KR20040035659A - 날개를 갖는 관측용 비행체의 구성 및 날개의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로펠러를 이용하지 않고 새와 같이 움직이는 날개를 이용하여 비행하는 기계장치 일명 로봇새에 있어서 다수개의 날개를 각각 독립적으로 움직이게 하기 위한 날개의 구동장치 및 날개의 구성과 응용에 관한 것으로 각 날개의 움직임의 속도, 강약, 좌우 비대칭 날개짓 등을 통해 비행속도 보다는 정지비행이나 순간적인 방향전환 혹은 자율적인 자세제어 등이 필요한 도심 관측용 비행체를 만들기 위함이다.

Description

날개를 갖는 관측용 비행체의 구성 및 날개의 구동방법{City Satellite}

본 발명은 비행체에 관한 것으로 특히 엔진,프로펠러,기구 등을 이용하지 아니하고 새와 같이 날개짓으로 비행을 하는 장치에 관한 것이다. 그 중에서도 특히 소형비행체를 이용한 공중화상촬영 등과 같은 관측용 비행체에 관한 것인데 이해를 돕기위해 본 발명의 목적인 도시위성에 관해 잠시 설명하면 다음과 같다.

현대 도시는 대형화,밀집화 되어 인구가 수백만 혹은 천만이 넘는 도시가 많아졌고 이런한 도시를 여러 분야에서 예측,관찰,통제할 필요성이 있는데 여러가지 도구와 방법들이 사용되고 있다. 그중에서도 특히 각종 감시 카메라의 설치가 기하급수적으로 늘어가고 있는데 설치비용도 문제이지만 그 필요를 다 충족하자면 큰 도시 구석구석을 카메라로 뒤덮는 사태가 장래에는 벌어질 것이다. 한편으로는 그 많은 수량에도 불구하고 고정된 카메라의 위치 때문에 불특정 지역에서 발생하는 어떠한 관측대상에 대해서는 속수무책인 경우도 생기기 마련이다. 물론 인공위성과 각종 비행체의 발달로 원하는 촬영을 할 수 있다고는 하나 불시에 일어나는 어떤 사건이나 요관측에 대하여 일일이 헬기등을 동원할 수는 없다고 본다. 그래서 필요한 것이 카메라와 통신장비를 탑재한 대체 비행체인데 개인적인 판단에 따르면 다음과 같은 필수조건들이 있다 하겠다.

1.어떤 경우에도 추락시 사람이나 물체에 위해를 가해서는 안된다.도심에서 비행체의 추락은 치명적이기 때문이다

2.인화성이나 폭발의 위험이 있는 연료를 사용하는 비행체는 안된다.

3.도심상공을 비행하는 비행기와 충돌했을 경우라도 충격을 주지 않을 만큼가벼워야 한다.

4.어느정도 이상의 바람은 이기고 자율적인 자세교정이 가능해야 한다.

5.최소한 4시간 이상은 비행이 가능해야 한다.

6.원거리 통신과 제어가 가능해야 한다.

아직 도시관측용 비행체에 관한 규정이나 사례는 없고 세계각국에서 많은 소형비행체를 개발하고 있지만 본 발명은 초소형비행체(Micro Air Vehicle)와는 용도가 다른 목적을 추구하며 상시 도심비행이 가능한 비행체는 크기가 무조건 작을 필요는 없고 단지 위의 조건만은 충족해야 한다고 하겠다.

본 발명이 전술한 도심비행체의 필요조건을 전부 충족시키기 위함은 아니며 본 발명이 이루고자 하는것은 기존의 많은 비행체가 있고 우주여행을 실현하는 시대에 살면서도 어떤 불시사고의 촬영이나 화재,산림감시등에 헬기등을 이용하지 않으면 수시로 공중촬영할 마땅한 장비가 없다는 것은 현재와는 다른 비행체가 있어야 한다는 것을 증명하는 것이며 본 발명은 이런 필요성에 입각하여 무게는 최소화 하여 도심에서의 위해성은 줄이면서 도시상공에서 기류를 타기위한 비행날개를 가지고 각각의 날개를 독립적으로도 움직이게 하여 자세교정과 제자리 방향전환을 가능하게 하며 모형비행기와 같은 통신장치를 장착하지 아니하고 오히려 보안과 혼선등에서 훨씬 유리하고 어디든 통신이 가능한 일반 휴대폰 즉 카메라폰을 이용하여 통신과 화상수집의 기능을 수행하는 도시위성을 만드는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 핵심요소인 날개 구동장치의 구성을 나타낸 도면이며

