KR102517556B1

KR102517556B1 - 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론

Info

Publication number: KR102517556B1
Application number: KR1020210173734A
Authority: KR
Inventors: 박춘대; 박장헌
Original assignee: 스카이루먼 주식회사
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-04-04

Abstract

본 발명은 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론에 관한 것으로, 가솔린, 등유, 경유 등의 화석연료를 사용하는 내연기관으로 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 드론을 동작시킬 때, 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 내연기관을 이용한 발전기의 효율적인 운용을 통해서 드론을 장시간동안 구동할 수 있도록 하는 하이브리드 드론에 관한 것이다.

Description

내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론{HYBRID DRONE CONFIGURED TO DRIVE MOTORS WITH POWER GENERATED BY INTERNAL-COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일이나 가스 등의 연료를 사용하는 내연기관으로 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 드론을 동작시킬 때, 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 내연기관을 이용한 발전기의 효율적인 운용을 통해서 드론을 장시간동안 구동할 수 있도록 하는 하이브리드 드론에 관한 것이다.

조종사 없이 임무를 수행하는 무인 비행체를 드론이라 하며, 정찰, 감시 등의 군사적인 목적에서부터 농약살포, 공중촬영, 측량, 통신, 물류, 레저활동 등에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있다.

드론은 사용 목적에 따라 임무드론(working drone)과 중계드론(relay drone)으로 나눌 수 있다. 임무드론은 실제 예정된 임무를 수행하도록 설계되거나 운용되는 것이고, 중계드론은 임무드론이 원격에서 지상제어장치(GCS, Ground Control System)와 원활하게 임무를 수행하도록 통신 연결을 중계하는 역할을 수행하도록 설계되거나 운용되는 것이다.

하지만, 드론은 비행하면서 필요한 임무를 수행할 때 전력의 소모가 많기 때문에 배터리 전력만으로는 드론을 장시간 운용하는 것이 쉽지 않다. 특히, 드론이 이동할 때보다 어느 한 지점에 가만히 정지한 상태로 운행하는 경우가 더 많은 전력을 소모하는 것으로 알려져 있다. 그러므로 어느 한 지점에서 정지한 상태에서 운행하는 중계드론이 여러 장소를 이동하면서 임무를 수행하는 임무드론에 비해서 더 많은 전력을 소모하게 된다.

이처럼, 드론을 운용할 때 배터리 전력만으로 장시간 운행하는데 제한이 있었기 때문에, 일정시간 드론을 운행하여 임무를 수행한 다음, 귀환(homing)시켜 배터리를 교체하거나 충전하여 임무를 계속 수행하도록 하여야 한다.

그러나, 이와 같이 드론을 운용하는 경우 임무의 연속성이 떨어져 비효율적인 문제점이 있다. 예를 들어, 중계드론의 경우 일정시간동안 역할을 수행한 다음 전력이 고갈되면 다시 새로운 중계드론과 임무를 교대하여 수행하여야 하지만, 이러한 임무의 교대가 잦으면 매우 비효율적이 된다.

따라서 본 발명에서는 내연기관으로 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 사용하는 하이브리드 드론에서, 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 내연기관을 이용한 발전기의 효율적인 운용을 통해서 드론을 장시간동안 구동할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행발명에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행발명에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 한국공개특허 제2011-0104405호(2011.09.22.)는 무인헬리콥터의 하이브리드 전력 공급 장치에 관한 것으로, 무인헬리콥터의 하이브리드 전력을 공급하는 장치에 있어서, 가솔린 연료를 연소하여 기계 에너지를 생성하는 가솔린 엔진 장치; 무인헬리콥터를 구동시키는 전기 모터 장치; 전기 모터 장치 및 촬영 장치에 전력을 공급하는 배터리 장치; 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 장치; 전기 에너지를 이용하여 배터리 장치를 충전시키는 충전 장치; 및 배터리 장치의 배터리 용량을 판단하여 기준 용량 이하일 경우에 배터리 장치로 전기 에너지를 충전시키도록 충전장치를 제어하는 제어 장치를 포함하는 무인헬리콥터의 하이브리드 전력 공급 장치에 관한 선행발명이다.

즉, 상기 한국공개특허 제2011-0104405호는 최소 용량의 배터리를 탑재할 수 있으므로 무인헬리콥터의 용량과 무게를 줄일 수 있고, 배터리에 연속적으로 충전하므로 장시간 동안 공중에서 촬영할 수 있는 무인헬리콥터의 하이브리드 전력 공급 장치에 대해 기재하고 있다.

하지만, 본 발명은 드론의 움직임을 제어할 때, 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어하는 것이므로, 상기 한국공개특허 제2011-0104405호와 본 발명은 현저한 구성상 차이점이 있다.

또한 한국등록특허 제1977147호(2019.09.10.)는 하이브리드 드론 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 소형의 배터리를 구비하고도 장시간 비행할 수 있고, 드론의 일부를 지면에 착륙하여 사용함으로써 동일한 에너지로 더 오랜 비행시간을 유지할 수 있으며, 착륙지점에서 무선 또는 유선으로 전력을 공급받는 시스템을 더 구비하여 드론의 비행시간을 무한대로 늘릴 수 있는 하이브리드 드론 및 그의 제어방법에 관한 선행발명이다.

즉, 상기 한국등록특허 제1977147호는 기존의 비행을 위하여 부착되었던 배터리 용량의 1/20 정도의 배터리를 장착하고, 전기를 발생시키는 발전기와 발전기를 구동하는 내연기관을 구비하여, 상기 드론은 배터리를 구비하고도 장시간 비행할 수 있는 하이브리드 드론 및 그의 제어방법을 기재하고 있다.

