KR20160094619A - 스마트폰 기반 무인비행장치를 이용한 자율비행 배송장치 - Google Patents

스마트폰 기반 무인비행장치를 이용한 자율비행 배송장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트폰을 기반의 무선비행체를 활용한 물류배송시스템이다. 이용자는 온라인 또는 모바일로 배송이 필요한 물품을 무선비행체를 위해 고안된 범용 캐리어에 넣은 후 배송요청을 한다. 배송요청을 받은 물류 통제센터에서는 무인비행체의 스케쥴링을 통해 물류 수령과 운송 그리고 배송을 실시한다. 물류의 수신과 발신에 있어 무선비행체는 통제센터에 보고를 하며, 이 내용에 따라 통제센터는 이용자에게 SMS등 연락수단을 통해 현재상태를 실시간 전송하게 된다.
무선비행체는 스마트폰에 있는 센서와 통신장비를 활용하여 무선 비행을 진행하며 무선비행체의 비행거리를 확장하기 위해 무선충전소를 이용한다.
무선비행체는 공중 배송으로 인한 배송의 한계점을 극복하기 위해 범용캐리어를 사용하며, 이 캐리어는 모듈식으로 조립된다. 이러한 조립된 캐리어를 수송하기 위해 복수의 비행체가 활용되며 복수의 비행체는 서로의 역활을 나누어 거기에 맞는 비행역활을 진행한다.

Description

스마트폰 기반 무인비행장치를 이용한 자율비행 배송장치 {The autonomy flight delivery dron base on smart phone system}
본 발명은 지상 물류의 포화를 해결하기 위한 스마트폰 기반 반의 무인비행체를 이용한 무인, 자율비행, 공중 물류 시스템에 관한 발명이다.
최근 지상물류와 포화로 인한 직간접적 물류비용 증가로 인한 기업의 경쟁력 약화와 함께 환경공해 및 기타 사회적 비용이 증가하는 추세이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 현재 미개척분야인 공중 영역을 개척 활용하여 단거리 및 중거리 물류 시스템의 혁신을 도모함을 목적으로 한다.
1. 무선비행체 항법장치의 배경기술
1) 무인비행체의 자율비행을 위한 정밀한 항법 정보 제공 기술 부족
현재의 무선 비행체의 항법장치가 생략되어 지령자가 무선 통신을 통한 수 동 직접 지령 방식이거나, 제한적인 민간 GPS 기반 기술을 이용하여 정확도가 떨어지는 문제로 인해 무인 비행체가 자율비행을 할 수 없는 문제가 있다.
2) GPS 항법정보를 받을 수 없거나, 방해로 인한 낮은 기술적 신뢰성
민간 GPS 기술은 기술의 기술적 강인성이 낮아, 도시와 같은 밀집된 건축물과 방해전파가 있는 지역에서 위치정보 수신 불량등의 문제가 발생할 수 있다. 이로 인해 무인 비행체가 자율적으로 신뢰성 높은 항법 정보를 얻을 수 없어, 무인비행체가 자율 비행에 어려움이 있다.
2. 무선 비행체의 모니터링, 통제, 지령을 위한 무선망의 한계
현재의 무선 비행체는 공용 주파수 대역의 무선망을 사용하기에, 무선 비행체의 항법, 비행, 물류 정보등의 송수신의 한계가 있으며, 별도의 무선망 또는 인공위성망을 구축하여 무선 비행체의 비행범위에 설치 및 주파수 할당을 위한 주파수 경매 절차에 참여해야 한다 이러한 문제로 인해, 무선 비행체를 통한, 상용화 서비스 시 경제성이 크게 떨어지며, 기술적인 난제를 가지고 있다.
3. 무선 비행체를 통제 전용 미션컴퓨터로 인한 경제성,유지보수 문제
현재의 무선 비행체는 무선 비행체의 비행을 통제하기 위해 무선 비행체에 특화되어 있는 전용 제어, 미션컴퓨터를 사용하고 있다 이러한 문제로 인해 개발 비용의 상승, 유지 보수와 관리의 어려움이 있다.
4. 다향한 수화물의 크기와 재질로 인한 자동화된 운송의 어려움
해상 운송에서 사용되는 콘테이너를 사용하지 않는 소화물의 운송의 경우, 화물 배송에 있어 자동화와 기계화에 어려운 문제가 있으며, 이로 인해 소규묘 화물의 비용상승, 도난 분실등의 배달사고, 화물 파손으로 인한 소비사 분쟁과 비용상승 사례가 발생하고 있다.
5. 정확한 배송 화물의 특정 불가로 인한 자동 수배송의 기술적 한계
현재의 수화물 시스템의 경우, 정확한 수화물의 적치위치를 특정하지 못하는 문제가 있다. 이로 인해 사람이 수화물의 수배송 프로세스에 참여하고 있으며 물류비용의 상승과 물류 사고의 원인이 되고 있다.
6. 무선 비행체의 배송 거리의 한계 극복
현재 사용되는 무선 비행체의 경우, 배터리 용량의 한계로 인해 중거리 이상 수송이 불가능 한 물리적 한계점이 있다.
