상 필터는 고주파대역 특성이 좋은 자이로 센서(31)의 상태측정치(Φgyro, θgyro)를 고주파대역 필터로 추출하고, 저주파대역 특성이 좋은 가속도 센서(32)의 상태측정치(Φacc, θacc)를 저주파대역 필터로 추출한 후 이 둘을 합쳐서 자이로 센서(31)의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, θE)를 산출한다.
또한, 단계 S520에서 낙하산 제어 모듈(304)은 확장칼만 필터를 이용하여 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 오차를 보정할 수도 있다. 구체적으로는, 확장칼만 필터는 자이로 센서(31)를 이용한 측정치(Φgyro, θgyro, ψgyro), 가속도 센서(32)를 이용한 측정치(Φacc, θacc), 지자기 센서(미도시)를 이용한 측정치(ψmag) 및 GPS 수신기(34)를 이용한 측정치(Vn.GPS, Ve.GPS, Vd.GPS)를 이용해 실시간으로 드론(100)의 회전운동역학(Rotational Dynamics)을 모델링하면서 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)의 바이어스 오차가 최소화된 상태추정치(ΦE, θE, ψE)를 산출한다.
이어서, 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 초기화 과정에서 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나는지 여부를 판단하고(S530), 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나지 않는 경우 단계 S510으로 돌아간다.
낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31)에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나는 경우(예를 들면, 각속도의 X, Y 값이 저장된 옵셋값보다 +90보다 크거나 -90보다 작은 경우), 드론(100)이 추락하는 것으로 판단하고, 기압 센서(33)를 이용하여 현재 고도를 측정한다(S540).
낙하산 제어 모듈(304)은 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한지 여부를 판단하고(S550), 현재 고도가 기설정된 고도에 도달하였다고 판단한 경우, 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리한다(S560). 즉, 낙하산 제어 모듈(304)은 액추에이터(314)를 약 90°에서 약 170°로 회전시켜, 구동패널(380)의 회전에 의해 인출 안내핀(386)이 인출 샤프트(352)로부터 분리되어, 스프링(340)의 탄성력에 의해 인출패널(350)이 모듈 하우징(360)의 상부로 인출되면서 낙하산(308)의 펼쳐짐 작동이 이루어진다. 이때, 낙하산 제어 모듈(304)은 LED부(38)를 통해 빨간색 LED를 2회 점멸하고, 알람부(39)를 통해 90도 기울어짐 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장할 수 있다.
또한, 도 5에는 도시되지 않았지만, 낙하산 제어 모듈(304)은 지상 관제 서버로부터 낙하산 사출 명령을 수신하고, 수신한 낙하산 사출 명령에 따라 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리할 수도 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 낙하산 제어 모듈(304)은 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 활용하여 드론(100)의 자유낙하를 감시한다(S610).
낙하산 제어 모듈(304)은 드론(100)의 낙하가 초속 8 미터 이상으로 0.1 초 이상 지속되는지 여부를 판단한다(S620). 일반적으로 드론(100)이 정상적으로 작동하는 범위는 초속 0 ~ 6 미터이며, 드론(100)이 정상적으로 작동하는 범위를 제외하고 자유낙하를 판단하는 초속 및 시간은 사용자에 의해 얼마든지 변경될 수 있음은 물론이다.
낙하산 제어 모듈(304)은 드론(100)이 자유낙하 하는 경우 드론(100)이 추락하는 것으로 판단하고, 기압 센서(33)를 이용하여 현재 고도를 측정한다(S630).
낙하산 제어 모듈(304)은 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한지 여부를 판단하고(S640), 현재 고도가 기설정된 고도에 도달하였다고 판단한 경우, 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리한다(S650). 즉, 낙하산 제어 모듈(304)은 액추에이터(314)를 약 90°에서 약 170°로 회전시켜, 구동패널(380)의 회전에 의해 인출 안내핀(386)이 인출 샤프트(352)로부터 분리되어, 스프링(340)의 탄성력에 의해 인출패널(350)이 모듈 하우징(360)의 상부로 인출되면서 낙하산(308)의 펼쳐짐 작동이 이루어진다. 이때, 낙하산 제어 모듈(304)은 LED부(38)를 통해 노란색 LED를 점등하고, 빨간색 LED를 2회 점멸하며, 알람부(39)를 통해 자유낙하 에러 사운드를 재생하며, 실행시간, 오류타입, 및 내용 등을 포함하는 에러 로그를 메모리부(37)에 저장할 수 있다.
전술한 방법은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(Firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러 및 마이크로프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 드론 감시 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 드론 감시 시스템은 드론의 안전장치(320), 유무선 통신망(710), 및 서버(720)를 포함할 수 있다.
드론의 안전장치(320)는 드론(100)의 비행 중에 1초에 1회씩 시간, 비행 정보, 고도, 및 위치를 서버(720)로 전송한다.
또한, 드론의 안전장치(320)는 자이로 센서(31) 및 가속도 센서(32)를 이용하여 드론(100)의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 드론(100)의 추락을 감지하고, 드론(100)의 추락시 기압 센서(33)를 이용하여 현재 고도를 측정하며, 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 낙하산(308)이 펼쳐지도록 액추에이터(314)를 제어하여 인출패널(350)의 인출 샤프트(352)로부터 구동패널(380)의 인출 안내핀(386)을 분리함과 동시에 즉시 드론(100)의 위치 및 비행 정보를 서버(720)로 전송한다.
유무선 통신망(710)은 드론의 안전장치(320)와 서버(720) 사이에 데이터를 송수신하기 위한 접속 경로를 제공한다. 여기서, 유무선 통신망(710)은 유무선 통신망, 이동 통신망(Mobile Communication)을 위한 CDMA, GSM 등 피어 투 피어(Peer to Peer) 간의 통신을 위한 수단과 무선랜, 유선랜 등의 통신이 가능한 망을 일컫는다.