반면에 본 발명은, 드론의 동작 스케줄에 따라 움직임을 제어할 때, 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어하는 것이므로, 상기 한국등록특허 제1977147호와 본 발명은 기술적 구성의 차이점이 분명하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 오일이나 가스 등의 연료를 사용하는 내연기관으로 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 동작시킬 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 드론의 동작 스케줄에 따라서 수직상승, 수직하강, 수평이동, 고도유지 등의 움직임을 제어할 때, 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 모터의 전력소모가 증대하면 발전량을 늘리고, 모터의 전력소모가 줄어들면 발전량을 줄임으로써, 드론의 움직임을 효율적으로 제어할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 프로펠러의 회전속도가 높아짐에 따라 발전량을 증대시켜야 하는 상황에서, 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 소비전력이 증가하면 먼저 전력저장장치의 전력을 우선 사용하고, 시간이 지남에 따라 일부 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 전력저장장치를 충전할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 복수의 프로펠러를 구동하기 위한 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 발전량을 증가하거나 감소시켜 분배할 때, 각 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 전력저장장치를 충전할 때, 통신전력용 배터리에 우선 충전을 수행하고, 그 다음에 구동전력용 배터리를 충전하도록 하는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 드론에 설치된 태양광, 풍력 등을 이용한 친환경 발전설비를 통해서 생성한 전력, 혹은 드론의 동력전달 체계에 내재된 설비를 통해서 생성한 전력을 통신전력으로 사용할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 드론이 움직이기 위한 구동전력과 통신전력을 분리하여 운용함으로써, 전원 체계의 스위칭이나 혼용으로 인한 손실을 방지할 수 있으며, 서로 독립된 부하 분배나 스케줄링을 수행할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 구동전력과 통신전력을 서로 독립적으로 운용하여, 드론의 구동이 멈추더라도 통신을 지속할 수 있고, 반대로 통신이 멈추더라도 구동을 지속적으로 할 수 있으므로, 위기 상황에서 필요한 기능을 좀 더 지속할 수 있는 하이브리드 드론을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론은, 오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하는 적어도 하나 이상의 내연기관; 상기 생성한 동력을 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나 이상의 발전기; 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치; 및 상기 적어도 하나 이상의 발전기, 적어도 하나 이상의 배터리, 또는 이들의 조합으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 모터를 구동하도록 전력을 공급하는 전력공급부;를 포함하며, 상기 모터의 구동을 상기 발전기의 가동과 연계함으로써, 장시간 운행이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드 드론은, 중계드론인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전력공급부는, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 또는 상기 전력저장장치에서 출력되는 전류를 측정하는 전류센서; 상기 적어도 하나 이상의 발전기 또는 상기 전력저장장치로부터 공급되는 전력을 수집하는 전력수집부; 상기 수집한 전력을 상기 적어도 하나 이상의 모터로 분배하여 공급하는 전력분배부; 및 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터에서 필요한 전력을 분배하여 공급하도록 제어하는 전력분배 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전력수집부는, 상기 발전기 또는 상기 전력저장장치로부터 공급되는 전력을 축적하는 대용량 콘덴서;를 더 포함하며, 상기 전력분배부는, 상기 적어도 하나 이상의 모터에 각각 일대일로 대응되게 구성되며, 상기 전력분배 제어부의 제어에 따라 상기 대용량 콘덴서에 축적된 전력을 상기 모터에 공급하는 전류구동기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전력분배 제어부는, 복수의 프로펠러의 구동을 위한 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도가 증가함에 따라 상기 발전기의 발전량을 증대시켜야 하는 경우, 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하며, 시간이 경과함에 따라 상기 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 상기 전력저장장치를 충전하도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전력저장장치는, 상기 하이브리드 드론의 구동을 위한 전력을 충전하는 구동전력용 배터리; 및 지상제어장치 및 임무드론과의 통신을 위한 전력을 충전하는 통신전력용 배터리;를 포함하며, 상기 구동전력용 배터리와 상기 통신전력용 배터리는 분리되어 독립적으로 구동되며, 상기 전력분배부에서, 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 전력을 증가 또는 감소시켜 분배하는 과정에서, 상기 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 충전기를 통해 상기 전력저장장치를 충전할 때, 상기 통신전력용 배터리를 우선적으로 충전하며, 상기 통신전력용 배터리가 만충전된 이후에 상기 구동전력용 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론 운용방법은, 지상제어장치의 지시에 따라 적어도 하나 이상의 발전기, 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치, 또는 이들의 조합으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 모터를 구동하여, 드론을 목표고도로 이동시키는 목표고도 이동 단계; 상기 목표고도에 도달한 드론에서, 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치로 제공하는 임무수행 및 점검 단계; 및 상기 점검한 결과를 토대로 대체 드론이 필요하면, 상기 지상제어장치로 대체 드론을 요청하고, 상기 대체 드론이 도착하면 상기 대체 드론에게 임무를 인수인계한 다음 이륙 장소로 복귀하는 대체 드론 요청 및 복귀 단계;를 포함하며, 상기 모터의 구동을 상기 발전기의 가동과 연계함으로써, 상기 드론의 장시간 운행이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드 드론 운용방법은, 상기 대체 드론 요청 및 복귀 단계는, 상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족하면 상기 지상제어장치로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속하여 수행하면서 현재 위치에 착륙하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목표고도 이동 단계는, 상기 적어도 하나 이상의 내연기관을 통해 오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하는 내연기관 구동 단계; 상기 생성한 동력을 적어도 하나 이상의 발전기를 통해 전기 에너지로 변환하는 전기 에너지 변환 단계; 상기 적어도 하나 이상의 모터에서 상기 적어도 하나 이상의 발전기, 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치, 또는 이들의 조합으로부터 전력을 공급받아 프로펠러를 동작시켜 드론을 운행하는 드론 운행 단계; 상기 적어도 하나 이상의 발전기 모두가 정상적으로 동작되는지를 판단하는 발전기 정상동작 판단 단계; 및 상기 판단한 결과 발전기 모두가 정상적으로 동작되면, 상기 발전기에서 공급되는 전력을 토대로 상기 드론이 목표고도에 도달되는지를 판단하는 목표고도 도달 판단 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 드론 운행 단계는, 전류센서로 상기 전력저장장치의 출력 전류를 측정하는 단계; 상기 전류센서로 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 출력 전류를 측정하는 단계; 및 상기 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터에 전력을 증가 또는 감소시켜 공급하도록, 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 출력을 순차적으로 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드 드론 운용방법은, 상기 발전기 정상동작 판단 단계에서 판단한 결과, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 모두가 정상이 아니면, 상기 드론이 이륙 전인지를 판단하는 단계; 상기 판단한 결과 이륙 전이면, 상기 지상제어장치에 알리고 운행을 종료하고, 이륙 후이면, 전류센서로 상기 전력저장장치의 출력 전류를 측정하고, 고장이 발생한 발전기를 제외한 나머지 발전기의 출력 전류를 측정하여, 순차적으로 발전기의 출력을 조정하는 단계; 상기 조정한 발전기의 출력을 토대로 상기 드론이 목표지점에 도달이 가능한지를 판단하고, 상기 판단한 결과 목표지점에 도달이 가능하면, 상기 발전기에서 공급되는 전력을 토대로 상기 드론이 목표고도에 도달되는지를 판단하는 단계; 상기 목표고도에 도달한 드론에서, 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치로 제공하는 단계; 상기 임무를 수행하는 과정에서, 연료가 충분하지 않으면 상기 지상제어장치로 대체 드론을 요청하는 단계; 상기 대체 드론이 도착하는지를 판단하고, 상기 판단한 결과 상기 대체 드론이 도착하면 임무를 인수인계한 다음 이륙 장소로 복귀하는 단계; 및 상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족하면 상기 지상제어장치로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속하여 수행하면서 현재 위치에 착륙하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목표고도 이동 단계는, 복수의 프로펠러의 구동을 위한 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도가 증가함에 따라 상기 발전기의 발전량을 증대시켜야 하는 경우, 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하며, 시간이 경과함에 따라 상기 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 상기 전력저장장치를 충전하도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드 드론 운용방법은, 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용한 경우, 상기 임무수행 및 점검 단계에서, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 중에서 RPM이 가장 낮은 발전기의 출력을 증가시켜, 상기 전력저장장치에서 사용한 전력을 충전하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드 드론 운용방법은, 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 전력을 증가 또는 감소시켜 분배하는 과정에서, 상기 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 충전기를 통해 상기 전력저장장치를 충전할 경우, 지상제어장치 및 임무드론과의 통신을 위한 전력을 충전하는 통신전력용 배터리를 우선적으로 충전하며, 상기 통신전력용 배터리가 만충전된 이후에 하이브리드 드론의 구동을 위한 전력을 충전하는 구동전력용 배터리를 충전하는 단계;를 더 포함하며, 상기 구동전력용 배터리와 상기 통신전력용 배터리는 분리되어 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론에 따르면, 내연기관으로 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 사용하는 하이브리드 드론의 움직임을 제어할 때, 상기 하이브리드 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 상기 내연기관을 이용한 발전기의 효율적인 운용을 통해서 드론을 장시간동안 구동할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 소비전력이 증가하면 먼저 전력저장장치의 전력을 우선 사용하고, 시간이 지남에 따라 일부 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 전력저장장치를 충전함으로써, 전력소모가 증가할 때 실시간적으로 발전량이 늘어나게 제어하는 것이 어려운 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 하이브리드 드론을 안정적이고 효율적으로 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 구동전력과 통신전력을 서로 독립적으로 운용하도록 구성함으로써, 드론의 구동이 멈추더라도 통신을 지속할 수 있고, 반대로 통신이 멈추더라도 구동을 지속적으로 할 수 있어 위기 상황에서 필요한 기능을 좀 더 지속할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 사용 환경을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 전력공급부의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 전력공급부의 전력수집부와 전력분배부의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론 운용방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론(100)은 내연기관을 통해 구동하는 발전기에서 생성한 전력과 충전기를 통해 배터리(전력저장장치)에 충전된 전력을 혼용하여 동작하는 무인 비행체로서, 각 모터에 발전기에서 생성한 전력 또는 배터리에 충전된 전력을 분배하여 공급한다.

