KR20130081260A - 무인 비행체 제어 장치 및 이를 구비하는 무인 비행체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기 입력된 프로그램 데이터에 따라 쿼드벌룬형 무인 비행체의 비행 속도와 방향을 제어하여 사용자의 수동 조작 없이도 비행이 가능한 무인 비행체 제어 장치 및 이를 구비하는 무인 비행체를 제안한다. 본 발명에서 제안하는 무인 비행체 제어 장치는 선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리부; 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득부; 및 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 무인 비행체의 비행을 자동 제어하며, 비행 궤적과 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어부를 포함한다.

Description

무인 비행체 제어 장치 및 이를 구비하는 무인 비행체 {Apparatus for controlling unmanned vehicle and unmanned vehicle having the said apparatus}

본 발명은 무인 UAV에 사용되는 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템, 비행 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기 입력된 프로그램 데이터에 따라 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템의 비행 속도와 방향을 제어하여 사용자의 수동 조작 없이도 비행을 통한 산업용 목적을 이룰 수 있게 한 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템 UAV에 관한 것이다.

기존 UAV는 실물 기체를 소정 스케일로 축소 설계하거나 독자적인 형태로 설계하여 제작한 소형 기체로써, 레저용이나 교육용은 물론, 항공 촬영이나 농약 살포와 같은 산업용 등의 다양한 목적으로 이용되고 있다.

통상적인 UAV는 사용자가 조작하는 송신기를 통해 각 작동부의 제어 신호를 기체에 탑재된 수신기로 전달하고, 이 수신기에서 해당 작동부로 동작 제어 신호를 출력하여 기체를 사용자가 원하는 속도와 방향으로 원격 제어하는 구조를 갖는다. 이를 위해 UAV의 송수신은 추력과 각 조종면의 제어를 각각의 독립된 채널을 통해 수행하는 다채널 방식으로 이루어진다.

예를 들면, 제1 채널을 통해서는 기체의 롤(Roll)을 조절하는 보조익(Aileron) 서보를 제어하고, 제2 채널을 통해서는 기체의 핏치(Pitch)를 조절하는 승강타(Elevator) 서보를 제어하고, 제3 채널을 통해서는 기체의 모터 또는 엔진의 추력 조절을 위한 전자 변속기(ESC; Electric Speed Controller) 또는 엔진 스로틀 서보를 제어하며, 제4 채널을 통해서는 기체의 요(Yaw)를 조절하는 방향타(Rudder) 서보를 제어하는 등의 방식을 갖는다.

이에 따라, UAV를 조종하기 위해서는 기체의 비행 상태를 확인하면서 송신기에 구비된 여러 채널의 조작 스틱을 개별적으로 또는 조합하여 적절한 타각으로 계속 조작해 주어야 하기 때문에, 운용자가 혼자서 비행에 성공하고 나아가 자신이 원하는 대로 기체의 움직임을 제어할 수 있을 만큼 숙련되기까지에는 많은 연습 시간이 소요된다. 특히, 지면에서 2차원 운동만 하는 모형 자동차의 경우에는 엔진 또는 모터의 구동과 좌우 조향만 제어하면 주행이 이루어지고, 엔진 또는 모터에 의한 구동력만 차단하면 차체가 지면 상에 정지하게 되므로 조종이 미숙한 경우에도 차체에 심각한 파손 등이 발생될 소지가 많지 않지만, UAV의 경우 공중에서 3차원 운동을 하게 되므로 각 채널의 조종이 정확하게 이루어지지 않으면, 기체가 지상으로 추락하여 심한 파손이 발생될 수 있을 뿐만 아니라, 심할 경우 주변의 사람들에게 상해를 입히거나 기물을 파손시키게 되는 등의 문제점을 유발할 수 있기 때문에, 연습 과정에서 소요되는 비용 또한 매우 클 수밖에 없다.

이와 같이, 기존 UAV는 조종술 습득에 많은 시간과 노력, 비용 등이 소요되기 때문에 운용자 양성이 어렵다.

이에 따라, UAV 및 관련 제품의 시장 성장이 제한되고 있으며, 그에 따른 소량 생산으로 인해 사용자 입장에서도 제품 구입에 상대적으로 비싼 비용을 지불하게 되고, 고가의 제품 가격으로 인해 시장 확대가 더욱 어렵게 되는 등의 악순환이 형성되는 문제점이 있었다.

