KR20170104901A - 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 및 서브 드론 모듈 중앙 비행제어 수단과 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 페이로드(일례로 20kg급) 별로 모듈화시킨 서브 드론 모듈을 필요한 페이로드에 따라 서브 드론 모듈을 샤시 프레임에 필요한 개수만큼 고정 설치하여 중앙 조종 장치에서 각각의 서브 드론 모듈을 제어하여 비행하는 개념이다. 그러므로 서브 드론 모듈은 2~8개의 로터와 프로펠러 및 구동장치를 기본으로 구성되며, 추가적으로 비행자세제어장치를 포함할 수 있다. 일례로 페이로드 20kg급 서브 드론 모듈을 4개 설치하여 중앙 제어를 할 경우 80kg 페이로드를 갖는 드론을 레고처럼 조립식으로 만들 수 있다. 상기 서브 드론 모듈 조립 방식은 상대적으로 작은 프로펠러를 여러 개 사용하여 제어하므로, 드론의 페이로드를 높이기 위해 프로펠러의 크기와 모터의 출력을 증가시킬 경우 어려웠던 세밀한 비행자세 문제를 해결할 수 있다. 또한, 서브 드론으로 모듈화시켜 페이로드 별로 추가하여 조립하도록 구성함으로써, 현행 운반할 수 있는 화물 및 사람 페이로드(30 ~150kg) 별로 드론을 제작할 경우 샤시 프레임, 프로펠러 크기, 모터 출력 및 자세제어 장치들을 새로 설계하고 제작하는 문제점을 해결할 수 있다. 헬리콥터는 로터의 각도를 변경하여 추력을 발생시키므로 비행 중 동체를 수평을 유지할 수 있지만, 드론은 비행 역학 원리상 전진 및 후진, 좌우 이동시 해당되는 방향의 프로펠러 회전수를 가감시킴으로써 원하는 방향으로 기울어져 비행한다. 이로 인해 동체가 기울어지므로 사람이 탑승할 경우 정상 조종이 어려운 문제를 해결하기 위해 진행 방향으로 추력을 담당하는 프로펠러를 설치한다. 이를 통해 서브 드론 모듈은 일정 고도를 유지하는 호버링 비행만 담당함으로써 비행 효율도 향상시킬 수 있다.
Description
드론은 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 군사용 무인비행기(UAV : Unmanned aerial vehicle)의 총칭으로, 2010년대를 전후하여 군사적 용도 외 다양한 민간 분야에 활용되고 있다. 헬리콥터나 드론처럼 프로펠러의 회전에 의해 양력을 발생시키는 비행 물체의 경우 프로펠러 회전의 반작용에 의해 본체가 프로펠러가 회전하는 반대 방향으로 회전하게 된다. 싱글로터 헬리콥터의 경우 이 문제를 해결하기 위해 테일 로터(tail rotor)가 필요하지만, 드론은 앞뒤 프로펠러의 회전을 반대로 하여 프로펠러 회전에 의해 발생하는 반작용을 상쇄시키는 원리를 기본으로 한다. 즉, 드론은 각각의 로터 프로페러 회전을 제어하여 상승비행모드(ascend), 하강비행모드(descend), 전진비행모드 (forward), 후진비행모드(backward), 우횡비행모드(roll right), 좌횡비행모드 (roll left), 좌회전비행모드(yaw left), 우회전비행모드(yaw right)가 가능하다.
