KR102370785B1 - 6자유도 부양식 드론 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인 비행체인 드론에 관한 것으로, 기낭(氣囊)(20)이 형성된 기체(機體)의 외곽에 다수의 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)를 장착하여, 기체가 정자세(正姿勢)를 유지한 상태에서 직선 이동이 가능할 뿐 아니라, 기체의 중심점이 정지된 상태에서 롤링(Rolling), 피칭(Pitching) 및 요잉(Yawing) 기동이 가능하도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 드론의 비행 기동에 있어서, 기체가 정확한 자세를 유지한 상태로 전방, 후방, 좌측방, 우측방, 상방 및 하방의 전방향 이동이 가능할 뿐 아니라, 중심점이 정확하게 유지된 상태에서 롤링, 피칭 및 요잉 기동이 가능하여 완벽한 6자유도 운동이 가능하다.

Description

6자유도 부양식 드론{BALLOON TYPE 6 DEGREES OF FREEDOM DRON}
본 발명은 무인 비행체인 드론에 관한 것으로, 기낭(氣囊)(20)이 형성된 기체(機體)의 외곽에 다수의 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)를 장착하여, 기체가 정자세(正姿勢)를 유지한 상태에서 직선 이동이 가능할 뿐 아니라, 기체의 중심점이 정지된 상태에서 롤링(Rolling), 피칭(Pitching) 및 요잉(Yawing) 기동이 가능하도록 한 것이다.
드론은 소형 무인 비행체로서, 관측, 촬영, 측량, 농약 살포 및 인명 구조 등 다양한 분야에서 활발하게 활용되고 있으며, 관련 기술로는 특허 제2324542호 등을 들 수 있다.
특허 제2324542호를 비롯한 종래의 드론은 전원, 제어 장치 및 관측 장비 등이 탑재되는 기체에 다수의 로터가 설치되어 로터의 회전 작동에 따라 조성되는 양력(揚力)에 의하여 기체가 부양(浮揚) 및 이동하게 된다.
즉, 전형적인 종래의 드론을 도시한 도 1에서와 같이, 기체 외곽에 다수의 로터(10)가 설치되어 이들 로터(10)내 회전자의 회전면의 직교 방향이자 회전축과 평행한 방향으로 작용하는 양력이 조합되어 기체의 상승 및 이동이 이루어지는 것으로, 관측 및 촬영 등에 주로 활용되는 소형 드론에 있어서는 일반적으로 기체의 전방 양 측단 및 후방 양 측단에 각각 로터(10)가 장착되어 총 4개의 로터(10)가 가동되는 쿼드로터(quadrotor) 방식이 적용되고 있다.
도 1에서와 같은 쿼드로터 방식의 드론에 있어서 각 로터(10)의 회전축은 기체의 수평 공중정지(hovering) 상태를 기준으로 수직 회전축을 가지며, 따라서 로터(10)의 회전자가 회전됨에 따라 기체에는 수직 방향의 양력이 조성되어 자중을 극복하고 상승 내지 정지 상태가 유지될 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 다중 로터(10) 방식의 종래 드론은 로터(10)의 회전 속도를 변동함으로써 기체가 이동하게 되는데, 이는 도 1에 도시된 총4개의 로터(10) 중 일부를 선택적으로 가동하는 방식이 아니라, 기체 자중을 극복하는 기본적인 양력 발현을 위하여 전체 로터(10)를 가동하는 상태에서 일부 로터(10)의 회전 속도를 가속하는 방식이 적용되는 것이다.
즉, 전체 로터(10)를 기본 설정 회전 속도로 가동하여 기체의 부양을 유지한 상태에서, 기체의 전진이 필요한 경우 후방의 양측 로터(10)의 회전 속도를 증가시키고, 기체의 후진이 필요한 경우 전방의 양측 로터(10)의 회전 속도를 증가시키는 방식이 활용되는 것이다.
또한, 도 1에 예시된 바와 같이, 기체의 측방 이동에 있어서는 기체의 죄측 이동 필요시 기체의 우측 전, 후방 로터(10)를 가속하고, 기체의 우측 이동 필요시 기체의 좌측 전, 후방 로터(10)를 가속하는 방식이 적용된다.
