KR102651105B1 - 2자유도 액추에이터를 형성하는 시스템으로서, 예를 들면 회전 중 프로펠러의 블레이드의 피치 각도를 변화시키기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

2자유도 액추에이터, 예를 들면, 항공기의 다중 블레이드 로터를 위한 액추에이터로서, 제1 액추에이터에 의해 주 회전축을 중심으로 회전 구동되는 적어도 2개의 블레이드, 및 각각의 상기 블레이드를 각각의 블레이드의 길이방향 축을 중심으로 회전시키도록 배치되는 제2 액추에이터를 가지며, 로터의 방위각에 따른 각 블레이드의 주어진 진폭의 소정의 사이클릭 피치(cyclic pitch)를 얻기 위해, 로터의 방위각에 기초하여 주축을 중심으로 제2 액추에이터를 구동시키도록 작동가능하게 배치된 동기화 수단(synchronization means)을 갖는다.

Description

2자유도 액추에이터를 형성하는 시스템으로서, 예를 들면 회전 중 프로펠러의 블레이드의 피치 각도를 변화시키기 위한 시스템

본 출원은 2017년 11월 14일 사미르 부압달라(Samir BOUABDALLAH)의 이름으로 출원된 선 미국 가출원 USSN 62/585,576의 우선권을 주장하며, 이 선출원의 내용은 그 전체가 본 출원에 참조로서 포함된다.

본 발명의 주요 분야는 2자유도(two-degree of freedom, DoF) 액추에이터이다.

더 상세하게는, 본 발명은 다양한 응용에 사용되는 이와 같은 액추에이터의 분야에 관한 것이다. 본 설명에서, 주요 예시적인 예들 및 실시예는 헬리콥터 및 드론과 같은 항공기 분야에서의 응용에 관한 것이지만, 이는 본 명세서에서 상세하게 논의될 본 발명의 교시를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

더 상세하게는, 본 발명의 실시예는 2자유도 액추에이터, 예를 들면, 항공기의 다중 블레이드 로터(rotor)를 위한 액추에이터에 관한 것으로, 제1 액추에이터에 의해 주 회전축을 중심으로 회전 구동되는 적어도 2개의 블레이드, 및 각각의 블레이드의 길이방향 축을 중심으로 각각의 상기 블레이드를 회전시키도록 배치되는 제2 액추에이터를 가지며, 로터의 방위각에 따른 각 블레이드의 주어진 진폭의 소정의 사이클릭 피치(cyclic pitch)를 얻기 위해, 로터의 방위각에 기초하여 주축을 중심으로 제2 액추에이터를 구동시키도록 작동가능하게 배치된 동기화 수단(synchronization means)을 갖는다.

쿼드로터(quadrotor) 헬리콥터 시스템 또는 복수의 동일 평면 회전익(rotary wing)을 포함하는 기타 멀티로터(multirotor) 시스템은 매우 민첩하고, 간단하며, 신뢰할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 크기가 축소되면, 공기 역학적으로 비효율적임으로써, 비행 시간이 실질적으로 단축된다.

또 다른 종류의 회전익 항공기는, 소형이며 효율적으로 크기가 축소되어 비행 시간을 유지하는, 소위 동축 헬리콥터를 포함한다.

종래의 풀스케일(full scale) 헬리콥터는 사이클릭 및 콜렉티브(collective) 블레이드 피치 제어를 이루기 위해 복잡한 스와시 플레이트 메커니즘(swashplate mechanism)을 사용한다. 그러나, 스와시 플레이트 메카니즘은 소형화함에 따라 망가지기 쉬워지고, 유지 보수가 집중적으로 필요하게 되며, 신뢰할 수 없게 되기 때문에, 소형화하기가 어렵다. 따라서, 이는 예를 들어, 소규모 헬리콥터 또는 드론 및 기타 유사한 비행 기계를 만드는 데에 효율적으로 적용될 수 없다.

EP 2028099는 축 상에 배치된 2개의 구동 기어를 구동하는 2개의 동축 전동기를 갖는 가변 피치 프로펠러를 설명한다. 이 시스템은 프로펠러 블레이드에 집합적으로(collectively) 작용한다.

US 4648345는 로터의 허브(hub)에 인접한 링에 위치된 복수의 전자석을 사용하여 전자적으로 제어되는 사이클릭 및 콜렉티브 피치 제어를 갖는 프로펠러 시스템을 설명한다.