즉 오일이나 가스 등의 연료로 동력을 생성하는 내연기관을 통해 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력, 또는 충전기를 통해 배터리에 충전된 전력을 분배하여 적어도 하나 이상의 모터로 공급하면, 상기 적어도 하나 이상의 모터가 상기 발전기 또는 배터리에서 공급되는 전력에 의해 구동하면서 각 모터에 연결된 프로펠러가 회전되어 상기 하이브리드 드론(100)이 수직상승, 고도유지, 수평이동, 수직하강 등의 움직임을 수행하는 것이다.

이때 본 발명에 적용되는 하이브리드 드론(100)은 내연기관을 통해 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력을 메인전력으로 구동하며, 배터리에 충전된 전력은 상기 연료가 모두 소진되어 발전기에서 생성한 전력으로 더 이상 구동이 어렵거나, 또는 초기 비행 과정에서 발전량을 늘리는 과정에서 전력이 부족할 경우 우선적으로 끌어당겨 사용하는 예비전력으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 사용 환경을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 상기 하이브리드 드론(100)은 지상제어장치(200), 중계드론 및 각 임무드론(300)의 사용 환경(예를 들어, 지상제어장치(200)와 각 임무드론(300)이 산, 건축물 등의 각종 장애물로 인하여 직접적으로 명령을 송수신하지 못하거나, 또는 각 임무드론(300)이 먼 거리에 위치하여 지상제어장치(200)와 통신하기 어려워 중계드론을 사용하여야 하는 상황)에서, 어느 한 지점에 가만히 정지한 상태로 운행하면서, 지상제어장치(200)와 각 임무드론(300) 간의 명령을 송수신하는 중계드론에 적용하는 것이 바람직하다.

