KR20170083715A - 무인항공기의 배터리 자동교환시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인항공기의 배터리 자동교환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인 항공기에 내장된 배터리의 상태를 감지하여 교환이 필요하면, 자동 복귀하여 충전된 배터리를 자동으로 교환함으로써 대기시간을 감소시켜 무인항공기의 기능성 및 상품성이 향상되도록 한 무인항공기 배터리 자동교환시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 무인항공기 배터리 자동교환시스템은 무인항공기에 있어서 배터리의 상태를 감지하고 그 감지 결과에 따라 스테이션으로 자동 복귀하는 무인항공기와; 무인항공기가 착륙을 하기위한 착륙 보조부; 착륙보조부에 설치되어 무인항공기의 착륙을 보조하기위한 착륙 유도장치; 무인항공기의 자세를 보정하는 방향이송바; 배터리를 교환하는 교환장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따르면 사용자의 편의성을 향상시키고 무인항공기의 충전 대기시간을 감소시켜, 무인항공기의 지속적인 운용을 가능하게 하여 무인항공기의 기능성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

무인항공기의 배터리 자동교환시스템{BATTERY AUTO CHANGE SYSTEM FOR UAV}
본 발명은 무인항공기의 배터리 자동 교환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인항공기의 배터리 상태를 감지하여 교환이 필요하면, 교환 스테이션에 자동 복귀하여 배터리를 자동 교환함으로써 배터리 충전 대기시간을 감소시켜, 작업 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템에 관한 것이다.
최근 들어 다양한 종류의 무인항공기가 개발되어 출시되고 있다. 이러한 무인항공기는 군용 또는 민간용으로 널리 사용되고 있으며, 인명구조, 감시정찰, 화물운송 등 특정 작업을 수행할 수 있다. 이러한 무인항공기는 그 특성에 맞추어 다양한 연료를 통하여 기동 된다.
일반적으로 현재의 무인항공기는 충전이 가능한 이차전지인 배터리에서 동력을 얻고 있다. 무인항공기가 임무를 수행 중에 충전배터리가 방전된 경우에 사용자가 배터리를 교체하거나 충전을 해야 재사용이 가능하다.
그러나 방전된 배터리를 충전하는 경우에는 지정된 장소에서 배터리를 충전해야 하므로, 배터리의 충전시간 동안 무인항공기의 본래의 임무를 수행할 수 없어 활용성이 제한되고 있다.
또한 사용자가 배터리를 교체하거나 충전하는 경우 일일이 분해하여 제거하고 별도의 충전 장치가 필요하며, 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
이에 따라 무인항공기의 지속적인 임무 수행을 위해서는 배터리의 교체 작업을 신속하고 정확하게 수행할 수 있는 배터리 자동교환시스템의 개발이 필요한 실정에 있다.
종래의 기술에서는 사용자가 무인항공기의 본체에 설치된 배터리를 주기적으로 교체하거나, 충전해주어야 하므로 매우 번거롭고, 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 무인항공기에 내장된 배터리의 상태를 감지하여, 배터리 교환이 필요하면 스테이션에 자동 복귀하여 자동으로 내장된 배터리를 탈착하고 충전된 배터리를 자동으로 장착하며, 회수된 방전 배터리를 자동으로 충전함으로써 사용자의 번거로움을 저감할 수 있도록 하고, 무인항공기의 본래의 임무를 지속적으로 수행하여 무인항공기의 상품성을 향상시킬 수 있도록 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 무인항공기의 배터리 자동교환시스템은 양력을 발생 시키는 회전 날개를 구비한 구동부와, 상기 본체에 설치되고 상기 구동부로 동력을 제공하는 배터리와, 위성 항법장치, 무선 네트워크 등을 이용하여 위치를 파악하는 위치측정부와, 상기 배터리의 상태를 감지하는 감지부와, 스테이션과 통신하는 통신부와, 상기 스테이션에서 배터리를 탈착하는 배터리 탈착부와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 무인항공기; 상기 무인항공기가 착륙하는 착륙보조부; 상기 무인항공기가 배터리를 교환하는 스테이션; 상기 스테이션과 착륙보조부 사이에 마련되어 착륙보조부의 직선 이송을 안내하는 제1이송부; 상기 스테이션 아래에 배치되어 충전 배터리들이 적치되는 적치부; 상기 적치부 아래에 설치되어 무인항공기의 체공 비행을 제어하고 스테이션의 동작을 제어하는 지상통제장비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 무인항공기는, 상기 배터리의 잔여량을 검출하고 기준치 이하가 되었을 때, 복귀신호를 지상통제장비로 전송하고, 스테이션으로 자동 복귀한다.
