KR102289352B1 - 고고도 수직 무인 비행체 - Google Patents

고고도 수직 무인 비행체 Download PDF

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KR102289352B1
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강정원
최복경
현상민
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한국해양과학기술원
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Abstract

고고도 수직 무인 비행체가 개시된다. 본 발명에 따른 고고도 수직 무인 비행체는, 상,하부가 개구된 중공 원통형의 몸체; 수직 방향으로 소정의 간격을 유지하여 각각 배치되고 서로 반대 방향으로 회전 작동하도록 구성되어 상기 몸체의 내부에 구비되는 2개 이상의 회전익 모듈; 및 상기 회전익 모듈의 작동으로 상기 몸체의 수직 상승 및 하강시 방향성을 유지하도록 상기 몸체의 외주면에 마련되는 다수개의 자세유지날개를 포함하는 것을 특징으로 한다..

Description

고고도 수직 무인 비행체{HIGH ALTITUDE VERTICAL UNMANNED VEHICLE}
본 발명은 고고도 수직 무인 비행체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고고도로 수직 상승 및 하강 비행하여 고고도에서 미세먼지를 포함한 기상 등의 환경을 측정 및 관측할 수 있는 고고도 수직 무인 비행체에 관한 것이다.
무인비행체는 군사용, 화재 및 재난구조용, 촬영용 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 최근에는 개인 취미용으로 널리 보급되면서 그 수요도 지속적으로 증가하고 있다. 한편, 산업발전과 더불어 환경문제에 대한 관심이 날로 높아지고 있는데, 특히 일상 생활에 가장 밀접하게 영향을 미치는 공기질 정보에 대한 요구가 많아지고 있다.
종래 기술에서는 사람이 많이 모이는 실내나 아파트와 같은 주거시설의 실내에 대한 공기질에 관심을 많이 가졌으나, 최근에는 황사와 같이 국가 단위의 넓은 지역에 까지 영향을 미치는 문제가 발생함에 따라 실내는 물론 실외에 대한 공기질 정보를 얻고자 하는 요구도 있다.
최근에는 미세먼지와 황사 문제가 매년 심각해지면서 정확한 공기질 파악이 필요하다는 목소리가 커지고 있어서, 기상청의 기상관측시스템에서 제공하는 공기질 정보에만 의존하지 않고 사물인터넷과 같은 통신기술을 이용하여 실내외 공기 측정망을 구축하고 실시간 모니터링한 정보를 제공하는 움직임이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1213647호(공고일 : 2013.01.22)의 스마트폰 기반 공기질 지도 작성 방법 및 그 시스템과 같은 종래 기술에서도 이동성이 보장되는 기기를 이용하여 공기질을 측정 및 수집하고, 그 수집된 정보에 기반하여 공기질 지도를 작성하였다.
그러나, 이러한 새로운 움직임이나 종래 기술도 집과 도로변, 학교, 상가 등 실제 생활공간에서만 공기 측정이 가능하다는 한계가 있기 때문에 보다 보완적인 기술이 요구되고 있다.
한편, 미세먼지의 분포, 이동 경로 등을 파악하기 위해서는 다양한 위치 및 높은 고도에서의 미세먼지 측정이 필요하다. 하지만 고정식 미세먼지 측정 장치로는 이동이 불가능하여 위치변경 및 높은 고도에서의 측정이 곤란하였다.
최근에는 드론을 이용하여 대기를 측정하는 수단이 개시되었다. 대한민국공개특허 제10-2017-24300호(공개일 : 2017.03.07)에는 드론을 이용한 이동식 다중 대기 측정장치 및 그의 측정방법이 개시되어 있다. 드론을 이용한 이동식 다중 대기 측정장치는, 사람이 접근하기 어려운 높은 건물이나 굴뚝의 대기질을 측정할 때 측정지역에 측정자가 직접 접근하지 않고 무인 비행체(Drone)를 측정지역에 접근시켜 대기질을 정확하고 신속하게 측정할 수 있다.