상기에 열거된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 무선 비행체의 자율 비행을 위한 신뢰성 높은 항법 정보를 제공하기 위해 GPS(Global Positioning System) +INS(Inertial Navigation System ) +WPS (Wi-Fi positioning system)를 융합하여 신뢰성과 정확성이 높고 외부의 비행 항법 방해요소로 부터 강인성이 높은 항법 정보를 제공을 목적으로 한다.
또한 기존의 무선 비행체의 정보송수신, 통제 및 비행을 위해 사용하는 일반 통신망의 단점 (경제성, 통신범위 및 신뢰성)을 극복하기 위해 현재 사용중인 4세대 LTE 통신을 기반으로 무선비행체의 통신망으로 사용하며 무선 비행체의 미션 컴퓨터를 전용 미션 컴퓨터가 아닌 스마트폰 기반으로 제작하여, 유지보수와 경제성을 확보 한다.
무선 비행체를 이용한 다향한 크기와 재질의 수화물을 수송하기 위해, 무선 비행체를 위한 전용 콘테이너를 사용하여 기존의 수배송의 사고를 해결하며, 무선 비행체를 위한 전용 콘테이너를 모듈식으로 조립하여 고중량, 고부피의 수화물의 수배송을 가능하게 한다. 조립된 복수의 전용 콘테이너를 수송하기 위해 2대 이상의 복수의 무선 비행체를 MASTER-SLAVE 역활을 각각 분담하며, 무선 비행체 상호간 WIFI를 이용한 통신을 통해 비행 정보의 교환, 비행 통제 및 비행에 활용한다.
무선 비행체를 위한 콘테이너는 콘테이너의 위치를 특정하기 위해 비콘을 설치 한다. 범용 콘테이너에 설치된 비콘을 활용하여 정확한 콘테이너의 위치를 특정하여 무선 비행체가 수화물의 수령을 가능하게 한다.
현재의 무선 비행체의 경우, 무선 비행체의 배터리의 충전 전류량의 한계로 인해 중장거리 운송이 불가능 하나 기존의 발명된 자기유도 방식이 아닌 자기공명식 무선 충전장치를 통해, 범용 케리어를 달고 있는 상태에서 무선 비행체의 착륙 없이 비행중에 무선 비행체에 충전을 할 수 있다. 이러한 무선 충전소 운영으로 무선 비행체의 비행 운송거리를 확장한다.
상기 열거된 과제들을 해결하기 위해 본 발명인 스마트폰 기반 무인비행장치를 이용한 자율비행 배송장치는:
1. 무선 비행체의 통신, 통제, 비행을 위해 스마트폰을 기반으로 무선 비행체의 미션 컴퓨터가 운용되며
2. 무선 비행체의 정밀한 비행 항법 정보 전달과 외부 방해요인으로 부터 신뢰성 있는 항법정보 전달을 위해 GPS(Global Positioning System) +INS(Inertial Navigation System ) +WPS (Wi-Fi positioning system) 정보를 실시간 융합, 교차검증을 하는 로직을 사용하며
3. 다향한 크기와 재질의 수화물을 자동하화여 운송하기 위해 무선 비행체 범용 캐리어를 사용하며
4. 범용 케리어의 정확한 위치 파악과 화물 인수를 위해 비콘 기술을 활용하며
5. 범용 케리어에 표시되어 있는 QR코드를 통해 수화물의 정보를 확인하고 QR코드의 위상차를 통해 착륙에 필요한 정보를 획득하며
6. 고중량 고부피의 수화물을 운송하기 위해 여러개의 범용캐리어를 조립할 수 있는 모듈식 범용 캐리어를 채택하며
7. 복수의 모듈식으로 조립된 범용캐리어를 수송하기 위해 복수의 무선 비행체가 MASTER-SLAVE의 역확을 나누어 WIFI를 통해 상호 통신을 하며
8, 무선 비행체의 비행거리를 연장하기 위해 자기공명식 기반의 무선충전소를 운영한다.
스마트폰 기반의 무인비행체 물류시스템은, 현재 포화상태인 지상물류로 인한 직접비용 상승문제와, 이로 발생하는 간접비용인 환경문제를 해결하기 위해, 미개발 상태인 공중물류 영역을 개발하여 물류비용 감소를 통한 사회 전체의 공리를 확장할 수 있다.
도면 1은 무선비행체의 화물 인식 개념도이다
도면 2는 무선비행체와 수화물 사이에 고도에 따란 QR코드의 위상차를 나타낸 개념도이다
도면 3은 무선충전소 및 무선 충전 개념도 이다
도면 4는 무선비행체를 위한 범용 캐리어의 외형 구조도이다
도면 5는 모듈식으로 조립된 범용 케리어를 복수 무선비행체를 이용한 운송 개념도이다.