서버(720)는 지상 관제 서버 또는 보험사 서버 등이 될 수 있고, 드론의 안전장치(320)로부터 수신한 시간, 비행 정보, 고도, 및 위치를 암호화 형태로 저장할 수 있다. 따라서, 본 발명의 드론 감시 시스템은, 파손된 드론의 비행 기록 복원이 불가능하더라도, 원격지, 즉 서버(720)에 저장되어 있는 비행기록을 확인하여 사고 원인 및 시간 등의 분석 자료로 활용할 수 있다. 또한, 서버(720)가 보험사 서버인 경우, 보험료 할인 및 보상, 그리고 사고 조사를 위해 저장된 정보를 활용할 수 있다.
이상에서 본 명세서에 개시된 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 이와 같이 각 도면에 도시된 실시예들은 한정적으로 해석되면 아니되며, 본 명세서의 내용을 숙지한 당업자에 의해 서로 조합될 수 있고, 조합될 경우 일부 구성 요소들은 생략될 수도 있는 것으로 해석될 수 있다.
여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 명세서에 개시된 실시예에 불과할 뿐이고, 본 명세서에 개시된 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
31: 자이로 센서 32: 가속도 센서
33: 기압 센서 34: GPS 수신기
35: 제어부 36: 통신부
37: 메모리부 38: LED부
39: 알람부

Claims (11)

  1. 무인으로 비행하는 드론에 탈부착되는 드론의 안전장치에 있어서,
    모듈 하우징의 내부에서, 스프링을 가압하면서 낙하산을 지지하고, 하부로 연장 형성되는 인출 샤프트를 구비하는 인출패널과, 액추에이터의 회전축과 결합하여 상기 액추에이터의 회전에 의해 상기 인출 샤프트에 분리 가능하게 삽입되는 인출 안내핀을 구비하는 구동패널을 포함하는 낙하산 모듈;
    상기 드론이 회전하는 각속도를 측정하는 자이로 센서;
    상기 드론의 가속도를 측정하는 가속도 센서;
    상기 드론의 고도를 측정하는 기압 센서; 및
    상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 이용하여 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시함으로써 상기 드론의 추락을 감지하고, 상기 드론의 추락시 상기 기압 센서를 이용하여 상기 드론의 현재 고도를 측정하며, 상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 상기 낙하산이 펼쳐지도록 상기 액추에이터를 제어하여 상기 인출패널의 인출 샤프트로부터 상기 구동패널의 인출 안내핀을 분리하는 제어부;
    을 포함하는 드론의 안전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 초기화한 후, 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서를 캘리브레이션(calibration)하여 상기 자이로 센서 및 상기 가속도 센서의 옵셋값을 저장하고, 상기 자이로 센서를 이용하여 상기 드론의 각속도를 측정하며, 상기 자이로 센서에 의해 측정된 각속도의 X, Y값이 저장된 옵셋값을 기준으로 기설정된 범위를 벗어나는 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 각속도의 X, Y값 > 저장된 옵셋값 + 90 또는 각속도의 X, Y값 < 저장된 옵셋값 - 90인 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 보상 필터(Complementary Filter)를 통해 상기 자이로 센서에 의해 측정된 각속도에 상기 가속도 센서에 의해 측정된 가속도를 적용하여 상기 자이로 센서의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 드론의 낙하가 초속 8 미터 이상으로 0.3 초 이상 지속되는 경우 상기 드론이 추락하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    서버와 데이터를 송수신할 수 있는 통신부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 드론의 비행 중에는 상기 통신부를 통해 기설정된 시간 간격으로 시간, 비행 정보, 고도, 및 위치를 상기 서버로 전송하고, 상기 드론의 추락시 즉시 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 상기 서버로 전송하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비행 정보는 상기 드론의 기울기, 속도, 사고발생 유무, 및 낙하산 전개 여부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 낙하산 모듈의 낙하산과 연결끈으로 연결되는 제2 낙하산을 포함하는 제2 낙하산 모듈;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치.
  9. 무인으로 비행하는 드론에 탈부착되는 드론의 안전장치의 제어 방법에 있어서,
    자이로 센서 및 가속도 센서를 이용하여 상기 드론의 기울기 및 자유낙하를 감시하여 상기 드론의 추락을 감지하는 단계;
    상기 드론의 추락시, 기압 센서를 이용하여 상기 드론의 현재 고도를 측정하는 단계;
    상기 드론의 현재 고도가 기설정된 고도에 도달한 경우, 모듈 하우징의 내부에서, 스프링을 가압하면서 낙하산을 지지하고, 하부로 연장 형성되는 인출 샤프트를 구비하는 인출패널과, 액추에이터의 회전축과 결합하여 상기 액추에이터의 회전에 의해 상기 인출 샤프트에 분리 가능하게 삽입되는 인출 안내핀을 구비하는 구동패널을 포함하는 낙하산 모듈에 있어서, 상기 낙하산이 펼쳐지도록 상기 액추에이터를 제어하여 상기 인출패널의 인출 샤프트로부터 상기 구동패널의 인출 안내핀을 분리하는 단계;
    를 포함하는 드론의 안전장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 드론의 비행 중에 기설정된 시간 간격으로 시간, 상기 드론의 비행 정보, 고도, 및 위치를 서버로 전송하는 단계; 및
    상기 드론의 추락시 즉시 상기 드론의 위치 및 비행 정보를 상기 서버로 전송하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 안전장치의 제어 방법.
  11. 삭제
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