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 비행체의 전체 구성을 나타낸 도면이며

도 3은 본 발명에 따른 비행체의 적합한 날개의 형태를 나타낸 도면이며

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이며

도 5는 본 발명에 따른 비행체를 제어하기 위한 통신흐름을 나타낸 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:비행체의 몸체 2:날개

3:고정자석 4:전자석

5:코일 6:정류자겸 날개샤프트

7:힌지 (hinge) 8:브러쉬

9:충전지 10:전압분배기 및 CPU

11:액정과 외부케이스를 제거한 카메라휴대폰

12:휴대폰용 카메라 20:날개뼈대

21:단방향 공기흐름을 위한 날개용 판막 22:슬롯(slot)

본 발명인 날개를 갖는 관측용 비행체의 구성 및 날개의 구동방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 핵심요소인 날개 구동장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도면에서는 구동원리를 표현하기 위하여 한쌍의 날개만을 예시하고 있다. 몸통(1)속에는 고정된 반원형의 영구자석(3)이 가운데 위치하고 있으며 위,아래는 N극과 S극으로 분리되어 있다. 실제 제작시 재료는 무게를 줄이기 위하여 얇게 만든 강자성체 예를 들면 Nd 자석등으로 한다. 충전지(9)에서 나온 전류는 통신기(11)를 통해 사용자로 부터 콘트롤되는 전압분배기(10)를 거쳐 모터에서 회전자의 역활을 하는 전자석(4)에 감긴 코일(5)로 흐르게 되는데 이때 전자석(3)은 N극으로 자화된다고 가정하면 영구자석(3)의 윗쪽 N극과는 반발하고 밑에 있는 S극과는 당기는 힘이 발생하므로 전자석(4)은 밑으로 내려가게 되고 모터의 정류자 겸 샤프트(6)에 연결된 날개(2)는 위로 올라가게 된다.이때 브러쉬(8)에 연결되는 전압은 정류자(6)가 돌아감으로 인해 극이 바뀌게 되고 전자석(4)도 N극에서 S극으로 자화되며 이번에는 반대로 위로 올라가게 되며 이때는 날개(2)가 밑으로 내려간다. 동작전압을 계속 걸어주고 있으면 상기의 동작은 반복하게 되고 날개도 위아래 운동을 반복하게 된다. 여기서 미리 결정할 수 없고 실제 제작시 고려해야 할 사항이 많은데 날개의 종류나 크기 원하는 힘 즉 토오크에 따라서 각 구성의 적용이 달라진다는 것이다. 실시예를 나타낸 도 4 에서와 같이 폭이 작고 긴 잠자리 형태의 날개를 장착한다면 힘 보다는 빠르기가 중요할 것이며 도 2 에서와 같은 형태의 날개를 장착한다면 힘이 중요할 것이므로 영구자석(3)의 세기,전자석(4)에 감기는 코일(5)의 굵기와 길이가 다르게 적용될 것이다. 또한 도 1 에서와 같은 정류자(6)와 브러쉬(8)에 의한 전압변화는 꼭 필요한 것은 아니다. 다수의 날개(2)를 장착할 수록 복잡해지고 오염이나 스파크에 의한 단자의 접촉불량과 움직임의 획일화를 피하기 위하여 실제 적용시에는 전압분배기 및 CPU(10)에서 전압을 조절해준다. 전자회로의 기초에 속하는 LED순차 점멸기를 연상하면 도움이 되는데 도 4 에서와 같이 다수의 날개를 장착하고 그 만큼의 영구자석(3)과 전자석(4)도 설치되었다면 비행을 위한 각 구동장치의 동작순서가 중요한데 도 4 의 상세설명에서 언급하도록 하겠다. 상기의 목적을 달성하기 위한 종래의 손쉬운 방법으로는 소형화된 모터 4개를 각각의 날개에 달고 프로펠러를 돌리거나 기어와 캠에 의해 직선운동으로 바꾸어 날개를 위아래로 움직이게 하는 방법이 있다. 이는 합산된 모터의 무게,소비전력,전체 비행체의 크기,비행의 효율성 등 여러가지를 고려하여 선택적으로 사용할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 비행체의 전체 구성을 나타낸 도면이다.본 발명의 핵심인 구동장치는 앞,뒤로 한 세트씩 있어 네개의 날개(2)를 움직일 수 있으며 날개는 최대한 공기를 효율적으로 이용하기 위하여 넓게 형성되어 있다. 충전지(9)와 전압분배기(10), 액정과 케이스를 제거한 카메라폰(11) 등의 배치는 실제 제작시 무게와 크기에 따라 위치가 바뀔 수도 있는 사항이지만 카메라(12)와 카메라폰(11)은 일체형이므로 별도로 카메라(12)를 분리해서 케이블을 늘이는 수고를 덜기 위해 같이 두는것이 좋다. 본 도면을 각 부분의 역활에 따라 분리해서 설명하면 다음과 같다.

