KR20130109986A - 재구성가능한 배터리-작동식 운행체 시스템 - Google Patents

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KR20130109986A
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크리스토퍼 이. 피셔
필립 티. 토쿠마루
마크 엘. 슈말젤
존 피터 즈완
제레미 디. 타일러
저스틴 비. 맥칼리스터
가브리엘 토레스
패블 베릭
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에어로바이론먼트, 인크.
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Abstract

쿼드로터 UAV는 강인한, 일체형 배터리, 부하 지지 본체, 각각 두 개의 로터를 구비하는, 부하 지지 본체 상의 두 개의 아암, 부하 지지 본체 상에 장착된 제어 모듈, 제어 모듈 상에 장착된 패이로드 모듈 및 랜딩 기어로서 구성된 스키드를 포함한다. 두 개의 아암은 지면 운행체 용도를 위한 휠을 갖는 아암, 수면 용도를 위한 부유부와 프로펠러를 갖는 아암 및 수중 용도를 위한 핀치-제어식 프로펠러를 갖는 아암으로 교체될 수 있다. 제어 모듈은 부착되는 아암의 유형에 따라서 무인 공중 운행체, 무인 지상 운행체, 무인 (수)면 운행체 및 무인 수중 운행체로서 동작하도록 구성된다.

Description

재구성가능한 배터리-작동식 운행체 시스템 {RECONFIGURABLE BATTERY-OPERATED VEHICLE SYSTEM}
본 출원은 2010년 5월 26일자로 출원된 미국 가출원 제61/396,459호 및 2010년 7월 7일자로 출원된 미국 가출원 제61/399,168호에 대한 이득을 주장하며, 이들 양자의 문헌은 모든 면에서 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.
본 발명은 일반적으로 무인, 배터리 작동식 운행체(예를 들어, UAV)에 관한 것이며, 특히, 매우 다양한 목적을 위해 재구성될 수 있는 배터리 작동식 운행체에 관한 것이다.
쿼드로터(quadrotor) UAV(무인 공중 운행체; unmanned aerial vehicle)는 통상적으로 X형 구성(위에서 볼 때)으로 측방향으로 뻗어나오는 네 개의 아암을 가지는 중심 본체를 특징으로 한다. 각 아암은 하나의, 상향 지향 헬리콥터형 로터를 지지한다. 쿼드로터 항공기에 대한 전형적 제어는 각 로터의 속도를 변화시킴으로써 달성되며, 로터는 통상적으로 로터의 각 측부 상의 로터에 관해 반대방향으로 회전(그리고, 대향 측부 상의 로터와 동일한 방향으로 회전)한다.
예로서, 대향 코너 블레이드 쌍을 동일한 속도로, 그리고, 다른 블레이드에 대향한 회전 방향으로 함께 동작시킴으로써 하버링(hovering)이 달성된다. 요잉은 하나의 대향 코너 쌍을 나머지에 관하여 상대적으로 속도를 높임으로써 달성되고, 피치 및 롤은 인접한 블레이드 쌍의 속도를 상대적으로 변화시킴으로써 달성된다. 전진, 후진 및 측방향 운동은 피치 또는 롤 상태의 비행기를 기울여 모터의 힘의 합이 측방향 성분을 포함하게 만드는 것에 의해 달성된다. 다양한 다른 제어 프로토콜이 본 기술 분야에 알려져 있다.
통상적 배터리 작동식 무인 운행체는 모든 명령 및 제어 하드웨어와 소프트웨어가 개별적으로, 통합식으로 또는 제거가능하게 부착되는 주 구조체 부재(예를 들어, 동체)를 특징으로 한다. 통상적으로, 동체의 배터리 슬롯 내에 제거가능하게 수용되는 수축-랩 튜브(shrink-wrap tube) 같은 경량 패키지에 배터리가 제공된다. 동체는 통상적으로 배터리가 배터리 슬롯에 수용된 이후 배터리에 대한 구조적 지지 및 보호를 제공한다.
통상적으로 리튬 배터리가 양호한 배터리 유형으로서 고려된다. 리튬 배터리 수송시의 위험 때문에, 리튬 배터리 및 배터리 팩(즉, 상호연결된 배터리 그룹)을 위한 수송 용기에는 엄격한 교통부 요건이 존재한다. UN 평가 및 기준 설명서(UN Manual of Test and Criteria) 개정 4판의 리튬 배터리 평가 요건(Lithium Battery Testing Requirements)의 사본이 모든 면에서 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 리튬 배터리를 위한 엄격한 수송 요건 때문에, 수송 동안 다수의 배터리 및/또는 배터리 팩을 담기 위해 수송 요건을 충족시키는 강인한 수송 용기가 사용되는 것이 통상적이다.
수송이 완료되고, 배터리가 최종 사용자에게 배포되고 나면, 배터리 및/또는 배터리 팩은 강인한 팩킹 용기의 보호를 잃게 되고, 이들이 그 각각의 운행체에 설치될 때까지 손상을 받게 된다. 통상적으로, 각 배터리 팩은 단일 유형의 운행체 또는 장치를 위해 특정하게 구성 및 제공된다. 따라서, 배터리의 제공은 손상에 민감하고, 광범위한 유형의 배터리 어레이가 수송되어야 하는 경우, 수송 요건의 충족이 과제가 될 수 있다.
따라서, 수송 용기에 의해 보호받고 있지 않을 때 배터리가 손상에 취약하지 않고, 다수의 운행체 및 다른 장치에 자유롭게 사용될 수 있는 배터리 작동식 운행체 시스템이 필요하다. 본 발명의 양호한 실시예는 이들 및 다른 수요를 충족시키며, 다른 관련 장점을 제공한다.
다양한 실시예에서, 본 발명은 수송 용기에 의해 보호받고 있지 않을 때 배터리가 손상에 취약하지 않고 주 구조 부재로서 다수의 운행체 및 다른 장치에 자유롭게 사용될 수 있는 배터리 작동식 운행체 시스템을 제공함으로써 상술한 수요 중 일부 도는 모두를 해결한다.
일 양태에서, 본 발명의 무인 운행체는 배터리 모듈, 제어 모듈 및 하나 이상의 추진 모듈을 형성하는 본체를 포함함으로써 소정 범위의 임무를 위해 구성될 수 있다. 배터리 모듈은 소정 범위의 임무에 걸쳐 운행체를 위한 기동력을 제공하기에 적합한 배터리 용량을 제공한다. 배터리 모듈은 다른 구성요소를 연결하기 위한 복수의 구조적 및 전기적 연결 포트를 갖는다. 제어 모듈은 운행체의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하며, 복수의 연결 포트 중 제1 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 직접적으로, 그리고, 제거가능하게 연결된다. 추진 모듈 각각은 운행체를 소정 범위의 임무 중 하나 이상의 임무들에 걸쳐 운행체를 이동시키기 위한 추진력을 제공하도록 구성된 모터를 포함하며, 복수의 연결 포트 중 추가적 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 직접적으로 그리고 제거가능하게 연결된다.
