KR20160125589A - 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템은 블레이드 기반의 소형 무인비행체에 설치되어 상기 소형 무인비행체의 비행 자세를 안정화 시키기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 블레이드에 설치되는 초음파 센서, 및 상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 거리를 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체가 구조물로부터 설정된 거리를 자동으로 유지하도록 상기 블레이드를 구동하는 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어하는 제어모듈을 포함한다. 또한, 상기 제어모듈을 상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 경사각을 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체의 기울기가 설정된 기울기를 유지하도록 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어한다.

Description

소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템{Apparatus for attitude stabilization of small unmanned aerial vehicle}
본 발명은 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형 무인비행체를 이용하여 구조물 모니터링을 하는 경우 소형 무인비행체의 비행 자세를 안정적으로 하여 구조물 검사를 위한 영상 및 각종 데이터를 안정적으로 수집하기 위한 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템에 관한 것이다.
최근 산불이나 재해 발생 시 헬리콥터를 이용하여 현장 상황을 파악하는 경우가 대부분이다. 하지만 헬리콥터를 대신하여 소형 무인비행체에 무선 송수신 장치를 탑재하여 실시간으로 상황을 모니터링 하는 지능형 비행로봇 연구가 활발히 진행되고 있다.
소형 무인비행체(Unmanned aerial vehicle:UAV)는 조종자가 탑승하지 않은 비행체로 지상에서 원격으로 조정하는 사람이 따로 존재하며, 벌이 윙윙 거린다는 의미의 드론(drone) 이라고도 불린다. 이러한 무인 비행체는 종래에 정찰표적용으로 사용되거나 군사용으로 사용되다가 최근에는 민간 및 연구 조사용으로 다양하게 활용되고 있다.
현재 무인비행체 제어 기술은 다큐 촬영이나 농약 살포 등 다양한 분야에 적용하기 위해 다양한 연구가 진행중이고, 영상 분석 기술은 화재 감시, 동작 감시 등 물리적 센서를 대체하기 위한 기술 개발이 상당한 수준까지 진행되고 있다. 특히 인명구조를 비롯하여 교통통제, 기상정보 수집, 산불예방 감시, 불법 건축물 단속 등 다용도의 감시 및 모니터링 기술은 다방면에 활용할 수 있다는 장점으로 각광받고 있다. 따라서 소형 무인비행체를 이용한 모니터링을 위해서는 모니터링 요원이 전문 지식이나 경험이 없더라도 비행체를 무선으로 조작하여, 흔들림 없는 안정된 영상과 데이터 수집의 중요성이 크게 부각된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0081500호(2012.07.19. 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 초음파 센서를 이용하여 소형 무인비행체와 모니터링 대상인 구조물 간의 거리를 실시간으로 파악하고 설정된 고도와 거리를 자동으로 유지하며 또한 비행체의 기울기를 안정적으로 유지하기 위한 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템은, 블레이드 기반의 소형 무인비행체에 설치되어 상기 소형 무인비행체의 비행 자세를 안정화 시키기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 블레이드에 설치되는 초음파 센서; 및, 상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 거리를 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체가 구조물로부터 설정된 거리를 자동으로 유지하도록 상기 블레이드를 구동하는 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어하는 제어모듈을 포함한다.
또한 상기 제어모듈을 상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 경사각을 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체의 기울기가 설정된 기울기를 유지하도록 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어하게 된다.
본 발명에 바람직한 실시예에 따르면 상기 초음파 센서는 상기 블레이드의 하단면에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 소형 무인비행체는 블레이드가 4개인 쿼드콥터, 블레이드가 6개인 헥사콥터, 블레이드가 8개인 옥코콥터 중 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 초음파 센서를 이용하여 구조물과의 거리 및 비행체의 기울기에 따라 비행체 블레이드의 RPM을 제어하여 안정된 자율 비행을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 무인비행체의 기울기 실험을 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 을 참조하면 소형 무인비행체를 제어하기 위한 시스템은 지상의 무인 조정기(110)를 포함하는 지상 기지국(100), 통신 네트워크 및 소형 무인비행체(200)로 구성된다.