WO2014160526 A3은 마이크로 항공기를 위한 수동 로터 제어 메커니즘을 설명한다. 하나의 로터에서 기존의 사이클릭 제어의 동작 및 이점은 간단한 불충분 구동형(under-actuated) 수동 메커니즘으로 구현될 수 있다. 개시된 기술을 채용하는 항공기는 평균 회전자 속도를 조절함으로써 리프팅 추력을 유지하고, 모터 토크의 조정된 맥동을 통해 제어 모멘트를 생성한다.

본 발명의 목적은 공지된 작동 시스템(actuation system) 및 방법을 개선하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 간단하고 효율적인 소형화를 가능하게 하는 시스템을, 예를 들어 드론과 같은 비행 기계에 관한 응용에 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 사이클릭 블레이드 피치 제어를 이루기 위한 간단한 시스템을 사용함으로써, 공지된 쿼드로터 시스템과 종래의 헬리콥터의 장점을 결합하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 회전 중에 프로펠러의 블레이드의 피치 각도를 변화시키기 위한 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 프로펠러의 복수의 블레이드의 피치 각도를 주기적으로(cyclically) 변화시키기 위한 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 프로펠러의 복수의 블레이드의 피치 각도를 주기적으로 변화시키되, 반드시 사인파 방식(sinusoidal manner)으로 변화시킬 필요는 없는 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 스와시 플레이트 또는 복잡한 메커니즘 없이, 프로펠러의 복수의 블레이드의 피치 각도를 주기적으로 변화시키기 위한 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 프로펠러의 복수의 블레이드의 피치를 동시에 주기적으로 변화시키기 위한 전자 제어 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 6-자유도(DoF)에서 항공기의 정밀한 조향을 위한 조향 및 추진 시스템이다.

본 발명의 다른 목적은, 회전익 항공기, 예를 들어 병진 운동(translational motion)으로부터 회전 운동을 분리(decoupling)시킬 수 있는 헬리콥터 또는 공중 드론이다. 물론, 본 발명은 이러한 응용 및 모델로 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면, 이들 및 다른 목적은, 본 명세서에 설명되고, 도면에 도시되고, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은, 본 발명의 비-제한적인 실시예에 의해 달성된다.

일 실시예에서, 본 발명은 예를 들어 항공기의 2-블레이드 로터를 위한 2자유도 액추에이터에 관한 것으로, 상기 액추에이터는 제2 액추에이터를 구비하는 적어도 하나의 제1 액추에이터를 포함하며, 상기 제1 액추에이터는 제1 축(A) 중심의 제1 회전부를 포함하고, 상기 제2 액추에이터는 제2 축(B) 중심으로 회전하는 제2 회전부를 포함하며, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 실질적으로 수직이며, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 액추에이터에 대해 고정된 코일 및 상기 코일에서 상기 제1 액추에이터와 회전하며 상기 제2 액추에이터와 틸팅하는 자석을 포함하며, 상기 코일 및 상기 자석은 상기 제1 축에 중심이 있고, 상기 자석은 직경 방향으로 자화되고 상기 코일의 내경의 약 2/3의 직경을 가지며, 상기 제2 축을 중심으로 회전 가능하여, 상기 제2 축 중심으로의 상기 제2 회전부의 회전을 유도하고, 상기 제2 회전부의 위치는 상기 코일의 자기장에 의해 설정된다.

실시예에서, 제2 회전부는 샤프트와 같은 축을 포함한다.

실시예에서, 2자유도 액추에이터는 모터, 예를 들면 전기 모터를 포함한다.

실시예에서, 2자유도 액추에이터는 적어도 하나의 에너지 공급원을 포함한다. 상기 공급원은 배터리, 예를 들면, 재충전 가능 배터리 또는 다른 동등한 공급원일 수 있다.

실시예에서, 2자유도 액추에이터는 액추에이터를 제어하기 위한 전자 수단을 포함한다. 제어는 적어도 코일의 통전(energization) 및 자석에에서의 자기장의 영향을 통해 이루어진다.

실시예에서, 본 발명은 본 명세서에서 정의된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 항공기에 관한 것이다.

실시예에서, 항공기는 바람직하게는 2개의 블레이드를 포함한다.

실시예에서, 항공기는 본 명세서에서 정의된 2개의 액추에이터를 포함한다.