그러나 이러한 측정장치를 구비한 드론은 지상으로부터 대략 500m 미만의 저 저 고도만을 비행하도록 구성되었기 때문에 1km 이상 10km 이하의 고고도 상공의 대기를 측정하기 매우 곤란하였다. 즉, 종래기술에 의한 무인 비행체는 회전익이 모두 외부로 노출됨으로써 바람의 영향을 받아 고고도로의 비행이 곤란한 문제점이 있었고, 이러한 문제점으로 인하여 고고도 상공의 대기 측정이 곤란한 문제점이 있었던 것이다.
. 대한민국 등록특허 제10-1213647호(공고일 : 2013.01.22) . 대한민국공개특허 제10-2017-24300호(공개일 : 2017.03.07)
본 발명의 목적은, 지상에서 고고도로 수직 비행하되 바람의 영향이 최소화 된 상태로 안정적으로 수직 상승 및 하강 비행할 수 있는 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 따른 목적은, 수직 비행체에 관측장비를 구비시켜 미세먼지를 포함한 오염물질의 유입 및 오염물질의 수직방향 분포를 파악할 수 있는 수단을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 상,하부가 개구된 중공 원통형의 몸체; 수직 방향으로 소정의 간격을 유지하여 각각 배치되어 회전 작동하는 복수의 회전익 모듈; 및 상기 몸체의 수직 상승 및 하강시 방향성을 유지하도록 상기 몸체의 외주면에 마련되는 다수개의 자세유지날개를 포함하고, 상기 복수의 회전익 모듈 중 적어도 2개는 서로 반대 방향으로 회전 작동하는 것을 특징으로 하는 고고도 수직 무인 비행체에 의해 달성된다.
상기 자세유지날개는, 상기 몸체의 길이방향에 대하여 중간을 기준으로 서로 대칭되는 양쪽 단부 영역에 각각 구비되는 제1 자세유지날개와 제2 자세유지날개로 이루어지고, 상기 제1,2 자세유지날개는, 소정의 두께와 면적을 갖는 장방형의 판재로 이루어지고 일부가 상기 몸체에 형성된 수용홈에 수용된 상태에서 중앙부가 회전축으로 각각 결합되고, 상기 제1,2 자세유지날개에 각 일단이 축 결합되고 각 타단은 상기 수용홈의 내부에 축 결합되어 상기 제1,2 자세유지날개의 일부가 선택적으로 상기 수용홈 내부로 수납되거나 외부로 돌출되도록 작동하는 각각의 엑츄에이터를 포함할 수 있다.
상기 자세유지날개는, 상기 몸체의 길이와 같거나 짧은 길이로 형성되어 상기 몸체의 길이 방향으로 결합되고, 양쪽 단부는 끝단부 쪽으로 경사지거나 만곡지게 형성될 수 있다.
상기 회전익 모듈은, 상승시 날개 각도와 하강시 날개 각도를 다르게 조절하기 위한 날개각도 조절수단을 각각 구비하되, 상기 날개각도 조절수단은, 중앙에 작동공이 형성되고 상기 작동공을 중심으로 회전 지지공이 방사형으로 형성된 날개 지지체; 날개 지지축의 단부에 피동 기어부가 형성되고, 상기 피동 기어부가 상기 작동공에 위치하도록 상기 날개 지지축이 상기 회전 지지공에 회전 가능하게 결합되는 각각의 날개; 상기 작동공에 위치하는 각 상기 피동 기어부와 맞물리는 구동 기어부가 일면에 형성된 구동체와, 상기 구동체를 설정된 각도 내에서 정회전 또는 역회전시키도록 상기 구동체와 연결되고 상기 작동공의 입구에 결합되는 지지체에 결합되는 날개각도 조절용 엑츄에이터; 및 일단은 구동모터의 구동축과 연결되고 타단은 상기 날개각도 조절용 엑츄에이터를 감싸면서 상기 날개 지지체와 결합되는 연결체로 구성될 수 있다.