도면 6은 비행경로를 설정 시 무선충전소를 경유하는 프로세스를를 나타는 흐름도이다
도면 7은 무선비행체의 무선충전 과정을 나타내는 흐름도이다
1. 소프트웨어 구현방법
(1) 항법 및 비행 장치의 특징
1) 3가지 융합 기술을 통한 신뢰성 높은 무인비행체의 위치 특정 방법 제공
.가. 스마트폰을 장착한 무인비행장치에서 GPS(Global Positioning System) +INS(Inertial Navigation System ) +WPS (Wi-Fi positioning system)을 융합하여 무인비행장치가 자율비행을 진행.
a. 3가지 위치 정보의 융합을 통한 정밀한 비행 항법 정보 제공
GPS를 단독 이용시 발생할 수 있는 민간용 GPS 공산오차로 인한 비행실패 가능성 제거를 1차 목적으로 함. 민간용 GPS의 공산 오차로 인한 비행실패 가능성 제거를 위해 GPS(Global Positioning System) +INS(Inertial Navigation System ) +WPS (Wi-Fi positioning system) 3가지 비행 시작부터 누적된 절대값을 실시간 상호 비교를 스마트폰에서 진행하여 자율 비행을 실시
b. 발생 가능한 위치정보의 문제로 인해 발생하는 오류에 대한 기술적 강인성 제공
2차적으로 도시 건축물 및 전파 간섭 등으로 인해 GPS 음영지역 및 통신수신 불량으로 인한 자율 비행 오류를 예방을 위해, 위성기반위치 기술 GPS의 송수신 에러 발생시, 비행 시작 시 관성항법 기술 INS을 통해 축적된 비행경로 정보와, 도시에 설치되어 있는 WIFI를 이용한 삼각측량 기술WPS 2 가지의 기술을 융합하며 GPS 신호 문제로 인한 오류를 극복.
(2) 스마트폰을 이용한 항법, 통신, 비행의 특징
1) 스마트폰을 LTE 무선통신 기술을 이용한 실시간 비행 정보 전달, 비행제어 및 미션제어기능
대한민국의 4세대 상용무선정보통신망의 서비스 범위는 99% 이상으로 스마트폰을 이용한 무인비행체의 실시간 비행정보 전달, 비행제어 및 미션제어 기능을 구현
가. 스마트폰 무선통신망을 이용한 비행정보 전달.
a. 무선통신망을 이용한 비행 모니터링 기능 제공.
스마트폰에 내장되어 있는 센서와 비행제어, 항법, 미션을 제어하는 중앙 제어앱의 정보를 통합하여 관제센터를 통해 실시간 전달. 이를 통해 비행체의 모든 정보를 실시간 모니터링 하며, 비행체의 이상여부를 감시한다.
b. 무선 통신망을 이용한 수동 비행 (주변환경) 정보 전달.
- 스마트폰의 USB-OTG 기술로 연결되어 있는 외부 카메라와 마이크를 통해 수집된 주변 화상, 음성 정보 가 관제센터로 실시간 전달이 되며 이는 수동 비행제어, 외부와의 오프라인 커뮤니케이션에 할용이 된다.
나. 스마트폰 무선통신망을 이용한 비행제어
스마트폰에 설치되어 있는 중앙통제앱을 통해 자율비행중, 통제센터의 필요등에 의해, 외장 카메라등에 의해 수집된 카메라를 통해 수집된 정보를 바탕으로 비행체에 대해 수동 비행을 실시한다.
2) 스마트폰의 GPS, WPS, 자이로스코프, 가속센서를 이용한 신뢰성 높으며 기술적 강인성이 항법기능
스마트폰에 장착되어 있는 GPS, WPS, 자이로스코프, 가속센서를 이용하여 3가지 항법 정보를 제공하며 3가지 항법장치중 1개의 기술적, 환경적 오류에 대비를 할 수 있으며, 상호 항법 데이터를 실시간 교차검증을 통해, 자율비행에 필요한 정밀도가 높으며 신뢰성을 담보한다.
3) 스마트폰 센서를 이용한 비행 수평자세 자율제어 기능
스마트폰에 있는 센서를 활용하여 이륙, 비행, 착륙시 안정적인 자세제어가 가능하며, 비행중 자연환경요소와 인공환경요소 등으로 발생할 수 있는 비행자세 문제를 자율제어를 통해 활용한다.
4) 미션 컴퓨터가 아닌 상용 스마트폰 이용을 통한 경제성 확보와 개발의 용의성.
기존 무선비행체의 경우, 미션 컴퓨터의 탑제로 인해, 비용의 상승, 유지보수의 어려움등이 있으나, 스마트 폰을 사용할 경우 무인비행체의 소형화, 경랑화에 도움이 되며, 미션중 유연한 대처를 실시한다.
(3) 근거리 무선통신 기술을 응용한 물류 수신,발신 위치 특정
1) 비콘-블루투스를 이용한 착륙지점 특정 기술
기존 GPS 좌표 방식의 착륙 방식은 기술의 특성으로 인해 외부 요소에 의한 기술적 강인성이 떨어지며, 민간 GPS의 공산오차로 인해 정확한 물류 배송이 불가능하다. 이러한 단점을 극복하기 위해 스마트폰의 블루투스 센서와 비콘 기술을 결합하여, 화물의 정확한 위치를 특정한다. 일반적으로 민간 GPS 공산 오차가 17M~35M보다 작은 비콘의 공산오차인 0.05M를 활용하여 화물 캐리어에 내장되어 있는 비콘의 발신신호를 바탕으로 정확한 화물위치 특정, 화물을 인수, 인계 할 수 있다.