실시예에서, 2개의 액추에이터의 제1 축은 실질적으로 평행하거나 동축이다.

실시예에서, 항공기는 보호부를 포함할 수 있다. 보호부는 적절한 모양(원형, 타원형 등)을 가질 수 있다.

보호부는 액추에이터가 장착되는 튜브를 갖는 링을 포함할 수 있다. 튜브는 동등한 변형예에서 튜브형 이외의 다른 형상을 가질 수 있다.

실시예에서, 항공기는 페이로드(payload)형 시각화 수단(vision means) 또는 검출기를 포함할 수 있다. 페이로드 또는 시각화 수단은 적어도 광학 카메라 또는 열화상 카메라 또는 둘 다 포함할 수 있다. 이는 용량성, 도플러(doppler), 광전(photoelectric) 등과 같은 기술을 사용하는 거리 또는 근접 센서와 같은 기타 센서를 포함할 수 있다.

실시예에서, 본 발명은 본 명세서에서 정의된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 제2 액추에이터에 부착된 기능성 헤드를 더 포함한다. 기능성 헤드는 카메라 또는 레이저 또는 거울 또는 커팅 헤드 또는 페인팅 헤드일 수 있거나 다른 기능을 가질 수 있다.

실시예에서, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 2자유도 액추에이터 또는 본 명세서에서 기술된 항공기 또는 본 명세서에서 기술된 장치 및 원격 제어의 조합에 관한 것이다.

실시예에서, 본 발명은, 항공기의 상, 하, 요(yaw) 운동을 위한 집합적(collective) 제어, 및 항공기의 전방, 후방, 측방, 롤 및 피치 운동을 위한 사이클릭(cyclic) 블레이드 피치 제어로, 적어도 2개의 블레이드를 갖는 적어도 하나의 로터를 포함하는, 헬리콥터 또는 드론과 같은 항공기를 제어하는 방법으로서, 상기 사이클릭 제어는 본 명세서에서 기술된 블레이드에 작용하는 2자유도 액추에이터를 사용하여 구현되고, 집합적 제어는 상기 항공기의 상기 로터를 가속 또는 감속함으로써 이루어지는 방법에 관한 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 원리의 단면도를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 원리의 사시 단면도를 도시한다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 원리의 사시 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 원리를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예의 사시 평면도 및 사시 측면도를 도시한다.

일 실시예에서, 본 발명은 여러 요소의 바람직한 상승적 조합으로부터 유래된다:

a. 2개의 블레이드 프로펠러의 피치를 주기적으로(cyclically) 동시에 변화시키기 위한 시스템(CPC).

b. (a)에 기술된 2개의 CPC 시스템을 포함하는 6자유도 항공기의 추진 및 조향(propulsion and steering)을 위한 시스템(SPS).

c. (b)에 기술된 SPS 시스템을 항공기 응용으로, 예를 들면, 드론 또는 헬리콥터로 구체화한다. 공중 드론 항공기(aerial drone aircraft, "ADA")는 회전 운동을 병진 운동으로부터 분리시킬 수 있다. 즉, 드론의 롤링(rolling)이나 피칭(pitching)은 반드시 드론의 선형 병진 이동을 의미하지는 않는다.

d. 공중 드론 운영은 시스템 ADA, SPS 및 CPC 시스템을 위해 특별히 개발된 제어 알고리즘을 통해 관리된다.

사이클릭 프로펠러 제어(Cyclic Propeller Control, CPC)

종래의 헬리콥터에서는 메인 로터로 추진이 보장되고, 스와시 플레이트(swash plate)와 테일 로터(tail rotor)로 조향이 수행된다. 스와시 플레이트는 전형적으로 두 가지 주요 기능: 비히클(vehicle)(헬리콥터)의 상하 운동을 위한 집합적 블레이드 피치 제어와, 헬리콥터의 전진 또는 후진 운동을 위한 사이클릭 블레이드 피치 제어를 갖는다. 실시예에서, 본 발명은 사이클릭 및 집합적 제어의 분리에 기초한, 스와시 플레이트가 없는(swashplate-less) 시스템을 제공한다. 사이클릭 제어는 2자유도 액추에이터를 사용하여 구현되는 반면, 집합적 제어는 로터를 가속 또는 감속함으로써 간단하고 바람직하게 이루어진다.