상기 몸체에는, 고도를 측정하기 위한 고도계, 상승 속도 및 하강 속도를 측정하기 위한 속도계, 미세먼지를 포함한 오염물질을 감지하기 위한 오염물질 감지기 및 제어부가 각각 구비되고, 상기 제어부는, 위치를 감지하기 위한 지피에스 및 지상에 위치한 관제부와 통신하기 위한 통신부를 구비하며, 상기 고도계, 속도계 및 오염물질 감지기로부터 감지한 감지신호를 수신하고, 상기 회전익 모듈, 상기 오염물질 감지기 및 상기 자세유지날개를 작동 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 고도계가 감지한 고도가 설정된 고도값이면, 수직 상승한 상기 몸체가 자세를 변경하지 않고 수직 하강하도록 상기 회전익 모듈을 상승시와는 반대 방향으로 회전 작동시켜 하강시키거나, 각각의 날개의 각도를 상승 각도에서 하강 각도로 가변시켜 하강하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 관제부로부터 제어신호를 수신하고, 상기 오염물질 감지기가 감지한 오염물질 감지 데이터를 상기 통신부를 통하여 상기 관제부로 송신하도록 구성되거나, 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 서로 반대방향으로 회전하는 회전익 모듈들이 원통형의 몸체 내부에 설치되고, 몸체의 외주면에는 자세유지날개들이 각각 구비됨으로써, 지상에서 고고도로 수직 상승 및 하강 비행이 가능하게 되는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 수직 비행하는 몸체가 원통형으로 구성됨으로써 바람의 영향이 최소화 된 상태로 안정적으로 수직 상승 및 하강 비행할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 수직 비행체에 미세먼지를 포함한 오염물질을 감지할 수 있는 감지기를 구비시키고, 수직 상승시 및 수직 하강시 오염물질을 시간단위 또는 고도 단위로 측정하도록 함으로써 오염물질의 수직방향 분포를 파악할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.
또한, 다수의 수직 비행체들을 설정된 거리를 유지하여 배치한 후 수직상승 시키고 하강시키면서 오염물질을 시간단위 또는 고도 단위로 측정하도록 함으로써 오염물질의 수직방향 분포를 파악은 물론 오염물질의 유입방향(유동방향)을 파악할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 고고도 수직 무인 비행체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B선 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 자세유지날개의 다른 실시예를 도시한 일부확대 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 회전익 모듈의 날개각도 조절수단을 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 고고도 수직 무인 비행체에 구비된 제어부를 설명하기 위한 개략적 블럭도이다.
도 8은 도 1에 도시된 고고도 수직 무인 비행체의 작용을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
그리고, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 고고도 수직 무인 비행체를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도이며, 도 3은 도 1의 B-B선 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 자세유지날개의 다른 실시예를 도시한 일부확대 단면도이며, 도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 회전익 모듈의 날개각도 조절수단을 도시한 일부 확대 단면도이다. 그리고, 도 7은 도 1에 도시된 고고도 수직 무인 비행체에 구비된 제어부를 설명하기 위한 개략적 블럭도이다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 고고도 수직 무인 비행체(10)는, 1 - 5km의 고고도로 수직 상승하고 수직 하강하면서 기상을 관측하거나 미세먼지를 포함한 오염물질을 감지하도록 구성된 것으로, 상,하부가 개구된 중공 원통형의 몸체(20)와, 수직 방향으로 소정의 간격을 유지하여 각각 배치되고 서로 반대 방향으로 회전 작동하도록 구성되어 몸체(20)의 내부에 구비되는 2개 이상의 회전익 모듈(30)과, 회전익 모듈(30)의 작동으로 몸체(20)의 수직 상승 및 하강시 방향성을 유지하도록 몸체(20)의 외주면에 마련되는 다수개의 자세유지날개(40)를 포함하여 구성된다.