이러한 종래 드론의 평면상 이동 즉, 전, 후, 좌, 우 방향의 이동은 기본적으로 각 로터(10)가 발현하는 양력간 불균형을 유도하고, 이로 인하여 야기된 기체 자세의 편각에 따라 형성되는 편향 양력의 수평성분을 활용하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기체의 경도(傾倒)가 수반될 수 밖에 없으며, 기체가 완벽한 수평을 유지한 상태로 이동하는 기동은 근본적으로 불가능한 한계를 가진다.
특히, 기체의 전, 후 방향 축인 종축을 축으로 기체가 회동하는 롤링(Rolling), 종축의 수평 횡방향 축인 횡축을 축으로 기체가 회동하는 피칭(Pitching) 및 수직축을 축으로 기체가 평면상 회동하는 요잉(Yawing) 기동에 있어서, 기체가 정지된 상태에서의 롤링, 피칭 및 요잉은 근본적으로 불가능하며, 롤링, 피칭 및 요잉 기동 공히 중심점의 동반 이동이 수반될 수 밖에 없는 문제가 있다.
이러한, 종래 드론 기체의 정자세 이동 불가 및 요동상 경도는 촬영, 검측 또는 측량을 수행함에 있어서 심각한 오차를 유발할 수 있음에도 불구하고, 종래의 드론은 그 기동 방식상 한계로 인하여 오차의 경감 내지 해소가 근본적으로 불가능한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 다수의 로터가 장착되는 드론에 있어서, 드론 기체에는 대기에 비하여 비중이 낮은 기낭(20)이 형성되어 기체에 부력이 조성되고, 기체의 상부 좌측, 상부 우측, 하부 좌측 및 하부 우측에는 각각 종축로터(11)가 설치되고, 기체의 양 측단에는 각각 직축로터(12)가 설치되며, 기체의 상단 및 하단에는 각각 횡축로터(13)가 설치되어, 종축로터(11)가 동반 정회전 및 역회전됨에 따라 기체가 전진 및 후진하고, 양측 종축로터(11)가 상호 역방향 회전됨에 따라 기체가 요잉 기동되며, 상하 종축로터(11)가 상호 역방향 회전됨에 따라 피칭 기동됨을 특징으로 하는 6자유도 부양식 드론이다.
또한, 본 발명은 드론 기체는 구형 기낭(20) 및 기낭(20) 외곽에 밀착되는 환형 프레임(30)으로 구성되되, 다수의 환형 프레임(30)이 동심으로 접합되며, 환형 프레임(30)의 외곽에 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)가 설치됨을 특징으로 하는 6자유도 부양식 드론이다.
본 발명을 통하여, 드론의 비행 기동에 있어서, 기체가 정확한 자세를 유지한 상태로 전방, 후방, 좌측방, 우측방, 상방 및 하방의 전방향 이동이 가능할 뿐 아니라, 중심점이 정확하게 유지된 상태에서 롤링, 피칭 및 요잉 기동이 가능하여 완벽한 6자유도 운동이 가능하다.
이로써, 드론을 이용한 촬영 수행에 있어서 화각의 불필요한 요동이 억제될 수 있을 뿐 아니라, 검측 또는 측량 수행시에는 측점의 정밀한 설정 및 유지가 가능하여, 드론을 활용한 각종 업무 수행상 정밀도 및 편의성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 기낭(20)을 통한 자체 부력 확보가 가능하여 로터의 출력을 절감할 수 있으며, 동력 소모 역시 경감할 수 있어, 드론의 체공 시간을 연장할 수 있을 뿐 아니라, 최악의 경우 드론의 추락시에도 완속 하강이 가능하여 안전성 및 장비 생존성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 드론의 기동 방식 설명도
도 2는 본 발명의 사시도
도 3은 본 발명의 프레임 발췌 사시도
도 4는 본 발명의 직선 이동 방식 설명도
도 5는 본 발명의 정지 상태 회동 방식 설명도
본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 2는 본 발명의 외형 및 기동 방식을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명은 다수의 로터가 장착되는 드론으로서, 드론 기체(機體)에는 대기에 비하여 비중이 낮은 기낭(20)이 형성되어 기체에 부력이 조성되고, 기체 외곽에는 상이한 직교 회전축을 가지는 다수의 로터가 장착된다.