도 1a 내지 도 1d는 사이클릭 프로펠러 제어 시스템의 가능한 실시예의 원리를 도시한다. 시스템은 메인 모터(203), 전형적으로 전기 모터를 포함하며, 이는 샤프트(103)를 구동하여 로터를 스핀(동작 A)하도록 하며, 로터는 블레이드(100, 101) 및 로터-부착된 부품: 즉, 자석(104), 기계 부품(105, 106), 및 샤프트(107)를 포함한다.

축 방향으로 권취된 에어-코어드(air-cored) 코일(102) 및 자석(104)을 포함하는 제2 액추에이터는, 블레이드의 길이방향 틸팅(tilting)(동작 B)을 제어한다. 부품(106)은 샤프트(103)에 고정된다. 자석(104)은 부품(105)에 고정된다. 부품(105)은 샤프트(107)의 길이방향 축을 중심으로 부품(106)에 대해 상대적으로 틸팅될 수 있다. 부품(104 및 105)은 주축을 중심으로 회전할 수 있으며("동작 A"), 실질적으로 주축에 직교하는 제2 축에 대해 실질적으로 수직이고 틸팅된다("동작 B").

도 1b 내지 도 1d는 도 1a에 도시된 시스템의 단면도를 도시한다. 부품(108)은 샤프트(103)의 각도 위치("방위각(azimuth)")를 검출할 수 있게 하는 센서(109 및 110)를 포함하는 인쇄 회로 기판(printed circult board, "PCB")을 나타낸다. 부품(111)은 코일(102)에 대한 기계적 지지부이다.

바람직하게는, 메인 모터(203)는 실질적으로 수직인 메인 축을 중심으로 로터를 스핀시킨다(동작 A). 블레이드는, 주축에 실질적으로 직교하는 가로 방향 축을 중심으로 동시에 그리고 동일한 방향으로 회전하는 방식으로, 제2 액추에이터에 의해 구동된다(동작 B). 바람직한 사이클릭 피치(예를 들면, 사인파)는, 예를 들어 센서(109/110)에 의해 검출되는, 주축 중심의 로터(샤프트(103))의 방위각(각도 위치)에 따른 제2 액추에이터의 적절한 제어에 의해 얻어질 수 있다. 코일(102)로의 적절한 전류 주입 및 이의 결과로서의 자기장에 의해, 직경 방향으로 자화된 자석(104)은 샤프트(107)의 축 주위의 부품(105)에 틸팅 동작(tilting motion)을 전달하도록 구동(즉, 틸팅)될 것이며, 이에 따라 블레이드에 피치/동작 B가 생성된다. 이 틸팅 동작은, 특히 샤프트(107)와 부품(106) 사이에 배치된 베어링(106')을 통해 가능하다. 이 구조는 블레이드(100, 101)로 전달되는 자석(104)의 피치 회전에 대한 푸시-풀 효과를 통해 최대 토크를 제공한다.

제2 액추에이터가 정확한 방위각에서 정확한 진폭으로 작동(틸팅)하도록 지시하기 위해, 전형적으로 자기, 광학 또는 유사한 센서(109, 110)의 조합이 메인 모터의 회전을 검출하는데 사용될 수 있다. 센서의 조합은 또한, 블레이드의 길이방향 경사각(tilt angle)을 검출하는 데에도 사용된다.

바람직하게는, 매번의 로터 회전에서, 사이클릭 블레이드 피치 제어 알고리즘(cyclic blade pitch control algorithm, "CPCA")은 방위각에서, 그리고 ADA 드론 안정화 알고리즘(ADA drone stabilzation algorithm "ADAA")에 의해 지시된 진폭으로 코일에 에너지를 공급한다. 생성된 코일의 자기장은, 직경 방향으로 자화된 자석이 샤프트(107)의 길이방향 축을 중심으로 틸팅되도록 할 것이며, 이의 자기장을 코일의 자기장과 정렬시키려고 시도할 것이다.

예를 들면, 정확히 절반의 로터 회전 후, CPCA 알고리즘은 전류를 반전시킴으로써, 반대 방향으로 코일에 에너지를 공급한다. 이러한 방식으로, 자석은 매번의 로터 회전에서 지시된: 방위각, 방향 및 진폭에서 틸팅될 것이다.