또한, 산업용으로 UAV를 이용할 때, 전술한 바와 같은 조종의 어려움으로 인해 일반인은 이용이 어렵고 숙련된 조종자가 반드시 필요하기 때문에, 그에 따른 인건비 등의 소요 비용의 증가로 인해 산업용 UAV의 사용이 제한적일 수밖에 없다는 등의 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 기존의 UAV가 장시간 운용하는데 한계가 있으며 추락시 인명 피해 우려 및 대물 피해가 심각할 수 있다는 것을 직시하고 이를 대체하기위한 비행체의 대안을 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템으로 제시하는 것이다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리부; 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득부; 및 상기 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어하며, 상기 비행 궤적과 상기 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치를 제안한다.

상기 입력 정보 처리부는 상기 비행 정보로부터 목적지까지의 경로에 대한 정보 및 경유지에서 수행할 기능에 대한 정보를 추출한다.

상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기를 포함하며, 상기 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체에 내장된 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하며, 상기 무인 비행체의 초기 위치를 기초로 상기 IMU를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기와 상기 무인 비행체에 내장된 IMU를 포함하며, 상기 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 없을 때 상기 GPS 수신기를 이용하여 얻은 상기 무인 비행체의 이전 위치를 기초로 상기 IMU를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 저면에 장착된 촬영 장치를 포함하며, 상기 촬영 장치를 통해 얻은 지상이나 해상에 대한 영상과 미리 저장된 지도 정보를 비교하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 비행체 제어부는 상기 무인 비행체에 내장된 운항 센서를 포함하며, 상기 운항 센서로부터 얻은 정보를 기초로 상기 비행 궤적에 부합하게 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어한다.

상기 무인 비행체 제어 장치는 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 상기 무인 비행체의 현재 자세에 대한 정보를 획득하는 자세 정보 획득부; 및 상기 무인 비행체의 현재 자세와 기준 자세를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 자세를 보정하는 자세 보정부를 더욱 포함한다.

상기 자세 정보 획득부는 상기 현재 자세로 지자기 센서, 자이로 센서 및 IMU 중 적어도 하나를 이용하여 상기 무인 비행체의 3차원 자세를 획득하며, 상기 자세 보정부는 짐벌(gimbal)을 이용하여 상기 무인 비행체의 자세를 보정한다.

또한 본 발명은 동력을 공급하는 에너지원을 내장하는 본체; 상기 본체의 측방에 형성된 날개에 관통 형성되며 수직 방향으로 추진력을 발생시키는 추진체; 및 선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리부, 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득부, 및 상기 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 비행을 자동 제어하며, 상기 비행 궤적과 상기 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어부를 포함하는 비행체 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 제안한다.

상기 무인 비행체는 양력 보조용 헬륨 가스를 내장하며 상기 추진체의 양측이나 상기 본체의 상하면에 구비되는 제1 가스 충진부; 및 부력 보조용 헬륨 가스를 내장하며 상기 에너지원의 양측에 구비되는 제2 가스 충진부를 더욱 포함한다.

상기 본체는 상기 에너지원으로 연료 전지와 충전지를 내장하며, 상기 추진체는 쿼드 로터 형태로 구성된다.

또한 본 발명은 선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리 단계; 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득 단계; 상기 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어하며, 상기 비행 궤적과 상기 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어 단계; 및 상기 무인 비행체의 이동 경로를 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 방법을 제안한다.

상기 입력 정보 처리 단계는 상기 비행 정보로부터 목적지까지의 경로에 대한 정보 및 경유지에서 수행할 기능에 대한 정보를 추출한다.

상기 위치 정보 획득 단계는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득 단계는 상기 무인 비행체에 내장된 IMU(Inertial Measurement Unit)를 이용하여 상기 무인 비행체의 초기 위치를 기초로 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득 단계는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 없을 때 상기 GPS 수신기를 이용하여 얻은 상기 무인 비행체의 이전 위치를 기초로 상기 무인 비행체에 내장된 IMU를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 위치 정보 획득 단계는 상기 무인 비행체의 저면에 장착된 촬영 장치를 통해 얻은 지상이나 해상에 대한 영상과 미리 저장된 지도 정보를 비교하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득한다.