첫째 날개(2)의 형태와 구성에 관한 것이다. 현재 모형비행기의 수준은 거의축소판 실제 비행기수준으로 정밀하고 성능도 좋으며 종류도 다양하다. 그렇다면 본 출원인이 최종 목적하는 도시관측용 비행체는 종래의 모형비행기로도 충분히 가능하지 않을까 싶지만 어려운 요소들이 많은데 전술한 바와 같은 도심비행체의 필수 요소들을 거의 충족하지 못한다는 사실이다. 점차 모터의 소형화와 충전지의 발달이 빨라지고 전지를 대체할 에너지 개발도 이루어 지므로 언젠가는 종래의 비행기로도 가능해 지겠지만 비행체의 구조적인 면이 함께 변화하지 않으면 불가능하다. 따라서 도 2에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 비행체의 날개는 기류를 최대한 타기 위하여 넓게 성형되며 얇은 프라스틱 형태의 재질을 가지되 다음과 같은 특징을 가진다. 날개(2)에서 굵은 선은 날개의 뼈대(20)를 나타내는 것인데 뼈대(20)쪽의 날개는 재질이 좀더 단단하고 날개의 끝쪽으로 갈수록 얇아지는데 이는 날개의 움직임을 새에 가깝게 구현하기 위한것이며 날개의 일정부분에는 구멍이(22) 뚫려 있으며 그 밑면에는 구멍보다 면적이 약간 넓은 날개와 같은 재질의 판막(21)이 일측면만 접착이 된 채 평소에는 구멍을 막고 있는데 역활을 살펴보면 다음과 같다. 새는 날개를 아래위로 움직이면서 양력과 추진력을 얻는데 특히 날개를 위로 올릴때 항력대신 추진력을 얻어낸다. 이는 날개 깃털사이의 공기흐름과 절묘한 날개 비틀어 올리기의 결과로 알려져 있다. 현재 과학기술이 많이 발전했다고 해도 생명체가 갖는 신비한 움직임을 만들어 내는것은 어려운 일이며 대체 역활을 수행하는 한 방편으로, 도 3은 날개의 단방향 열림 판막(21)의 구조를 나타낸 것인데 날개(2)를 밑으로 내리칠때는 판막(21)이 닫혀있어 공기의 흐름은 없고 양력이 발생하지만 날개(2)를 위로 올릴때는 접착되지 않은 판막(21)의 뒷부분이공기의 힘에 의해 열리게 되어 공기가 밑으로 흐르며 이때 판막(21)은 약 45도 정도만 열리게 탄력을 가지는데 공기를 완전통과 시키지 않고 추력을 얻기 위함이다. 새의 깃털이나 천과 같은 날개가 아닌 다소 딱딱한 날개를 가지는 본 발명에서는 필수 요소이며 특히 날개를 밑으로 내리칠때 최대한 많은 공기를 머금기 위하여 판막(21)을 도 3 에서와 같이 모자형태로 만들어 주거나 도면에는 없지만 판막(21)의 밑면을 벌집형태로 만들어 공기를 최대한 많이 흡수하게 하는 방법도 있다. 이와 같은 날개의 구성은 본 출원인의 실용신안(등록번호 제 0342376호)으로 등록되어 있으며 본 발명에서는 구체적인 실시예를 나타낸 것이다.