유리하게는, 추진 모듈 및 제어 모듈 각각이 배터리 모듈에 연결되는 이 구성은 배터리 모듈이 운행체의 주 구조 부재가 되어 추진 모듈 사이에서 구조 부하를 전달하고, (일반적으로 매우 경량인) 제어 모듈 및 패이로드를 지지하게 한다. 배터리 모듈의 강인한 구조에 기인하여, 이는 배터리를 위한 엄격한 수송 요건을 충족시키도록 설계될 수 있다. 이러한 강인한 배터리 모듈을 주 운행체 구조체로서 사용함으로써 (안전한 수송을 위해) 배터리를 위한 하나의 강인한 구조체와 별개의 운행체 본체를 위한 다른 강인한 구조체의 두 개의 강인한 구조체를 사용할 필요성을 피할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 제1 세트의 추진 모듈은 각각 두 개의 실질적 수직 배향 프로펠러를 아암의 대향 단부들에 포함하며, 중앙에(아암 상에) 위치된 커넥터를 갖는다. 제2 세트의 추진 모듈은 각각 아암의 대향 단부들에 두 개의 휠을 가지며, 중앙에(아암 상에) 위치된 커넥터를 갖는다. 제3 세트의 추진 모듈은 각각 아암의 대향 단부들에 두 개의 부유부와, 모터 구동 프로펠러와, 중앙에(아암 상에) 위치된 커넥터를 포함한다. 제4 세트의 추진 모듈은 각각 아암의 대향 단부들에 두 개의 피치 제어식 프로펠러를 함하고, 중앙에(아암 상에) 위치된 커넥터를 갖는다. 유리하게는, 운행체는 배터리 모듈에 부착된 추진 모듈의 유형을 변경함으로써 간단하게 쿼드로터 항공기, 휠형 지상 운행체, 수면 운행체 및 잠수 운행체 사이에서 변할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 운행체는 운행체의 전방 단부를 향해 미소하게 각각 각져있는 네 개의 프로펠러를 갖는 쿼드로터 항공기를 형성한다. 이 피치 다운 구성은 항공기를 하버링하도록 피치 업 시키며, 배터리와 제어 모듈이 실질적으로 평준화된 상태에서 순항 전진 비행을 가능하게 한다. 유리하게는, 이는 하버링 동안 후방 시계를 최대화하며, 순항 비행 동안 공기 저항을 최소화한다.
본 발명의 다른 양태에서, 각 추진 모듈은 운행체의 각 단부에서 상호교체가능하게 사용될 수 있다. 따라서, 단일 교체 추진 모듈이 파괴 전방 추진 모듈 또는 파괴 후방 추진 모듈 중 어느 하나를 대체하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 아암은 본체의 대향 종방향 단부 상에서 배터리 모듈에 연결된다. 각 아암 커넥터는 그 각각의 아암에 고착된 단부 캡을 갖도록 구성된다. 각 본체 커넥터는 아암 커넥터가 본체 커넥터에 연결될 때 아암과 합치되어 종방향으로 아암을 수용하도록 구성된 홈을 갖도록 구성된다. 본체 커넥터 홈은 아암 커넥터 단부 캡에 의해 부하가 지지되지 않는 상태로 아암 커넥터 아암으로부터 모든 수직 부하를 직접적으로 지탱하도록 구성된다. 결과적으로, 주 구조적 힘은 실질적으로 직접적으로 아암과 배터리 유닛 사이에서 전달되며, 단부 캡은 아암 자체만큼 강인할 필요가 없다. 이는 중량을 감소시키며, 더욱 신뢰성있는 구조를 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명의 원리를 예로서 예시하는 첨부 도면을 참조로 하는 양호한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다. 후술된 바와 같은 특정 양호한 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 실시예의 구성 및 사용을 가능하게 하며, 열거된 청구범위를 제한하고자 하는 것은 아니고, 오히려, 이들은 청구된 발명의 특정 예로서 기능하는 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는 UAV(무인 공중 운행체)의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 UAV의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 UAV의 강건한, 배터리 통합, 부하 지지 본체의 사시도이다.
도 4는 도 3의 강건한, 배터리 통합, 부하 지지 본체의 단부도이다.
도 5는 도 1의 UAV의 UAV 추진 아암의 사시도이다.
도 6은 도 5의 UAV 추진 아암의 연결 모듈의 후면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 UAV의 개략 상면도이다.
도 8은 상부 표면이 투명 상태로 처리되어 있는 도 1의 UAV의 제어 모듈의 상면도이다.
도 9는 하부 표면이 투명 상태로 처리되어 있는 도 8에 도시된 제어 모듈의 저면도이다.
도 10은 전진 비행을 위해 배향되어 있는 도 1에 도시된 UAV의 측면도이다.
도 11은 하버링 또는 착륙을 위해 배향되어 있는 도 1에 도시된 UAV의 측면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 UAV의 정면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 UAV의 상면도이다.
도 14는 도 1에 도시된 UAV의 분해 사시도이다.
도 15는 도 1의 UAV의 UAV 추진 아암의 사시도이다.
도 16은 도 1의 UAV를 도 17의 UGV로 변환하기 위해 사용할 수 있는 UGV 추진 아암의 사시도이다.
도 17은 UGV로 변환된 도 1의 UAV의 사시도이다.
도 18은 도 1에 도시된 UAV의 몇몇 변형의 예시도이다.
도 19는 용기를 지지하도록 패키징된 도 1에 도시된 UAV의 상면도이다.
도 20은 도 19에 도시된 패키징된 UAV의 정면도이다.
도 21은 USV로 변환된 도 1의 UAV의 분해 사시도이다.
도 22는 도 21의 USV의 상면도이다.
도 23은 도 21의 USV의 사시도이다.
도 24는 도 21의 USV의 측면도이다.
도 25는 도 21의 USV의 정면도이다.
도 26은 UUV로 변환된 도 1의 UAV의 분해 사시도이다.
도 27은 도 26의 UUV의 상면도이다.
도 28은 도 26의 UUV의 사시도이다.
도 29는 도 26의 UUV의 측면도이다.
도 30은 도 26의 UUV의 정면도이다.
도 31은 본 발명을 구현하는 UAV의 제2 실시예의 사시도이다.
도 32는 도 31에 도시된 UAV의 분해 사시도이다.
도 33은 도 31에 도시된 UAV의 일부인 본체의 분해 사시도이다.
도 34는 도 31에 도시된 UAV의 본체와 도 31에 도시된 UAV의 추진 모듈 사이의 연결부의 부분 단면도이다.
도 35는 도 34에 도시된 연결부의 분해 부분 사시도이다.
도 36은 본 발명을 구현하는 임의의 운행체를 위한 지상 제어 스테이션의 사시도이다.
앞서 요약되고 나열된 청구항에 규정된 본 발명은 첨부 도면과 함께 읽어야하는 이하의 상세한 설명을 참조로 더 양호하게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 특정 양호한 실시예에 대한 이런 상세한 설명은 본 발명의 특정 구현예를 구성 및 사용할 수 있게 하기 위해 후술되어 있으며, 나열된 청구범위를 제한하고자 하는 것이 아니고, 이들의 특정 예를 제공하고자 하는 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예는 배터리로서 및 운행체를 위한 주 구조 요소로서 구성된 본체(101)와, 두 개의 UAV(무인 공중 운행체) 추진 아암(103)과, 제어 모듈(105)과, 패이로드 모듈(107)과 두 개의 랜딩 기어(109)를 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본체(101)는 다양한 운행체를 위한 핵심 운행체 구조체로서 기능하도록 구성된 다기능 배터리 구조체이다. 본체는 둥근(원통형) 카본 튜브 구조체(111)를 포함하며, 스마트 리튬 배터리(즉, 배터리 제어기를 형성하는 배터리 보드 및 하나 이상의 배터리의 배터리 팩)를 형성하는 직렬 리튬 배터리 셀(113)의 복수의 상호연결된(병렬로) 스택을 일체로 포함한다. 본체의 구조는 본체 내에 일체로 수용된 배터리의 수송을 위한 모든 요구 수송 요건을 충족시키며, 특히, 모든 면에서 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 UN 평가 및 기준 설명서(UN Manual of Test and Criteria) 개정 4판의 리튬 배터리 평가 요건(Lithium Battery Testing Requirements)를 충족시키고, 따라서, 하나 이상의 본체(즉 배터리)를 지지하는 임의의 수송 용기는 표준 컨테이너 수송 요건만을 갖는다.
배터리 제어기는 배터리 사용량, 배터리 충전을 추적하고, 배터리의 구조체 내로 통합된 계기를 통해 배터리 온도를 감시하며, 스마트 배터리를 위해 알려져 있는 바와 같은 다른 배터리 기능을 수행한다. 본체의 둥근 형상은 높은 강도 및 강성을 제공한다. 또한, 본체는 큰 동체를 포함하며, 모든 배터리 열은 수동적으로 소산된다.