상기 착륙보조부는, 무인항공기가 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 무인항공기의 착륙을 보조하기 위해 LED나 적외선, 이미지등의 신호를 포함하는 착륙유도장치; 좌측 및 우측변을 따라 설치되어 무인항공기의 자세를 보정하는 방향이송바; 무인항공기를 스테이션으로 이송하는 제2이송부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 적치부는, 방전된 배터리를 충전하는 충전부; 적치부를 회전 이송시키는 회전이송부; 적어도 하나 이상의 충전배터리를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 충전부는, 과전류보호부와 과충전보호부 및 배터리의 상태에 따라 충전량을 제어하는 충전제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 스테이션은, 스테이션의 좌측 및 우측변에 설치되는 이송레일장치; 상기 이송레일장치를 타고 이송되는 무인항공기 고정부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 지상통제장비는, 적치부를 승강시키는 승강부를 포함하고 상기 무인항공기가 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 상기 무인항공기가 착륙보조부에 착륙하도록 상기 무인항공기를 조종하는 조종부를 구비한다.
상기 승강부는, 회전 가능하고 상기 배터리를 클램핑 및 언클램핑하는 클램핑장치를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 무인 항공기의 배터리교환시스템에 의하면, 무인항공기에 내장된 배터리의 상태를 감지하여 교환이 필요하면 무인항공기가 교환 스테이션으로 자동 복귀하여 착륙 유도에 따라 자동 착륙을 수행하고 자동으로 무인항공기에 내장된 배터리를 탈착하여 충전대에 접속시키고, 그 충전대에서 충전된 배터리를 장착함으로써, 배터리의 충전에 따른 대기시간을 감소시켜 사용자의 편의성을 향상시키고, 지속적인 임무를 계속 수행할 수 있어 무인항공기의 작업 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한 무인항공기의 대기시간 감소로 비용절감과 가동 효율성을 높일 수가 있다.
본 시스템을 사용 시 무인항공기의 배터리를 자동 교환함으로써 대기시간을 감소시켜, 지속적인 운용이 가능하므로 무인항공기의 임무를 자동화할 수 있어 무인항공기의 기능성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리 자동교환시스템의 전체적인 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리 자동교환 방법의 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기와 무인항공기 본체의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이션을 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙보조부를 보여주는 개략도이다.
도 7, 8, 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙 보조부의 작동 순서대로 도시한 도면이다.
도 10, 11, 12, 13, 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리 교환을 순차적으로 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 따라서 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 무인항공기의 배터리 자동교환시스템의 전체적인 구조를 나타낸 사시도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리 자동교환 방법의 순서를 보여주는 순서도, 도 3a 및 도 3b 은 본 발명에 포함되는 무인항공기와 무인항공기 본체의 블록도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부를 나타내는 블록도, 도 5는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 스테이션을 보여주는 사시도, 도 6은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 착륙보조부를 보여주는 개략도, 도 7, 8, 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 착륙 보조부의 작동 순서대로 도시한 도면, 도 10, 11, 12, 13, 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리 교환을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기의 배터리교환시스템은 무인항공기(100)와 상기 무인항공기(100)가 착륙하는 착륙보조부(200), 상기 무인항공기(100)가 배터리(130)를 교환하는 스테이션(300), 상기 스테이션(300)과 착륙보조부(200)사이에 마련되어 착륙보조부(200)의 직선 이송을 안내하는 제1이송부(330), 상기 스테이션(300) 아래에 배치되어 충전 배터리(410)들이 적치되는 적치부(400), 상기 적치부(400) 아래에 설치된 지상통제장비(500)를 포함하여 구성된다.