이를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
몸체(20)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 소정의 길이로 형성되고 외경이 동일한 구조를 갖는 중공의 원통형으로 이루어지는 것이다. 몸체(20)의 내부에 회전익 모듈(30)이 설치되기 위한 관통부(24)가 형성되고, 관통부(24)의 양쪽에는 개구부(22)가 각각 형성된다. 즉, 도 1 및 도 3를 기준으로 몸체(20)의 상부 및 하부에 개구부(22)가 형성된다. 몸체(20)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 소정의 두께를 갖는다. 몸체(20)의 내부, 즉 외경과 내경 사이의 내부에는 배터리를 비롯한 고도계(52), 속도계(54), 지피에스(56) 송수신기가 내장되며, 통신부(58)을 구비한 제어부(50)가 설치된다. 이때, 배터리를 비롯한 중량물은 몸체(20)의 하부쪽에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 몸체(20)의 외부에는 오염물질 감지기(57)가 설치된다. 이 오염물질 감지기(57)는 공기중에 포함된 미세먼지, 초미세먼지를 비롯한 오염물질 입자를 감지하기 위한 것으로, 다수개로 이루어져 몸체(20)의 외주면에 방사형으로 배치되거나 대칭으로 배치된다. 예를 들면, 다수개의 오염물질 감지기(57)는 몸체(20)의 둘레를 따라 일정 간격으로 배치될 수 있다. 이러한 오염물질 감지기(57)는 일반적으로 사용되는 장치가 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이 오염물질 감지기(57)가 다수개로 구성되는 경우에 여러 개의 오염물질 감지기(57)로 서로 다른 위치에서 오염물질을 감지함으로써 오염물질의 감지 신뢰도를 높일 수 있다.
한편, 몸체(20)는, 전술한 바와 같이, 소정의 길이와 직경을 갖는 중공의 원통형으로 형성된 것으로, 몸체(20)가 중공의 원통형으로 구성됨으로써 수직방향으로 상승 및 하강할 때 공기 저항이 최소화될 수 있다. 즉, 수직 상승 및 수직 하강할 때, 저항을 받는 면적이 원통형의 몸체(20) 단면에 국한되고, 특히 몸체(20)가 외경이 동일한 중공 원통형으로 형성됨으로써 공기의 흐름이 저항없이 원활하게 이루어지질 수 있는 것이다.
그리고, 양쪽 개구부(22)의 단면이 도 3에 도시된 바와 같이 단부 가장자리에서 내측의 관통부(24) 쪽으로 만곡지게 경사진 유입면(22A)이 형성됨으로써 몸체(20)의 수직 상승 및 하강시 공기가 유입면(22A)을 타고 빠르게 관통부(24)를 통과할 수 있어서 상승저항 및 하강저항이 최소화될 수 있게 된다. 즉, 몸체(20)가 수직 상승 및 하강할 때 직선으로 된 몸체(20)의 외측면을 따라 흐르는 공기의 속도보다 개구부(22)로 유입되어 만곡진 유입면(22A)을 따라 흐르는 공기의 속도가 더 빠르므로 관통부(24)를 통과하는 공기의 흐름이 빠르고 원활하게 이루어질 수 있고, 따라서 상승저항 및 하강저항이 최소화될 수 있는 것이다.
회전익 모듈(30)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 관통부(24) 내에서 수직 방향으로 소정의 간격을 유지하여 각각 배치되고 서로 반대 방향으로 회전 작동하도록 구성되어 복수개로 구비된다. 예를 들면, 회전익 모듈(30)이 2개로 이루어진 경우에 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되고, 3개로 이루어진 경우에 2개는 정방향, 나머지 1개는 역방향으로 회전하도록 구성될 수 있는 것이며, 3개 이상의 다수개로 이루어진 경우에 정회전하는 회전익 모듈(30)의 수와 역회전하는 회전익 모듈(30)의 수를 적절히 배분하여 서로 균형을 유지하도록 할 수 있다.