본체는 두 개의 측부 커넥터(121)와 중간 커넥터(123)를 포함하는 세 개의 커넥터를 포함한다. 두 개의 측부 커넥터는 원통형 본체의 종방향 단부에 위치되며, 각각 추진 아암(103)에 구조적 및 전기적으로 연결하도록 구성되어 있다. 중간 커넥터는 본체의 길이를 따라 중앙에 위치되며, 제어 모듈(105)에 대한 전기적 연결을 위해 구성되어 있다. 중간 커넥터는 전기적 연결을 제공하는 개구에도 불구하고 본체의 강도 및 강성을 유지하도록 보강되어 있다. 중간 커넥터는 기능적 전기 커넥터들 사이의 연결 이전에 초기 접지 접촉을 형성하도록 연장하는 스프링(124)을 포함한다. 중간 커넥터의 중앙 위치는 배터리 사이에서 연장하는 배선의 중량을 최소화하는 것을 돕는다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 각 UAV 추진 아암은 탄소 튜브 지지 레일(131), 지지 레일 중앙의 아암 연결 모듈(133), 한 쌍의 모터(135), 각각 지지 레일의 종방향 단부에 있으면서 각각 모터 중 하나를 지지 레일에 장착하는 한 쌍의 모터 장착부(137) 및 한 쌍의 프로펠러(139)를 포함하고, 한 쌍의 프로펠러 각각은 모터가 그 각각의 프로펠러를 지지 레일에 관하여 회전하도록 구동할 수 있게 모터 중 하나에 고착된다. 연결 모듈은 두 개의 모터의 동작을 제어하도록 구성된 이중 모터 제어기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 별개의 모터 제어기가 각 모터 장착부에 통합될 수 있다. 프로펠러는 거의 연결 모듈까지 역방향 연장하기에 충분히 크며, 전체 시스템은 추진 아암의 다양한 부품 위로 공기를 하향 송풍하도록 구성되고, 그에 의해, 필요할 수 있는 임의의 냉각을 제공한다. 모터는 항공기를 제어하기 위해 다양한 속도(역방향 동작을 포함)로 작동될 수 있다.
각 아암의 연결 모듈(133)은 본체의 2개의 측부 커넥터(121) 중 하나에 연결하도록 구성되어, 본체의 한 단부에 대한 단부 캡을 형성한다. 이러한 연결부는 전력, 제어 신호 등의 전달을 위한 정합 전기 커넥터들[측부 커넥터 전기 커넥터(141) 및 연결 모듈 전기 커넥터(143)]을 포함한다. 상기 연결부는 각각의 측부 커넥터 내에 홈(145)을 더 포함하며, 홈은 상당한 수직 및 비틀림 하중이 연결 모듈(133)에 상당히 걸리지 않고 지지 레일과 측부 커넥터 사이를 통과할 수 있도록 지지 레일(131)의 둘레의 일부(및 가능하다면 대부분)에 합치되어 이를 수용하도록 구성된다. 연결 모듈은 상기 커넥터 내의 나사 구멍(149) 내에 수용된 연결 모듈 내의 썸 스크류(147)를 통해 그 각각의 측부 커넥터에 연결됨으로써 지지 레일을 측부 커넥터 상에, 그리고, 홈 내에 종방향으로 보유한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 추진 아암은 하나의 시계방향-회전 프로펠러 및 하나의 반시계방향-회전 프로펠러를 가질 것이다. 연결 모듈(133)이 각 측부 커넥터(121)에 연결되도록 구성되기 때문에, 추진 아암(103)은 본체(101)의 각 단부에 연결될 수 있고, 2개의 주 추진 아암에 대한 교체 부품으로서의 역할을 하기 위해 오직 하나의 스페어 추진 아암만이 요구된다. 비행 하중 동안의 대부분의 편향은 본체에 비해 직경이 상당히 작은 추진 아암 내에서 발생하는 것으로 예측된다. 결과적으로, 추진 아암은 더 약한 링크이며, 극심한 하중하에서 먼저 파괴될 가능성이 있다.
도 2, 도 3, 도 8, 및 도 9를 참조하면, 제어 모듈(105)은 통상적으로 대부분의 모든 명령 및 제어 장치를 포함한다. 이는 다양한 상이한 탑재하중을 제어 및 처리하는 것은 물론, 안테나, GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System) 제어, 자동항법 기능을 위한 센서 및 처리 기능을 구비한 하나 이상의 인쇄 회로 보드를 포함할 수 있다. 각각의 부재는 효율적인 연결성을 위해, 그리고 배선 중량을 제한하도록 배치된다. 통상적으로, GPS/센서 보드는 이면에 있을 것이며, (추진 아암과 통신해야만 하는) 자동항법부는 중앙에 있다. 패이로드 보드는 패이로드를 기준으로 상부 전면에 있다.
제어 모듈(105)은 본체 및 제어 모듈의 종방향 단부에서 정합 후크(151) 및 래치(153) 시스템을 통해 본체(101) 상의 2개의 핸들(152)에 제거가능하게 부착된다. 전자식 연결부들은 제어 모듈과 본체 사이의 통과 전력, 제어 신호 등을 위한 정합 전자 커넥터[본체(101)의 중간 커넥터(123)에 연결되는 명령 모듈 상의 명령 커넥터(155)]에 의해 제공된다.
패이로드 모듈(107)은 (통상적으로 10도 정도인) 약간의 오프셋 각도로(즉, 도 10에 도시된 바와 같이 피치 다운되어) 제어 모듈의 전방 단부(161)에 부착된다. 다양한 상이한 패이로드 모듈은 상호교환식으로 사용될 수 있다. 이러한 모듈들은 IR(적외선), EO(전자 광학), 주간 및/또는 야간 카메라는 물론 추적, 목표 및/또는 통신 기능을 위한 기타 장치를 포함할 수 있다. 정합 커넥터 시스템은 제어 모듈에 구조적으로 동시에 전자적으로 패이로드 모듈을 연결함으로써, 제어 모듈과의 전자적 통신 및 전력 교환을 제공한다.
다른 모듈들[예컨대, 본체(101) 및 추진 아암(103)]과 비교하여, 제어 모듈(105)은 상당한 전자장치 및 소프트웨어로 인해 상당히 고가일 수 있다. 따라서, 나머지 유닛들은 상대적으로 상당히 소모적인 것으로 고려될 수 있다. 유리하게, 제어 모듈은 매우 적은 하중(예컨대, 제어 모듈의 고유 중량 및 제어하중 모듈의 중량)만을 수반하기 때문에, 매우 경량으로 제조될 수 있다. 본체 상부 상의 제어 모듈의 위치로 인해, 그리고 (양 단부 및 중간부에 연결됨으로써) 본체가 큰 하중으로부터 제어 모듈을 보호하기 때문에, 제어 모듈은 고유의 튼튼한 구조 요소를 필요로하지 않으면서도 매우 튼튼하고 내구성 있는 장치로서 기능할 수 있다.
대체로 상방향으로 배향된 도 10 내지 도 13을 참조하면, 각각의 프로펠러는 레벨로부터 약간 오프셋된 피치 각도(10도 정도, 예컨대 도 10 참조)로 전방 단부(161)를 향해 약간 기울어져 있다. 이러한 형상으로 인해, UAV는 약간의 노즈-업 피치 각도(10도 정도, 예컨대 도 11 참조)로 맴돌게 되며, 이러한 각도는 패이로드의 약간의 오프셋 각도를 보상(즉, 평준화)하고 패이로드의 후방 및 하향 시계내로 제어 모듈의 후방 단부가 연장하는 것을 적어도 부분적으로 제거한다. 통상적인 실시예에서, 패이로드는 디지털 주밍을 위해 +/- 25도의 틸트 각도에서 360도의 관찰 기능을 가질 것으로 기대될 수 있다.