드론은 상대적으로 작은 복수 개의 프로펠러를 이용하여 양력을 얻고, 각각의 프로펠러로부터 발생하는 양력을 조절하여 전진 및 후진과 방향 전환을 하는 만큼 전·후·좌·우 이동시 비행 효율이 좋지 못하다. 즉, 드론은 헬리콥터에 비해서도 비행 효율이 크게 떨어지고, 탑재할 수 있는 페이로드(payload) 한계로 추락시 탑승자를 보호할 수단을 추가로 설치하기 어려워 화물은 물론 사람이 탑승하여 운송하는 수단으로는 발전하지 못하고 있다. 일부 선구자는 54개의 프로펠러 로터를 설치하여 사람이 탑승하는 드론까지 제작하였지만, 54개의 프로펠러를 설치하면서도 안정된 비행 자세 제어에 어려움이 있고 체공시간도 1분 이내인 것으로 알려졌다. 또한, 드론의 부족한 페이로드 문제로 탑승한 사람을 보호하기 위한 안전 장비 장착은 고려하지 못하고 있다. 그러나, 드론은 각각의 로터 프로펠러 회전수를 제어하여 다양한 비행 모드를 구현이 용이하고 누구나 쉽게 조종할 수 있다는 장점이 있는 만큼, 미래에는 개인화된 이동 수단(PAB 혹은 PAV)으로 발전할 전망이다. 즉, 드론은 인간이 탑승하여 육상, 수상, 하늘을 구분하지 않고 편리하고 쉽게 이동하는 방향으로 발전할 것임은 주지의 미래 모습이다. 이를 위해 드론의 페이로드와 비행 시간을 높이기 위해서는 높은 토오크를 가진 초경량 모터와 고효율의 전기 에너지 저장 및 발생 장치와 함께 추가로 양력을 확보하는 방법에 대한 많은 연구가 이루어질 전망이다. 본 출원인은 이를 해결하기 위한 하나의 방법으로 공기보다 가벼운 기체를 채운 기구를 장착하여 제 2 페이로드인 부력을 추가로 확보하는 형태의 드론을 특허 출원 10-2015-0139607호로 제시하였다.
드론 관련 기술의 발달로 드론은 점차 소형화되고 있다. 손목에 차고 다니다가 펼쳐서 날리면, 일정 반경 내에서 비행하면서 스마트폰과 무선랜으로 연결하여 셀카 기능을 담당하는 용도로까지 발전하고 있다. 드론 자체의 자이로센서 정보를 이용하여 양력을 발생시키는 복수 개의 프로펠러를 미세하게 조절하는 제어장치에도 2GHz 급 고성능 프로세서를 사용함으로써 고난도 비행은 물론 신속한 자세복원력도 가능하도록 발전하고 있어, 드론끼리 공중전을 벌리는 실전 게임까지 등장하고 있다. 그러나, 드론으로 부터 발생하는 양력을 높이는 데는 모터 및 배터리 용량의 한계로 제한이 있는데, 일반적으로 사람이 직접 운반할 수 있는 드론의 최대 페이로드는 30~40 kg 정도로 알려져 있다. 2014년 미국연방항공청(FAA)에서는 상업용 드론을 무게 25kg, 시속 161km, 고도 152m 이하로 규제하는 정책을 발표하였다. 이에 반하여, 아마존 회사는 안전한 드론 비행을 위해 하늘 길을 고도에 따라 나누어, 60m 이하는 드론 저속비행구간, 60~120m는 드론 고속비행구간, 120~150m는 드론과 항공기의 충돌을 막기 위한 드론 비행금지구역으로 구분할 것을 제안하였다.
중국 DJI 회사의 농업용 드론은 15kg의 농약과 분무장치를 운반할 수 있는데 530Wh의 배터리(무게 3.7kg)를 설치하여 10분 정도 비행이 가능하며, 호버링 비행시 소비전력이 3,250W, 최대 소비전력은 6,400W로 알려져 있다. 그러므로, 60kg을 운반할 수 있는 드론은 배터리를 14.8kg 탑재해도 10분 정도 비행이 가능하다. 배터리를 하이브리드 엔진으로 대체하기 위해 휴대용 발전기를 검토할 수 있지만, 왕복엔진과 제너레이터를 일체화시킨 15kg 내외 무게의 휴대용 발전기는 2,000Wh급으로 호버링 비행 전력 3,250W도 공급할 수 없다. 그러나, 15kg을 운반할 수 있는 드론은 2만$ 이내의 가격으로 공급되는 만큼, 페이로드를 경제적으로 보강하여 화물 운송 및 사람이 탑승할 할 수 있도록 제공(PAB/Personal Air Bike 혹은 PAV/ Personal Air Vehicle로 발전)된다면 드론은 매우 경제적인 운송수단이다. 그러나, 화물 운송을 넘어 사람이 탑승하기 위해서는 모터와 배터리의 성능을 획기적으로 높여 드론의 페이로드를 증대시켜야 한다. 항공기의 경우 날개 및 동체 주변의 유체 흐름에 의한 양력(베르누이 정리)을 발생시키고, 헬리콥터의 경우 수 m에 달하는 로터가 고속 회전하면서 양력을 발생한다. 드론의 경우 30cm 내외의 프로펠러를 이용하므로 페이로드를 높이는데 한계가 있어, 페이로드를 높이기 위해 로터의 갯수를 8개까지 설치하는 경우(옥타콥터)도 있지만 반경 30cm 프로펠러를 설치한 드론의 화물 페이로드는 최대 30kg 내외로 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 이와 함께, 드론의 고속 회전하는 프로펠러와 사람의 부딪히면 치명적인 사태가 발생하고, 드론 비행중 이상 사태로 추락할 경우에도 무방비 상태로 탑승자가 지상과 직접 추돌하는 것은 항공 안전 규정상 용인할 수 없다. 그러므로, 드론에 사람이 탑승하여 조종하기 위해서는 이상 발생시 추락하더라도 어느 정도 사람을 보호할 수 있는 보호 장치(드론 낙하산 포함)가 설치되어야 한다.