즉 여기저기 이동하면서 탐지, 공격, 촬영, 측량 등의 다양한 임무를 수행하는 각 임무드론(300)에 비해서, 가만히 정지한 상태로 운행함에 따라 많은 전력을 소모하는 중계드론에 본 발명의 하이브리드 드론(100)을 적용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 중계드론에 한정적으로 이용되지 않고, 그 이외에 각 임무드론(300)에 적용하여 구성할 수 있다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 동작 스케줄에 따라서 수직상승, 수직하강, 수평이동, 고도유지 등의 움직임을 수행할 때, 복수의 프로펠러(예를 들어, 4개 이상)를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어할 수 있다. 즉 모터의 전력소모가 증대하면 발전량을 늘리고, 모터의 전력소모가 줄어들면 발전량을 줄임으로써, 상기 하이브리드 드론(100)의 움직임을 효율적으로 제어하고, 이에 따라 상기 하이브리드 드론(100)이 장시간동안 운행하는 것이 가능하도록 하는 것이다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 초기에 가동할 때, 복수의 프로펠러의 회전속도가 높아짐에 따라 발전량을 증대시켜야 한다. 이 경우, 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차가 발생하여 전력 공급에 일부 차질을 빚을 수 있는데, 이와 같은 시간차를 보상하기 위해서, 소비전력이 증가하면 먼저 전력저장장치에 충전되어 있는 전력을 우선 사용하고, 시간이 지남에 따라 일부 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 전력저장장치를 충전할 수 있도록 구성할 수 있다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 복수의 프로펠러를 구동하기 위한 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 발전기의 발전량을 증가하거나 감소시켜 분배할 때, 상기 각 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 충전기를 통해 전력저장장치를 충전하게 되는데, 이때 상기 피드백되는 전력을 통신전력용 배터리에 우선 충전하고, 그 다음 구동전력용 배터리를 충전하는 방식으로 운용할 수 있다. 또한 상기 하이브리드 드론(100)은 이동과정에서 바람을 타는 등의 이유로 추진력을 덜 받는 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 감소시키고, 남는 전력을 피드백하여 충전기를 통해 전력저장장치를 충전할 수도 있다.

이때 통신전력용 배터리의 용량은 구동전력용 배터리의 용량에 비하여 훨씬 작으며, 상기 통신전력용 배터리와 구동전력용 배터리는 독립적으로 분리되어 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 전력저장장치에 상기 통신전력용 배터리와 구동전력용 배터리를 모두 구비하지 않고, 통신전력용 전력저장장치와 구동전력용 전력저장장치로 별개로 설치하여 운용하는 것도 가능하다.

이처럼, 상기 하이브리드 드론(100)의 구동전력과 통신전력을 서로 독립적으로 운용하는 경우, 상기 하이브리드 드론(100)의 전원 체계의 스위칭이나 혼용으로 인한 손실을 방지하는 것은 물론, 서로 독립된 부하 분배나 스케줄링을 수행할 수 있다. 또한 상기 하이브리드 드론(100)의 구동이 멈추더라도 상기 지상제어장치(200)나 각 임무드론(300)과 통신을 지속할 수 있으며, 이와 반대로 상기 지상제어장치(200)나 각 임무드론(300)과의 통신이 멈추더라도 상기 하이브리드 드론(100)의 구동을 지속적으로 할 수 있으므로, 위기 상황에서 필요한 기능을 좀 더 지속할 수 있는 이점이 있다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 태양광, 풍력 등을 이용한 친환경 발전설비를 구비하고, 상기 친환경 발전설비를 통해 생성한 전력을 통신전력용으로 사용할 수 있다. 이때, 태양광 패널 등의 친환경 발전설비를 상기 하이브리드 드론(100)에 구비할 경우, 무게의 제한을 두어 상기 하이브리드 드론(100)의 구동에 영향이 없도록 하여야 한다. 예를 들어, 태양광 패널의 경우 별도로 제작하여 상기 하이브리드 드론(100)에 부착하는 형태로 구성하지 않고, 상기 하이브리드 드론(100)을 제작할 때 본체 일부분을 태양광 패널로 구성할 수 있다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 태양광, 풍력 등을 이용한 친환경 발전설비 이외에, 드론의 동력전달 체계(예를 들어, 프로펠러)에 내재된 설비를 통해서 생성한 전력을 통신전력으로 사용할 수도 있다.

예를 들어, 상기 하이브리드 드론(100)에 통신전력 생성을 위한 자가발전 설비를 구비하는 경우, 복수의 프로펠러를 구동하는 모터의 회전축에 또 다른 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 결합하여 함께 회전시켜, 상기 BLDC 모터가 회전할 때 전력을 발생시키고, 이를 통신전력용 배터리에 충전하여 사용할 수 있다.

또한, 각 프로펠러의 회전축에 자석을 구비하여, 프로펠러 회전과 함께 회전됨에 따라 생성되는 유도 기전력에 의해 전력을 발생시키고, 이를 통신전력용 배터리에 충전하여 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 드론(100)은 연료통(110), 적어도 하나 이상의 내연기관(120), 적어도 하나 이상의 발전기(130), 전력공급부(140), 충전기(150), 전력저장장치(160), 모터(170) 등을 포함하여 구성된다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 도면에 도시하지는 않았지만, 하드웨어적으로는 프로세서, 메모리 및 이들을 연결하는 버스와 각종 인터페이스 카드 등을 포함하며, 소프트웨어적으로는 상기 메모리에 상기 프로세서를 통해서 구동할 프로그램들이 저장되어 있으며, 각종 동작프로그램의 업데이트를 관리하는 업데이트 관리부, 외부 장치와 데이터 송수신을 위한 인터페이스부 등을 추가로 포함하여 구성할 수 있다.

상기 연료통(110)은 상기 내연기관(120)에서 사용하는 가솔린, 경유 및 등유를 포함한 오일, 또는 가스 등의 연료를 저장한다.

상기 내연기관(120)은 상기 연료통(110)에 저장된 오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소시켜 동력을 발생시킨다.

상기 발전기(130)는 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 내연기관(120)에서 생성한 동력을 전기 에너지로 변환하여 출력한다.

또한 상기 발전기(130)는 상기 전력공급부(140)의 제어를 토대로 상기 적어도 하나 이상의 모터(170)의 회전속도 증가나 감소에 비례하여 발전량을 증가시키거나 감소시켜 출력한다.

상기 전력공급부(140)는 상기 적어도 하나 이상의 발전기(130), 상기 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치(160), 또는 이들의 조합으로부터 구동전력을 공급받으며, 상기 공급받은 구동전력을 상기 적어도 하나 이상의 모터(170)에 공급한다.

즉 상기 전력공급부(140)는 상기 하이브리드 드론(100)의 움직임에 따라 제어장치(미도시)로부터 전달되는 제어신호를 토대로 각 프로펠러를 구동하는 상기 모터(170)에 필요한 전력량을 공급하는 제어를 수행하는 것이다.