본 실시예에서, 프로펠러의 전방 피칭은 추진 아암의 변화를 통해 달성되지 않는다. 그 대신에, 측부 커넥터(121)가 피치 다운 방향으로 (10도 정도) 약간 기울어진다. 따라서, 추진 아암이 단부 특징(end specific)이 아니더라도, 본체(101)는 단부 커넥터들을 기울임으로써 전방 및 후방을 형성하는 것으로 인식되어야 한다. 또한, 항공기(craft)가 임의의 방향으로 비행할 수 있더라도, 전방으로의 비행이 통상적으로 가장 효율적이다. 제어 모듈이 본체의 전방 단부에서 제어 모듈(105)의 전방 단부(161)로 본체(101)에 부착되어, 본체의 전방 단부에 패이로드 모듈이 배치되는 것으로 또한 인식되어야 한다. 후크, 래치, 및 이들의 각각의 핸들은 후방에 제어 모듈을 부착하려는 시도를 방지하기 위해 상이한 형상을 갖는다.
순항 속도에서의 전방 비행(도 10 및 도 12 참조)에서, 항공기는 수평 비행상태(level flight)에 있도록 하버 배향으로부터 피치 다운되어, 각각의 프로펠러가 제어 모듈의 전방 단부(161)의 방향으로 양력 및 추력 모두를 제공하게 된다. 상기 비행은 (통상적인 쿼드로터가 그러한 바와 같이 기울어지기 보다는) 본체의 수평 배향으로 실시되기 때문에, 항공기는 본체를 따라 최소의 바람 저항만을 수반하여 전방으로 비행한다.
통상적으로는 프로펠러만이 본 발명의 UAV 상의 주요 가동 부재(또는 제어 표면)이다. 그럼에도, 기타 가동 부재로는 제어 모듈 내의 냉각-팬 모터, 및 패이로드 내에서 카메라(들)의 재배향을 위한 위치설정 장치를 포함할 수 있다.
2개의 UAV 착륙 레그(109) 각각은 2개의 추진 아암(103) 사이에서 연장한다. 이 레그들은 스키드(skid)로서 구성되며, 착륙된 항공기가 하버링을 위해 사용되는 것과 동일한 상방 각도로 기울어지도록 제공된 각도로 항공기를 지지하도록 구성된다. 유리하게, 이는 원활한 수직 이륙을 제공하는 것은 물론, 패이로드가 정착하여 목표물을 내려다보기에(perch and stare) 적절한 배향으로 항공기가 높은, 편평한 대상물 상에 착륙할 수 있게 한다.
캐리어 내에 포장된 모든 요소들로 구성물로부터 UAV를 조립하기 위해(예컨대, 도 19 및 도 20 참조), 배터리 유닛(본체)이 캐리어로부터 제거된다. 그 다음, 추진 아암들이 캐리어로부터 제거되어 본체의 단부들에 고정된다. 더욱 구체적으로, 각각의 추진 아암은 제자리에 스냅결합되고, 썸 스크류(thumb screw)가 하방으로 조여진다. 그 다음, 랜딩 기어가 캐리어로부터 제거되어 추진 아암에 적절하게 고정된다. 그 다음, 명령 모듈이 캐리어로부터 제거되어 본체의 전방 단부에서 핸들 상에 걸리고, 커넥터들 정합하고 래치가 본체의 후방 단부에서 제자리에 고정되도록 하방으로 스윙된다. 마지막으로, 패이로드가 제자리에 스냅결합 또는 클립된다.
도 18을 참조하면, 다른 패이로드 구성들(본원에 기술된 다양한 실시예들)이 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 전술한 패이로드 모듈 또는 선택적인 하부 패이로드 트레이(301), 음향 또는 다른 SIGINT(신호정보) 센서 및/또는 송신기와 같은 과학 패이로드(303), 진보된 ISR(정보, 감시 및 정찰) 센서 (305)(예컨대, 전장 맵핑), 및 다른 이러한 패이로드(307)(예컨대, 군수품 및 낙하형 패이로드) 중 하나를 사용하는 것.
본체, 쿼드로터 UAV에 대한 제어 모듈 및 패이로드 모듈을 사용하는 것 이외에, 본 실시예의 다른 가능한 용도 및 구성이 제공될 수 있다. 도 14 내지 도 17을 참조하면, UAV 추진 아암(103)은 한 쌍의 바퀴 구동식(wheeled) UGV(무인 지상 운행체) 추진 아암(203)으로 대체될 수 있다. 이전과 같이, 추진 아암은 지지 레일(231)을 형성하는 탄소 튜브로부터 제조되며, [바퀴(239) 이외에] 모터(235) 및 모터 제어기를 포함한다. UGV 추진 아암은 측부 커넥터(121) 하나에(즉, 본체의 단부 하나에) 연결되는 연결 모듈(233)을 또한 포함하여, 스페어 UGV 추진 아암이 하나의 활성 UGV 추진 아암을 대체하도록 사용될 수 있다.
모터 제어기 소프트웨어는 상이하지만 추진 아암 내에 포함됨으로써, 그 차이는 제어 모듈은 인지할 수 없다. 이전과 같이, 연결 모듈(233)에서와 같은 이중 모터 제어기가 있을 수 있거나, 또는 각각의 모터를 위해서 그리고 각각의 모터에 의해 별개의 제어기가 있을 수 있다. 모터는 운행체를 방향적으로 제어하기 위해 (역방향 작동을 포함하여) 상이한 속도로 작동될 수 있다.
추진 모듈들은 플러그-앤-플레이(plug-and-play) 형식이며, 제어 모듈(105)은 어느 추진 유닛이 부착되었는지를 감지할 수 있어서, 제어 명령에 있어서 임의의 필요한 구별을 행하고 부착된 추진 아암(103/203)에 제어 명령을 전송한다. 동일한 패이로드(107)가 사용될 수 있거나, 또는 (레벨 시야 각도를 보상하고 상방 시야를 더욱 제공하기 위해) 상이한 배향을 갖는 별개의 UGV 패이로드(207)가 바람직할 수 있다. UGV가 충분히 큰 바퀴 및 역전된 방향에서 읽을 수 있는 GPS 안테나를 구비한다면, 심지어 전복된 상태에서도 UGV가 작동되도록 구성될 수 있다. UGV 조립 방법은 랜딩 기어가 설치될 필요가 없다는 것을 제외하면 UAV와 유사하다.
도 21 내지 도 25를 참조하면, 본 실시예의 다른 가능한 구성은 UAV (쿼드로터) 추진 아암(103) 또는 UGV 추진 아암(203)을 한 쌍의 USV(무인 표면 운행체) 추진 아암(303)으로 대체함으로써 제공된다. 양력을 최소화하고 안정성을 개선하기 위해, 각각의 추진 아암은 지지 레일(331)을 형성하는 (추진 방향에서의) 복수의 공기역학적 형상의 탄소 튜브로부터 제조된다. 공기역학적 성형은 이동 방향에서 지지 레일의 단면을 최소화하기에 적합하다(예컨대, 도 25 참조).
지지 레일은 일차 레일(361) 및 일차 레일을 연결 모듈(333)에 연결하는 2개의 레그(363)를 포함한다. 각각의 일차 레일은 양 단부 각각에서 부유부(339)를 수반한다. 적어도 하나의 (가능하다면 양쪽의) 추진 아암의 일차 레일은 또한 하나 이상의 모터(335)(예컨대 2개)를 수반하며, 각각의 모터는 추력을 발생시키는 프로펠러(371)를 구동시킨다. 각각의 추진 아암은 (모터 이외에) 하나 이상의 모터 제어기를 포함한다. 추진 아암 연결 모듈(333)은 측부 커넥터(121) 하나에 [즉, 본체(101)의 단부 하나에] 연결된다. 일차 레일은 부유부가 물 표면 상에서 USV를 지지하는 동안 수중으로 (예컨대, 물 표면 아래로) 모터를 연장시키도록 구성된다. 선택적으로, 스페어 추진 아암이 본체의 한 쪽에서 작동하도록 구성될 수 있도록, 부유부 및 모터가 구성될 수 있다.
모터 제어기 소프트웨어는 상이하지만, 추진 아암 내에 포함되어 있으므로, 그 차이는 제어 모듈에서 볼 수 없다. 이전과 같이, 연결 모듈(333)에서와 같은 이중 모터 제어기가 있을 수 있거나, 또는 각각의 모터를 위해서 그리고 각각의 모터에 의해 별개의 제어기가 있을 수 있다. 모터는 운행체를 방향적으로 제어하기 위해 (역방향 작동을 포함하여) 상이한 속도로 작동될 수 있다.