드론은 비행기 등과 같은 고전적 비행 수단과 달리 수직 이착륙과 호버링 (Hovering)이 용이하다. 헬리콥터나 비행기와 달리 스마트폰을 원격조종장치로 사용할 만큼 드론은 원격 조종하기도 매우 쉽다. 드론은 다른 비행 수단과 달리 위성위치수신기(GPS)와 영상인식기술 기반으로 정밀한 자동항법 및 원격조종도 가능하다는 장점이 있는 만큼 운반할 수 있는 페이로드를 높이는 등 아래와 같은 문제점 및 해결할 수 있다면, 육·해·공을 주행할 수 있는 편리한 교통 수단으로 발전할 수 있다.
첫째, 사람이 운반할 수 있는 정도의 드론 크기(직경 2m 이내)로는 드론의 비행역학 특성상 최대 페이로드가 30kg 내외로 제한된다. 드론의 비행 원리상 페이로드를 높이기 위해 프로펠러의 크기와 모터의 출력을 증가시킬 경우 세밀한 자세 제어가 어렵다는 문제가 있다. 일반 항공기는 어느 정도 속도에 도달하면 날개(에어포일 형상)로 기체를 이륙시킬 충분한 양력을 발생시키고, 헬리콥터의 경우 길이가 수 m에 달하는 로터의 성능(회전수, 로터 틸트 각도 제어)을 높여 동체를 이륙시킬 충분한 양력을 얻는다.
둘째, 운반할 수 있는 화물 및 사람 페이로드(30 ~150kg) 별로 드론을 제작할 경우 샤시 프레임, 프로펠러 크기, 모터 출력 및 자세제어 장치들을 새로 설계하고 제작 및 시험해야 한다는 문제가 있다. 드론은 비행 효율이 좋지 않으므로 반드시 운반할 수 있는 페이로드 별로 최적화시켜 드론을 제작해야 한다.
셋째, 드론은 비행 역학 원리상 전진 및 후진, 좌우 이동시 해당되는 방향의 프로펠러 회전수를 가감시킴으로써 원하는 방향으로 기울어져 비행한다. 이로 인해 동체가 기울어지므로 사람이 탑승할 경우 정상 조종이 어렵다. 이와 함께 기울이면 비행 효율이 급격히 저하되는데, 일례로 15kg의 화물을 운반하는 드론은 호버링 비행시 소비전력이 3,250W, 이동시는 소비전력은 6,400W가 필요하다는 문제가 있다.
넷째, 드론에서 15kg의 화물을 운반하는데 530Wh의 배터리(무게 3.7kg)를 설치하는 경우 호버링 비행시 소비전력이 3,250W, 최대 소비전력은 6,400W가 필요하다. 그러므로 비행시간이 10분 정도로 제한되지만 화물 및 사람을 운송하는데 10분 비행 시간으로는 임무를 완수하기 어렵다. 배터리 용량를 2배 증가시킬 경우 무게가 3.7kg 증가하므로 비행시간은 2배가 아니라 일부만 증가한다는 문제가 있다.