추진 및 조향 시스템(System for Propulsion and Steering, SPS)의 예시적인 실시예

일반적으로 단일 로터, 탠덤(tandem) 로터, 쿼드로터 및 멀티로터에 이르기까지 헬리콥터와 드론에는 여러 가지 구성이 있다. 본 발명은 6 DoF 추진 및 조향 시스템에서 2개의 사이클릭 프로펠러 제어(CPC) 시스템을 결합한다. 2개의 CPC 시스템은 도 2에 도시된 실시예에서 헤드 투 테일("테트-베치(tete-beche)")로 배치된다.

도 2는 6 DoF에서 공중 드론의 추진 및 조향을 위한 시스템(150)의 가능한 실시예를 도시한다. 이는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 2개의 사이클릭 프로펠러 제어(CPC) 시스템(202)을, 블레이드(100, 101), 샤프트(103)(도 1a 및 도 1b)를 회전시키는 모터(203) 및 지지 플레이트와 같은 일부 구조적 요소(200, 201)와 결합한다(예를 들어 금속, 플라스틱 또는 탄소 또는 이들의 혼합물). 이는 다음 도 3에 도시된 드론과 같은 비행체에 사용될 수 있는 유닛을 형성한다.

공중 드론 항공기(Aerial Drone Aircraft, ADA)의 예시적 실시예

공중 드론 항공기(ADA)(300)는 예시적인 실시예로서, 도 3에 도시된 외부 링(302)에 기계적으로 링크된, 도 2에 개시된 하나 이상의 SPS 시스템(150)을 포함한다. 링(302)은 블레이드(100, 101)를 보호할 뿐만 아니라 카메라, 배터리 및 여러 센서와 같은 다양한 구성 요소, 또는 본 명세서에서 후술하는 바와 같이, 원하는 다른 구성 요소에 대한 지지부로서도 기능한다. 배터리(재충전 가능 배터리와 같은)는 참조(204)에 의해 식별되고, 시스템(150)의 중간에 배치된다(도 2는 배터리(204)가 없는 시스템(150)을 도시한다).

종래의 회전익 항공기에서, 회전 및 병진 운동은 본질적으로 결합된다. 실제로, 비히클이 피치 또는 롤을 할 때, 비히클이 길이방향 또는 횡 방향으로 병진 이동한다. 일부 응용 분야에서는 이 결합이 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 결합을 피하기 위해, 본 발명에 따른 항공기(ADA)는 반드시 병진 이동하지 않아도 롤 또는 피치를 달성하는 방식으로 구성된다. 이는 도 2/ 도 3의 SPS 시스템의 헤드 투 테일("tete-beche") 레이아웃과, 시스템(150)을 형성하는 2개의 CPC 시스템 사이의 공중 드론 무게 중심의 중앙 위치화의 조합을 통해, 그리고 적절한 센서와 제어 알고리즘을 사용함으로써 획득된다. 이러한 방식으로, 추력의 수평 성분은 서로를 보상하고 시스템은 틸팅 동작에도 불구하고 그 스폿(spot)에 남게 된다. ADA(300)의 동작은 적절한 제어 알고리즘을 통해 제어된다. 이는 스폿 상에서 호버링(hovering)하면서 항공기의 자세(attitude)를 제어 및 원하는 대로 세팅할 수 있는 고유 능력을 제공한다.

도 3은 가능한 실시예에서 공중 드론 항공기(ADA)를 도시한다. 부품(301)은 예를 들면, 외부 링(302)을 플레이트(200/201)에 링크하기 위한 튜브와 같은 구조적 요소이다(도 2 참조). 부품(302)은 프로펠러(100, 101)가 인간 또는 물체와 충돌하는 것으로부터 보호하는 구조적 요소이다. 부품(302)은 전형적으로, 예를 들어 발포체 또는 탄소로 만들어진다.

도 4는 SPS 및 ADA 시스템의 자유력(free force) 다이어그램을 개략적으로 나타낸 것이다. 두 추력의 수직 성분은 무게를 보상하는 반면, 두 추력의 수평 성분은 서로를 보상한다. 적절한 제어 시스템을 사용하면 SPS 및 ADA 시스템의 스폿 상에서의 틸팅이 이루어진다.

추진 및 조향 시스템(SPS)의 다른 예시적인 실시예

도 5 및 도 6은 추진 및 조향 시스템(SPS)(400)의 다른 실시예를 도시한다. 이 시스템은 기본적으로 전술한 것과 유사하며, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명된 것과 동일한 특징을 포함한다. 도 2의 실시예에 대한 하나의 차이점은 각 유닛의 샤프트(103)가 동축으로 배치된다는 것이다. 이는 매우 컴팩트 한 구조를 야기한다.