제어 모듈(105)은 어느 추진 유닛이 부착되었는지를 감지하여, 제어 명령에 있어서 임의의 필요한 구별을 행하고 추진 아암(303)에 제어 명령을 전송한다. 동일한 패이로드(107)가 사용될 수 있거나, 또는 (레벨 시야 각도를 보상하고 상방 시야를 더욱 제공하기 위해) 상이한 배향을 갖는 별개의 USV 패이로드(307)가 바람직할 수 있다. USV 조립 방법은 UGV와 유사하다. 각각의 커넥터는 전기 연결부들을 물과 접촉하는 것으로부터 보호하는 밀봉부를 가지며, 모듈 각각은 수밀성이다.
도 26 내지 도 30을 참조하면, 본 실시예의 다른 가능한 구성은 UAV (쿼드로터) 추진 아암(103), UGV 추진 아암(203), 또는 USV 추진 아암(303)을 한 쌍의 UUV(무인 수중 운행체) 추진 아암(403)으로 대체함으로써 제공된다. 이전과 같이, 추진 아암은 지지 레일(431)을 형성하는 탄소 튜브로부터 제조된다. 지지 레일의 2개의 단부 각각에서, 추진 아암은 프로펠러(471)를 구동하는 추진 모터(435), 및 (모터의 피치 조정을 위해) 지지 레일의 종축을 중심으로 개별 프로펠러 및 추진 모터를 독립적으로 회전시키는 조준 모터(473)를 포함한다. 또 다시, 추진 아암은 측부 커넥터(121) 하나에[즉, 본체(101)의 단부 하나에] 연결되는 연결 모듈(433)을 포함하여, 스페어 추진 아암이 한 측부 상에서 작동하도록 구성될 수 있다.
각각의 추진 아암은 (각종 모터 이외에) 하나 이상의 모터 제어기를 포함한다. 모터 제어기 소프트웨어는 상이하지만 추진 아암 내에 포함됨으로써, 그 차이는 제어 모듈에서 볼 수 없다. 연결 모듈(433)에서와 같은 각각의 아암 내에 이중 (또는 심지어 쿼드) 모터 제어기가 있을 수 있거나, 또는 각각의 모터를 위해서 그리고 각각의 모터에 의해 별개의 제어기가 있을 수 있다. 모터는 운행체를 제어하기 위해 (역방향 작동을 포함하여) 상이한 속도로 작동될 수 있다.
제어 모듈(105)은 어느 추진 유닛이 부착되었는지를 감지할 수 있어서, 제어 명령에 있어서 임의의 필요한 구별을 행하고 부착된 추진 아암(403)에 제어 명령을 전송한다. 동일한 패이로드(107)가 사용될 수 있거나, 또는 상이한 설비를 갖춘 별개의 UUV 패이로드(407)가 수중 환경에 적합할 수 있다. UUV 조립 방법은 USV와 유사하다. 각각의 커넥터는 전기 연결부들을 물과 접촉하는 것으로부터 보호하는 밀봉부를 가지며, 모듈 각각은 물이 유입되는 것이 방지되도록 밀봉된다.
본 발명하에서, 전술한 운행체들의 임의의 조합은 다수의 공통적인 핵심 부품들로 휴대용, 재구성가능한 운행체 시스템을 형성한다. 공통의 요소들로 인해, 제어 모듈의 비용은 다수의 상이한 운행체들이 사용을 위해 유효한 경우라도 단일 유닛으로 (또는 스페어들이 유지된다면 제한된 개수로) 제한된다. 상기 시스템에는 모든 운행체를 위해 단지 하나의 배터리 또는 복수의 배터리 유닛이 제공될 수 있다. 공통의 스페어 부품들, 패이로드, 배터리 충전기 및 (내구성 처리된 컴퓨터를 포함하는) 지상 제어 스테이션은 시스템의 휴대성 및 사용을 단순화시킨다. 운행체 시스템은 하나의 운행체 구성으로부터 다른 구성으로 신속하게 전환가능하며, 운행체 구성요소의 단일 세트는 하나의 배터리 유닛으로부터 다른 유닛으로 쉽게 전환됨으로써, 배터리가 충전되는 동안 반-연속적인 사용을 허용한다. 제어 모듈은 운행체 구성을 쉽게 식별하고 적절한 제어 프로토콜을 사용하기에 적합하며, 단일 GCS(지상 제어 시스템)은 상이한 운행체 유형을 제어하고 이와 통신하는데 사용될 수 있다.
또한, 운행체 시스템은 다수의 운행체 작동을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 지면 및 수면 기반의 운행체(UGV, USV 및 UUV)는 범위를 증가시키기 위해 통신 신호의 공중 중계(airborne relay)가 필요할 수 있다. 운행체 시스템은 UGV, USV 또는 UUV와 함께 UAV의 계통 제어를 위해 구성되어 (선택적으로는 이후의 작동 모드를 사용하여) 이러한 공중 중계를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 폭발물 처리를 위해 UAV는 영역을 조사할 수 있고, UGV는 위험을 제거하기 위해 폭발물을 전달한다. 이와 유사하게 동일 타입의 다중 운행체(예컨대, 다중 UAV)는 소정의 비행 구성에서와 같이 탐색 패턴을 통해 일제히 작동하도록 구성되어 더 빠른 탐색 작동을 제공할 수 있다.
광범위한 군사 및 민간 임무는 전형적으로 UAV, UGV, USV 및 UUV가 이용 가능한 많은 임무를 포함하여, 이러한 효율적인 시스템에 의해 지원 가능하다. 이러한 몇몇 임무는 전략적 및 은밀한 감시, 맴돌이/높은 위치 및 주시 감시, 특수 패이로드(payload) 전달, 검문소 경비(운행체 하부 검사를 포함함), EOD(explosive ordnance disposal), 팀 상황 인식(team situational awareness), IED(improvised explosive device) 검사 및 파괴, 코스탈(costal) 감시, 광산 탐색, 실내 하버링(hovering) 정찰, 소방 평가 및 운용, 탐색 및 구조 활동, 공공 집회, 폭동, 범죄 현장, 교통 사고, 교통 체증 및 족적 추적의 감시를 포함한다.
본 발명의 다른 변형예는 각 로터, 휠 또는 프로펠러가 단일 코어에 각각 연결된 X-형상 구성예와 같은 다른 구성예가 제공될 수 있다. 그러함에도, 본 실시예의 H-형상 구성예는 조립 시간 및 복잡성을 감소시키는 경향이 있다. 또한, 적은 공기역학적 단면을 갖는 단순한, 관형 구성 요소의 편리한 사용을 제공한다. 또한, 필드에서 군인에 의해 운반될 수 있는 바와 같이, 장치가 빠르게 분해되고 용이하게 운반 가능한 패키지로 소형화되는 것을 제공한다(예컨대, 도 19 및 도 20 참조).
도 31 및 도 32를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에서, UAV의 H 구성예는 여러 양태로 수정된다. 이전에서와 같이, 본 실시예는 운행체용 배터리로서 그리고 주 구조 요소로서 모두 구성되는 본체(501), 2개의 추진 아암(503), 제어 모듈(505) 및 패이로드 모듈(507)을 포함한다. 선택적으로 패이로드 및 제어 모듈은 통합되거나 또는 빠른 조립을 위해 부착된 상태로 보관될 수 있다. 본 실시예에서, 각 추진 모듈은 2개의 랜딩 기어(509)를 갖고 하나는 각 모터에 부착된다. 제1 실시예와 달리, 제어 모듈 및 패이로드는 본체의 길이 방향에 수직 방향에서의 관측 및 비행을 위해 지향된다.