두번째는 통신과 제어에 관한 것이다. 본 발명이 실시될때 가장 큰 애로사항이 있다면 당연히 제어와 데이타를 위한 통신에 있을것이다. 만약 모형자동차나 모형비행기에서 사용하는 주파수 예를 들어 40Mhz를 사용해야 한다면 다른 장치와의 혼선 혹은 짧은 통달거리 등으로 인하여 도저히 정상적인 목적을 수행할 수 없을 것이고 별도의 주파수를 받는것 역시 세계적으로 보더라도 각국에서 민감하게 통제하는 주파수를 할당 받아야 하고 출력을 제한해야 하는 등 문제가 많을 것이다. 하지만 본 발명이 궁극적으로 추구하는 바가 도시위성이며 도시의 건물위를 크게 벗어나지 않는 것이므로 다른 어떤 통신수단보다 좋은 것이 휴대폰(11)이다.간단하게는 해상도 좋은 카메라폰에서 무게를 차지하는 액정과 케이스등을 제거하면 실제 무게는 아주 가벼우며 별도의 통신장치나 카메라를 장착하는 것보다 훨씬 효율적이며 거리를 초월한 통신과 제어가 가능하다고 하겠다.

도 5는 상기한 바와 같이 비행체에서 카메라폰(11)을 이용하여 지상의 사용자와의 통신을 나타내는 블록도이다. 쉽게는 보편화된 팩시밀리나 초창기 전화모뎀등의 작동순서를 연상하면 되는데 상대방 팩스로 전화를 걸면 링신호가 오는순간 NCU(Network Control Unit)는 ON되고 상대편 팩스와 삐~하는 프로토콜을 송출하는데 최초에는 상대방과 하드웨어적인 데이터를 송수신하고 다음에는 화상데이타를 송출하는데 이와 같은 원리이다. 하지만 본 출원은 비행체의 하드웨어적 구성에 관한것이 중점이며 어느 정도의 무게를 지탱하고 전술한 비행체로써 요건을 만족시킬 수 있는 하드웨어가 정립된다면 프로그램의 추가는 오히려 현재의 기술수준에서는 쉬운 일이므로 여기서는 개요만을 기술하였다.

도 4는 본 발명에 따른 다수개의 날개를 장착한 비행체의 일실시예를 나타낸것으로 날개의 구성과 동작을 설명하면 다음과 같다. 날개의 갯수만큼 영구자석(3)과 전자석(4)도 설치되어 있으며 각각의 날개에는 공기슬롯(22)과 단방향 공기흐름용판막(21)이 설치되어 있다. 본 도면에서는 대표적으로 한 개 씩만을 표시하였다.날개(2)가 양력을 얻기위해 밑으로 내리칠때는 모든 날개가 동시에 내려가는데 이때 각 날개의 끝부분은 그 다음 날개의 밑으로 들어가 있어 함께 하나의 부채 형태가 되어 최대로 공기를 밀어내지만 위로 날개(2)가 올라 올때는 판막(21)이 열리므로 날개(2)가 쉽게 위로 올라가며 추력도 얻는다. 또 다른 작용으로써 만약에 각 날개(2)를 다 떼어내고 각 뼈대(20)를 연결하는 하나의 큰 천으로 된 날개를 창착했다면 내려갈때 각 날개뼈대(20)의 역활은 위에서와 동일하지만 올라올때 날개뼈대(20)는 앞에서 부터 시간차를 두고 올라와야한다. 최종적으로 첫번째 날개와 마지막 날개가 45도의 각도를 이루었을때 최대힘으로 날개가 위로 솟구쳐야 하며 이는 전술한 바와 같이 항력은 줄이고 추력을 얻기위한 새의 날개짓을 구현하기 위함이다.