상기 비행체 제어 단계는 상기 무인 비행체에 내장된 운항 센서로부터 얻은 정보를 기초로 상기 비행 궤적에 부합하게 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어한다.

상기 무인 비행체 제어 방법은 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 상기 무인 비행체의 현재 자세에 대한 정보를 획득하는 자세 정보 획득 단계; 및 상기 무인 비행체의 현재 자세와 기준 자세를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 자세를 보정하는 자세 보정 단계를 포함한다. 상기 자세 정보 획득 단계와 상기 자세 보정 단계는 상기 위치 정보 획득 단계와 상기 비행체 제어 단계 사이에 수행될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 자세 정보 획득 단계는 상기 현재 자세로 지자기 센서, 자이로 센서 및 IMU 중 적어도 하나를 이용하여 상기 무인 비행체의 3차원 자세를 획득하며, 상기 자세 보정 단계는 짐벌(gimbal)을 이용하여 상기 무인 비행체의 자세를 보정한다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 외부의 컴퓨터 시스템으로부터 다운로드된 프로그램 장치의 데이터를 비행 제어 장치로 전송하여 입력된 프로그램 데이터의 비행 알고리즘(algorithm)에 따라 기체의 비행 속도와 방향이 제어되도록 함으로써, 사용자의 수동 조작 없이도 프로그램 선택에 따른 다양한 패턴으로 기체의 비행이 이루어질 수 있어 누구나 쉽게 쿼드벌룬을 산업용으로 사용할 수 있게 되었다는 장점이 있다. 아울러, 상기와 같은 장점들로 인해 특히 산업용 쿼드벌룬 및 관련 제품의 시장 확대를 도모할 수 있게 되었다는 등의 부가적인 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 비행체 제어 장치에 추가되는 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 장치를 구비하는 무인 비행체의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모형 항공기용 자동 조종 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1에 도시된 무인 비행체 제어 장치에 추가되는 구성을 도시한 블록도이다.

도 1에 따르면, 무인 비행체 제어 장치(100)는 입력 정보 처리부(110), 위치 정보 획득부(120), 비행체 제어부(130), 전원부(140) 및 주제어부(160)를 포함한다.

입력 정보 처리부(110)는 선택된 비행 정보를 입력받는 기능을 수행한다. 입력 정보 처리부(110)는 입력된 비행 정보로부터 목적지까지의 경로에 대한 정보 및 경유지에서 수행할 기능에 대한 정보를 추출할 수 있다. 상기에서 목적지까지의 경로에 대한 정보는 비행 궤적을 의미하며, 경유지에서 수행할 기능에는 예컨대 항공 촬영, 농약 살포 등이 있다. 한편 입력 정보 처리부(110)는 비행 정보로부터 목적지까지의 경로에 대한 정보와 경유지에서 수행할 기능에 대한 정보를 추출할 때 목적지에 대한 정보와 경유지에 대한 정보도 함께 추출할 수 있다.

위치 정보 획득부(120)는 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 기능을 수행한다.

위치 정보 획득부(120)는 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기를 포함하며, 이 GPS 수신기를 이용하여 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 또한 위치 정보 획득부(120)는 무인 비행체에 내장된 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하며, 이 IMU를 이용하여 무인 비행체의 초기 위치를 기초로 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다.

한편 위치 정보 획득부(120)는 GPS 수신기와 IMU를 모두 포함할 수 있다. 이때 위치 정보 획득부(120)는 GPS 수신기를 우선적으로 이용하여 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 만약 GPS 수신기를 이용하여 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 없다면 위치 정보 획득부(120)는 GPS 수신기를 이용하여 얻은 무인 비행체의 이전 위치를 기초로 IMU를 이용하여 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다.

한편 위치 정보 획득부(120)는 무인 비행체의 저면에 장착된 촬영 장치를 포함하며, 이 촬영 장치를 통해 얻은 지상이나 해상에 대한 영상과 미리 저장된 지도 정보를 비교하여 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다.

비행체 제어부(130)는 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 무인 비행체의 비행을 자동 제어하며, 비행 궤적과 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 기능을 수행한다.