이때 무인항공기의 배터리 교환시스템은 도 1a 와 같이 제1이송부(330)의 직선이송으로, 착륙보조부(200)를 외부로 확장할 수 있으며, 도 1b와 같이 착륙보조부(200)가 스테이션(300)에 결합된 형태로도 존재할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 각 도면을 참조하여 무인항공기(100)의 배터리를 자동 교환하는 방법에 대해 설명한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면 상기 무인항공기(100)는 양력을 발생 시키는 회전 날개를 구비한 구동부(120)와 상기 본체(110)에 설치되고 상기 구동부(120)로 동력을 제공하는 배터리(130)와, 위성 항법장치, 무선 네트워크 등을 이용하여 위치를 파악하는 위치측정부(140)와, 상기 배터리의 상태를 감지하는 감지부(150)와, 스테이션과 통신하는 통신부(160)와, 상기 스테이션에서 배터리를 탈착하는 배터리 탈착부(170)와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부(180)를 포함한다.
상기 무인항공기(100)는 임무수행(SP1)중에 감지부(150)에서 배터리(130)의 상태를 검출하고(SP2), 배터리(130)의 잔여량이 기준치 이하(SP3)가 되었을 때 복귀신호를 지상통제장비(500)로 전송하고, 스테이션(300)으로 자동 복귀한다.
이때 상기 배터리(130)의 잔여량 기준치는 무인항공기(100)의 작업공간의 크기 및 작업 내용에 따라, 사용자가 기설정하거나 지상통제장비(500)에서 자동으로 설정된다.
여기서 배터리(130)는 충전 가능한 이차전지로써 구성되며, 무인항공기(100) 본체(110) 하부에 장착된다. 이때 상기 배터리(130)는 적어도 하나이상의 셀로 구성되어 무인항공기(100)의 출력에 맞추어 배터리(130) 용량을 구성할 수 있다.
도 4 및 도 14를 참조하면 상기 적치부(400)는, 적어도 하나 이상의 충전배터리(410)를 포함하고 적치부(400)를 회전 이송시키는 회전이송부(430)와, 방전된 배터리를 충전하는 충전부(420)를 포함하여 구성되며, 상기 충전부(420)는 과전류보호부(421)와 과충전보호부(422)와 상태감지부(423)와 충전제어부(424)를 포함하여 구성한다.
도 5를 참조하면 상기 교환 스테이션(300)은 좌측 및 우측변에 설치되는 이송레일장치(310)와 상기 이송레일장치(310)를 타고 이송되는 무인항공기 고정부(320)와 상기 착륙보조부(200)의 직선이송을 안내하는 제1이송부(330)를 포함하여 구성한다.
이때 작업조건에 따라 스테이션(300)에 상기 무인항공기(100)가 바로 착륙을 하여 배터리 자동교환 작업을 진행하거나, 제1이송부(330)의 직선이송에 따른 확장된 착륙 보조부(200)에 착륙을 할 수 있다.
도 6을 참조하면 상기 착륙 보조부(200)는 무인항공기(100)가 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 무인항공기(100)의 착륙을 보조하기위해 LED나 적외선, 이미지등의 신호를 포함하는 착륙유도장치(210)와, 상기 착륙 보조부(200)의 좌측 및 우측변을 따라 설치되어 무인항공기(100)의 자세를 보정하는 자세 보정 방향이송바(220)와, 상기 무인항공기(100)를 스테이션(300)로 이송하는 제2이송부(230)를 포함하여 구성한다.