다섯째, 드론에 사람이 탑승할 경우 이상 상황으로 인해 비행중 추락할 때에도 탑승한 사람을 보호 및 탈출할 수 있는 수단이 필요하다. 일반적인 무인 드론의 경우에도 추락시 지상의 사람 및 건물과 충돌 우려로 비행 구역 및 비행 조건을 엄격하게 규제하고 있다. 일부 국가에서는 추락시 작동시킬 수 있는 낙하산을 장착한 무인 드론에 대해서는 비행 조건을 완화하고 있다. 그러나, 상대적으로 낮은 고도를 비행하는 드론에 탑승한 사람을 보호하기 위해서는 펼치는데 다소 시간이 걸리는 낙하산만으로는 한계가 있다. 그러므로, 사람이 탑승한 드론은 지상과 충돌시 혹은 다른 비행 물체와 충돌시 보호할 수 있는 수단을 추가로 필요로 한다.
본 발명은 상기 문제를 해결하는 수단으로 서브 드론 모듈 개념을 제시한다. 페이로드(일례로 20kg급) 별로 모듈화시킨 서브 드론 모듈을 필요한 페이로드에 따라 서브 드론 모듈을 샤시 프레임에 필요한 개수만큼 고정 설치하여 중앙 조종 장치에서 각각의 서브 드론 모듈을 제어하여 비행하는 개념이다. 그러므로 서브 드론 모듈은 2~8개의 로터와 프로펠러 및 구동장치를 기본으로 구성되며, 추가적으로 비행자세제어장치를 포함할 수 있다. 일례로 페이로드 20kg급 서브 드론 모듈을 4개 설치하여 중앙 제어를 할 경우 80kg 페이로드를 갖는 드론을 레고처럼 조립식으로 만들 수 있다. 상기 서브 드론 모듈 조립 방식은 상대적으로 작은 프로펠러를 여러 개 사용하여 제어하므로, 드론의 페이로드를 높이기 위해 프로펠러의 크기와 모터의 출력을 증가시킬 경우 어려웠던 세밀한 비행자세 문제를 해결할 수 있다. 또한, 서브 드론으로 모듈화시켜 페이로드 별로 추가하여 조립하도록 구성함으로써, 현행 운반할 수 있는 화물 및 사람 페이로드(30 ~150kg) 별로 드론을 제작할 경우 샤시 프레임, 프로펠러 크기, 모터 출력 및 자세제어 장치들을 새로 설계하고 제작하는 문제점을 해결할 수 있다. 헬리콥터는 로터의 각도를 변경하여 추력을 발생시키므로 비행 중 동체를 수평을 유지할 수 있지만, 드론은 비행 역학 원리상 전진 및 후진, 좌우 이동시 해당되는 방향의 프로펠러 회전수를 가감시킴으로써 원하는 방향으로 기울어져 비행한다. 이로 인해 동체가 기울어지므로 사람이 탑승할 경우 정상 조종이 어려운 문제를 해결하기 위해 진행 방향으로 추력을 담당하는 프로펠러를 설치한다. 이를 통해 서브 드론 모듈은 일정 고도를 유지하는 호버링 비행만 담당함으로써 비행 효율도 향상시킬 수 있다. 드론의 비행 시간을 증대하기 위한 방법으로는 드론 기체의 경량화와 비행 효율 개선, 새로운 리튬황 배터리 개발 등과 같은 배터리 에너지 밀도 향상으로 연구가 진행되고 있다. 그러나 90kg의 화물을 운반하는 드론의 경우 10분 비행을 위하여 일반적으로 리튬이온 배터리의 경우 22.2kg이 필요하다. 이를 극복하기 위해 엔진과 발전기를 일체화시켜 전력을 생산하여 공급하는 하이브리드 엔진을 경량화시켜 적용할 필요가 있다. 드론에 사람이 탑승할 경우 이상 상황으로 인해 비행중 추락할 때에도 탑승한 사람을 보호 및 탈출할 수 있는 수단으로는 캐빈(cabin)을 공기 혹은 공기보다 가벼운 기체를 채운 기구(ballon) 형태로 제작하고자 한다. 기구 형태로 제작할 경우 부피는 증가하지만 육상 추락시 충격 감소 효과가 있으며 해상 추락시 수상에 부유할 수 있다. 즉, 헬륨 기구를 장착한 드론이 비행 도중 수상에 착륙하더라도 안전하게 탑승자 및 기체를 보호할 수 있다. 상기 드론의 추력 발생 프로펠러를 회전시키면 수상에서도 이동시킬 수 있다.