무인비행체는 중앙 통제소로부터 받은 미션을 통해, GPS경로를 따라 목적지에 이동을 하게되며 목적지 근처까지 이동을 한다. 이동 후 비행가능한 최대 기술설계 고도인 80M 까지 (70M, 비콘의 최대 신호 송출거리/건물 15층 높이) (미국연방항공청 FAA에서는 400ft /120m까지 무선비행체의 비행 허가) 상승한다. 상승 후 블루투스 장치를 가동하여 화물 캐리어에 부착되어 있어 신호를 발신하는 비콘을 탐색한다.
탐색된 비콘 신호의 강도에 따라 최종 접근 비행을 진행하며, 화물 캐리어와 비행체와 화물을 수직축으로 일치시키는 비행을 하며 이는 화물은 수령을 위한 감속비행 전 단계이다.
도 1. 무선 비행체의 화물 인식 개념도를 나타낸다
Figure pat00001

2) 착륙 지점 접근 화물 캐리어 탐색 비행 기술
비콘으로 유도된 착륙지점에 이동 후 비콘신호 위에 정지 후 무선비행체 하단에 있는 카메라를 통해 무선 비행체 아래의 지상 촬영을 시작한다. 하방탐색 카메라의 촬영을 통해 콘트라스 AF방식으로 화물 캐리어 외벽에 있는 QR코드 인식시도를 한다. 촬영을 통해 화상에 인식된 QR코드의 X,Y 좌표를 인식한다. 인식 후, 절대값인 0,0을 보정 비행을 통해 수화물 캐리어와 무선비행체를 일치시킨다.
만약, 비콘신호로 유도된 착륙지점에서 하방 탐색카메라의 촬영결과 QR코드를 확인이 안되는 경우, 비콘 신호를 기준점으로, 하방탐색 카메라가 인식할 수 있는 촬영 면적의 50% 만큼을 시계 반대 방향으로 확장되는 소용돌이 동심원 모양의 탐색 비행을 실시한다. 소용돌이 동심원 모양의 탐색 비행 중 무인비행체 하단에 있는 카메라로 화물 캐리어에 달려 있는 QR코드 읽기 작업을 실시간 진행하며, 화물의 정확한 위치 특정을 한다. 특정이 된 후 QR코드와 무인비행체를 수직축으로 일치키는 보정 비행을 하며 착륙작업을 진행한다.
3) 비행고도에 따른 화물 캐리어 인식 QR코드 위상차이를 통한 화물 집화.
크기가 표준화된 QR코드는, 정사각형의 모양으로, 화물 캐리어 6면 정중앙 위에 동일한 크기로 표기가 되어 있다. 같은 도형의 크기는 촬영시점과 피사체와의 거리에 따라 달라지는 면적의 크기를 응용하여, 피사체와의 거리를 측정할 수 있다.
앞서 기술된 착륙과정에 의해 화물 캐리어 위에 무인 비행체와 수직축으로 일치 후, 무인비행체 하방 탐색 카메라를 통해 1차 촬영을 실시 한다. 촬영된 QR코드의 가로축과(X) 세로축을(Y) 곱한 면적(XY)을 산출한다. 카메라를 통해 산출된 고유한 QR면적은 (XY) 고도(XYH)에 따라 고유한 면적의 크기가 다르다. 이점을 착안하여 촬영되어 연산된 QR코드의 크기인 (XY) 따라 미리 계산되어 있어 대응되어 있는 고도값(XYH)을 비교하며 무인비행체의 상대 감속 속도(XYHS)를 결정하며 하나의 시퀸스 완성 후 하위 시퀸스로 넘어가는 순서에 따라 비행속도를 감소 시킨다.
QR코드 위상차에 따른 현재 고도와 감속 값은 다음 표1과 같이 표현될 수 있다.
순서 촬상면 X축 촬상면 Y축 총면적XY 화물 상대고도H 상대 감속속도S
11 X1 Y1 XY1 (pxel) XYH1 (cm) - XYHS1 cm/s
10 X2 Y2 XY2 (pxel) XYH2 (cm) - XYHS2 cm/s
9 X3 Y3 XY3 (pxel) XYH3 (cm) - XHHS3 m/s
중략 중략 중략 중략 중략 중략
2 X7 Y7 XY7 XYH7 (cm) - XYHS7 cm/s
1 X8 Y8 XY8 XYH8 (cm) - XYHS7 cm/s
0 X9 Y9 XY9 0 (cm) - 0 cm/s
이러한 과정을 통하여 최종 착륙시까지 QR 코드에 면적(XY)에 사전에 연산되어 대응하는 화물과의 상대 고도계값과(XYH) 상대감속속도(XYHS) 비교하여 착륙을 시킨다.