비행체 제어부(130)는 무인 비행체에 내장된 운항 센서를 포함하며, 이 운항 센서로부터 얻은 정보를 기초로 비행 궤적에 부합하게 무인 비행체의 비행을 자동 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 운항 센서로 자이로 콤파스(gyro compass), 마그네틱 콤파스(magnetic compass) 등을 이용할 수 있다.

전원부(140)는 무인 비행체 제어 장치(100)를 구성하는 각 구성에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.

주제어부(150)는 무인 비행체 제어 장치(100)를 구성하는 각 구성의 전체 작동을 제어하는 기능을 수행한다.

무인 비행체 제어 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 자세 정보 획득부(160)와 자세 보정부(170)를 더욱 포함할 수 있다.

자세 정보 획득부(160)는 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 자세에 대한 정보를 획득하는 기능을 수행한다. 자세 정보 획득부(160)는 무인 비행체의 현재 자세로 지자기 센서, 자이로 센서 및 IMU 중 적어도 하나를 이용하여 무인 비행체의 3차원 자세를 획득할 수 있다. IMU를 이용하면 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw) 등 3개의 축이 어떻게 움직이는지를 체크할 수 있다. 본 실시예에서는 이 점을 착안하여 IMU로부터 무인 비행체의 3차원 자세를 획득할 수 있다.

자세 보정부(170)는 무인 비행체의 현재 자세와 기준 자세를 비교한 결과를 기초로 무인 비행체의 자세를 보정하는 기능을 수행한다. 자세 보정부(170)는 짐벌(gimbal)을 이용하여 무인 비행체의 자세를 보정할 수 있다. 이때 자세 보정부(170)는 기준 자세로 예컨대 무인 비행체가 착륙되어 있을 때의 자세를 이용할 수 있다.

다음으로 도 1 및 도 2에 도시된 무인 비행체 제어 장치(100)를 구비하는 무인 비행체에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 장치를 구비하는 무인 비행체의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 3에 따르면, 무인 비행체(200)는 본체(210), 날개(220) 및 비행체 제어 장치(100)를 포함한다.

본체(210)는 동력을 공급하는 에너지원(211)을 내장하는 것이다. 본체(210)는 에너지원(211)으로 연료 전지와 충전지(ex. 리튬폴리머 전지)를 내장할 수 있다.

추진체(230)는 본체(210)의 측방에 형성된 날개(220)에 관통 형성되며 수직 방향으로 추진력을 발생시키는 것이다. 추진체(230)는 본 실시예에서 쿼드 로터 형태로 구성될 수 있다.

비행체 제어 장치(100)는 본체(210)에 내장되는 것으로서 도 1 및 도 2를 참조하여 전술하였는 바, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

제1 가스 충진부(240)는 양력 보조용 헬륨 가스를 내장하는 것으로서 추진체(230)의 양측이나 본체(210)의 상하면에 구비된다.

제2 가스 충진부(250)는 부력 보조용 헬륨 가스를 내장하는 것으로서 본체(210) 내에서 에너지원(211)의 양측에 구비된다.

다음으로 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 무인 비행체 제어 장치와 무인 비행체를 일실시예를 들어 설명한다. 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모형 항공기용 자동 조종 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다. 자세하게는, 도 4는 모형 항공기용 자동 조종 시스템의 단면도이고, 도 5는 모형 항공기용 자동 조종 시스템의 저면도이며, 도 6은 모형 항공기용 자동 조종 시스템의 사시도이다.

본 발명의 일실시예는 쿼드벌룬과 별도로 구비되어 사용자가 휴대할 수 있도록 된 프로그램 장치 및 상기 쿼드벌룬에 탑재되는 비행 제어 장치를 포함하며, 상기 프로그램 장치는 외부의 컴퓨터 시스템으로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 입력 포트와, 상기 비행 제어 장치로 프로그램 데이터를 전송하기 위한 출력 포트와, 상기 입력 포트 및 출력 포트를 통한 프로그램 데이터의 수신 및 송신을 제어하기 위한 마이크로프로세서와, 상기 입력 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단을 포함하고, 상기 비행 제어 장치는 상기 프로그램 장치로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 데이터 통신 포트와, 각 채널별로 할당된 기체의 각 조종부로 제어 신호를 전송하기 위한 프로그램 비행 모드 출력 포트와, 상기 데이터 통신 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터에 따라 상기 프로그램 비행 모드 출력 포트를 통해 각 조종부의 제어 신호를 출력하는 마이크로프로세서와, 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단를 포함하는 쿼드벌룬용 자동 조종 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예는 외부 단말기와 제어 신호를 포함하는 데이터 송수신이 가능한 데이터 통신부; 상기 데이터 통신부로부터 전송된 제어 신호를 복수의 채널에 할당하고, 상기 할당된 채널에 대하여 상기 제어 신호를 전송하는 제어 신호 출력부; 및 상기 전송된 제어 신호를 기초로 각 채널에 대한 제어를 수행하는 작동부를 포함하는 쿼드벌룬 비행 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

