KR20130096443A - 태양 에너지 기반의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템 - Google Patents

태양 에너지 기반의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템에 관한 것으로,
상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적을 조정하면서 상기 무인 항공기를 가상 비행시키는 비행 모사부; 상기 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하여 배터리에 충전하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 무인 항공기의 구동에 필요한 전력을 생성 및 출력하는 에너지 관리부; 및 상기 비행 모사부를 제어하여 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서 전력 생성량 및 소비량을 모니터링하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 비행 성능 평가부를 포함할 수 있다.

Description

태양 에너지 기반의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템{FLIGHT SIMULATION SYSTEM FOR EVALUATION OF UNMANNED AERIAL VEHICLE BASED ON SOLAR ENERGY}
본 발명은 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템에 관한 것으로, 특히 무인 항공기를 실제의 비행 환경과 유사한 환경에서 가상 비행시킴으로써 보다 정확한 성능 평가가 이루어질 수 있도록 하는 태양 에너지 기반의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템에 관한 것이다.
무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle or Uninhabited Aerial Vehicle: UAV)란 일반적으로 조종사가 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 또는 비행체 스스로 주위 환경(장애물, 항로)을 인식하고 판단하여 자율 비행을 하는 비행체를 말한다.
이러한 무인 항공기는 정찰 감시, 통신 중계, 기상 관측, 지구 관측 등의 장기 체공 임무 수행을 주로 수행하며, 이를 위해서는 태양에너지를 기반으로 한 연속 비행 기술이 필요하다.
또한, 태양에너지를 기반으로 한 연속 비행 기술을 구현하기 위해서는, 태양 에너지 기반 무인기의 중량, 태양 전지를 통해 얻을 수 있는 에너지와 소요 에너지 평가, 비행 요구 조건 등을 고려한 체계적인 해석 및 시뮬레이션에 기초한 개념 설계 기술과, 장기 체공을 목적으로 월별, 날씨별 일조량 등이 변화하는 실제 기상 조건에서 수일, 수개월간의 장기간 비행 시험을 통해 연속 비행 가능성 검증을 위한 가상 비행 및 평가 기술이 필요하다.
이에 본 발명에서는 무인 항공기를 장기간 동안 가상 비행시킴으로써, 무인 항공기의 연속 비행 가능성 검증을 수행할 수 있도록 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 무인 항공기가 태양에너지를 기반으로 연속 비행을 장기간 수행하는 경우, 실제 기상 조건이 월별, 날씨별로 수시로 변화됨을 고려하여 실제 기상 조건과 매우 유사한 기상 조건을 가지는 비행 모사 환경을 구축함으로써, 보다 정확하게 수행할 수 있도록 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적을 조정하면서 상기 무인 항공기를 가상 비행시키는 비행 모사부; 상기 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하여 배터리에 충전하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 무인 항공기의 구동에 필요한 전력을 생성 및 출력하는 에너지 관리부; 및 상기 비행 모사부를 제어하여 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서 전력 생성량 및 소비량을 모니터링하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 비행 성능 평가부를 포함하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템을 제공한다.
상기 비행 모사부는 상기 무인 항공기의 프로펠러 회전 속도를 조정하여, 상기 무인 항공기의 비행 속도를 결정하는 프로펠러 구동부; 및 상기 무인 항공기의 피치(picth), 롤(roll), 요(yaw) 중 적어도 하나를 조정하여, 상기 무인 항공기의 비행 궤적을 결정하는 비행 궤적 조정부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 관리부는 배터리; 상기 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하는 태양 전지 판넬; 상기 태양 전지 판넬에 의해 생성된 전력을 상기 배터리에 충전하는 배터리 충전부; 및 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 구동 전력을 생성하는 전력 변환부를 포함할 수 있다.
상기 비행 성능 평가부는 상기 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적을 모니터링하는 비행 상태 모니터링부; 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 전력 생산량 및 소비량을 모니터링하는 전력 상태 모니터링부; 및 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서, 상기 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적에 따라 변화되는 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 전력 생산량 및 소비량을 확인하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 평가 수행부를 포함할 수 있다.