도 31 내지 도 33을 참조하여, 본체(501)는 가장 작은 치수로 수직 측정부를 갖는 (그 길이 방향 치수를 가로지르는)타원형 단면으로 구성된다. 이 구성은 항력의 감소를 위해 몇몇 구조적 강성을 교환한다. 이 구조는 폼 코어(512) 주위에 순응하여 수납되는 성형된 카본 섬유 케이싱(511)을 포함하고, 폼 코어는 스마트 리튬 배터리[즉, 하나 이상의 배터리의 배터리 팩 및 배터리 제어기를 형성하는 배터리 보드(514)]를 형성하는 리튬 배터리 셀(513)의 복수의 상호 연관 스택을 순응하여 둘러싼다. 선택적으로, 본체의 구조는 본체 내에 통합하여 내장되는 배터리의 배송을 위해 모든 필요한 배송 조건, 특히 UN 평가 및 기준 설명서 개정 4판의 리튬 배터리 평가 요건(UN Manual of Test and Criteria 4th Revised Edition, Lithium Battery Testing Requirements)을 충족하며, 따라서 하나 이상의 본체를 반송하는 임의의 배송 용기는 단지 표준 용기 배송 요건을 가질 것이다.
배터리 제어기는 배터리 사용량, 배터리 충전을 추적하고 배터리의 구조로 통합되는 게이지를 통해 배터리 온도를 모니터하고, 스마트 배터리에 대해 공지된 바와 같은 다른 배터리 기능을 수행한다. 본체의 형상은 주요 강도 및 강성률을 제공한다. 또한, 본체는 대형 퓨즈를 포함하고, 전체 배터리 열은 수동적으로 방열된다.
본체는 2개의 측부 커넥터(521) 및 중간 커넥터(523)를 포함한 3개의 커넥터를 포함한다. 2개의 측부 커넥터는 타원형 본체의 길이방향 단부에 배치되고, 추진 아암(503)을 수용하도록 각각 구성된다. 중간 커넥터는 본체의 길이를 따라 중앙에 위치되고, 제어 모듈(505)에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 중간 커넥터는 개구가 연결을 제공함에도 불구하고 본체의 강성률 및 강도를 유지하도록 보강된다. (중앙의) 중간 커넥터 위치는 배터리들 사이에서 진행하는 배선의 무게를 감소시키는 것을 조력한다.
도 31 내지 도 35를 참조하면, 각 UAV 추진 아암은 지지 레일(531), 아암 연결 모듈(533), 각각이 지지 레일의 길이방향 단부에 위치되는 한 쌍의 모터(535), 모터가 지지 레일에 대해 각 프로펠러를 회전 상태로 구동시킬 수 있도록 각각이 모터 중 하나에 부착되는 한 쌍의 프로펠러(539)를 포함한다. 모터는 효율적 냉각 및 단순 검사를 위해 노출된다.
각 아암의 연결 모듈(533)은 본체의 2개의 측부 커넥터(521) 중 어느 하나에 연결되도록 구성된다. 이러한 연결은 전력, 제어 신호 등의 통과를 위한 정합 전자 커넥터들[측부 커넥터 전자 커넥터(541) 및 연결 모듈 전자 커넥터(543)]을 포함한다. 이러한 연결은 각 측부 커넥터 내에 쐐기형 홈(545)을 더 포함하고, 홈은 슬로프(slop) 또는 진동없이 신뢰성 있고, 긴밀한 연결을 형성하기 위해 연결 모듈(533)의 쐐기부(546)를 순응하여 수용하도록 구성된다. 연결 모듈은 측부 커넥터의 나사산 형성부(549)에 의해 수용되는 연결 모듈의 캡티브 너트 스크류(547)를 통해 각 측부 커넥터에 연결된다. 또한 너트 스크류는 나사 해제될 때 모터 붐을 뽑아낸다.
각 추진 아암은 하나의 시계방향 회전 프로펠러와 하나의 시계반대방향 회전 프로펠러를 가질 것이다. 연결 모듈(533)은 측부 커넥터(521) 중 하나에 연결되도록 구성되기 때문에, 추진 아암(503)은 본체(501)의 다른 단부에 연결될 것이며, 2개의 주 추진 아암에 대한 대체품으로서 기능하기 위해 단 하나의 스페어 추진 아암이 요구된다.
제1 실시예에서와 같이, 제어 모듈(505)은 전형적으로 거의 모든 명령 및 제어 장비를 내장한다. 제어 모듈은 여러 가지 다양한 패이로드에 대한 제어 및 프로세싱 뿐 아니라, 안테나, GPS/INS (Global Positioning System/Inertial Navigation System) 제어용 센서 및 프로세싱 기능, 자동조타 기능을 갖는 하나 이상의 인쇄 회로 기판을 포함한다.
제어 모듈(505)은 본체의 길이 방향 중앙에 정합 스냅-온(예컨대, 후크 및 래치) 시스템(551)을 통해 본체(501)에 제거 가능하게 부착된다. 제어 모듈은 본체의 길이 방향 치수에 수직인 앞 및 뒤 방향으로 길이방향으로 연장한다. 전자 연결은 본체와 제어 모듈 사이에서 전력, 제어 신호 등의 통과를 위해 정합 전자 커넥터[본체(501)의 중간 커넥터(523)에 연결되는, 명령 모듈에 도시되지 않은 명령 커넥터] 의해 제공된다.
패이로드 모듈(507)은 제어 모듈의 전방 단부(161)에 부착된다. 여러 가지의 다양한 패이로드 모듈이 상호 교환 가능하게 사용될 수 있으며, 패이로드를 스캐닝하는 것은 높은 각도로(예컨대, 140°정도) 팬 업 및 다운(pan up and down)하는 성능을 갖는다. 측방향 패닝(panning)은 전형적으로 UAV의 요잉 성능에 의존할 것이다. 패이로드 모듈은 트래킹, 타게팅 및/또는 통신 기능을 위한 다른 장비뿐 아니라, 색상, IR(infrared), EO(Electro Optical), 주간 및/또는 야간 카메라를 포함할 것이다. (직접적으로, 또는 명령 모듈을 통해) 디지털 방식으로 안정된 비디오가 제공될 것이다. 정합 커넥터 시스템은 패이로드 모듈을 제어 모듈에 구조적으로 그리고 전자적으로 연결하고, 제어 모듈과의 전자 통신 및 전력 교환을 제공할 것이다.
다른 모듈[예컨대, 본체(101) 및 추진 아암(103)]에 비해, 제어 모듈(105)은 상당한 전자 장치 및 소프트웨어로 인해 매우 고가일 것이다. 따라서, 다른 유닛은 비교시 상당히 소모성일 것으로 고려될 수 있다. 바람직하게는, 제어 모듈은 상대적으로 낮은 하중(예컨대, 자체 무게 및 패이로드 모듈의 무게)만을 지지하고, 따라서 경량으로 제작될 수 있다. 제어 모듈은 본체의 상부에 배치되기 때문에, 그리고 본체는 (추진 아암들 사이의 하중으로부터 제어 모듈을 격리시킴으로써) 높은 하중으로부터 제어 모듈을 보호하기 때문에, 제어 모듈은 자체 견고한 구조 요소를 필요로 하지 않고 매우 견고하고 내구성 있는 장치로 기능할 수 있다. 따라서, 제어 모듈은 단순하고, 사출 성형된 하우징을 가질 수 있다.
제1 실시예와는 다르게, 각 프로펠러는 UAV가 수평일 때 하버링을 제공하도록 일직선으로 기울어진다. 패이로드가 본체의 전방으로 연장하고 전방 방향에서만 보이기 때문에, 전형적인 패이로드는 전방 방향에서 큰 수직 팬 위로 방해받지 않는 시야를 가질 것으로 예측될 것이다.
4개의 착륙 레그(509)의 각각은 각 모터로부터 아래로 연장된다. 이들 레그는 하버링 중일 때와 같이 착륙되는 UAV가 수평을 갖도록 한다. 바람직하게는, 패이로드가 타겟에 높은 위치에 위치하거나 하방 주시하는 적절한 위치에서 높은, 수평 목적물에 항공기를 착륙시키는 것을 허용할 뿐 아니라 부드러운 수직 이륙을 제공한다. 레그는 경량의 폼으로 구성되며, 필드에서의 빠른 수리를 위해 용이하게 분리 가능하며 교체 가능하다.