이때 상기 전력공급부(140)는 상기 적어도 하나 이상의 발전기(130)로부터 공급되는 전력을 메인전력으로 사용하며, 상기 전력저장장치(160)로부터 공급되는 전력은 예비용이나 비상용으로 사용한다.

또한 상기 전력공급부(140)는 상기 모터(170)에 공급되는 전력이 남으면, 이를 피드백하여 상기 충전기(150)를 통해 상기 전력저장장치(160)를 충전할 수 있도록 한다.

상기 충전기(150)는 상기 전력공급부(140)에서 피드백되는 전력을 이용하여 상기 전력저장장치(160)를 충전한다.

상기 전력저장장치(160)는 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하고 있으며, 상기 충전기(150)를 통해서 상기 전력공급부(140)로부터 피드백되는 전력을 충전한다. 이때 상기 전력저장장치는 리튬이온, 니켈카드뮴 등의 2차전지를 포함한 현재 개발되어 사용되고 있는 모든 종류의 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 배터리 셀, 배터리 팩, 배터리 모듈 등을 모두 포함하는 것을 의미한다.

또한 상기 전력저장장치(160)는 상기 하이브리드 드론(100)의 구동을 위한 전력을 충전하는 구동전력용 배터리(161)와 상기 지상제어장치(200) 및 각 임무드론(300)과의 통신을 위한 전력을 충전하는 통신전력용 배터리(162)로 구성된다. 또한 상기 구동전력용 배터리(161)와 상기 통신전력용 배터리(162)는 분리하여 독립적으로 구동되도록 구성할 수 있다.(도 4 참조) 그 이외에, 상기 전력저장장치(160)는 구동전력용 전력저장장치와 통신전력용 전력저장장치로 각각 구성할 수도 있다.

상기 모터(170)는 적어도 하나 이상 구비되며, 상기 전력공급부(140)로부터 공급되는 전력에 의해 구동되어 복수의 프로펠러를 구동시킴으로써, 상기 하이브리드 드론(100)이 수직으로 상승 또는 하강하거나, 수평으로 이동하거나, 일정 고도를 유지하도록 하는 등의 움직임을 수행하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 전력공급부의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전력공급부(140)는 복수의 전류센서(141), 전력수집부(142), 전력분배부(143), 전력분배 제어부(144) 등을 포함하여 구성된다.

상기 전류센서(141)는 상기 전력공급부(140)로 전력을 공급하는 상기 적어도 하나 이상의 발전기(130)의 전력공급 라인과 상기 전력저장장치(160)의 전력 공급라인의 수에 비례하여 구비되고, 상기 각 발전기(130) 또는 전력저장장치(160)에서 출력되는 전류를 측정하며, 상기 측정한 전류값을 상기 전력분배 제어부(144)로 출력한다.

상기 전력수집부(142)는 상기 적어도 하나 이상의 발전기(130)로부터 공급되는 전력을 하나로 모아 수집하거나, 또는 상기 전력저장장치(160)로부터 공급되는 전력을 수집하고, 상기 수집한 전력을 상기 전력분배부(143)로 출력한다.

상기 전력분배부(143)는 상기 전력분배 제어부(144)의 제어를 토대로 상기 전력수집부(142)에서 수집한 전력을 상기 적어도 하나 이상의 모터(170)로 분배하여 공급한다.

즉 상기 각 모터(170)의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 각 모터(170)에서 필요한 전력을 분배하여 공급하는 것이다.

또한 상기 전력분배부(143)는 상기 각 모터(170)로 공급하고 남은 전력을 상기 충전기(150)로 피드백하여, 상기 전력저장장치(160)에 충전하도록 한다. 이에 따라 상기 전력저장장치(160)는 상기 전력분배부(143)에서 피드백되는 전력을 상기 충전기(150)를 통해 구동전력용 배터리(161)와 통신전력용 배터리(162)에 각각 충전할 수 있게 된다. 이때 상기 충전기(150)는 상기 통신전력용 배터리(162)를 우선적으로 충전하도록 제어하며, 상기 통신전력용 배터리(162)가 만충전된 이후에 상기 구동전력용 배터리(161)를 충전하도록 제어한다.

상기 전력분배 제어부(144)는 상기 적어도 하나 이상의 모터(170)의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 각 모터(170)에서 필요한 전력을 분배하여 공급하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 생성한 제어신호를 상기 전력분배부(143)로 출력하여, 상기 전력분배부(143)에서 상기 각 모터(170)에 전력을 분배하여 공급하도록 한다.

즉 상기 전력분배 제어부(144)는 상기 전류센서(141)에서 측정한 상기 각 발전기(130) 또는 전력저장장치(160)에서 출력되는 전류값을 확인하고, 상기 각 모터(170)의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 각 모터(170)에 공급할 전력을 결정한 다음, 상기 전류센서(141)에서 측정한 전류값을 토대로 상기 각 발전기(130)에서 상기 각 모터(170)에 공급할 전력만큼 발전을 수행하도록 상기 각 발전기(130)의 출력을 조정하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 생성한 제어신호를 상기 각 발전기(130)로 출력하여 동작을 수행하도록 한다.

한편, 상기 전력분배 제어부(144)는 상기 각 모터(170)의 회전속도가 증가함에 따라 상기 각 발전기(130)의 발전량을 증대시켜야 하는 경우, 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 상기 전력저장장치(160)에 충전된 전력을 우선적으로 사용한다. 그리고, 소정 시간이 경과하여 상기 각 발전기(130)로부터 출력되는 전력이 충분히 커지면, 상기 발전기(130) 중에서 RPM(Revolution Per Minute)이 가장 낮은 발전기의 출력을 증가시키는 제어를 수행하여, 상기 전력저장장치(160)에서 사용한 전력을 충전하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론의 전력공급부의 전력수집부와 전력분배부의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전력수집부(142)는 상기 각 발전기(130) 또는 상기 전력저장장치(160)로부터 공급되는 전력을 축적하는 대용량 콘덴서로 구성된다. 이때 상기 콘덴서는 하나 이상 직병렬로 구성할 수 있다.