본 발명의 기낭(20)은 대기에 비하여 비중이 현격하게 낮은 기체(氣體)가 충전된 낭체(囊體)로서, 기낭(20)을 통하여 기체(機體)에 부력(浮力)이 조성될 수 있으며, 따라서 로터의 맹렬한 회전 없이도 본 발명 드론 기체의 기본적 체공이 가능하게 된다.
본 발명에 있어서 기체에 추력을 제공하는 로터는 그 회전축의 방향에 따라 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)로 구분될 수 있는데, 종축로터(11)는 기체의 전후진 방향인 종방향의 회전축을 가지는 로터이고, 직축로터(12)는 그 회전축이 상기 종축과 직교하되 그 방향이 상하의 수직 방향인 로터이며, 횡축로터(13)는 그 회전축이 상기 종축을 수평으로 횡단하는 방향으로 직교하는 로터이다.
이러한 다수의 로터는 도 2 및 도 3에서와 같이, 기체의 상부 좌측, 상부 우측, 하부 좌측 및 하부 우측에는 각각 종축로터(11)가 장착되어 총 4개의 종축로터(11)가 설치되고, 기체의 양 측단에는 각각 직축로터(12)가 장착되어 총 2개의 직축로터(12)가 설치되며, 기체의 상단 및 하단에는 각각 횡축로터(13)가 장착되어 총 2개의 횡축로터(13)가 설치된다.
또한, 도 2 및 도 3에서와 같이, 카메라(35) 등의 관측 장비는 기체의 전단(前端)에 장착될 수 있으며, 이 경우 기체의 안정성을 유지하기 위하여 기체의 후단에 카운터웨이트(39)가 설치될 수 있다.
본 발명 드론의 기체는 기낭(20)을 기본으로 구성되나, 연질체인 기낭(20)의 특성상 기체의 형태가 변형될 수 있으므로, 기낭(20)을 비롯한 기체의 형태를 유지함과 동시에, 전술한 다수의 로터 또는 카메라(35) 및 카운터웨이트(39) 등의 장착물을 안정적으로 고정할 수 있도록, 도 2 및 도 3에서와 같이 기낭(20)을 밀착 포위하는 프레임(30)이 구성된다.
즉, 본 발명에 있어서 드론 기체는 구형(地形)의 기낭(20) 및 기낭(20) 외곽에 밀착되는 환형(環形)의 프레임(30)으로 구성되는데, 다수의 환형 프레임(30)이 동심으로 접합되어 일층 견고한 구조를 형성하게 된다.
이러한 환형 접합 프레임(30)은 도 3에서와 같이, 동일한 형태 및 크기의 3개의 환형 프레임(30)이 상호 동심(同心)을 이루되, 각각의 환형프레임(30) 내부 평면이 상호 직교하도록 접합됨으로써, 견고한 골격이 형성될 수 있다.
이렇듯, 형성된 환형 프레임(30)의 외곽에는 도 3에서와 같이, 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)가 설치되며, 카메라(35) 및 카운터웨이트(39) 등의 장착물도 환형 프레임(30)의 외곽에 장착될 수 있다.
이렇듯, 본 발명은 기낭(20)의 부력으로 인하여 기체의 기본 부양(浮揚) 및 체공이 가능한 바, 종래 드론과 달리 로터의 맹렬한 회전 없이도 기체의 반 영구적 체공이 가능하며, 이로써 로터의 소요 출력 및 소모 에너지를 획기적으로 절감할 수 있다.
또한, 기체 자체에 기본적 부력이 조성되는 바, 고장 또는 동력 상실 등의 비상 상황이 발생되어도 드론 기체의 급격한 하강을 억제할 수 있어, 드론의 추락으로 인한 안전사고 및 장비파손을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명 드론의 기동 상태를 예시한 것으로, 각각 직선 이동 및 정지 상태 회전 기동을 도시하고 있다.