상기 비행 성능 평가부는 상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 모니터링하는 기상 조건 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 평가 수행부는 상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 추가 고려하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 기능을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 가변하는 기상 조건 가변부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서는 무인 항공기가 실제 비행시 처할 수 있는 모든 비행 조건하에서 무인 항공기를 장기간 가상 비행시키면서, 장기간 비행에 의한 전력 수급 상황 모니터링 및 평가 동작을 수행함으로써, 무인 항공기의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있도록 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 외관도를 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 가상 비행 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템을 설명하기 위한 도면들로, 도1은 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 외관도, 도2는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 구성도이다.
도1 및 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 무인 항공기 본체(10), 비행 모사부(20), 에너지 관리부(30), 및 비행 성능 평가부(40) 등을 포함하여, 무인 항공기를 실제 비행 환경과 동일한 조건으로 지상에서 장기간 동안 가상 비행시키면서 장기간의 비행에 의한 전력 수급 상황을 모니터링하여, 비행 성능을 평가할 수 있도록 한다.
특히, 본 발명에서는 무인 항공기가 추진동력으로 하고 있는 태양에너지원의 여러 가지 제약 조건을 고려하여, 비행에 따른 태양광 입사각 변화 모사, 비행 조건에 따른 에너지 수급모사 등 실제 비행에 가까운 비행 모사 환경을 구축하도록 한다.
이하, 각 구성 요소에 대해 살펴보면 다음과 같다.
무인 항공기 본체(10)는 실제 무인 항공기와 동일한 외관 및 구조를 가지도록 구현된다.
비행 모사부(20)는 프로펠러 구동부(21), 프로펠러(21), 비행 궤적 조정부(23), 지지부(24) 등을 구비하여, 무인 항공기의 비행 모사를 위해 비행 속도 및 비행 궤적 등을 능동적으로 조정하는 역할을 한다.
프로펠러(21)는 회전 동작을 통해 무인 항공기의 추력을 발생시키고, 프로펠러 구동부(21)는 프로펠러(21)를 회전시키는 모터(22a)와, 모터에 공급되는 전력을 조절하여 상기 모터의 회전수를 조정하는 모터 컨트롤러(22b)를 구비하여, 무인 항공기의 비행 속도를 제어한다.
비행 궤적 조정부(23)는 적어도 하나의 서보 모터(servo motor)(23a, 23b) 등을 구비하고, 이들을 통해 무인 항공기의 피치(picth), 롤(roll), 요(yaw) 중 적어도 하나를 조정함으로써 무인 항공기의 비행 궤적을 제어한다. 단, 비행 궤적 조정부(23)는 본 발명의 무인 항공기가 지상에서 가상으로 비행 시험을 수행함을 고려하여, 비행 궤적 조정부(23)의 일측은 무인 항공기의 하단부와 결합되고, 타측은 무인 항공기를 고정시킴과 동시에 지면으로부터 소정 거리 이격시켜 주는 지지부(24)와 결합되는 구조를 가지도록 함이 바람직할 것이다.
에너지 관리부(30)는 태양 전지 판넬(31), MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어부(32), 배터리 충전부(33), 배터리(34), 전력 변환부(35) 등을 구비하여, 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하여 배터리(34)에 충전하고, 상기 배터리(34)에 충전된 전력을 이용하여 무인 항공기의 구동에 필요한 전력을 생성 및 출력하는 역할을 한다.
태양 전지 판넬(31)은 태양광을 가장 잘 흡수할 수 있도록 무인 항공기 본체(10)의 상부면에 위치하며, 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 구성에 적합한 전압, 전류량을 갖도록 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수개의 솔라 셀로 구성되어, 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성한다.
MPPT 제어부(32)는 태양 전지 판넬(31)로부터 최대 전력을 얻기 위한 제어 회로로, 태양 전지 판넬 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 추종하는 Incremental Conductance 알고리즘을 사용하여 최대 전력점에서 전압에 대한 전력의 변화가 없다는 점을 이용하여 진동하는 문제를 해결하고, 최대 전력점에 대한 정보를 획득한다.
배터리 충전부(33)는 태양 전지 판넬(31)에 의해 생산되는 불규칙한 전력을 배터리 충전에 사용할 수 있도록 변환한 후 배터리(34)에 충전한다. 또한, 배터리 충전부(33)는 배터리 보호 회로를 통해 배터리(34)가 과충전, 과방전되는 것을 사전에 방지한다.
배터리(34)는 리튬-폴리머 배터리가 시스템이 요구하는 전압 및 용량에 맞춰 직, 병렬 연결되어 있으며, 이를 통해 배터리 충전부(33)를 거쳐 전송되는 태양 전지 판넬(31)의 전력을 충전한다.