본 발명은 페이로드(일례로 30kg급) 별로 모듈화시킨 서브 드론 모듈을 운반하고자 하는 페이로드에 따라 서브 드론 모듈을 샤시 프레임에 필요한 개수만큼 레고처럼 조립하고 중앙 조종 장치에서 각각의 서브 드론 모듈을 제어하여 비행하는 개념이다. 이와 같이 레고처럼 조립식으로 페이로드에 적합한 드론 조립체를 제작하는 본 발명은 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째, 서브 드론으로 모듈화시켜 페이로드 별로 추가하여 조립하도록 구성함으로써, 현행 운반할 수 있는 화물 및 사람 페이로드(30 ~150kg) 별로 드론을 제작할 경우 샤시 프레임, 프로펠러 크기, 모터 출력 및 자세제어 장치들을 새로 설계하고 제작하는 문제점을 해결할 수 있다. 특히 군사용으로 사용할 경우 개인별로 운반한 서브 드론 모듈을 조립하여 100kg 내외의 페이로드를 갖는 드론을 작전 지역에서 조립할 수 있다. 개인을 이동시킨 후 남은 분대원이 대기하는 장소로는 원격조종장치 혹은 자율비행으로 귀환토록 할 수 있다.
둘째, 100kg 내외의 페이로드를 갖는 일반적 형태의 드론은 로터부에서 발생하는 힘이 크므로 비행자세 제어가 어렵지만, 서브 드론 모듈 조립 방식은 상대적으로 작은 프로펠러를 여러 개 사용하므로 안정된 비행자세 제어가 가능하다는 효과가 있다.
셋째, 서브 드론 모듈은 기본적으로 호버링 비행과 회전(Yawing)을 담당하고 추력을 담당하는 프로펠러를 추가하여 이동하도록 함으로써, 기존 유인 드론의 경우 이동시 동체를 기울여야 하므로 조종하기 어려운 문제점을 해결할 수 있다. 동체를 기울이지 않고 이동하므로 비행 효율을 향상시키는 효과가 있다.
넷째, 드론의 비행 시간을 증대하기 위한 방법으로 전통적 방식 대신 하이브리드 자동차처럼 경량화된 고속회전 엔진과 발전기로 전력을 공급하는 개념을 제시하여 드론 비행 시간을 획기적으로 증대하는 효과가 있다.
다섯째, 헬리콥터로 저고도를 비행하더라도 추락시 탑승자는 대부분 사망한다는 문제가 있다. 드론은 궁극적으로 사람이 조종하는 형태인 PAV(personal Air Vehicle)로 발전하는 만큼 캐빈(Cabin)을 공기 혹은 공기보다 가벼운 기체를 채운 기구(ballon) 형태로 제작하면 충돌시 에어백 기능을 담당하게 함으로써 안전하게 탑승자 및 기체를 보호하는 효과가 있다.
제 1 도는 쿼드롭터 드론에서 4개 프로펠러 회전수를 조절하여 원하는 방향으로 비행하는 드론의 비행 원리를 나타내는 원리도이다.
제 2 도는 중국에서 왕복 엔진과 대형 프로펠러를 사용하여 유인화 드론을 시험하는 이미지도이다.
제 3도는 프로펠러 54개를 설치하여 2분 정도 비행하는 유인화 드론의 이미지도이다.
제 4 도는 18개의 대형 프로펠러를 설치한 테일 로터가 없는 2인승 헬리콥터/드론의 이미지도이다.
제 5 도는 2016년 미국 CES 전시회에서 발표한 중국 Ehang 회사의 1인승 유인화 드론(PAB)의 이미지도이다.
제 6 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 드론 샤시 프레임에 조립하는 구성도이다.
제 7 도는 본 발명의 서브 프로펠러와 로터부 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다.
제 8 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다.