도 7, 8, 9를 참조하면 무인항공기(100)가 감지부(150)에서 검출한 배터리(130) 잔여량이 기준치 이하(SP3)가 되었을 때, 무인항공기(100)가 착륙보조부(200)로 자동으로 복귀하고, 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 LED나 적외선, 이미지등의 신호를 사용하는 착륙유도장치(210)가 무인항공기(100)의 착륙을 보조하고, 지상통제장비(500)는 무인항공기(100)를 착륙보조부(200)에 착륙(SP4)시킨다.
여기서 상기 무인항공기(100)가 착륙보조부(200)에 착륙 하면, 상기 착륙 보조부(200)의 좌측 및 우측변을 따라 설치된 방향이송바(220)가 무인항공기(100)를 밀어 착륙보조부(200)의 중심부에 위치(SP5)시키고, 상기 착륙보조부(200)의 중심부에 설치되어 있는 제2이송부(230)가 스테이션(300)의 높이에 맞게 상승하고 스테이션(300)의 무인항공기 고정부(320)로 이송(SP6)한다.
도 10, 11, 12, 13을 참조하면 무인항공기(100)가 무인항공기 고정부(320)에 이송된 후 상기 고정부(320)는 무인항공기의 자세를 결착(SP7)하고, 이송레일장치(310)에 접속된 고정부(320)가 스테이션(300)의 교환부로 무인항공기(100)를 이송한다.
여기서 상기 무인항공기(100)가 교환부로 이송되면, 회전이송부(430)는 적치부(400)의 빈 공간으로 적치부(400)를 회전시키고 지상통제장비(500)의 승강부(510)가 무인항공기(100)의 배터리(130)로 적치부(400)를 승강시켜 배터리(130)를 적치부(400)에 삽입 장착한다.
또한 배터리(130)가 적치부(400)에 장착되면 무인항공기(100)의 배터리 탈착부(170)가 배터리(130)를 탈착시킨다. 상기 배터리(130)가 무인항공기(100)에서 탈착(SP8)되고 적치부는(400)는 승강부(510)에 의해 본래의 자리로 복귀한다.
이때 상기 적치부(400)가 본래의 자리로 복귀하면, 앞서 설명한 바와 같이 충전부(420)의 상태감지부(423)에서 측정되는 배터리의 상태에 따라 충전제어부(424)에서 충전량 및 충전속도를 조절하여 상기 배터리(130)의 충전을 시작한다. 상기 충전부(420)에 포함되어 있는 과전류보호부(421) 및 과충전보호부(422)로 안전하게 배터리(130)를 충전할 수 있다.
더불어 회전이송부(430)는 적치부(400)의 충전 배터리(410)를 승강부(510)로 회전시키고, 상기 승강부(510)가 무인항공기(100)로 적치부(400)를 승강시켜 상기 무인항공기(100)에 배터리를 장착(SP9)시킨다.
그 다음 무인항공기(100)는 배터리(410)의 상태와 상기 무인항공기(100)의 검사를 진행(SP10)하고, 배터리(130)의 오류가 검출(SP12)되면, 도 2에서 도시한 바와 같이 배터리의 탈착(SP8)의 과정을 다시 진행한다. 이때 배터리(130)의 오류가 아닌, 다른 이유로 무인항공기(100)의 오류가 검출되면, 사용자에게 신호를 전송(SP13)하고 상기 무인항공기(100)는 대기한다.