또한 상기 전력분배부(143)는 상기 충전기(150)와 연결된 전력 라인과 상기 적어도 하나 이상의 모터(170)와 연결된 전력 라인을 합한 수만큼의 전류구동기(current driver)(143a)가 구비되어 있다.

즉 상기 전류구동기(143a)는 상기 적어도 하나 이상의 모터(170) 및 상기 충전기(150)와 각각 일대일로 대응되게 구성되고, 상기 전력분배 제어부(144)의 제어에 따라 상기 대용량 콘덴서에 축적된 전력을 상기 각 모터(170)에 분배하여 공급하며, 상기 각 모터(170)에 공급하고 남은 전력을 상기 충전기(150)로 피드백하여 공급한다.

이때 본 발명에서는 도 5에서와 같이 각 모터(170)마다 개별적으로 전류 구동 용량을 제어할 수 있는 전류구동기를 구비한 것을 예로하여 설명하였지만, 이에 한정되는 않으며, 그 이외에 서로 다른 구동 용량을 가진 복수의 전류구동기에 대한 뱅크를 구성하고, 각 모터에서 필요로 하는 전류 구동 용량에 따라 해당 전류구동기를 스위칭하여 해당하는 모터와 연결하도록 구성함으로써, 각 모터에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론 운용방법의 일 실시예를 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관으로 발전된 전력으로 모터를 구동하는 하이브리드 드론 운용방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 드론(100)은 지상제어장치(200)의 지시에 따라 적어도 하나 이상의 발전기(130), 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치(160), 또는 이들의 조합으로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 모터(170)를 구동하여, 목표고도로 이동시키는 목표고도 이동 단계를 수행한다.

상기 목표고도 이동 단계를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 지상제어장치(200)의 지시에 따라 구동을 시작하고(S110), 상기 적어도 하나 이상의 내연기관(120)을 통해 오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하고, 상기 생성한 동력을 적어도 하나 이상의 발전기(130)를 통해 전기 에너지로 변환한다(S120).

이어서, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 전류센서(141)로 상기 전력저장장치(160)의 출력 전류를 측정하고(S130), 상기 전류센서(141)로 상기 각 발전기(130)의 출력 전류를 측정하며, 상기 각 모터(170)의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터(170)에 전력을 증가 또는 감소시켜 공급하도록, 상기 각 발전기(130)의 출력을 순차적으로 조정(S140)하는 드론 운행 단계를 수행한다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 각 발전기(130) 모두가 정상적으로 동작되는지를 판단한다(S150).

상기 S150 단계를 통해 판단한 결과 상기 각 발전기(130) 모두가 정상적으로 동작하지 않으면, 상기 하이브리드 드론(100)은 이륙 전인지를 판단한다(S151).

상기 판단한 결과 상기 하이브리드 드론(100)이 이륙 전이면, 상기 지상제어장치(200)에 발전기 모두가 정상적으로 동작되지 않음을 알리고 운행을 종료한다(S151a).

그러나 상기 S151 단계를 통해 판단한 결과 상기 하이브리드 드론(100)이 이륙 후이면, 상기 전류센서(141)로 상기 전력저장장치(160)의 출력 전류를 측정하고(S152), 고장이 발생한 발전기를 제외한 나머지 발전기의 출력 전류를 측정하여, 순차적으로 발전기(130)의 출력을 조정한다(S153).

이어서, 상기 조정한 발전기(130)의 출력을 토대로 상기 하이브리드 드론(100)이 목표지점에 도달이 가능한지를 판단한다(S154).

판단한 결과 목표지점에 도달하기 어려우면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 지상제어장치(200)로 하강소식을 알리고(S154a), 현재 위치에서 하강하여 착륙을 수행한다.

그러나 상기 S154 단계를 통해 판단한 결과 목표지점에 도달이 가능하면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 전류센서(141)에서 측정한 상기 전력저장장치(160)의 출력 전류가 0이고, 고장난 발전기 이외에 정상적으로 동작하는 나머지 발전기에서 공급되는 전력을 토대로 목표고도에 도달되는지를 판단한다(S155).

상기 판단한 결과 모두 만족하지 않으면, 상기 S152 단계 이후를 반복하여 수행하고, 상기 판단한 결과 모두 만족하면, 상기 목표고도에 도달한 하이브리드 드론(100)은 해당 위치에서 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치(200)로 제공한다(S156).

이러한 임무를 수행하는 과정에서, 상기 하이브리드 드론(100)은 연료가 충분한지를 판단하고(S157), 연료가 충분하면 상기 S152 단계 이후를 반복하여 수행하며, 연료가 충분하지 않으면 상기 지상제어장치(200)로 대체 드론을 요청한다(S158).

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 대체 드론이 도착하였는지를 판단하고(S159), 상기 판단한 결과 상기 대체 드론이 도착하면 임무를 인수인계한 다음 이륙 장소로 복귀하며, 상기 대체 드론이 도착하지 않으면, 상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족한 경우 상기 지상제어장치(200)로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속하여 수행하면서 현재 위치에 착륙한다.

한편, 상기 S150 단계를 통해 판단한 결과 상기 각 발전기(130) 모두가 정상적으로 동작되면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 전류센서(141)에서 측정한 상기 전력저장장치(160)의 출력 전류가 0이고, 모든 발전기(130)에서 공급되는 전력을 토대로 목표고도에 도달되는지를 판단한다(S160).

상기 S160 단계를 통해 판단한 결과 모두 만족하지 않으면, 상기 S120 단계 이후를 반복하여 수행하고, 상기 판단한 결과 모두 만족하면, 상기 목표고도에 도달한 하이브리드 드론(100)은 해당 위치에서 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치(200)로 제공한다(S170).

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 S110 단계 내지 S160 단계를 통해 목표고도 이동 과정에서 상기 전력저장장치(160)에 충전된 전력을 우선적으로 사용한 경우, 상기 각 발전기(130) 중에서 RPM이 가장 낮은 발전기의 출력을 증가시켜, 상기 전력저장장치(160)에서 사용한 전력을 충전하도록 한다(S180). 즉 목표고도 이동 과정에서, 상기 각 모터(170)에 공급할 전력이 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상이 필요하여 상기 전력저장장치(160)에 충전된 전력을 우선적으로 사용한 경우, 추후에 상기 발전기(130)의 발전량을 의도적으로 늘려 상기 전력저장장치(160)에서 사용한 전력을 충전하도록 하는 것이다.