제 9 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 개념도이다.
제 10 도는 본 발명의 케빈을 설치한 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다.
제 11 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 n개 조립하여 페이로드를 확보하는 n단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성 사례이다.
제 12 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 n개 조립하여 페이로드를 확보하는 n단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 블록도이다.
본 발명은 드론 관련 기술 발전에 따라 단순한 정찰용이 아닌 화물 및 사람 이동용으로 발전하는 과정에서 발생한 높은 페이로드를 갖는 드론을 조립식으로 제작하는 방법에 대해서이다. 현재 산업용으로 판매되는 드론은 페이로드를 15kg 탑재하는 수준이며, 사람이 탑승하는 드론도 2016년에 소개(중국 Ehang 회사)되었지만 큰 반경의 프로펠러를 사용하면서 안정된 비행자세제어 및 충분한 비행시간 확보에 문제점이 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 표준 페이로드를 제공하는 서브 드론 모듈을 요구하는 페이로드 용량에 따라 필요한 개수만큼 조립하는 형태로 대용량 페이로드 드론을 제작하는 방법을 제시함과 함께, 현행 드론의 문제점인 비행시간 및 비행효율 및 이동시 동체 기울임, 추락시 파손에 대한 해결책도 함께 제시하였다. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 이하 첨부 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 드론의 발전은 대형 화물(100kg 내외) 운송을 포함하여 궁극적으로 인간이 탑승하는 개인화된 운송 수단(PAV)으로까지 발전할 전망이다. 드론을 운송수단으로 사용하기 위해서는 탑승자 체중에 따라 충분한 페이로드를 확보해야 하는데, 드론에서 페이로드는 고출력의 경량화된 전기 모터, 로터부 프로펠러의 형상 및 크기, 탑재할 수 있는 배터리 용량에 의해 결정된다. 고출력의 전기 모터와 충분한 용량의 배터리는 현재 기술로도 어느 정도 제공이 가능하다. 그러나, 로터부의 프로펠러가 길어지면 사람과 유사시 충돌을 막기 위한 안전 장치는 더욱 복잡해지고, 로터부 간의 힘의 차이를 이용하여 제어하는 드론의 경우 세밀한 비행 자세 제어에 어려움이 많다. 헬리콥터의 경우 로터의 회전에 대한 반작용을 테일 로터로 상쇄하고 있지만 드론에서는 최소 4개의 로터를 사용하여 프로펠러 회전에 따른 역 토오크를 상쇄시키면서 이동하기 위한 추력과 양력을 함께 얻고 있다. 30cm 프로펠러를 사용해도 쿼드롭터 드론의 전체 크기는 150cm 이상이 필요하다. 50cm 내외의 프로펠러를 사용하여 여러 형태로 사람이 타는 드론 개발을 시도하였지만, 안정된 비행자세 제어가 어렵고 드론의 낮은 페이로드 효율로 대부분 체공 시간이 1분 이내이며 비행 높이도 2m를 넘지 못하는 등 많은 한계가 있다. 본 발명은 무거운 페이로드를 제공하는 드론을 만들기 어려운 문제점을 해결하는 방법을 제안하고, 이를 통하여 무거운 화물 운송은 물론 인간이 탑승할 수 있는 드론을 실현하고자 한다. 인간이 안전하게 탈 수 있는 드론의 개념이 만들어지면 새로운 운송 혁명으로 평가될 수 있다.