도2.고도에 따른 QR코드의 위상차
Figure pat00002
4) 화물 캐리어 인식 QR코드를 통한 정보 및 미션 인식
착륙 중 캐리어 위에 인쇄되어 있는 QR 코드를 촬영하여, 통제 센터와 통신을 하며, 통신 결과인미션을 받아 사용자가 인터넷 또는 모바일로 입력한 화물의 배송 미션을 진행한다.
2. 하드웨어 구현방법
(1) 스마트폰 기반의 무인 비행체로서의 특징
1) 스마트폰 기반의 무인비행체로서의 경제적 장점
기존의 무인비행체가 별도의 미션컴퓨터를 장치하며, 외장센서를 연결해야 하는 단점으로, 비용의 상승과 유지보수의 어려움이 존재. 그러나, 스마트폰 기반의 무인비행체의 경우 이러한 단점을 극복할 수 있는 장점이 있다.
2) 스마트폰 기반의 무인 비행체로의 유지보수의 장점
기존의 무인비행체의 범용성이 낮음과 전용 미션컴퓨터의 탑재로 인해, 개발에 어려움이 있으나, 스마트폰 기반의 무인비행체의 경우 일반 상용 스마트폰을 활용하여 이러한 유지보수의 어려움을 해결할 수 있다. 또한 무인비행체의 통제 소프트웨어 관리를 위해 기존에는 전문적이며 특화된 비행제어 소프트웨어 개발자가 필요로 하나, 스마트폰 기반의 무인비행체의 유지보수에는 스마트폰 개발자를 활용할 수 있어, 인력관리에 장점이 있다.
(2) 무인비행체에 상용네트워크를 통한 통신과 제어를 통한 특징.
1) 무선통신 서비스 범위가 안정적이며, 빠른 상용 무선통신 활용
대한민국의 경우 99% 이상, 4세대 LTE 서비스를 이용중이며, 이를 이용하여, 전국적인 서비스가 가능한 특징. 또한 도시 환경에서 건축물 및 외부 환경으로 인해 흔히 발생하는 통신장애에 기술적 강인성을 갖으며, 빠른 무선 통신망 활용을 통해 무인비행체의 실시간 외부정보의 전달이 가능하다.
2) 상용 무선통신망을 이용한 비용절감.
무인 비행체에 전용 미션컴퓨터를 이용할 경우, 미션 컴퓨터를 위한 전용네트워크를 확보해야 하며, 주파수 대역할당 및 무선망 설립에 비용이 발생을 한다. 이러한 비용적 문제를 현재 상용 무선망을 사용함으로 해결할 수 있다.
(3) 무인비행체용 표준 범용 캐리어를 사용을 통한 특징
1) 무인비행체를 위한 표준화 범용 캐리어.
무인비행체를 위한 표준화 된 범용 캐리어를 사용한다, 범용 캐리어는, 화물 수탁자가 화물을 넣은 후 어떠한 방향으로 화물 캐리어를 적치를 해도 무인비행체가 견인이 가능하도록 정육면체의 모양을 갖는다. 각각의 정육면체 면 한가운데에는 화물 캐리어 마다 고유 값을 갖는 QR코드를 갖으며, 또한 하단에는 사람이 읽을 수 있는 고유 일련 번호를 표기한다.화물 캐리어로서 내부 화물의 보호를 위해 카본 재질로 제작한다. 화물 캐리어는 캐리어를 펴서 보관할 수 있도록 구조를 가지고 있으며, 정육면체의 캐리어 모서리 면에, 무인비행체가 화물을 견인할 수 있는 홈을 판다. 홈의 크기는 무선비행체의 화물견인 후크보다 약간 큰 7cm로 모서리의 한가운데에 위치한다.
또한 캐리어에 접착형의 무선 비콘을 설치하여 화물의 위치 정보와 함께, 범용 캐리어의 고유 일련번호 정보를 발신한다. 비콘에게 발신전원을 공급하기 위한 작은 충전형 전원공급장치가 내장되어 있으며 이는 무선 비행체의 견인 후크에 견인되었을 때 후크를 통해 범용 캐리어 비콘의 충전형 전원 공급장치로 충전전류를 공급한다.
이용자가 화물을 넣고 난 후, 잠그는 시건장치가 비콘의 작동 스위치 기능을 하며, 잠겼을때 전원을 공급하며, 열려 있을 때 전원을 공급하지 않는다.
각각의 범용 캐리어는 이용자가 수탁하려는 화물에 크기에 대응하기 위해 50cm/75cm/100cm/120cm/150cm로 총 5 종류로 구성이 되며, 각각의 범용 캐리어의 크기에 따라 적재 가능한 수화물의 부피와, 무게가 정해진다.
이러한 범용 캐리어의 사이즈에 따라, 무선비행체 공항에서는 각각의 다른 사이즈의 무선비행체를 출발 시켜 화물을 배송하게 된다.
2) 무인비행체에 정보를 전달하는 범용 캐리어용 QR 코드
각각의 사각형 범용 캐리어에는 고유일련번호와 고유 QR코드가 있으며 이런 정보를 읽고 통제센터와 통신을 하여, 미션을 하달 받고, 미션을 진행한다. 이러한 고유인식번호와 고유 QR코드로 인해, 착륙지점에 여러 개의 화물이 있어도, 각각의 개별의 화물의 미션을 정확히 인식할 수 있다.