기존의 UAV는 전기 에너지로는 1시간 이상의 임무 완수는 한계가 있으며 특히 큰 페이로드를 필요로 하는 경우는 기술적 한계가 있으며 해결안을 갖더라도 그 비용 또한 막대하다. 그러나 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템은 저출력 에너지로 높은 페이로드를 실현시키는 독특한 특성을 가지고 있다. 바로 회전익 항공기의 비행 특성의 잇점을 살린 수직 이륙의 강점이 뚜렷한 쿼드 로터와 안전한 헬륨가스 충진의 벌룬이 갖는 부력의 잇점을 항공학적으로 재조명한 쿼드벌룬으로의 조합이다.

본 쿼드벌룬은 새로운 형상으로 공기역학적으로 디자인된 쿼드벌룬과 쿼드 로터의 조합을 가능하게 한 것으로 최대 4kg의 전기 추진체로 헬륨 가스로 부력을 발생시키는 쿼드벌룬과 조합하여 50kg의 무게를 장착하여 5시간 이상의 정지 호버링이 가능하도록 한 것이다. 또한 복잡한 기구적 장치가 거의 없음으로 초기 비용과 운용 비용이 매우 저렴한 것이 특징이다.

본 발명은 저출력 에너지로 높은 페이로드를 실현시키는 독특한 형태의 자동 조종용 무인 비행체에 관한 것으로 새로운 형상으로 공기역학적으로 디자인된 쿼드벌룬과 쿼드 로터의 조합을 가능하게 한 것으로 최대 3kg의 전기 추진체 4개와 이를 헬륨 또는 기타의 가스로 부력을 발생시키는 쿼드벌룬과 조합하여 50kg의 무게를 장착하여 5시간 이상의 정지 호버링이 가능하도록 하는 것으로 주 기능은 회전익 항공기의 기능 수행 및 고정익 항공기의 자동 비행을 수행할 수 있는 비행 모드로 전환 작동할 수 있는 장치를 말한다.

특기 사항은 매우 안전한 비행 장치이다. 기존의 회전익 또는 고정익 비행 장치는 비행 제어 시스템의 고장시 주위 환경에 직접적인 충격을 가함으로 비행체의 보호나 대인/대물의 안전 사고에 대하여 보호할 수 없는 것이다.

그러나 본 쿼드벌룬 비행체는 추력을 발생시키는 추진 장치가 몸체 내부에 장착되어 있으며 표피는 풍선처럼 매우 소프트하다. 비행 자세 제어 시스템의 고장시에도 초당 20CM 정도의 완만한 하강 특성을 가지고 있으므로 인명 및 대물 사고를 유발시키지 않는다.

또한 쿼드벌룬 내부의 제어 시스템은 2중의 3축 자세 제어 IMU와 GPS에 의한 포지션 홀드 기능이 쿼드벌룬의 추진 모터와 실시간 연동되는 구조로 되어 있어 3도 이상의 자세 변동이 발생할 경우 실시간으로 수평 자세를 유지함으로 초보자도 자세 제어를 할 수 있을 정도로 자율 안정성이 뛰어나다. 기존의 비행 장치는 복잡한 하드웨어 작동 장치를 3축 자세 제어 IMU가 전자적으로 자세 제어를 하고 있는 구조이므로 동력 로스가 많고 복잡한 부품의 수만큼 고장의 확률이 그만큼 높다. 그러나 쿼드벌룬은 복잡한 기구적 작동 장치가 전혀 필요 없고 전지 추진 모터의 추력 분배에 의해 호버링 및 비행, 그리고 자세 제어가 됨으로써 고장의 확률 또한 기존의 비행체 대비 혁신적으로 줄어든다.