지상에서 조종사는 무선 조정기(110)를 이용하여 구조물 모니터링을 위해 소형 무인비행체의 비행을 조정하게 된다. 한편 지상 기지국은 무인 조정기 이외에 소형 무인비행체(200)로부터 수신되는 각종 영상 데이터나 센서 데이터들을 수집하고 이들로부터 필요한 정보를 분석하는 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 소형 무인비행체(200)는 멀티콥터가 적용된다.
멀티콥터는 헬리콥터의 단점을 보완하여 개발된 것으로써, 이웃하는 각각의 프롭을 역으로 회전시켜 동체 회전 없이도 안정된 자세 제어가 가능하다. 프롭 수가 많을수록 강한 동력을 얻을 수 있어 이착륙이 매우 용이하고, 안정된 비행 제어가 가능한 장점도 지니고 있다. 멀티콥터는 크기에 따라 멀티콥터 및 마이크로콥터로 나뉘고, 양력과 추진력을 얻는 로터의 개수에 따라 듀얼콥터, 트리콥터, 쿼드콥터, 헥사콥터, 옥토콥터로 나뉜다.
일반적인 비행체의 경우, 공간 내에서 한 곳에 머무르기 위해선 넓은 공간을 선회해야 하는 단점이 노출되지만 블레이드(블레이드(Blade))는 헬리콥터가 이착륙 비행이 가능케하는 프로펠러와 같은 역할로써, 한정된 공간 내에서 제자리 비행 및 안정된 비행과 다양한 작업을 수행할 수 있다.
블레이드(Blade) 회전방식에 따라 전체 블레이드(Blade) 회전속도의 강약 변화를 가함으로써 비행체의 상승 및 하강을 유도할 수 있고, 앞과 뒤의 블레이드(Blade) 속도에 변화를 가해(정면 방향을 X축이라 가정할 때) Pitch Moment를 일으키며, 좌,우의 블레이드(Blade) 속도변화로 Roll Moment를, 동시에 좌,우 및 앞,뒤를 쌍으로 묶어 속도변화를 가하면, Yaw Moment를 일으키게 된다. 즉, 기존의 헬리콥터에 비해 UAV와 같은 쿼드콥터는 동작원리가 매우 간단하고, 또한 기본적으로 자세제어를 위한 Gyro 센서, 조정자 중심의 제어를 위한 Terrestrial Magnetism 센서 및 고도홀드용 Barometric pressure 센서가 기본으로 탑재되어 비행체의 자세 제어에 대한 전문 지식 없이도 능숙하게 제어할 수 있다,
소형 무인비행체(200)에는 초음파 센서(220)와, 이외 비행의 안정화 및 구조물의 모니터링을 위한 다양한 센서들로 이루어진 센서부(230)를 구비할 수 있다. 예를 들어 센서들은 고도유지 기능을 하는 가속도 센서, 수평유지를 위한 자이로 센서, 자세안정화 기능을 하는 압력 센서, 운항을 통제하는 GPS 장치, 온도 센서, 습도 센서, CO 센서, CO2 센서, 오존 센서, 먼지 센서, VOC(유기화합물) 검지 센서 등의 다양한 종류의 센서를 포함할 수 있다. 또한 구조물의 영상 데이터를 취득하는 카메라가 설치될 수 있다.
제어모듈(210)은 상기 초음파 센서(220)와 신호교환 가능하게 연결되어, 상기 초음파 센서들로부로부터 감지된 신호를 수신하여 이를 분석하여 자세 안정화를 위해 블레이드를 구동하는 블레이드 모터의 RPM을 제어하게 된다.
또한 제어모듈은 상기 각종 센서들과 연결되어 영상 데이터 및 각종 센서 데이터를 무선 통신을 통해 지상 기지국으로 보내도록 한다.