도3. 범용 캐리어의 외형, 단면도, 전개도
Figure pat00003

3) 복수 무선비행체와 모듈식 조립을 통한 고중량, 고부피 화물의 운송 특징
범용 캐리어의 경우 정사각형의 모양으로 인해 중량과 부피가 큰 화물에 대해 운송에 제약이 있을 수 있다, 이 점을 해소하기 위해, 복수의 범용 캐리어를 연결, 조립하는 모듈 방식의 기술을 사용하여 이러한 단점을 극복한다. 각각의 범용 캐리어의 한쪽면을 분리하며, 분리된 면끼리 서로 연결하며, 연결부위에 고정형 핀을 통해 모듈간의 결합을 진행한다.
또한 각각의 모듈의 크기에 맞는 무선비행체를 연결된 모듈의 개수만큼 배송에 참가시켜 중량과 부피의 문제를 극복한다.
조립한 각각의 범용 캐리어의 개수만큼 무선비행체 공항에서 출발을 시키며 각각의 1개의 모듈마다 1개의 무선 비행체를 출발 시킨다. 출발 시킨 무선 비행체는 각 모듈에 착륙하여 견인 후크를 고정 시킨다. 고정 시킨다. 고정 후 각각의 무선 비행체는 미션준비 메시지를 통제센터에 전송한다. 통제 본부에서는 각각의 무선비행체에 연합 배송 미션전송하며 전송 시 참여하는 무선비행체 스마트 폰의 MAC 주소를 통보한다. 각각의 MAC주소를 통보 받은 무선비행체의 스마트폰은 WIFI를 작동하여 서로의 MAC주소 확인과 통신을 위한 동기화 작업을 진행한다.
동기화 작업 후, 통제 본부에서 임의의 1대의 무선비행체 스마트폰에게 배송미션, 비행통제를 관할하는 MASTER 권한을 부여하며, 나머지 무선 비행체 스마트폰에게는 비행수행과, 비행통제에 필요한 정보를 발신하는 SLAVE 권한을 부여한다.
부여된 권한을 확인 후, MASTER 기능을 하는 무선비행체 스마트 폰은 SLAVE 기능을 하는 무선 비행체에게 WIFI를 통한 비행통제 기능을(비행 출력지시, 비행방향지시등) 수행한다. SLAVE 기능을 하는 무선 비행체의 스마트폰은 WIFI를 통해 지시받은 내용을 바탕으로 비행수행을 하며 MASTER 기능을 하는 스마트 폰에게 비행통제에 필요한 기초 모니터링 정보를(배터리량, 진행방향, 출력상태, 수평상태등)을 전달하여 비행통제를 돕는다.
도5. 복수 무선비행체와 모듈식 조립을 통한 고중량, 고부피 화물 운송
Figure pat00004
(4) 무선 비행체의 무선 충전 기술활용 특징
1) 무선 충전 기술을 이용한 비행거리 확장
통제센터서는 물류 미션수령 후 이동경로와 거리를 연산, 자신의 비행할 수 있는 거리를 비교 한다. 비행거리에 비해 물류 배송거리가 긴 경우, 배송경로에 가까운 무선 충전장치를 탐색하여, 경유지로 비행경로로 설정한다. 경유지로 설정된 무선 충전 장치로 이동을 무선 충전을 통해 비행거리를 확장한다.
도6. 무선비행체 비행경로 중 무선충전소 경유 과정
Figure pat00005

2) 무선충전소의 자기공명방식 무선충전장치의 특징
무선충전소의 무선충전장치는 무선 비행체가 착륙 없이 제자리 비행을 통해 외부 충전을 받을 수 있는 무선 자기공명방식의 충전 원리를 사용한다. 현재 특허출원이 되어 있는 자기 유도방식의 충전방식에 비해 아래와 같은 특징을 갖는다.
가, 범용 캐리어를 장착중인 무선 비행체의 충전 가능
자기유도 방식의 무선충전은 충전거리가 수 CM로 충전거리가 짧아 무선비행체의 하단에 범용 캐리어를 장착하였을 경우 무선충전이 불가능한 단점을 자기공명 방식의 무선충전으로 해결할 수 있다.
나. 충전소의 복잡한 유도 장치의 불필요
자기유도 방식의 무선 충전은 기본적으로 충전패드에 착륙이 필수적이다. 이로 인해 착륙을 무선 충전소에서 진출입을 유도할 정밀한 센서장치와 통제시설이 필요하다. 그러나 자기공명방식의 무선충전장치는 송수신 코일 사이의 자기장으로 충전하는 원리로, 양쪽 코일 (충전 게이트)사이에 비행체를 제자리 비행을 명령하면 되는 기술적 장점이 있다.
다. 무선충전소의 전개와 소개의 용이
- 자기공명방식의 무선충전장치는 회로와 콘덴서가 필요한 자기유도방식에 비해 구조가 간단하다. 이로 인해 무선충전소의 전개와 소개가 용이하며, 충전 패드가 필요한 자기유도방식의 특성으로 인해 설치장소의 제약이 적다.