또한 상기 하이브리드 드론(100)은 연료가 충분한지를 판단하고(S190), 연료가 충분하면 상기 S120 단계 이후를 반복하여 수행하며, 연료가 충분하지 않으면 상기 지상제어장치(200)로 대체 드론을 요청한다(S200).

이후 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 대체 드론이 도착하였는지를 판단하고(S210), 상기 판단한 결과 상기 대체 드론이 도착하지 않으면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족한 경우 상기 지상제어장치(200)로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속 수행하고(S211), 착륙절차에 따라 현재 위치에 착륙한다(S212).

또한 상기 S210 단계를 통해 판단한 결과 상기 대체 드론이 도착하면, 상기 하이브리드 드론(100)은 상기 대체 드론과 임무를 인수인계한 다음, 상기 지상제어장치(200)에 하강소식을 알리고(S220), 이륙했던 장소로 복귀하여 착륙절차에 따라 착륙을 수행한다(S230).

이처럼, 본 발명은 내연기관으로 발전기를 구동하여 생성한 전력과 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 사용하는 하이브리드 드론의 움직임을 제어할 때, 상기 하이브리드 드론의 각 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도 증가 또는 감소를 내연기관으로 구동하는 발전기의 가동과 연계하여 제어하기 때문에, 상기 내연기관을 이용한 발전기의 효율적인 운용을 통해서 드론을 장시간동안 구동할 수 있다.

또한 본 발명은 전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 소비전력이 증가하면 먼저 전력저장장치의 전력을 우선 사용하고, 시간이 지남에 따라 일부 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 전력저장장치를 충전할 수 있으므로, 전력소모가 증가할 때 실시간적으로 발전량이 늘어나게 제어하는 것이 어려운 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 하이브리드 드론을 안정적이고 효율적으로 구동시킬 수 있다.

또한 본 발명은 구동전력과 통신전력을 서로 독립적으로 운용하기 때문에, 드론의 구동이 멈추더라도 통신을 지속할 수 있고, 반대로 통신이 멈추더라도 구동을 지속적으로 할 수 있어 위기 상황에서 필요한 기능을 좀 더 지속할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.

100 : 하이브리드 드론 110 : 연료통
120 : 내연기관 130 : 발전기
140 : 전력공급부 141 : 전류센서
142 : 전력수집부 143 : 전력분배부
143a : 전류구동기 144 : 전력분배 제어부
150 : 충전기 160 : 전력저장장치
161 : 구동전력용 배터리 162 : 통신전력용 배터리
170 : 모터 200 : 지상제어장치
300 : 임무드론