초음파 센서(220)는 일정한 시간동안 짧은 고주파 펄스를 방사하고, 대기안에서 소리의 속도로 전파되는 특성을 이용하여 거리 측정에 많이 이용된다. 목표점과의 거리를 산출하는 원리는, 초음파 센서에서 펄스를 방사하는 시간과 객체에 부딪혀 되돌아온 에코 신호의 시간과의 시간차를 이용하여 거리를 산출하는 방식으로 현재 자동화의 새로운 표준 기술로도 인식되어지고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 초음파 센서(220)는 블레이드의 하단면에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 소형 무인비행체는 블레이드가 4개인 쿼드콥터, 블레이드가 6개인 헥사콥터, 블레이드가 8개인 옥코콥터 중 어느 하나가 적용되며, 초음파 센서(220)는 각각의 블레이드 하단면에 장착될 수 있다.
마이크로소닉의 초음파 센서(220)는 20mm에서 10m까지의 목표 거리를 측정하는 것이 적절하며 먼지 투성이의 공기 중이나 잉크 분무중에서도 탐색할 수 있다. 또한 센서 표면에 박막 증착이 이루어지더라도 기능을 손상시키지 않는 특징을 가지고 있으며, 약 30mm의 블라인드 존을 가진 센서와 아주 좁은 조사 각(Narrow Beam)을 가진 센서는 오늘날 아주 세밀한 공정까지 신뢰성 있게 탐지한다..
제어모듈(210)은 초음파 센서(220)의 특성을 활용하여 소형 무인비행체의 자율자세를 파악하여 안정적인 비행이 가능하도록 제어하고, 이착륙시에도 40KHz 초음파를 이용하여 3Cm - 3M 를 감지, 안정적인 자세로 이착륙이 가능하도록 제어할 수 있다.
제어모듈(210)은 일 예로서 NaviBoard가 적용될 수 있다. NaviBoard는 GPS를 비롯하여 전술한 각종 센서 즉 자이로 센서, 자기 센서, 가속도 센서, 압력 센서 등을 탑재하여 적절한 자세 Algorithms(DCM, Kalman Filter 등)을 이용하여 현재의 기울기 각도를 추정해 내는 역할을 담당하는 Expansion Board 이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 무인비행체가 구조물인 벽면의 장애물과의 거리를 100㎝를 유지한 상태에서 지면의 경사각 0°, 5°, 10°, 15°에 따른 비행체의 기울기 실험 모습이다.
비행 높이 지면 경사각 비행체 기울기
100㎝ 0° 0~2°
100㎝ 5° 5~7°
100㎝ 10° 10~12°
100㎝ 15° 15~18°
위의 표 1에서는 초음파 센서를 이용하여 장애물과의 거리 유지 및 지면 경사각에 따른 비행체 기울기 실험으로 비행체 기울기의 안정된 자세 제어가 가능함을 알 수가 있다. 따라서 블레이드(Blade)의 모터 회전 속도 제어 활용이 가능함을 알 수 있다. 정확한 각도를 측정하기 위해서는 초음파 센서들 간의 각도가 정확히 일치해야 하는 작업상의 문제점도 있었지만 현재 구비되어 있는 저가의 관측 장비들에 의하여 정확도 수치에 대한 신뢰도는 다소 떨어질 수 있으나 최대한의 정밀도에 가깝도록 유지하기 위해 5회의 동일한 방법을 통하여 실험을 행하였기 때문에 실험하고자 하는 목적에 대한 신뢰도는 근사치로도 충분하다 사료된다.
이와 같은 실험으로 구조물의 벽과 같은 장애물로부터 100Cm 거리를 유지한 상태에서 지면으로부터도 100Cm 높이 범위 내에서 유지 가능하도록 고정하고, 오로지 초음파 센서만 의해서 비행체 기울기 제어할 수 있게 하였다.