3) 비콘기반의 무선 충전장치의 무선 비행체 유도 방법
무선충전소에 설치되어 있는 복수의 무선충전 장치인 충전게이트는 는 평지 또는 옥상에 스텐드 형식으로 설치되어 있다. 각각의 충전패드는 비콘을 통해 무선충전소에서 인식기호와, 위치 그리고 충전여부를 알리는 신호를 발송한다.
각각의 충전게이트에 무선충전이 가능한 경우 비콘은 고유값을 발신하며, 충전게이트에 각각 달려있는 전력량계를 통해 충전중인 경우로 인식되는 경우와 충전완료 후 5분 동안은 충돌방지를 위해 비콘 신호를 발신하지 않는다.
이는 아래의 표2로 표현할 수 있다
위치 NL NM NR
U NLU1 NMU1 NRU1
M NLM0 NMM1 NRM0
L NLL1 NML0 NRL0
행렬식의 기호는 아래를 의미한다.
세로열 N : 충전 시 무선 비행체 진입방향 표시문자
세로열 L : 충전소 충전게이트 왼쪽행 할당문자
세로열 M : 충전소 충전게이트 중앙행 할당문자
세로열 R : 충전소 충전게이트 오른쪽행 할당문자
가로열 U : 충전소 충전게이트 첫번째열 할당문자
가로열 M : 충전소 충전게이트 두번째열 할당문자
가로열 L : 충전소 충전게이트 세번째열 할당문자
숫자 0 : 대기중 (비콘 유도신호 발신)
숫자 1 : 충전중 (비콘 유도신호 중지)
도4. 무선충전소 및 무선 충전 개념도
Figure pat00006

무선 비행체는 충전소 50m 지점에서 블루투스 장치를 가동하여 무선충전소의 모든 무선충전게이트 비콘 정보를 수신한다. 무선 충전소의 비콘 정보를 수신 후 통제센터에 충전 스케줄링 요청을 무선통신망을 이용해 비행통제소로 요청한다. 스케줄링 요청에 따라 비행통제소에서는 충전게이트 진입 순위와 충전 게이를를 지정한다.
충전 순위는 배터리의 잔량의 순서에 따라 충전 스케줄링이 정해지며, 충전소에 유휴 충전 게이트에 배정을 한다. 만약 충전 가능한 충전게이트가 없을 경우 통제 본부에서는 충전소 주변에 대기장소 설정된 지역으로 이동을 시키며, 대기지역 내 임의의 지점을 각각의 충전이 필요한 무선비행체에 할당하여 대기시킨다.
대기 장소에 대기하는 무선 비행체는 통제 센터로부터 충전 개시 명령과 함께 할당 충전 게이트 정보를 수신한다. 수신 후 할당된 충전게이트와 일치하는 비콘 신호에 따라 충전 게이트 위치로 이동을 하며, 충전 게이트 로 진입시에는 통제본부로부터 수신한 충전 게이트 진입고도값과 (충전 게이트 절대 고도값 +5m) 진입방향 정보대로 진입을 한다. 무선 비행체에가 각각의 무선충전게이트 위에서 충전게이트 사이에 설치된 비콘신호를 탐지하여 충전 정위치에 도착 한다. 도착 후 충전 고도인 0.5M ~2M 사이에 (무선 충전게이트의 게이트 높이) 하강하여 비행 중 무선충전을 시작한다.
전력량계의 전력 소모량을 무선충전소에서 모니터링 하며, 더 이상 충전이 이루어지지 않는 경우, 통제센터에 충전완료를 보고 한다. 충전완료 보고를 수신한 중앙통제 센터에서는 무선비행체에 충전상황을 보고 요청을 하며, 무선 비행체는 배터리 잔량을 보고한다. 무선 충전소의 신호와 통제센터로 전송된 양쪽의 데이터를 확인하며, 이상이 없는 경우 비행재개 지시를 무선비행체에 지시 한다. 비행재개 지시를 받은 무선비행체는 진입고도로 상승 후, 무선 충전소를 이탈하며, 다시 비행을 재개 한다.
중앙통제 센터에서는 무선 비행체의 무선충전 시도와, 충전 완료 후 비행을 위한 진출의 안전을 위해 1대의 무선 비행체의 진출입 시에는 다른 비행체의 진출입을 금지한다.
4) 무선 충전 기술을 이용한 비상 상황 대처
배송 비행 중, 남은 비행거리와, 비행가능 거리를 매 5분 마다 주기적으로 비교 한다. 비행 외부 환경 (기상,풍향) 및 자체의 문제 (기계적 문제)로 배터리가 부족하여 목표에 도착하기 어려운 경우, 통제본부에 배터리 부족 메시지를 수신하며, 주변에 무선 충전소 정보를 확인하여 무선 비행체에 전송을 한다. 수신된 무선 충전소 정보를 바탕으로, 무선비행체는 기존의 비행 미션을 일시 중단하며 무선 충전소로 비행하여 무선충전을 실시한다.