Claims

오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하는 적어도 하나 이상의 내연기관;
상기 생성한 동력을 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나 이상의 발전기;
적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치; 및
상기 적어도 하나 이상의 발전기 및 적어도 하나 이상의 배터리로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 모터를 구동하도록 전력을 공급하는 전력공급부;를 포함하며,
상기 전력공급부는,
상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터에서 필요한 전력을 분배하여 공급하도록 제어하는 전력분배 제어부;를 포함하며,
상기 전력분배 제어부는,
상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하는 경우, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 중에서 RPM이 낮은 발전기 순으로 출력을 증가시켜, 상기 전력저장장치에서 사용한 전력을 충전하며,
상기 내연기관으로 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 동작시킬 때, 복수의 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도에 대한 증가 또는 감소를 상기 내연기관으로 구동하는 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 장시간 운행이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
청구항 1에 있어서,
상기 하이브리드 드론은,
임무드론 또는 중계드론을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
청구항 1에 있어서,
상기 전력공급부는,
상기 적어도 하나 이상의 발전기 또는 상기 전력저장장치에서 출력되는 전류를 측정하는 전류센서;
상기 적어도 하나 이상의 발전기 또는 상기 전력저장장치로부터 공급되는 전력을 수집하는 전력수집부; 및
상기 수집한 전력을 상기 적어도 하나 이상의 모터로 분배하여 공급하는 전력분배부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
청구항 3에 있어서,
상기 전력수집부는,
상기 발전기 또는 상기 전력저장장치로부터 공급되는 전력을 축적하는 대용량 콘덴서;를 더 포함하며,
상기 전력분배부는,
상기 적어도 하나 이상의 모터에 각각 일대일로 대응되게 구성되며, 상기 전력분배 제어부의 제어에 따라 상기 대용량 콘덴서에 축적된 전력을 상기 모터에 공급하는 전류구동기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
청구항 3에 있어서,
상기 전력분배 제어부는,
상기 복수의 각 프로펠러의 구동을 위한 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도가 증가함에 따라 상기 발전기의 발전량을 증대시켜야 하는 경우,
전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하며,
시간이 경과함에 따라 상기 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 상기 전력저장장치를 충전하도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
청구항 3에 있어서,
상기 전력저장장치는,
상기 하이브리드 드론의 구동을 위한 전력을 충전하는 구동전력용 배터리; 및
지상제어장치나 임무드론과의 통신을 위한 전력을 충전하는 통신전력용 배터리;를 포함하며,
상기 구동전력용 배터리와 상기 통신전력용 배터리는 분리되어 독립적으로 구동되며,
상기 전력분배부에서, 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 전력을 증가 또는 감소시켜 분배하는 과정에서, 상기 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 충전기를 통해 상기 전력저장장치를 충전할 때, 상기 통신전력용 배터리를 우선적으로 충전하며, 상기 통신전력용 배터리가 만충전된 이후에 상기 구동전력용 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론.
하이브리드 드론에서, 지상제어장치의 지시에 따라 적어도 하나 이상의 발전기 및 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치로부터 전력을 공급받아 적어도 하나 이상의 모터를 구동하여, 상기 하이브리드 드론을 목표고도로 이동시키는 목표고도 이동 단계;
상기 목표고도에 도달한 하이브리드 드론에서, 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치로 제공하는 임무수행 및 점검 단계; 및
상기 하이브리드 드론에서, 상기 점검한 결과를 토대로 대체 드론이 필요하면, 상기 지상제어장치로 대체 드론을 요청하고, 상기 대체 드론이 도착하면 상기 대체 드론에게 임무를 인수인계한 다음 이륙 장소로 복귀하는 대체 드론 요청 및 복귀 단계;를 포함하며,
상기 하이브리드 드론은,
오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하는 적어도 하나 이상의 내연기관으로, 상기 생성한 동력을 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여,
상기 적어도 하나 이상의 발전기 및 적어도 하나 이상의 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터에서 필요한 전력을 분배하여 공급하도록 제어하며,
상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하는 경우, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 중에서 RPM이 낮은 발전기 순으로 출력을 증가시켜, 상기 전력저장장치에서 사용한 전력을 충전하며,
상기 내연기관으로 적어도 하나 이상의 발전기를 구동하여 생성한 전력과 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 혼용하여 동작시킬 때, 복수의 프로펠러를 구동하는 각 모터의 회전속도에 대한 증가 또는 감소를 상기 내연기관으로 구동하는 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 가동과 연계하여 제어함으로써, 장시간 운행이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
청구항 7에 있어서,
상기 대체 드론 요청 및 복귀 단계는,
상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족하면 상기 지상제어장치로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속하여 수행하면서 현재 위치에 착륙하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
청구항 8에 있어서,
상기 목표고도 이동 단계는,
상기 적어도 하나 이상의 내연기관을 통해 오일 또는 가스를 포함하는 연료를 연소하여 동력을 생성하는 내연기관 구동 단계;
상기 생성한 동력을 적어도 하나 이상의 발전기를 통해 전기 에너지로 변환하는 전기 에너지 변환 단계;
상기 적어도 하나 이상의 모터에서 상기 적어도 하나 이상의 발전기, 적어도 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력저장장치, 또는 이들의 조합으로부터 전력을 공급받아 프로펠러를 동작시켜 드론을 운행하는 드론 운행 단계;
상기 적어도 하나 이상의 발전기 모두가 정상적으로 동작되는지를 판단하는 발전기 정상동작 판단 단계; 및
상기 판단한 결과 발전기 모두가 정상적으로 동작되면, 상기 발전기에서 공급되는 전력을 토대로 상기 하이브리드 드론이 목표고도에 도달되는지를 판단하는 목표고도 도달 판단 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
청구항 9에 있어서,
상기 드론 운행 단계는,
전류센서로 상기 전력저장장치의 출력 전류를 측정하는 단계;
상기 전류센서로 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 출력 전류를 측정하는 단계; 및
상기 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 상기 모터에 전력을 증가 또는 감소시켜 공급하도록, 상기 적어도 하나 이상의 발전기의 출력을 순차적으로 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
청구항 9에 있어서,
상기 하이브리드 드론 운용방법은,
상기 하이브리드 드론에서, 상기 발전기 정상동작 판단 단계에서 판단한 결과, 상기 적어도 하나 이상의 발전기 모두가 정상이 아니면, 상기 하이브리드 드론이 이륙 전인지를 판단하는 단계;
상기 하이브리드 드론에서, 상기 판단한 결과 이륙 전이면, 상기 지상제어장치에 알리고 운행을 종료하고, 이륙 후이면, 전류센서로 상기 전력저장장치의 출력 전류를 측정하고, 고장이 발생한 발전기를 제외한 나머지 발전기의 출력 전류를 측정하여, 순차적으로 발전기의 출력을 조정하는 단계;
상기 하이브리드 드론에서, 상기 조정한 발전기의 출력을 토대로 상기 하이브리드 드론이 목표지점에 도달이 가능한지를 판단하고, 상기 판단한 결과 목표지점에 도달이 가능하면, 상기 발전기에서 공급되는 전력을 토대로 상기 하이브리드 드론이 목표고도에 도달되는지를 판단하는 단계;
상기 하이브리드 드론에서, 상기 목표고도에 도달한 하이브리드 드론에서, 임무를 수행하고, 연료 및 기체상태를 수시로 점검하며, 상기 수행한 임무와 점검한 결과를 상기 지상제어장치로 제공하는 단계;
상기 하이브리드 드론에서, 상기 임무를 수행하는 과정에서, 연료가 충분하지 않으면 상기 지상제어장치로 대체 드론을 요청하는 단계;
상기 하이브리드 드론에서, 상기 대체 드론이 도착하는지를 판단하고, 상기 판단한 결과 상기 대체 드론이 도착하면 임무를 인수인계한 다음 이륙 장소로 복귀하는 단계; 및
상기 하이브리드 드론에서, 상기 대체 드론이 도착하지 않는 상태에서, 복귀할 연료가 부족하면 상기 지상제어장치로 통보하고, 근접한 임무드론으로 긴급사태를 알리며, 임무를 계속하여 수행하면서 현재 위치에 착륙하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
청구항 7에 있어서,
상기 목표고도 이동 단계는,
상기 복수의 각 프로펠러의 구동을 위한 상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도가 증가함에 따라 상기 발전기의 발전량을 증대시켜야 하는 경우,
전력소모가 늘어나는 시점과 발전량을 늘려야 하는 시점 간의 시간차를 보상하기 위해서, 상기 전력저장장치에 충전된 전력을 우선적으로 사용하며,
시간이 경과함에 따라 상기 발전기의 발전량을 의도적으로 늘려 상기 전력저장장치를 충전하도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 하이브리드 드론 운용방법은,
상기 적어도 하나 이상의 모터의 회전속도 증가 또는 감소에 따라 전력을 증가 또는 감소시켜 분배하는 과정에서, 상기 모터로 공급하고 남은 전력을 피드백하여 충전기를 통해 상기 전력저장장치를 충전할 경우, 상기 지상제어장치 및 임무드론과의 통신을 위한 전력을 충전하는 통신전력용 배터리를 우선적으로 충전하며, 상기 통신전력용 배터리가 만충전된 이후에 하이브리드 드론의 구동을 위한 전력을 충전하는 구동전력용 배터리를 충전하는 단계;를 더 포함하며,
상기 구동전력용 배터리와 상기 통신전력용 배터리는 분리되어 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 드론 운용방법.