제 1 도는 쿼드롭터 드론에서 4개 프로펠러 회전수를 조절하여 원하는 방향으로 비행하는 드론의 비행 원리를 나타내는 원리도이다. 프로펠러 에어포일 방향을 서로 반대로 배치하여 모터 회전으로 인한 역 토오크를 상쇄하도록 되어 있다. 제 2 도는 중국에서 왕복 엔진과 대형 프로펠러를 사용하여 유인화 드론을 시험하는 이미지도이다. 상대적으로 큰 프로펠러와 왕복엔진의 느린 시정수(time constant)로 로터간 프로펠러를 세밀하고 빠르게 제어할 수 없어 비행에 실패했다. 제 3도는 프로펠러 54개를 설치하여 2분 정도 비행하는 유인화 드론의 이미지도이다. 상대적으로 작은 크기의 54개 프로펠러를 개별적으로 설치하여 전체 페이로드 168kg이 가능한 것으로 발표하였지만 이 또한 안정적 비행자세 제어에는 한계가 있었다. 제 4 도는 18개의 대형 프로펠러를 설치한 2인승 테일 로터가 없는 헬리콥터의 이미지도이다. 가장 안정적인 비행을 실시하지만 회전 반경 크기가 동급 헬리콥터와 유사하여 동력원을 전기모터로 바꾼 점 이외의 이점이 없는 것으로 발표되었다. 제 5 도는 2016년 미국 CES 전시회에서 발표한 중국 Ehang 회사의 1인승 유인화 드론(PAB)의 이미지도이다. 컴퓨터 그래픽을 통해 비행 장면은 소개하였지만 실제 사람이 탑승한 영상은 공개되지 않았다. 로터를 4개 사용하고 로터당 2개의 프로펠러를 설치함으로써 각 로터 간의 힘의 차이와 평형을 유지하는 제어에 어려움이 예상된다. 즉, 각 로터의 회전수가 1 rpm만 변경되어도 상당한 힘이 발생하는데 DC 모터의 경우 부하에 따른 세밀한 회전수와 토오크 제어가 용이하지 않다.
제 6 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 드론 샤시 프레임에 조립하는 구성도이다. 서브 드론 모듈은 기본적으로 복수 개의 로터부(2)에 프로펠러(1)를 고정하고, 프로펠러(1)를 보호하기 위해 안전망(6)을 설치하며 로터부의 전기 모터를 구동하기 위한 구동회로와 외부로부터 전력 및 제어통신선을 연결하기 위한 커넥터(5)를 포함한다. 선택적으로 도론 샤시 프레임(6)에 고정하기 위한 프랜지(4)와 프랜지(4)를 서브 드론 모듈과 고정하기 위한 프랜지 고정수단(3)을 포함한다. 복수 개 서브 드론 모듈을 레고처럼 조립식으로 구성하여 전체 드론 조립체를 구성할 경우 프로펠러 형상 및 로터 회전 방향에 따라 다음과 같은 방식으로 운용할 수 있다. 서브 드론 모듈의 프로펠러들의 에어포일을 같은 방향으로 놓고 동일 방향으로 회전시키는 방법은 각각의 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러처럼 제어하는 방법이다. 이 경우 각 로터 간의 회전수는 다르게 하여 세밀하게 제어하는 것을 포함한다. 다른 방법으로는 서브 드론 모듈을 구성하는 프로펠러들의 에어포일을 번갈아 가며 놓고 일반적인 드론처럼 제어하는 방식으로 구성하는 방법이다.
제 7 도는 본 발명의 서브 프로펠러와 로터부 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다. 서브 드론 모듈은 기본적으로 복수 개의 로터부(2)에 프로펠러(1)를 고정하고, 로터부의 전기 모터를 구동하기 위한 구동회로와 함께 구성된다. 이는 서브 드론 모듈보다는 서브 프로펠러와 로터부 모듈(14) 개념으로 프로펠러 회전 방향 및 에어포일 배치 방법에 따라서 여러 형태로 운용할 수 있다. 제 8 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다.제 7도와 달리 이 경우 일반적인 드론처럼 자세 제어를 위한 비행제어보드를 포함하여야 하는데, 일부 서브 드론 모듈이 동작하지 않더라도 다른 서브 드론 모듈을 제어하면 비행이 어느 단계까지는 가능하다는 장점이 있다. 제 9 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 3개 조립하여 페이로드를 확보하는 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 개념도이다. 30kg을 운반할 수 있는 서브 드론 모듈을 3개 설치하면 90kg, 4개 설치하면 120kg, 8개 설치하면 240kg까지 운반할 수 있어 대용량 드론을 용이하고 안전하게 제작할 수 있는 방법이다. 제 10 도는 본 발명의 케빈을 설치한 3단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다. 케빈(Cabin)에는 화물을 탑재하거나 사람이 탑승하는 공간이다. 충돌시 에어백으로 탑승객을 보호하는 자동차와 달리 저고도를 운항하는 헬리콥터는 보호장치가 없어 지상과 추락시 생존 가능성이 희박하다. 