이때, 2개 이상의 회전익 모듈(30)이 서로 반대 방향으로 회전하는 것은, 회전익 모듈(30)의 작동시 몸체(20)가 일방향으로 회전하지 못하도록 하고 균형을 유지하도록 하기 위한 것이다. 즉, 동축 헬리콥터에서 제1 로터(rotor)와 제2 로터(rotor)가 서로 반대방향으로 회전하여 꼬리 날개(tail rotor) 없이 동체의 회전을 방지하는 것과 같이, 다수의 회전익 모듈(30)들 중에서 하나는 일방향으로 회전시키고 다른 하나는 반대방향으로 회전시켜, 서로 돌아가려는 힘을 같도록 함으로써(회전하려는 힘을 상쇄 - anti-torque) 몸체(20)의 회전을 방지하는 것이다.
이와 같이 회전익 모듈(30)들은, 수직 상승시와 수직 하강시 반대방향으로 회전 작동한다. 이는 수직 상승한 몸체(20)가 상승 정점, 또는 특정 고도에서 그대로 다시 수직 하강하도록 상승시와는 반대방향으로 회전 작동하는 것이다.
한편, 다른 실시예로서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 회전익 모듈(30)들을 상승 및 하강시 반대로 회전시키지 않고, 날개(34)들의 각도를 조절하여 몸체(20)를 상승시키거나 하강시키도록 할 수 있다.
즉, 상승시 날개(34)의 각도와 하강시 날개(34)의 각도를 다르게(반대방향) 조절하여, 날개(34)의 각도 조절로 몸체(20)를 수직 상승시키거나 수직 하강시킬 수 있는 날개각도 조절수단(31)이 회전익 모듈(30)에 구비되는 것이다.
날개각도 조절수단(31)은, 중앙에 작동공(32A)이 형성되고 작동공(32A)을 중심으로 회전 지지공(32B)들이 방사형으로 각각 형성된 날개 지지체(32)와, 날개 지지축(34A)의 단부에 피동 기어부(34B)가 형성되고, 피동 기어부(34B)가 작동공(32A)에 위치하도록 날개 지지축(34A)이 회전 지지공(32B)에 회전 가능하게 결합되는 각각의 날개(34)들과, 작동공(32A)에 위치하는 각 피동 기어부(34B)와 맞물리는 구동 기어부(36A)가 일면에 형성된 구동체(36)와, 구동체(36)를 설정된 각도 내에서 정회전 또는 역회전시키도록 구동체(36)와 연결되고 상기 작동공(32A)의 입구에 결합되는 지지체(38A)에 결합되는 날개각도 조절용 엑츄에이터(38)와, 일단은 구동모터(39A)의 구동축(39B)과 연결되고 타단은 날개각도 조절용 엑츄에이터(38)를 감싸면서 날개 지지체(32)와 결합되는 연결체(39)로 구성된다.
이와 같이 구성된 날개각도 조절수단(31)의 작동과정은 다음과 같다.
날개각도 조절용 엑츄에이터(38)가 작동되면 구동체(36)가 소정의 각도로 회전하게 되고 이에 따라 구동체(36)의 구동 기어부(36A)와 맞물린 피동 기어부(34B)가 회전하게 되므로 각 날개(34)들은 소정각도로 회전하여 날개 지지축(34A)을 기준으로 소정 각도로 각도가 가변될 수 있는 것이다.
이러한 날개각도 조절수단(31)에 의해 회전익 모듈(30)의 날개(34)가 상승각도 및 하강각도로 조절될 수 있게 되므로, 몸체(20)의 상승 및 하강시 회전익 모듈(30)을 반대로 회전시키지 않아도 된다.
한편, 자세유지날개(40)는, 몸체(20)의 외주면에 마련되는 것으로, 회전익 모듈(30)의 회전 작동으로 몸체(20)의 수직 상승 및 하강시 방향성을 유지하도록 하기 위한 것이다.