프레임은 모터(203)를 제 위치에 유지하며, 프레임은 주로 4개의 기둥(pillar)(401) 및 각 단부에 2개의 크로스(cross)(402)를 포함하여 안정적인 구조를 형성한다. 크로스(402)는 또한 본 발명의 모터 및 틸팅 시스템의 제어에 사용되는 PCB(108)를 유지한다.

기둥(401)의 단부에는, 후술되는 4개의 구멍(403)이 있다.

도 6은 도 5와 동일한 실시예를 도시하되, 배터리(204)를 갖는 것으로, 배터리(204)는 구조의 중간에 삽입되고, 적절한 수단, 예를 들면 클립(404)(배터리(204)의 타측에 있으며 도 6에는 미도시)에 의해 유지된다. 배터리의 도입으로 배터리(204)의 에너지가 모터(203) 및 틸팅 시스템으로 전달될 수 있도록 적절한 연결 수단이 물론 제공된다.

ADA의 다른 실시예

도 7은 본 발명에 따른 공중 무인 항공기(500)의 다른 실시예를 도시한다. 이 드론(500)은 링(502)에서 튜브(501)에 의해 유지되는 도 5 및 도 6의 SPS(400)를 포함한다. SPS(400)가 링(502)에서 적절한 위치에 있게 되면, 튜브(501)의 양 단부는 링에 부착되고, SPS(400)는 튜브를 클램핑하기 위해 사용되는 구멍(403)을 통해 튜브 상에 고정된다. 이 원리는 도 3에 도시된 구조에도 물론 적용 가능하다.

링은 합성/플라스틱 재료, 발포체, 탄소 섬유 및/또는 이들의 혼합물로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 링은 강화 수단, 예를 들어 탄소 링을 포함할 수 있다.

도 7의 실시예는 또한 광학 카메라(503)를 포함하고, 열화상 카메라(504)는 보호부(505)에 의해 차폐된다. 물론, 하나의 카메라만이 사용될 수 있으며, 이러한 수단은 본 명세서에 개시된 모든 실시예에 적용 가능하다.

도 8은 하부로부터 본 도 7의 ADA(400)를 도시한다.

도 9는 ADA의 다른 실시예를 도시한다. 예를 들어, 이는 도 7 및 도 8의 ADA(500)일 수 있으며, 여기에는 그리드 또는 와이어 메시(506)가 보호 목적으로 추가되었다. 이 그리드는 또한 ADA의 강성에 기여할 수 있다. 물론, 이러한 그리드(506)는 도 3의 ADA 및 본 명세서에서 구체적으로 도시되지 않았지만 본 명세서의 범위 내에 속하는 다른 실시예에서 사용될 수 있다.

ADA 드론 기술의 적용으로서의 예시적인 실시예

상기 및 본 명세서에 제시된 드론 시스템(ADA)에서의 예시적인 실시예는 항공 사진, 검사, 페이로드 전달, 감시, 항공 촬영, 매핑, 엔터테인먼트와 같은 응용에 사용될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 기존의 다른 많은 항공기와 달리, 스폿 상에서의 틸팅 기능은 카메라나 페이로드가 사용될 때 짐벌 시스템을 부착할 필요를 없게 한다.

현장에서 통상적인 바와 같이, 특히 드론에 대한 것으로, 그러나 이에 한정되지 않는, 항공기는 예를 들어 사용자에 의해 원격 제어될 수 있다. 따라서, 원격 제어 시스템(507, 도 9 참조) 및 성능이 본 발명의 실시예에서 제공될 수 있으며, 장애물과의 충돌을 피하게 위해, 장치 상에는, 적합한 안테나/전송 수단(원격 제어 및/또는 데이터 전송을 위해 사용되는)(508, 509, 도 9 참조), 원격 제어 유닛(507), 예를 들어, 본 발명에 따른 액추에이터가 장착되는 장치의 부품/센서를 사용하는 원격 비전 및/또는 가상 현실(VR), 장치(항공기 등)를 원하는 위치(목표, 또는 안전 착륙 또는 비상 착륙용으로서)로 안내하기 위한 GPS 기능, 및 거리 평가 수단(예컨대, 광학 센서 또는 거리 센서)이 제공될 수 있다. 또한, 액추에이터의 미리 정해진 기능을 정의하기 위해, 패턴이 시스템에 저장될 수 있다. 항공기에 적용하는 경우, 패턴은 특정 지점에 도달하기 위한 미리 결정된 비행일 수 있으며, 패턴은, (예를 들어) GPS 좌표에 의해 결정된 경로를 따른 후, 항공기의 자동 또는 반자동 비행 제어로 변환된다.