전력 변환부(35)는 배터리(34)의 전력을 이용하여 무인 항공기의 구동에 필요한 전력을 생성 및 출력한다. 즉, 배터리(34)의 전력을 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템이 필요로 하는 용도에 맞게 전력을 변환하여 출력한다.
비행 성능 평가부(40)는 기상 조건 모니터링부(41), 비행 상태 모니터링부(42), 전력 상태 모니터링부(43), 및 평가 수행부(44) 등을 구비하여, 상기 비행 모사부(10)를 제어하여 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서, 전력 생성량 및 소비량을 모니터링하여 무인 항공기의 비행 성능을 평가한다.
기상 조건 모니터링부(41)는 온도 측정 센서, 풍속 측정 센서, 기압 센서 등과 같은 센서들을 구비하고, 이들을 통해 무인 항공기가 현재 비행하고 있는 기상 조건을 파악한다.
이와 관련하여, 본 발명에서는 태양광 발생 장치, 바람 발생 장치, 온도 조절 장치 등을 구비하고, 이들 각각을 제어할 수 있는 기상 조건 조정부(50)를 추가로 구비하여, 가상 비행 동작시 무인 항공기에 제공되는 각종 기상 조건을 인공적으로 가변시켜 줄 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에서는 기상 조건 가변부(50)를 통해 최상의 기상 조건을 포함한 다양한 기상 조건하에서 가상 비행 성능 평가 동작이 수행될 수 있도록 함으로써, 보다 정확하고 세밀한 테스트 데이터를 획득할 수 있도록 한다.
비행 상태 모니터링부(42)는 프로펠러 구동부(21) 및 비행 궤적 조정부(23)를 통해 비행 속도 및 비행 궤적과 같은 무인 항공기의 비행 상태를 모니터링한다.
전력 상태 모니터링부(43)는 배터리(32)에 공급되는 전력(전류, 전압)과 배터리(32)로부터 출력되는 전력(또는 배터리(32)에 충전된 전력)을 모니터링하여, 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템에서 생산되거나 소비되는 전력을 실시간 파악한다.
평가 수행부(44)는 비행 상태 모니터링부(42)를 통해 파악된 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적을 기반으로 프로펠러 구동부(21)와 비행 궤적 조정부(23)를 PID(Proportional Integral Differential) 제어하여, 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적이 사용자가 설정한 설정값에 따라 조정되도록 한다.
그리고 평가 수행부(44)는 기상 조건 모니터링부(41), 비행 상태 모니터링부(42), 및 전력 상태 모니터링부(43) 각각의 모니터링 결과를 실시간 수집 및 분석하여, 무인 항공기의 기상 조건, 비행 상태에 따른 전력 상태 변화량을 파악함으로써, 비행 성능을 평가한다.
더하여 평가 수행부(44)는 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건 중 하나의 항목만을 선택적으로 가변하면서 무인 항공기의 전력 상태 변화량을 모니터링함으로써, 각각의 항목이 전력 상태 변화량에 미치는 영향을 세부적으로 파악하도록 할 수도 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 가상 비행 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 사용자에 의해 가상 비행 평가 동작이 요청되면, 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 초기 제어 파라메타에 따라 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건을 설정한 후, 무인 항공기를 가상 비행시킨다(S1).
그리고 나서, 사용자 요청 또는 기 설정된 테스트 프로토콜에 의해 변경되는 제어 파라메타가 있으면(S2), 변경된 제어 파라메타를 반영하여 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건 중 적어도 하나를 조정한 후(S3). 조정 결과(즉, 조정 완료된 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건)을 모니터링한다(S4). 참고로, 단계 S3의 조정 동작을 통해, 무인 항공기의 비행 속도, 피치(picth), 롤(roll), 요(yaw), 태양광 입사량, 무인 항공기 주변 온도, 풍속, 풍량 중 적어도 하나가 조정될 수 있을 것이다.
무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 단계 S2 및 S3의 무인 항공기의 비행 조건을 조정함과 동시에 단계 S5 내지 S9의 전력 효율 모니터링 동작도 함께 수행되도록 한다.