이러한 자세유지날개(40)는 길이방향으로 긴 일체형으로 형성되어 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체(20)의 외주면에 관통부(24)의 중심을 기준으로 방사형으로 각각 마련될 수 있다. 그리고, 자세유지날개(40)는, 몸체(20)의 길이와 같거나 몸체(20)의 길이보다 짧은 길이로 형성되어 몸체(20)의 길이 방향으로 결합된다. 또한, 자세유지날개(40)의 양쪽 단부는 끝단부 쪽으로 경사지거나 만곡지게 형성된다. 이와 같이 자세유지날개(40)가 길이가 길고 일체형으로 구성됨으로써, 몸체(20)의 수직 상승 및 하강시 몸체(20)의 직진성을 확보할 수 있게 된다.
다른 실시예에 따른 자세유지날개(40)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체(20)의 길이방향에 대하여 중간을 기준으로 서로 대칭되는 양쪽 단부 영역에 각각 독립적으로 구비되는 제1 자세유지날개(42)와 제2 자세유지날개(44)로 이루어진다. 제1 자세유지날개(42)는 도 4를 기준으로 상부쪽에 배치되고 제2 자세유지날개(44)는 하부쪽에 배치된다.
그리고, 제1,2 자세유지날개(42,44)는, 소정의 두께와 면적을 갖는 장방형의 판재로 이루어진다. 제1,2 자세유지날개(42,44)는, 일부가 몸체(20)에 형성된 수용홈(23)에 수용된 상태에서 중앙부가 회전축(42A,44B))으로 각각 결합된다. 이러한 제1,2 자세유지날개(42,44)는 각각의 자세유지날개용 엑츄에이터(46)들에 의해 각도가 가변된 상태로 일부가 각 수용홈(23)에 수용되거나 돌출된다.
즉, 각 엑츄에이터(46)의 각 일단은 제1,2 자세유지날개(42,44)에 각각 축 결합되고 각 타단은 수용홈(23)의 내부에 축 결합된다. 따라서, 엑츄에이터(46)의 작동로드가 인출 작동하면 도 4를 기준으로 제1,2 자세유지날개(42,44)가 회전축(42A,44B)을 중심으로 시계방향으로 회전하여 상부영역의 일부가 수용홈(23)에 수납되고 하부영역의 일부는 외부로 돌출(도 4의 실선으로 도시됨)되어 몸체(20)의 수직 상승시 방향성을 갖도록 한다. 그리고 엑츄에이터(46)의 작동로드가 인입 작동하면 제1,2 자세유지날개(42,44)가 회전축(42A,44B)을 중심으로 반시계방향으로 각각 회전하여 각 하부영역의 일부는 수용홈(23)으로 각각 수납되고 상부영역의 일부는 외부로 돌출(도 4의 점선으로 도시됨)되어 몸체(20)의 수직 하강시 방향성을 갖도록 한다.
이와 같이, 자세유지날개(40)가 제1,2 자세유지날개(42,44)로 구성되어 수직상승 및 수직 하강시 돌출 위치를 가변시킬 수 있음으로써 수직 상승 및 하강에 필요한 자세유지날개(40)를 별도로 구비하지 않아도 된다.
본 실시예에서 제1,2자세유지날개(42,44)를 직사각형으로 구성하였으나 이에 국한되는 것은 아니고, 회전축(23)을 중심으로 상,하부가 대칭을 이루는 다양한 형상 모양으로 이루어질 수 있다.
한편, 제어부(50)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 메모리와 타이머를 구비하고, 지피에스(GPS - 56)를 구비하여 몸체(20)에 구비되는 것으로, 고도계(52), 속도계(54) 및 오염물질 감지기(57)로부터 감지신호를 수신하고, 오염물질 감지기(57)를 제어하도록 구성된다. 또한, 지상의 관제부(60)로부터 통신부(58)를 통하여 회전익 모듈(30), 날개각도 조절수단(32) 등을 제어하기 위한 제어신호를 수신하고, 지피에스(56), 속도계(54), 고도계(52), 오염물질 감지기(57)가 감지한 감지신호 등에 대한 데이터를 메모리에 저장하거나, 저장된 데이터를 통신부(58)를 통하여 관제부(60)의 메인서버로 송신하도록 구성된다.