원래 실시예에서와 같이, 캐리어 내에 모든 요소가 패킹된 구성예로부터 UAV를 조립하기 위해, 배터리 유닛(본체)가 캐리어로부터 제거된다. 추진 아암은 이후 캐리어로부터 제거되고 본체의 단부에 부착된다. 더 구체적으로, 각 추진 아암은 위치에 스냅 결합되고, 스크류가 아래로 조여진다. 명령 모듈은 이후 캐리어로부터 제거되고 본체 위에 스냅 결합되어 커넥터가 위치에 정합되어 체결된다. 최종적으로, 패이로드가 위치에 스냅 결합되거나 클립 결합된다.
UAV의 제2 실시예는, 제1 실시예 시스템과 유사하게 UGV, USV 또는 UUV와 같이 다른 운행체를 형성하기 위해 대응하는 호환 가능 추진 아암을 가질 수 있음이 구현된다. 마찬가지로, 다양한 실시예로부터의 구성의 조합으로 형성된 실시예가 본 발명의 범위 내에 있다.
도 36을 참조하면, 상술한 운행체 중 임의의 운행체는 하나의 지면 제어 스테이션(571)으로부터 제어될 수 있다. 이 스테이션은 운반 케이스(573), 케이스 내에 전기 커넥터에 의해 수신되는 랩탑 컴퓨터(575), 케이스의 덮개로부터 위로 흔들리거나 덮개의 포켓에 권취되는 안테나 케이블(579)을 통해 케이스로부터 멀리 배치될 수 있는 안테나 박스(577)를 갖는 무선 송신기, 고정된, 스트레인 경감 케이블을 통해 랩탑에 연결되는 운반체 제어기(581)(전형적으로 게임 제어기 또는 RC 운반체 제어기의 형태)를 포함한다. 케이스는 작동 스테이션으로서 개방되고 설치될 수 있도록 통합 또는 장착 가능한, 연장 가능한 삼각대(583)로 구성된다. 패널(585)은 컴퓨터의 통신 포트(예컨대, USB) 및 충전/전력 포트로의 외부 접근을 제공한다. 케이스의 모든 요소는 랩탑 컴퓨터의 배터리에 의해 전력 공급된다. 랩탑은 운반체의 작동에 대해 사용자에게 지시하고 모의 실행 세션을 제공하기 위해 트레이닝 소프트웨어를 포함할 수 있다.
내구성 향상되고, 통합식-배터리, 하중-지지 본체를 위한 다른 사용은 본 발명의 범위 내에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 다른 추진 아암은 기복이 심한 지형에 대한 연속적인 추적, (회전 비행 이외의) 전통적인 비행에 대한 공기역학 표면 등으로 구성될 수 있다. 추가적으로, 고광도 플래쉬라이트, 파워 툴, 의도하지 않은 지면 센서, 지면 통신 릴레이, 응급 라디오 등과 같이 필드에서의 사용을 위한 많은 군사 장치들은 하중-지지 본체의 배터리 전력으로 실행되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 다수의 본체가 일 단부에 원격 제어 항공기 착륙등 및 다른 단부에 그라운드 스파이크를 갖도록 설치되어 임시 변통의 활주로를 생성하도록 활주로 조명의 빠른 배치를 제공할 수 있다. 실제로, 태양광 충전기를 구비한 제어 모듈을 구비한 경우, 이러한 활주로 조명은 배터리의 재충전 없이 작동 가능하며 기간이 연장될 수 있다. 이러한 재충전 가능한 양태는 상술한 분야의 장치의 수많은 작동을 확대하는데 유용하다. 요약하면, 기복이 심한 배터리 주요 구조 본체는 유용한 제품의 대형 툴키트에 핵심이 될 수 있다.
본 발명은 구조적으로 견고한 배터리 팩 자체의 장치 및 방법 뿐 아니라, 재구성 가능한 운반체를 설계 및 제조하는 장치 및 방법을 포함하는 것임을 이해할 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예는 전형적으로 배터리 팩을 포함하는 다른 분야의 장치 및/또는 다른 시스템과 함께 이러한 특징부의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 요약하면, 상술한 특징부는 본 발명의 예상 범위 내에서 광범위한 구성예에 조합될 수 있다.
본 발명의 특정 형태가 도시되고 설명되었으나, 다양한 수정예가 본 발명의 범위 및 기술 사상 내에서 이루어질 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예만을 참조하여 상세하게 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정예가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 바에 의해 한정되도록 의도되지 않고 이후 청구범위를 참조하여 한정된다.

Claims (23)

  1. 소정 범위의 임무를 위해 구성된 무인 운행체이며,
    임무 범위에 걸쳐 운행체를 위한 기동력을 제공할 수 있는 배터리 용량을 갖고, 복수의 전기 연결 포트를 구비하는 배터리 모듈과,
    임무 범위에 걸쳐 운행체의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하고, 배터리 모듈에 의해 직접적으로, 제거가능하게 구조적으로 지지되며, 복수의 연결 포트 중 제1 접촉 포트를 통해 배터리 모듈에 직접적으로 제거가능하게 전기적으로 접촉되는 제어 모듈과,
    임무 범위의 적어도 하나의 임무 내내 운행체를 이동시키기 위한 추진력을 제공하도록 구성된 모터를 포함하고, 복수의 연결 포트 중 제2 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 직접적으로, 제거가능하게 구조적으로 연결되는 제1 추진 모듈을 포함하는 무인 운행체.
  2. 제1항에 있어서, 제2 추진 모듈을 더 포함하고, 제2 추진 모듈은 임무 범위 중 하나 이상의 임무 내내 운행체를 이동시키기 위한 추진력을 제공하도록 구성된 모터를 포함하며, 복수의 연결 포트 중 제3 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 직접적으로, 제거가능하게 구조적으로 연결되는 무인 운행체.
  3. 제2항에 있어서, 제1 추진 모듈은 제2 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 전기적으로 연결되고, 제2 추진 모듈은 제3 연결 포트를 통해 배터리 모듈에 전기적으로 연결되며, 제1 및 제2 추진 모듈은 배터리 모듈을 통해 제어 모듈에 전기적으로 연결되는 무인 운행체.
  4. 제2항에 있어서, 제1 추진 모듈은 제2 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제1 아암 커넥터를 구비하는 제1 아암과 제1 아암의 대향 단부의 두 개의 실질적 수직 배향 프로펠러를 포함하고,
    제2 추진 모듈은 제3 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제2 아암 커넥터를 구비한 제2 아암과 제2 아암의 대향 단부에의 두 개의 실질적 수직 배향 프로펠러를 포함하는 무인 운행체.
  5. 제4항에 있어서, 실질적 수직 배향 프로펠러 각각은 운행체가 비제로-피치 각도로 하버링하도록 구성되게 운행체의 전방 단부에 의해 형성된 운행체의 전진 방향을 향해 미소하게 각져 있는 무인 운행체.
  6. 제5항에 있어서, 제2 연결 포트는 운행체의 전방 단부에 있는 무인 운행체.
  7. 제5항에 있어서, 제어 모듈 상에 구조적으로 지지된 패이로드를 더 포함하는 무인 운행체.
  8. 제7항에 있어서, 제어 모듈은 운행체가 비제로 피치 각도로 배향될 때 패이로드가 평준화되도록 비제로 지지 각도로 패이로드를 지지하도록 구성되는 무인 운행체.
  9. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 추진 모듈은 상호교체가능하고, 제2 및 제3 연결 포트는 비제로 피치 각도에서의 하버링을 위해 프로펠러를 배향하는 각도로 제1 및 제2 추진 모듈을 구조적으로 배향하도록 구성되는 무인 운행체.
  10. 제5항에 있어서, 랜딩 기어를 더 포함하고, 랜딩 기어는 비제로 피치 각도로 운행체를 지지하도록 구성되는 무인 운행체.