본 발명에 따르면 복잡하고 빈틈없이 돌아가는 거대도시의 효과적인 관리,통제를 위해서,혹은 수 많은 인적,물적 대상물의 상시 촬영과 데이타 수집을 위해서는 종래와 다른 비행방식을 갖는 비행체가 필요한 것은 기정사실이다. 수 많은 세계 대도시가 있고 매일 많은 사건,사고가 생기지만 과학기술이 발달했음에도 불구하고 어디에도 공중감시를 위한 도시형 무인비행체를 제대로 운용하는 사례나 상용화된 제품이 없는것은 본 출원에서 밝힌바와 같이 비행체가 갖는 하드웨어적 문제점 때문이다. 따라서 본 발명은 기존의 비행체의 틀을 깨는 도시형비행체와 그 운용을 선점하는 것이 목적이며 이는 국가적으로도 매우 중요한 것이다. 지금은 아니더라도 향후 세계 각국의 도시에는 인공위성이나 헬기를 포함한 비행기가 수행하기 힘든 도심관측을 위한 도시위성이 실용화 될것이 뻔한데 한발 앞서 그 중심에 우리나라의 기술이 자리잡기를 바라는 마음이며 본 발명을 포함한 앞으로 출원할 색다른 비행체는 상기한 목적의 초석이 되는 효과가 있다고 하겠다.

Claims (4)

1. 날개짓으로 비행을 하는 비행체의 구조에 있어서 날개의 움직임을 위한 동력을 만들어내기 위하여 중앙부에는 N극과 S극으로 분리된 반원형의 영구자석(3)이 있고 상기자석에 밀접하여 전자석(4)이 정류자겸 회전지지대(6)에 의해 움직일 수 있게 결합되어 있어서 충전지(9)와 전압분배기(10)로 부터 전압이 공급되면 코일(5)에 전류가 흘러 자화된 전자석(4)은 극성에 따라 위 또는 아래로 움직이며 이때 정류자(6)에 연결된 브러쉬(8)는 입력전압의 극성이 바뀌게 되며 이는 다시 코일(5)에 적용이 되므로 전자석(4)은 계속 위,아래로 반복운동을 하게되고 이에 따라 전자석에 연결된 날개도 같이 움직여 날개의 동력을 만들어 내는것을 특징으로 하는 비행체.
2. 제 1항에 있어서 정류자(6)와 브러쉬(8)는 오염이나 스파크에 의해 접촉불량의 가능성이 생기고 일정위치 까지 회전을 해야 서로 극성이 바뀌는 단점이 있으므로 상기와 같은 기계접점을 사용하지 아니하고 전자식 전압분배기(10) 에서 코일(6)에 직접 전압을 분배 해주는 것을 특징으로 하는 비행체
3. 제 1항에 있어서 영구자석(3)과 전자석(4)을 좌우로 쌍으로 배치하거나 다수개를 설치하기도 하고 이는 필요에 따라서는 판매되는 완제품 소형 모터로 대체 할 수도 있으며 이때는 기어와 캠을 이용하여 상하운동으로 변환하여 주고 혹은 상기 두가지를 적절히 조합하여 설치하기도 하여 날개를 동시에 혹은 날개 각각 개별적 움직임도 가능하게 하여 미세한 자세교정 혹은 방향전환 등을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 비행체.
4. 비행체의 일측면에는 카메라 달린 휴대폰 일명 카메라폰(11)을 액정과 케이스를 제거한 후 카메라(12)는 전방 혹은 아래쪽을 향하게 설치하며 이때 휴대폰은 실제 가입이 되어있어 사용이 가능한 상태이며 운용자가 휴대폰으로 혹은 별도의 장비로 비행체에 탑재된 휴대폰으로 전화를 걸면 비행체에 설치된 휴대폰(11)은 벨소리가 울림과 동시에 전압분배기 및 CPU(10) 에서는 수신모드로 전환시켜주며 상대편 전화와의 인식과정을 수행하고 휴대폰(11)은 모뎀역활을 수행하며 운용자가 이를 통해 제어 및 데이타를 송,수신하는 것을 특징으로 하는 비행체용 통신시스템.