비행체가 쿼드콥터가 적용되는 경우, 초음파 센서는 4개가 쿼드콥터의 앞, 뒤, 좌, 우 블레이드 하단에 설치하게 된다. 초음파 센서는 0.1초 동안에 4개가 각각 1회씩 번갈아 감지하고, 제어모듈(210)은 블레이드 모터를 초당 10회씩 제어하도록 프로그램을 설계하였다. 이때 필터링을 위해 연속적으로 측정된 최저값 이외의 값과 각각의 측정값 중 직격 크기의 비행체 크기를 고려하여 일정크기 이상 차이의 측정값은 필터링하여 신뢰도를 높였다. 여기서 초음파 센서가 4개가 부착되는 경우 2개는 전후 좌우의 장애물 대상의 거리를 측정하고, 나머지 두개는 기울기 측정용으로 사용할 수 있다.
또한 비행체가 헥사콥터가 적용되는 경우, 초음파 센서는 8개를 탑재하여 4개는 전후 좌우의 장애물 대상의 거리를 특정하도록 0.1초 동안에 각각 1회씩 번갈아 감지하여 블레이드(Blade) 모터를 초당 10회씩 제어하도록하고 이와 병행하여, 기울기 측정용의 나머지 4개의 초음파 센서도 0.1초 동안에 각각 1회씩 번갈아 감지하여 블레이드(Blade) 모터를 초당 10회씩 제어하도록 시스템을 프로그램하였다. 이때 역시 필터링을 위해 비행체 크기를 고려하여 연속적으로 측정된 값 중 지면으로부터 일정크기 이하의 값 및 일정크기 이상상의 측정값은 필터링하여 신뢰도를 높였다.
지상 기지국()으로부터 제어신호를 수신한 제어모듈(210)은 확장보드에 초음파 센서에 의하여 수집된 고도와 경사각의 데이터 신호를 입력받아 일정한 고도 및 비행체의 기울기를 비교 분석하여 블레이드 모터(240)의 RFM을 제어함으로써 결국 비행자세를 제어하게 된다.
즉 제어모듈(210)은 초음파 센서(220)를 활용하여 장애물과의 거리 및 비행체의 기울기와 높이를 감지 후 비행체의 비행 상태 제어를 위한 방법으로 블레이드 모터(240)의 RPM을 제어하도록 한다.
블레이드 모터(240)의 RPM 은 PWM 파형으로 측정 후 제어하기 위해 초음파 센서(220)에서 나오는 값을 거리값으로 환산하여 값 차이를 구한 값에 따라 RPM 를 제어하도록 한다. 즉, 도 2와 같이 장애물과의 거리 및 비행체의 기울에 따라 각 블레이드의 RPM를 제어하여 비행체가 안정된 자율 비행이 유지되도록 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100. 지상 기지국 110. 무선 조정기
200. 소형 무인비행체 210. 제어모듈
220. 초음파 센서 240. 블레이드 모터

Claims (4)

  1. 블레이드 기반의 소형 무인비행체에 설치되어 상기 소형 무인비행체의 비행 자세를 안정화 시키기 위한 시스템에 관한 것으로서,
    상기 블레이드에 설치되는 초음파 센서; 및,
    상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 거리를 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체가 구조물로부터 설정된 거리를 자동으로 유지하도록 상기 블레이드를 구동하는 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어모듈을 상기 초음파 센서로부터 신호를 수신하여 구조물과의 경사각을 실시간으로 파악하여 소형 무인비행체의 기울기가 설정된 기울기를 유지하도록 블레이드 모터의 RPM을 제어하여 비행 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 상기 블레이드의 하단면에 설치되는 것을 특징으로 하는 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소형 무인비행체는 블레이드가 4개인 쿼드콥터, 블레이드가 6개인 헥사콥터, 블레이드가 8개인 옥코콥터 중 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 소형 무인비행체의 비행 자세 안정화 시스템.
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