이때, 검출된 오류가 없으면 도 2에서 도시한 바와 같이 다시 임무를 수행(SP1)한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다양한 수정 및 변형이 가해진 형태로 구현할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에서 국한되어서는 아니 되며, 특허청구범위에 기재된 내용 및 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 무인항공기 110 : 무인항공기 본체
120 : 구동부 130 : 배터리
140 : 위치측정부 150 : 감지부
160 : 통신부 170 :　탈착부
180 :　제어부
200 : 착륙보조부 210 : 착륙유도장치
220 : 자세 보정 방향이송바 230 : 제2이송부
300 : 교환 스테이션 310 : 이송레일장치
320 : 무인항공기 고정부 330 : 제 1이송부
400 : 적치부 410 : 충전 배터리
420 : 충전부 421 : 과전류보호부
422 : 과충전보호부 423 : 상태감지부
430 : 회전이송부
500 : 지상통제장비 510 : 승강부
520 : 클램핑장치 530 : 조종부

Claims (8)

  1. 양력을 발생 시키는 회전 날개를 구비한 구동부(120)와, 상기 본체(110)에 설치되고 상기 구동부(120)로 동력을 제공하는 배터리(130)와, 위성 항법장치, 무선 네트워크 등을 이용하여 위치를 파악하는 위치측정부(140)와, 상기 배터리의 상태를 감지하는 감지부(150)와, 지상통제장비(500)와 통신하는 통신부(160)와, 상기 스테이션(300)에서 배터리를 탈착하는 배터리 탈착부(170)와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부(180)를 구비하는 무인항공기(100);
    상기 무인항공기(100)가 착륙하는 착륙보조부(200);
    상기 무인항공기(100)가 배터리(130)를 교환하는 스테이션(300);
    상기 스테이션(300)과 착륙보조부(200) 사이에 마련되어 착륙보조부(200)의 직선 이송을 안내하는 제1이송부(330);
    상기 스테이션(300) 아래에 배치되어 충전 배터리(410)들이 적치되는 적치부(400);
    상기 적치부(400) 아래에 설치되어 무인항공기(100)의 체공 비행을 제어하고 스테이션(300)의 동작을 제어하는 지상통제장비(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무인항공기(100)는,
    상기 배터리(130)의 잔여량을 검출하고 기준치 이하가 되었을 때, 복귀신호를 지상통제장비(500)로 전송하고, 스테이션(300)으로 자동 복귀하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 착륙보조부(200)는,
    무인항공기(100)가 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 무인항공기(100)의 착륙을 보조하기 위해 LED나 적외선, 이미지등의 신호를 포함하는 착륙유도장치(210);
    상기 착륙보조부(200)를 직선이송을 안내하는 제1이송부(330);
    좌측 및 우측변을 따라 설치되어 무인항공기(100)의 자세를 보정하는 방향이송바(220);
    무인항공기(100)를 스테이션(300)으로 이송하는 제2이송부(230)를 포함하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  4. 제 1항에 있어서 상기 적치부(400)는,
    방전된 배터리를 충전하는 충전부(420);
    적치부(400)를 회전 이송시키는 회전이송부(430);
    적어도 하나 이상의 충전배터리(410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  5. 제 4항에 있어서 상기 충전부(420)는,
    과전류보호부(421)와 과충전보호부(422), 상태감지부(423) 및 배터리의 상태에 따라 충전량을 제어하는 충전제어부(424)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  6. 제 1항에 있어서 상기 스테이션(300)은,
    착륙보조부의 직선이송을 안내하는 제1이송부(330);
    스테이션(300)의 좌측 및 우측변에 설치되는 이송레일장치(310);
    상기 이송레일장치(310)를 타고 이송되는 무인항공기 고정부(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  7. 제 1항에 있어서 상기 지상통제장비(500)는,
    적치부(400)를 승강시키는 승강부(510)를 포함하고,
    상기 무인항공기(100)가 설정된 거리 이내로 진입하였을 시 상기 무인항공기(100)가 착륙보조부(200)에 착륙하도록 상기 무인항공기를 조종하는 조종부(530)를 구비하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 배터리 자동교환시스템.
  8. 제 7항에 있어서 상기 승강부(510)는,
    회전 가능하고 상기 배터리(130)를 클램핑 및 언클램핑하는 클램핑장치(520)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 자동교환시스템.
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