즉, 태양 전지 판넬(31)을 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성한 후(S5), 배터리(34)에 태양 전지 판넬(31)에 의해 생성된 전력을 충전하면서(S6), 전력 상태 모니터링부(43)를 통해 태양 전지 판넬(31)에 의해 생성되는 전력량(또는 배터리(34)에 제공되는 전력량)이 얼마인지를 모니터링하여 현재의 전력 생성량을 파악한다(S7).
또한 전력 변환부(35)를 통해 배터리(34)에 충전된 전력을 이용하여 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템 내부에 구비된 각종 구성 요소들이 필요로 하는 구동 전력을 생성한 후, 이를 필요로 하는 구성 요소로 제공하면서(S8), 전력 상태 모니터링부(43)를 통해 구동 전력 출력량을 모니터링하여 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 전력 소비량도 함께 모니터링한다(S9).
상기의 단계들을 통해 현재의 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건에서의 무인 항공기의 전력 생성량 및 소비량이 획득 완료되면, 현재의 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건에 무인 항공기의 전력 생성량 및 소비량을 매핑하여, 전력 수급 데이터를 획득 및 저장한다(S10).
그리고 가상 비행이 종료 요청되기 전까지 단계 S2 및 S5로 반복적으로 재진입하여, 또 다른 무인 항공기의 비행 조건하에서의 무인 항공기의 전력 생성량 및 소비량을 파악하도록 한다(S11). 즉, 본 발명의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 무인 항공기의 비행 조건(다시 말해, 비행 속도, 비행 궤적, 및 기상 조건)을 조금씩 변경하면서, 무인 항공기의 전력 생성량 및 소비량을 모니터링하고, 그에 상응하는 다수개의 전력 수급 데이터를 획득하게 된다.
이후, 사용자 요청 또는 기 설정된 테스트 프로토콜에 의해 가상 비행이 종료 요청되면, 평가 수행부(44)는 현재까지 획득된 다수개의 전력 수급 데이터를 기반으로 무인 항공기의 비행 성능을 최종 평가한 후, 평가 결과를 사용자에게 시, 청각적으로 통보한다(S12).
이와 같이 본 발명의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템은 무인 항공기가 실제와 매우 유사한 조건하에서 가상 비행하도록 하면서, 무인 항공기의 전력 수급 상황을 모니터링함으로써, 추진 에너지원에 제약이 있는 태양에너지기반 무인 항공기의 성능을 최대한 정확하게 평가할 수 있음을 알 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적을 조정하면서 상기 무인 항공기를 가상 비행시키는 비행 모사부;
    상기 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하여 배터리에 충전하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 무인 항공기의 구동에 필요한 전력을 생성 및 출력하는 에너지 관리부; 및
    상기 비행 모사부를 제어하여 상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서 전력 생성량 및 소비량을 모니터링하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 비행 성능 평가부를 포함하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비행 모사부는
    상기 무인 항공기의 프로펠러 회전 속도를 조정하여, 상기 무인 항공기의 비행 속도를 결정하는 프로펠러 구동부; 및
    상기 무인 항공기의 피치(picth), 롤(roll), 요(yaw) 중 적어도 하나를 조정하여, 상기 무인 항공기의 비행 궤적을 결정하는 비행 궤적 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 관리부는
    배터리;
    상기 무인 항공기에 입사되는 태양광에 상응하는 전력을 생성하는 태양 전지 판넬;
    상기 태양 전지 판넬에 의해 생성된 전력을 상기 배터리에 충전하는 배터리 충전부; 및
    상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 구동 전력을 생성하는 전력 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비행 성능 평가부는
    상기 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적을 모니터링하는 비행 상태 모니터링부;
    상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 전력 생산량 및 소비량을 모니터링하는 전력 상태 모니터링부; 및
    상기 무인 항공기의 비행 속도, 비행 궤적 중 적어도 하나를 조정하면서, 상기 무인 항공기의 비행 속도 및 비행 궤적에 따라 변화되는 상기 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템의 전력 생산량 및 소비량을 확인하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 평가 수행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비행 성능 평가부는
    상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 모니터링하는 기상 조건 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평가 수행부는
    상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 추가 고려하여, 상기 무인 항공기의 비행 성능을 평가하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무인 항공기에 제공되는 기상 조건을 가변하는 기상 조건 가변부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템.
KR1020120017889A 2012-02-22 2012-02-22 태양 에너지 기반의 무인 항공기의 가상 비행 평가 시스템 KR101372351B1 (ko)

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