구체적으로 설명되지는 않았지만, 본 발명은 적절한 모니터링 및 제어에 적합하게, 필요한 프로그램/코드/루틴이 저장되고 및/또는 무선/원격 명령을 통해 저장 및/또는 액세스 할 수 있는, 예를 들어 칩(또는 109, 110과 같은 1C)과 같은 전자 수단을 포함한다는 것이 통상의 기술자에게 명백하다. 와이어, 에너지 공급원, 안테나(508, 509) 등과 같은 다른 전자 부품도 본 발명의 시스템을, 특히 원격 제어 대상으로서, 작동시키기 위해 필요에 따라 존재하며, 모두 본 명세서 및 발명의 범위 내에 있다.

바람직하게는, 본 명세서에 기술된 시스템의 부품은 가볍고 단단한 재료로 만들어진다. 예를 들어, 액추에이터(103, 105-107, 200, 201, 202) 또는 지지부(301, 401, 402, 403, 501, 506)를 형성하는 부품은, 금속(예를 들어 알루미늄 또는 다른 경금속/재료)으로 제조되고, 블레이드(100, 101), 보호부(302, 502, 505)는 비-제한적인 예로서 합성 재료로 제조된다. 탄소는 또한 적절하게는 시스템의 임의의 부분을 위해 단독으로 또는 다른 재료와 조합하여 사용될 수 있다.

제어 알고리즘의 실시예

ADA 드론이 제대로 작동하기 위해 필요한 여러가지 제어 알고리즘이 있다. 주요한 것으로는: 정확한 방위각에서의 사이클릭 블레이드 피치 제어(CPCA); ADA 드론 6 DoF 안정화(ADAA); 및 스팟 상에서의 틸팅 제어 알고리즘(tilt on the spot control algorithm, TOSA)이다.

사이클릭 블레이드 피치 제어 알고리즘(CPCA)은 다음 단계를 실행한다:

1. ADA 드론 프레임에 대한 메인 모터 각도 위치의 연속 검출.

2. 원하는 ADAA 제어 입력에 따라, CPCA는 1회의 로터 회전에서 코일(102)에 에너지를 적어도 두 번 공급한다.

물론, 본 명세서에서 기술된 액추에이터의 응용에 따라 다른 제어 알고리즘이 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있다. 또한 코일(102)에 에너지를 공급하는 신호는 사인파의 신호일 수 있거나, 사인파가 아닌 다른 형태를 갖거나, 대칭 또는 비대칭 또는 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예 및 특징은 예시적인 예로서 제공되며 제한적인 방식으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 원리는 크기 제한없이 임의의 비히클, 특히 드론, 헬리콥터, 항공기 등과 같은 비행체에 적용될 수 있다.

또한, 여기서 주어진 주요 예들 및 실시예는 드론 및 비행 항공기에 관한 것이지만, 본 발명은 이 응용에 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 2자유도 액추에이터 또는 지지체의 원리는, 카메라 및 다른 유사한 장치와 같은 기능화된 헤드에 대한 지지대, 레이저 및 레이저 헤드에 대한 지지대, 거울에 대한 지지대, 커팅 헤드(예를 들면, 제트 커팅 헤드)에 대한 지지대, 페인팅 헤드에 대한 지지대, 광학 또는 조명 수단에 대한 지지대 등과 같은 다른 응용에 사용될 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 적용예로서 상기 열거된 기능을 수행할 수 있는 기능화된 헤드(600)를 갖는 장치의 원리를 도시한다. 액추에이터는, 본 명세서에서 기술되고 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같은 것이며, 블레이드(100, 101)는, 원하는 기능화된 헤드(600)로 대체된다. 따라서 상기 설명은 본 실시예에 대응하여 적용된다. 헤드(600)는 기능화된 헤드 자체이거나 헤드를 위한 지지대일 수 있다.