가장 특기할만한 사실은 이러한 안정성 이외에 헬륨 가스에 의한 부력 보조를 받으므로 적은 에너지로(기존 회전익 또는 고정익 대비 10배 이상) 정지 호버링 및 비행이 가능한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 쿼드벌룬 자동 조종 시스템에 따르면, 쿼드벌룬 몸체와 내부에 장착되는 쿼드 로터 추진 시스템이 별도로 구비되며, 사용자가 손쉽게 사용할 수 있도록 된 프로그램 장치 및 상기 쿼드벌룬에 탑재되는 비행 제어 장치를 포함하며, 상기 프로그램 장치는 외부의 컴퓨터 시스템으로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 입력 포트와, 상기 비행 제어 장치로 프로그램 데이터를 전송하기 위한 출력 포트와, 상기 입력 포트 및 출력 포트를 통한 프로그램 데이터의 수신 및 송신을 제어하기 위한 마이크로프로세서와, 상기 입력포트를 통해 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단을 포함하고, 상기 비행 제어 장치는 상기 프로그램 장치로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 데이터 통신 포트와, 각 채널별로 할당된 기체의 각 조종부로 제어 신호를 전송하기 위한 프로그램 비행 모드 출력 포트와, 상기 데이터 통신 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터에 따라 상기 프로그램 비행 모드 출력 포트를 통해 각 조종부의 제어 신호를 출력하는 마이크로프로세서와, 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단를 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 쿼드벌룬 자동 조종 비행체 시스템과 별도로 구비되어 사용자가 휴대할 수 있도록 된 프로그램 장치 및 상기 기체에 탑재되는 비행 제어 장치를 포함하며, 상기 프로그램 장치는 외부의 컴퓨터 시스템으로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 입력 포트와, 상기 비행 제어 장치로 프로그램 데이터를 전송하기 위한 출력 포트와, 상기 입력 포트 및 출력 포트를 통한 프로그램 데이터의 수신 및 송신을 제어하기 위한 마이크로프로세서와, 상기 입력 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단을 포함하고, 상기 비행 제어 장치는 상기 프로그램 장치로부터 프로그램 데이터를 전송받기 위한 데이터 통신 포트와, 각 채널별로 할당된 기체의 각 조종부로 제어 신호를 전송하기 위한 프로그램 비행 모드 출력 포트와, 상기 데이터 통신 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터에 따라 상기 프로그램 비행 모드 출력 포트를 통해 각 조종부의 제어 신호를 출력하는 마이크로프로세서와, 입력된 프로그램 데이터를 저장하는 메모리와, 작동 모드 및 설정 입력을 위한 입력 수단를 포함하는 쿼드벌룬용 자동 조종 시스템이 제공된다.

상기한 본 발명의 쿼드벌룬용 자동 조종 시스템에서, 상기 프로그램 장치는 상기 입력 수단을 통한 입력 상태 및 작동 상태를 표시하는 디스플레이를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 비행 제어 장치는 수동 모드 상태에서 송신기로부터 전송된 신호를 수신하는 수신기 회로 및 이 수신기 회로의 출력 신호를 각 채널의 작동부로 전송하기 위한 수동 모드 출력 포트가 구비될 수도 있다.

그리고, 상기 비행 제어 장치의 프로그램 비행 모드 출력 포트 중 적어도 하나와 수동 모드 출력 포트 중 적어도 하나는 기체의 추력 모터를 제어하는 전자 변속기에 연결될 수도 있고, 기체의 전기 추진체 추력 조절 드라이버에 연결될 수도 있다.

본 발명의 쿼드벌룬 자동 조종 시스템은 기체에 탑재되는 비행 제어 장치 및 기체와 별도로 구비되는 프로그램 장치로 이루어진다.