우선, 도 4는 측방 직선 이동을 예시한 것으로, 상측 횡축로터(13) 및 하측 횡축로터(13)를 동일한 회전 방향으로 동반 정, 역 회전시킴에 따라 드론 기체가 정자세를 유지한 상태로 좌측 또는 우측으로 수평 이동할 수 있다.
이러한 정자세 직선 이동은 수평 좌우 이동 뿐 아니라, 전후진 또는 승강 기동 역시 가능한 것으로, 도시되지는 않았으나, 4개 종축로터(11)를 동일한 방향으로 동반 정, 역 회전시키면 기체가 전방 또는 후방으로 정자세 수평 이동하게 되고, 2개 직축로터(12)를 동일한 방향으로 동반 정, 역 회전시키면 기체가 상방 또는 하방으로 정자세 수직 이동하게 된다.
여기서 로터의 동반 정, 역 회전이란, 다수의 로터를 구동함에 있어서 동시에 같은 방향으로 구동하되, 다수의 로터 중 하나의 로터가 정방향으로 회전하면 나머지 로터도 정방향으로 회전되고, 반대로 다수의 로터 중 하나의 로터가 역방향으로 회전하면 나머지 로터도 역방향으로 회전되는 방식을 말한다.
또한, 도 5는 본 발명 드론 기체의 중심점 정지 상태에서의 회전 기동을 예시한 것으로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 드론의 중심점이 정지된 상태에서 양측의 종축로터(11)가 상호 역방향으로 회전하면 드론 기체가 수직축을 축으로 회동되는 요잉(Yawing) 기동을 수행하게 된다.
이러한 회동 기동은 도 2에서와 같이, 종방향, 수직방향 및 횡방향의 전방향 축을 축으로 하여 수행될 수 있는 것으로, 양측 직축로터(12)가 상호 역방향 회전하거나 상하 횡축로터(13)가 상호 역방향 회전하면 종축을 축으로 하는 롤링(Rolling) 기동이 수행되고, 상측의 종축로터(11)와 하측의 종축로터(11)가 상호 역방향 회전하면 횡축을 축으로 하는 피칭(Pitching) 기동을 수행하게 된다.
이렇듯, 본 발명의 드론은 완벽한 정자세 직선 이동이 가능할 뿐 아니라, 완벽한 중심점 고정 롤링, 피칭 및 요잉 기동이 가능하며, 따라서 완벽하고 정밀한 6자유도 기동을 수행할 수 있게 된다.
10 : 로터
11 : 종축로터
12 : 직축로터
13 : 횡축로터
20 : 기낭
30 : 프레임
35 : 카메라
39 : 카운터웨이트

Claims (2)

  1. 다수의 로터가 장착되는 드론에으로서, 드론 기체에는 대기에 비하여 비중이 낮은 기낭(20)이 형성되어 기체에 부력이 조성되고, 기체의 상부 좌측, 상부 우측, 하부 좌측 및 하부 우측에는 각각 종축로터(11)가 설치되고, 기체의 양 측단에는 각각 직축로터(12)가 설치되며, 기체의 상단 및 하단에는 각각 횡축로터(13)가 설치되어, 종축로터(11)가 동반 정회전 및 역회전됨에 따라 기체가 전진 및 후진하고, 양측 종축로터(11)가 상호 역방향 회전됨에 따라 기체가 요잉 기동되며, 상하 종축로터(11)가 상호 역방향 회전됨에 따라 피칭 기동되는 6자유도 부양식 드론에 있어서,
    상기 드론 기체는 구형 기낭(20) 및 기낭(20) 외곽에 밀착되는 환형 프레임(30)으로 구성되되, 다수의 환형 프레임(30)이 동심으로 접합되며;
    환형 프레임(30)의 외곽에 종축로터(11), 직축로터(12) 및 횡축로터(13)가 설치됨을 특징으로 하는 6자유도 부양식 드론.
  2. 삭제
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