도7.무선 비행체의 무선 충전 과정
Figure pat00007
도 1 도2
100 : 무선비행체 110 : 범용화물캐리어
200 : 비콘 210 : QR 코드
300 : 화물 310: 일련번호
도3 도4
210 : QR 코드 200 : 비콘
310 : 일련번호 410 : 전력선
120 : 견인 구멍 510 : 전력계
220 : 시건장치 겸 비콘 스위치 700 : 무선비행체
400 : 화물 견인 후크 겸 외부 전원공급장치
410 : 전력선
420 : 충전형 비콘 전원 공급 장치
도5 도6
110 : 범용캐리어 800 : 프로세스 시작
210 : QR 코드 810 : 물류 미션 수령
220 : 시건장치 겸 비콘스위치 820 : 배송경로 연산 및 확정
230 : 연결핀 830 : 배송거리와 비행거리의 비교
310 : 일련번호 840 : 무선 충전소 탐색
710 : MASTER 무인비행체 850 : 비행경로 수정
720 : SLAVE 무인비행체 860 : 무선충전소 기점 배송거리 비행 가능거리 비교
870 : 비행시작
880 : 배송불가
도7
800 : 프로세스 시작
900: 무선 비행체의 충전요청
910 : 통제센터의 무선충전소 검색 및 정보 송신
920 :무선 비행체의 무선 충전소 이동 비행
930 : 무선충전소 접근 시 무선충전소 표지비콘 검색
940 : 통제센터에게 무선충전소 도착 메시지 송신
950 : 무선충전소 유휴 패드 여부
960 : 유휴 충전게이트 할당
970 : 할당 충전게이트 이동
980 : 무선비행체의 충전 진행
990 : 무인비행체/충전게이트 충전완료 통제센터 전송
1000 : 통제센터 비행재개 지시
1010: 비행재개
1020 : 대기 비행지시

Claims (12)

  1. 스마트폰 기반의 무인비행체를 통한 물류 배송 시스템에 있어
    이용자가 인터넷 또는 모바일을 통해 무인비행체를 통한 배송 신청 및 정보를 입력하는 입력부;
    상기 이용자로부터 입력을 받은 정보를 바탕으로 배송이 가능 여부를 판단하여 이용자에게 결과 안내와 이용요금 결제를 요청하는 출력부
    상기 정보를 바탕으로 이용자가 무인비행체를 통해 물류를 배송하는데 드는 비용을 송금 및 결제하는 결제부
    상기 정보를 바탕으로 무선비행체의 비행일정을 산출하며 관리하는 비행관리부
    상기 정보를 바탕으로 발신자가 발신한 물류를 무선비행체를 통해 수령을 하며 운반중인 물류를 수신자에게 배달하는 물류부
    상기 비행정보를 바탕으로 물류의 수령, 배송 및 배송예정을 SMS로 이용자에게 자동 발송하는 발송부
  2. 청구항 제1항에 있어서 무선비행체의 비행, 통제, 통신을 위해 미션 컴퓨터 대신 활용이 되는 스마트폰의 활용기술
  3. 청구항 제 2항에 있어서 정밀하며, 신뢰성 높은 항법 정보를 제공하기 위해
    GPS(Global Positioning System) +INS(Inertial Navigation System ) +WPS (Wi-Fi positioning system)3가지의 정보를 융합하여 실시간 비교하여 무선비행체와 통제센터에 제공하는 방법
  4. 청구항 제 2항에 있어, 스마트폰 기본 탑제 내장센서인 나침판, 자이로스코프, WIFI, 가속계, 수평계를 활용하여 무선비행체의 비행 항법 정보 획득 방법.
  5. 청구항 제 2항에 있어, 무선비행체의 통신, 통제, 통신 범위의 확장 그리고 경제성 확보를 위한 상용 LTE 무선 네트워크망 활용 방안
  6. 청구항 제 1항에 있어, 무선비행체가 운송하고자 하는 화물의 정확한 위치를 특정하기 위한 블루투스-비콘을 활용한 기술
  7. 청구항 제 6항에 있어, 화물의 위치특정을 위한 비콘이 창착된 무선비행체용 범용캐리어
  8. 청구항 제 7항에 있어 범용캐리어에 장착된 비콘의 전원공급장치 및 전원충전장치, 비콘의 스위치 역활을 하는 범용캐리어 시건장치


  9. 청구항 1에 있어, 정확한 화물의 정보확인과, 범용캐리어에 적재되어 있는 화물의 견인을 위해 고도에 따른 QR코드의 면적크기 위상차를 활용한 무선비행체의 비행제어 방법

  10. 청구항 제 1항에 있어 고중량, 고부피의 물건을 배송하기 위한 범용케리어의 모듈식 조립기술을 활용한 범용 캐리어의 확장기술
  11. 청구항 제 10에 있어 확장된 범용 캐리어의 수송을 위해 2대 이상의 무선비행체의 역활분담 (MASTER-SLAVE)을 통한 수송 방법

  12. 청구항 제1에 있어, 무선비행체의 운송거리 기술을 확장과 물류 운송중 용이한 충전을 위한 자기유도 방식의 무선충전소 활용 및 운영 방법
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