상기 비행 제어 장치는 상기 프로그램 장치를 통해 입력된 비행 패턴 제어 프로그램에 따라 쿼드벌룬의 비행 속도와 방향을 직접 제어하는 것으로, 쿼드벌룬에 기설치된 수신기 작동용 배터리나 모터 구동용 배터리와 같은 전원이 연결되는 전원 입력 포트와, 상기 프로그램 장치와 연결되는 데이터 통신 포트와, 각 채널별로 할당된 기체의 각 조종부, 즉 전기 추진 덕트 유니트 4개가 및 전자 변속기 4개로 연결되는 제1 내지 제4 채널의 프로그램 비행 모드 출력 포트와, 상기 데이터 통신 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터에 따라 상기 각 출력 포트를 통해 각 조종부의 제어 신호를 출력하는 마이크로프로세서와, 입력된 프로그램 데이터 및 설정값을 저장하는 메모리와, 작동 모드 선택을 위한 프로그램 비행 모드 선택 버튼 및 통신 모드 선택 버튼과, 전원 입력 및 작동 상태를 표시하는 상태 표시 등을 구비한 구조로 이루어진다.

도시된 실시예에서는, 4개의 덕티드 전기 추진 유니트 채널 조종 방식을 예시하였으나, 필요에 따라 그 이상의 다수의 채널, 예를 들어 틸트 제어 채널, 컬렉티브 제어 채널 등을 포함하는 다채널 제어가 가능하도록 구성되는 것도 가능하다.

상기 프로그램 장치는 PC와 같은 범용 컴퓨터 시스템, 또는 전용 컴퓨터 시스템으로부터 프로그램 데이터를 다운로드하여 이를 저장하고, 필요시 상기 비행 제어 장치로 입력할 수 있도록 된 것으로, 외부의 컴퓨터 시스템과 연결되는 프로그램 데이터 입력 포트와, 상기 비행 제어 장치와 연결되는 프로그램 데이터 출력 포트와, 복수의 조작 버튼과, 상기 조작 버튼을 통한 입력 상태 및 작동 상태를 표시하는 디스플레이와, 상기 조작 버튼을 통해 입력된 신호에 따라 상기 입력 포트 및 출력 포트를 통한 프로그램 데이터의 수신 및 송신을 제어하고, 그 상태를 상기 디스플레이를 통해 표시하는 마이크로프로세서와, 상기 입력 포트를 통해 입력된 프로그램 데이터 및 상기 조작 버튼을 통한 설정값을 저장하는 메모리를 구비한다.

본 발명에 의한 실시예들은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 이 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 해당 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보 저장 매체(Computer Readable Media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 실시예를 구현한다. 정보 저장 매체는 자기 기록 매체, 광 기록 매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

도 4에서 도면부호 401은 전기 추진 BLDC 모터를 의미한다. 도면부호 402는 콜렉티브 피치 유니트를 의미한다. 도면부호 403은 전기 추진체 제어 장치로서 BLDC DRIVE 유니트를 의미한다. 도면부호 404는 로호셀 & 카본 경량 모터 프레임을 의미한다. 도면부호 405는 원격 제어 수신 모듈을 의미한다. 도면부호 406은 GPS 수신기를 의미한다. 도면부호 407은 안테나 방식 데이터 모뎀을 의미한다. 도면부호 408과 409는 하이브리드 추진 시스템 동력 공급 에너지원으로서, 도면부호 408은 하이브리드 연료 전지를 의미하며, 도면부호 409는 하이브리드 리튬 폴리머 전지를 의미한다. 도면부호 410은 영상 정보 수집용 카메라 및 틸티드 짐벌을 의미한다. 도면부호 411은 쿼드벌룬 본체를 의미한다. 도면부호 412는 로호셀 및 카본의 복합 소재로 이루어진 샌드위치 초경량 고탄성 랜딩 기어 장치를 의미한다. 도면부호 413은 카본 & 케블러 초경량/고탄성/고인장 쿼드 로터 메인 프레임을 의미한다. 도면부호 414는 페이로드 박스로서 50kg 탑재물 수납 공간을 의미한다. 도면부호 415는 IMU 항법 자세 제어 시스템으로서 3축 자세 제어 IMU와 마그네틱 콤파스를 포함한다. 도면부호 416은 전기 추진체 내장 덕티드 유니트를 의미한다. 도면부호 417은 양력 보조용 헬륨 가스가 충진되는 충진백을 의미한다. 도면부호 418은 부력 보조용 헬륨 가스가 충진되는 충진백을 의미한다. 이 충진백(418)은 내부 제어 장치의 충격을 흡수하는 역할을 한다.