이러한 제어부(50)는, 메모리에 저장된 비행 제어 프로그램에 의해 자체적으로 자동 비행한 후 복귀하도록 구성될 수도 있다.
또한, 제어부(50)는, 고도계(52)가 감지한 고도가 설정된 고도값이면, 수직 상승한 몸체(20)가 자세를 변경하지 않고 수직 하강하도록 회전익 모듈(30)을 상승시와는 반대 방향으로 회전 작동시켜 하강시키거나, 각각의 날개(34)의 각도를 날개각도 조절수단(31)으로 상승 각도에서 하강 각도로 가변시켜 하강하도록 제어할 수 있다.
한편, 몸체(20)에는, 수직 상승 및 하강시 고장이 나거나, 하강시 배터리의 전원이 부족할 경우에, 비상 착륙할 수 있도록 자유낙하용 낙하산이 구비될 수 있다.
이와 같이 구성된 고고도 수직 무인 비행체(10)의 작용을 설명하기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고고도 수직 무인 비행체(10)를 이용하여 대기의 오염물질을 감지하기 위해서는, 지상의 발사대 또는 특정 위치에 몸체(20)를 수직으로 세운다.
이어서 제어부(50)의 제어동작에 의해 회전익 모듈(30)들이 상승을 위한 회전 작동을 하면, 몸체(20)는 수직으로 상승한다. 이때, 몸체(20)가 중공의 원통형으로 형성됨으로써 수직 상승시 공기 저항이 최소화될 수 있다.
몸체(20)가 상승하는 동안 제어부(50)는 오염물질 감지기(57)를 작동시켜 오염물질 감지기(57)가 미세먼지 등을 포함한 대기 중의 오염물질을 감지한다. 이에 따른 오염물질 감지 데이터는 메모리에 저장되거나 통신부(58)를 통하여 관제부(60)로 송신한다.
이와 같이 몸체(20)가 수직 상승하면서 대기 중의 오염물질을 감지하게 되므로, 지상으로부터 특정 구간, 예를 들면 지상으로부터 2 - 5km 구간의 대기 중 오염물질을 수직방향으로 구분하여 감지할 수 있고, 따라서 고도에 따른 오염물질의 분포도를 정확하게 파악할 수 있게 된다.
한편, 제어부(50)는, 고도계(52)가 감지한 고도값이 설정된 고도값이면, 상승회전 중이던 각 회전익 모듈(30)들을 반대로 회전시켜 하강시키거나, 도 5 및 도 6에 도시된 날개각도 조절수단(31)을 작동 제어하여, 제1,2 자세유지날개(42,44)의 각도를 상승 각도와는 반대인 하강 각도로 변환한다.
이 과정으로 몸체(20)는 수직상승을 멈추고 방향전환 없이 그대로 수직으로 하강을 하게 된다.