예시적인 실시예는 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 구조, 기능, 제조 및 사용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 설명되었다. 이들 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 통상의 기술자는, 본 명세서에 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 도시된 시스템 및 방법이 비-제한적인 예시적인 실시예이며 본 발명의 범위가 청구 범위에 의해서만 한정되는 것이 아님을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 예시되거나 설명된 특징은 다른 실시예의 특징과 결합될 수 있다. 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 종래의 방법 및 시스템에 관한 다수의 문제가 본 명세서에 언급되고 여기에 개시된 방법 및 시스템은 이러한 문제 중 하나 이상을 해결할 수 있다. 이러한 문제를 설명함으로써, 해당 기술 분야의 지식에 대한 입장은 의도되지 않았다. 통상의 기술자는 특정 방법 및 시스템이 상이한 실시예와 관련하여 본 명세서에 기술되어 있지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 더 나아가, 본 발명은 다수의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 다수의 대안, 수정 및 변형이 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하거나 명백할 것임이 분명하다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 이러한 모든 대안, 수정, 균등물 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (17)

1. 항공기의 2-블레이드 로터를 위한 2자유도 액추에이터로서, 상기 액추에이터는 제2 액추에이터(105, 106, 107)를 구비하는 적어도 하나의 제1 액추에이터(103)를 포함하며, 상기 제1 액추에이터는 제1 축(A) 중심의 제1 회전부(103)를 포함하고, 상기 제2 액추에이터는 제2 축(B) 중심으로 회전하는 제2 회전부(105, 106, 107)를 포함하며, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 실질적으로 수직이며, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 액추에이터에 대해 고정된 코일(102) 및 상기 코일에서 상기 제1 액추에이터와 회전하는 자석(104)을 포함하며, 상기 코일(102) 및 상기 자석(104)은 상기 제1 축에 중심이 있고, 상기 자석은 직경 방향으로 자화되고 상기 코일의 내경의 2/3의 직경을 가지며, 상기 제2 축을 중심으로 회전 가능하여, 상기 제2 축 중심으로의 상기 제2 회전부의 회전을 유도하고, 상기 제2 회전부의 위치는 상기 코일의 자기장에 의해 설정되는 2자유도 액추에이터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 회전부는 샤프트(107)를 포함하는 2자유도 액추에이터.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 액추에이터는 모터(203)를 포함하는 2자유도 액추에이터.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 적어도 하나의 에너지 공급원(204)을 포함하는 2자유도 액추에이터.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 상기 액추에이터의 제어를 위한 전자 수단(108)을 포함하는 2자유도 액추에이터.
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 정의된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 항공기.
7. 청구항 2에 정의된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 항공기로서,
   상기 샤프트(107)는 2개의 블레이드(100,101)를 구비하는 항공기.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 적어도 하나의 액추에이터는 2개의 액추에이터인 항공기.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 2개의 액추에이터의 제1 축(103)은 실질적으로 평행하거나 동축인 항공기.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 항공기는 보호부(302, 502)를 포함하는 항공기.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 보호부(302, 502)는 상기 액추에이터가 장착되는 튜브(301, 501)를 갖는 링을 포함하는 항공기.
12. 청구항 6에 있어서,
    상기 항공기는 페이로드(payload)형 시각화 수단(vision means)(503, 504) 또는 검출기를 포함하는 항공기.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 시각화 수단은 적어도 광학 카메라(503) 또는 열화상 카메라(504)를 포함하는 항공기.
14. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 정의된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 상기 제2 액추에이터에 부착된 기능성 헤드(600)를 더 포함하는 장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 기능성 헤드는 카메라 또는 레이저 또는 거울 또는 커팅 헤드 또는 페인팅 헤드인 장치.
16. 항공기의 상, 하, 요(yaw) 운동을 위한 집합적(collective) 제어, 및 항공기의 전방, 후방, 측방, 롤 및 피치 운동을 위한 사이클릭(cyclic) 제어로, 적어도 2개의 블레이드를 갖는 적어도 하나의 로터를 포함하는, 헬리콥터 또는 드론과 같은 항공기를 제어하는 방법으로서,
    상기 사이클릭 제어는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 정의된 블레이드에 작용하는 2자유도 액추에이터를 사용하여 구현되고, 상기 집합적 제어는 상기 항공기의 상기 로터를 가속 또는 감속함으로써 이루어지는 항공기 제어 방법.
17. 삭제

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