  11. 제10항에 있어서, 랜딩 기어는 제1 추진 모듈로부터 제2 추진 모듈로 연장하는 하나 이상의 지지 구조체의 형태인 무인 운행체.
  12. 제2항에 있어서, 제1 추진 모듈은 제2 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제1 커넥터를 갖는 제1 아암과, 제1 아암의 대향 단부의 두 개의 휠을 포함하고,
    제2 추진 모듈은 제3 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제2 커넥터를 갖는 제2 아암과 제2 아암의 대향 단부의 두 개의 휠을 포함하는 무인 운행체.
  13. 제2항에 있어서, 제1 추진 모듈은 제2 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제1 커넥터를 갖는 제1 아암과, 제1 아암의 대향 단부의 두 개의 부유부를 포함하고,
    제2 추진 모듈은 제2 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제2 커넥터를 갖는 제2 아암과 제2 아암의 대향 단부의 두 개의 부유부를 포함하는 무인 운행체.
  14. 제2항에 있어서, 제1 추진 모듈은 제2 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제1 커넥터를 갖는 제1 아암과, 제1 아암의 대향 단부의 두 개의 프로펠러와, 각각의 프로펠러의 피치 각도를 독립적으로 제어하도록 구성된 두 개의 모터를 포함하고,
    제2 추진 모듈은 제3 연결 포트에 연결된 중앙에 위치된 제1 커넥터를 갖는 제2 아암과, 제2 아암의 대향 단부들의 두 개의 프로펠러와, 각각의 프로펠러의 피치 각도를 독립적으로 제어하도록 구성된 두 개의 모터를 포함하는 무인 운행체.
  15. 제2항에 있어서, 배터리 모듈은 둥근 단면을 가지는 무인 운행체.
  16. 제15항에 있어서, 배터리 모듈은 그 제2 연결 포트와 제3 연결 포트 사이에서 종방향으로 연장하고, 제1 연결 포트는 제2 연결 포트와 제3 연결 포트 사이에서 종방향으로 위치되며, 제어 모듈은 제2 연결 포트의 부근 및 제3 연결 포트의 부근 양자 모두에서 배터리 모듈에 구조적으로 부착되는 무인 운행체.
  17. 제2항에 있어서, 배터리 모듈은 타원형 단면을 갖는 무인 운행체.
  18. 제2항에 있어서, 배터리 모듈은 제1 추진 모듈과, 제2 추진 모듈과 제어 모듈 사이에서 실질적으로 모든 구조적 부하를 지지하는 무인 운행체.
  19. 소정 범위의 임무를 위해 구성된 재구성가능한 무인 운행체 시스템이며,
    운행체의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템과, 임무의 범위에 걸쳐 운행체를 위한 완전한 기동력을 제공하기에 적합한 전력 용량을 갖는 전원을 포함하는 본체로서, 하나 이상의 본체 커넥터의 세트를 포함하는 본체와,
    본체 커넥터의 세트에 제거가능하게 부착될 수 있는 하나 이상의 추진 모듈의 제1 세트로서, 무인 공중 운행체 추진 모듈, 무인 지상 운행체 추진 모듈, 무인 표면 운행체 추진 모듈 및 무인 수중 운행체 추진 모듈의 그룹으로부터 선택된 하나의 추진 모듈 유형인 하나 이상의 추진 모듈의 제1 세트와,
    본체 커넥터 세트에 제거가능하게 부착될 수 있는 하나 이상의 추진 모듈의 제2 세트로서, 무인 공중 운행체 추진 모듈, 무인 지상 운행체 추진 모듈, 무인 표면 운행체 추진 모듈 및 무인 수중 운행체 추진 모듈의 그룹으로부터 선택된 하나의 추진 모듈 유형인 하나 이상의 추진 모듈의 제2 세트를 포함하고,
    제1 세트의 추진 모듈은 제2 세트의 추진 모듈과는 다른 추진 모듈 유형으로 이루어지는 무인 운행체 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 제1 세트의 추진 모듈은 본체 커넥터 세트의 제1 본체 커넥터에 연결되도록 구성된 중앙에 위치된 제1 아암 커넥터를 구비하는 제1 아암과, 제1 아암의 대향 단부들의 두 개의 실질적 수직 배향 로터를 포함하고,
    제1 세트의 추진 모듈은 본체 커넥터 세트의 제2 본체 커넥터에 연결되도록 구성된 중앙에 위치된 제2 아암 커넥터를 구비하는 제2 아암과, 제2 아암의 대향 단부들의 두 개의 실질적 수직 배향 로터를 포함하고,
    제2 세트의 추진 모듈은 제1 본체 커넥터에 연결되도록 구성된 중앙에 위치된 제3 아암 커넥터를 구비하는 제3 아암과, 제1 아암의 대향 단부들의 두 개의 휠을 포함하고,
    제2 세트의 추진 모듈은 제2 본체 커넥터에 연결되도록 구성된 중앙에 위치된 제4 아암 커넥터를 구비하는 제4 아암과, 제2 아암의 대향 단부들의 두 개의 휠을 포함하는 무인 운행체 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 추진 모듈은 각각 제1 본체 커넥터 및 제2 본체 커넥터 양자 모두에 균등하게 연결될 수 있도록 구성되는 무인 운행체 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 제1 및 제2 본체 커넥터는 본체의 대향 종방향 단부들 상에 있고,
    제1 및 제2 세트의 추진 모듈의 각 추진 모듈은 아암에 고착되는 단부 캡 및 아암을 갖도록 구성되고, 단부 캡 각각은 그 각각의 아암을 본체 상에 종방향으로 보유하도록 구성되며,
    각 본체 커넥터는 아암 커넥터가 본체 커넥터에 연결될 때 아암을 합치식으로, 그리고, 종방향으로 수용하도록 구성된 홈을 갖도록 구성되고,
    본체 커넥터 홈은 아암 커넥터 단부 캡에 의해 수직 부하가 지지되지 않는 상태로 아암 커넥터 아암으로부터 모든 수직 부하를 직접적으로 지탱하도록 구성되는 무인 운행체 시스템.
  23. 무인 운행체이며,
    운행체의 동작을 제어하도록 구성된 제어 시스템과 임무 범위에 걸쳐 운행체를 위한 완전한 기동력을 제공하기에 적합한 전력 용량을 갖는 전원을 포함하는 본체로서, 본체의 대향 종방향 단부들 상에 제1 본체 커넥터 및 제2 본체 커넥터를 포함하는 본체와,
    제1 본체 커넥터에 제거가능하게 부착된 제1 추진 모듈로서, 본체를 지지하도록 구성된 제1 아암과, 임무 범위에 걸쳐 운행체를 이동시키기 위한 추진력을 제공하기 위해 전원으로부터의 전력을 사용하도록 구성된 하나 이상의 모터와, 제1 단부 캡을 포함하는 제1 추진 모듈과,
    제2 본체 커넥터에 제거가능하게 부착된 제2 추진 모듈로서, 본체를 지지하도록 구성된 제2 아암과, 임무 범위게 걸쳐 운행체를 이동시키기 위한 추진력을 제공하도록 전원으로부터의 전력을 사용하도록 구성된 하나 이상의 모터와, 제2 단부 캡을 포함하는 제2 추진 모듈을 포함하고,
    제1 본체 커넥터는 제1 아암을 합치식으로, 그리고, 종방향으로 수용하도록 구성된 제1 홈을 갖도록 구성되고, 제1 홈은 제1 단부 캡에 의해 수직 부하가 지지되지 않는 상태로 제1 아암으로부터의 모든 수직 부하를 직접적으로 지탱하도록 구성되며,
    제2 본체 커넥터는 제2 아암을 합치식으로 종방향으로 수용하도록 구성된 제2 홈을 갖도록 구성되고, 제2 홈은 제2 단부 캡에 의해 수직 부하가 지지되지 않는 상태로 제2 아암으로부터의 모든 수직 부하를 직접적으로 지탱하도록 구성되고,
    각 단부 캡은 그 각각의 아암을 본체 상에 종방향으로 보유하도록 구성되는 무인 운행체.
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