도 5에서 도면부호 501은 몸체 내장 쿼드 로터 덕티드 유니트를 의미한다. 이 유니트(501)는 메인 추력 발생 및 자세 제어 기능을 담당한다. 도면부호 502는 보조 버티컬 핀을 의미한다. 도면부호 503은 보조 엘리베이터 핀을 의미한다. 도면부호 504는 ESC를 의미한다. A, B, C 및 D에는 양력 보조용 헬륨 가스가 충진된다.

도 6에서 도면부호 600은 도 4 및 도 5에 도시된 쿼드벌룬용 자동 조종 시스템(600)을 의미한다.

다음으로 무인 비행체 제어 장치(100)의 무인 비행체 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 비행체 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 이하 설명은 도 1, 도 2 및 도 7을 참조한다.

먼저 입력 정보 처리부(110)가 선택된 비행 정보를 입력받는다(S10).

S10 단계 이후, 위치 정보 획득부(120)가 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득한다(S20).

S20 단계 이후, 비행체 제어부(130)가 비행 정보에 포함된 비행 궤적과 무인 비행체의 현재 위치를 비교한다(S30).

S30 단계 이후, 비행체 제어부(130)가 비행 궤적과 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하면서 무인 비행체의 비행을 자동 제어한다(S40).

S40 단계 이후, 디스플레이부(미도시)가 무인 비행체의 이동 경로를 실시간 디스플레이한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리부;
   상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 무인 비행체의 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득부; 및
   상기 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어하며, 상기 비행 궤적과 상기 무인 비행체의 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 입력 정보 처리부는 상기 비행 정보로부터 목적지까지의 경로에 대한 정보 및 경유지에서 수행할 기능에 대한 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기를 포함하며, 상기 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체에 내장된 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하며, 상기 무인 비행체의 초기 위치를 기초로 상기 IMU를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 상면에 장착된 GPS 수신기와 상기 무인 비행체에 내장된 IMU를 포함하며, 상기 GPS 수신기를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득할 수 없을 때 상기 GPS 수신기를 이용하여 얻은 상기 무인 비행체의 이전 위치를 기초로 상기 IMU를 이용하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 위치 정보 획득부는 상기 무인 비행체의 저면에 장착된 촬영 장치를 포함하며, 상기 촬영 장치를 통해 얻은 지상이나 해상에 대한 영상과 미리 저장된 지도 정보를 비교하여 상기 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 비행체 제어부는 상기 무인 비행체에 내장된 운항 센서를 포함하며, 상기 운항 센서로부터 얻은 정보를 기초로 상기 비행 궤적에 부합하게 상기 무인 비행체의 비행을 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 상기 무인 비행체의 현재 자세에 대한 정보를 획득하는 자세 정보 획득부; 및
   상기 무인 비행체의 현재 자세와 기준 자세를 비교한 결과를 기초로 상기 무인 비행체의 자세를 보정하는 자세 보정부
   를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 자세 정보 획득부는 상기 현재 자세로 지자기 센서, 자이로 센서 및 IMU 중 적어도 하나를 이용하여 상기 무인 비행체의 3차원 자세를 획득하며, 상기 자세 보정부는 짐벌(gimbal)을 이용하여 상기 무인 비행체의 자세를 보정하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체 제어 장치.
10. 동력을 공급하는 에너지원을 내장하는 본체;
    상기 본체의 측방에 형성된 날개에 관통 형성되며 수직 방향으로 추진력을 발생시키는 추진체; 및
    선택된 비행 정보를 입력받는 입력 정보 처리부, 상기 비행 정보가 입력되면 미리 정해진 시간마다 현재 위치에 대한 정보를 획득하는 위치 정보 획득부, 및 상기 비행 정보에 포함된 비행 궤적을 기초로 비행을 자동 제어하며, 상기 비행 궤적과 상기 현재 위치를 비교한 결과를 기초로 비행 속도와 비행 방향을 제어하는 비행체 제어부를 포함하는 비행체 제어 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체.
11. 제 10 항에 있어서,
    양력 보조용 헬륨 가스를 내장하며 상기 추진체의 양측이나 상기 본체의 상하면에 구비되는 제1 가스 충진부; 및
    부력 보조용 헬륨 가스를 내장하며 상기 에너지원의 양측에 구비되는 제2 가스 충진부
    를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 본체는 상기 에너지원으로 연료 전지와 충전지를 내장하며, 상기 추진체는 쿼드 로터 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 무인 비행체.

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