몸체(20)가 수직 하강하는 동안 오염물질 감지기(57)는 대기 중의 오염물질을 감지한다. 이와 같이, 몸체(20)가 수직 하강하는 동안에도 대기 중의 오염물질을 감지하게 되므로, 수직상승할 때의 감지값과 하강할 때의 감지값을 토대로 수직방향 대기의 오염물질 분포도를 시차별로 파악할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 고고도 수직 무인 비행체 20 : 몸체
22 : 개구부 24 : 관통부
30 : 회전익 모듈 31 : 날개각도 조절수단
32 : 날개 지지체 34 : 날개
36 : 날개각도 조절용 엑츄에이터 38 : 연결체
40 : 자세유지날개 42,44 : 제1,2 자세유지날개
50 : 제어부 52 : 고도계
54 : 속도계 56 : 지피에스
57 : 오염물질 감지기 58 : 통신부
60 : 관제부

Claims (7)

  1. 상,하부가 개구된 중공 원통형의 몸체; 수직 방향으로 소정의 간격을 유지하여 각각 배치되어 회전 작동하는 복수의 회전익 모듈; 및 상기 몸체의 수직 상승 및 하강시 방향성을 유지하도록 상기 몸체의 외주면에 마련되는 다수개의 자세유지날개를 포함하고, 상기 복수의 회전익 모듈 중 적어도 2개는 서로 반대 방향으로 회전 작동하도록 구성되고,
    상기 몸체에는,
    고도를 측정하기 위한 고도계, 상승 속도 및 하강 속도를 측정하기 위한 속도계, 미세먼지를 포함한 오염물질을 감지하기 위한 오염물질 감지기 및 제어부가 각각 구비되고, 상기 제어부는, 위치를 감지하기 위한 지피에스 및 지상에 위치한 관제부와 통신하기 위한 통신부를 구비하며, 상기 고도계, 속도계 및 오염물질 감지기로부터 감지한 감지신호를 수신하고, 상기 회전익 모듈, 상기 오염물질 감지기 및 상기 자세유지날개를 작동 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자세유지날개는,
    상기 몸체의 길이방향에 대하여 중간을 기준으로 서로 대칭되는 양쪽 단부 영역에 각각 구비되는 제1 자세유지날개와 제2 자세유지날개로 이루어지고,
    상기 제1,2 자세유지날개는,
    소정의 두께와 면적을 갖는 장방형의 판재로 이루어지고 일부가 상기 몸체에 형성된 수용홈에 수용된 상태에서 중앙부가 회전축으로 각각 결합되고, 상기 제1,2 자세유지날개에 각 일단이 축 결합되고 각 타단은 상기 수용홈의 내부에 축 결합되어 상기 제1,2 자세유지날개의 일부가 선택적으로 상기 수용홈 내부로 수납되거나 외부로 돌출되도록 작동하는 각각의 엑츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자세유지날개는,
    상기 몸체의 길이와 같거나 짧은 길이로 형성되어 상기 몸체의 길이 방향으로 결합되고, 양쪽 단부는 끝단부 쪽으로 경사지거나 만곡지게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전익 모듈은,
    상승시 날개 각도와 하강시 날개 각도를 다르게 조절하기 위한 날개각도 조절수단을 각각 구비하되, 상기 날개각도 조절수단은,
    중앙에 작동공이 형성되고 상기 작동공을 중심으로 회전 지지공이 방사형으로 형성된 날개 지지체;
    날개 지지축의 단부에 피동 기어부가 형성되고, 상기 피동 기어부가 상기 작동공에 위치하도록 상기 날개 지지축이 상기 회전 지지공에 회전 가능하게 결합되는 각각의 날개;
    상기 작동공에 위치하는 각 상기 피동 기어부와 맞물리는 구동 기어부가 일면에 형성된 구동체와, 상기 구동체를 설정된 각도 내에서 정회전 또는 역회전시키도록 상기 구동체와 연결되고 상기 작동공의 입구에 결합되는 지지체에 결합되는 날개각도 조절용 엑츄에이터; 및
    일단은 구동모터의 구동축과 연결되고 타단은 상기 날개각도 조절용 엑츄에이터를 감싸면서 상기 날개 지지체와 결합되는 연결체로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고도계가 감지한 고도가 설정된 고도값이면, 수직 상승한 상기 몸체가 자세를 변경하지 않고 수직 하강하도록 상기 회전익 모듈을 상승시와는 반대 방향으로 회전 작동시켜 하강시키거나, 각각의 날개의 각도를 상승 각도에서 하강 각도로 가변시켜 하강하도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관제부로부터 제어신호를 수신하고, 상기 오염물질 감지기가 감지한 오염물질 감지 데이터를 상기 통신부를 통하여 상기 관제부로 송신하도록 구성되거나, 메모리에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    고고도 수직 무인 비행체.


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