개인용 비행기(Personal Air Vehicle) 시대 및 수상 레저용으로 활용하기 위하여 캐빈을 공기 혹은 공기보다 가벼운 기체(헬륨, 수소 등)로 채운 기구(Baloon) 형태로 제작할 필요가 있다. 지상과 충돌시 에어백처럼 작용하고 수상으로 추락시 튜브처럼 작동하게 함으로써 화물과 탑승객을 보호하도록 한다. 드론은 비행 역학 원리상 전진 및 후진, 좌우 이동시 해당되는 방향의 프로펠러 회전수를 가감시킴으로써 원하는 방향으로 기울어져 비행한다. 이로 인해 동체가 기울어지므로 사람이 탑승할 경우 정상 조종이 어렵다는 문제점이 있다. 사람이 케빈(15)에 탑승하는 경우 케빈(15)은 진행 방향과 무관하게 수평을 유지해야 한다. 현재의 드론은 이동중 비행 효율이 급격히 저하되는데, 일례로 15kg의 화물을 운반하는 드론의 경우는 호버링 비행시 소비전력이 3,250W, 이동시는 소비전력은 6,400W가 필요하다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 아마존 회사에서는 택배용 드론 후면에 진행방향으로 추력을 발생하는 프로펠러를 설치한 모델('프라임 에어')을 최근 발표하였다. 본 발명의 서브 드론 모듈을 조립하는 드론 조립체에서도 추진 프로펠러(18)를 설치하여 진행 방향으로 전진 및 후진 추력을 담당하고, 서브 드론 모듈은 호버링 비행을 담당하도록 구성한다. 제 11 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 n개 조립하여 페이로드를 확보하는 n단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 구성도이다. 서브 드론 모듈(서브 프로펠러와 로터부 모듈 포함) 형태를 기반으로 모듈당 운반할 수 있는 표준 페이로드 무게를 결정한다. 표준 페이로드 무게를 30kg로 할 경우 사람의 평균 몸무게를 80kg로 할 경우 3개의 서브 드론 모듈을 설치하여 조립체 드론을 제작한다. 210kg의 화물을 운반하는 조립체 드론의 경우 8개의 서브 드론 모듈을 설치하여 조립체 드론을 제작한다. 이와 같이 표준화된 서브 드론 모듈을 복수 개 결합하여 원하는 페이로드를 제공하는 드론 조립체를 제작하는 개념은 드론 유인화 및 대용량 화물 운송, 군사용 드론에 매우 효율적인 방법이다. 군사용으로 일반적인 유인화 드론을 사용할 경우 운반이 어렵지만, 개인이 휴대가능한 서브 드론 모듈을 적용하는 경우 분대 규모에서도 작전 지역에서 조립하여 운용이 가능하다.
즉, 복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(8); 설계하는 페이로드 크기에 따라 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(8)을 설치하도록 구성한 드론 샤시 프레임 수단(7); 드론 샤시 프레임 수단(7)에 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(8)을 고정시키는 프랜지 수단(9); 각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 제어하는 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10); 각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10)과 연결시키는 커넥터 수단(12); 드론에 필요한 전력을 공급하는 전력공급수단(11); 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10)은 조종장치의 조종 입력을 따라 관성 센서의 정보로 각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 제어하여 해당 방향으로 비행하도록 구성한다. 이를 통해 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 및 서브 드론 모듈 중앙 비행제어 수단과 방법을 제공한다. 서브 드론 모듈을 구성하는 프로펠러들의 에어포일을 번갈아 가며 놓고 일반적인 드론처럼 제어하는 방식으로 구성할 수 있다. 이 방법은 각각의 서브 드론 모듈을 하나의 독립적 드론 형태로 운용할 수 있어 일부 서브 드론 모듈이 작동하지 않더라도 추락하지 않고 일정 단계까지는 비행(Fail and Safe)할 수 있다. 즉, 서브 드론 모듈 수단은, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1) 수단; 각각의 로터부(2)를 서브 드론 모듈의 제어 수단과 연결시키는 수단; 서브 드론 모듈의 제어 수단을 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단과 케이블로 연결하는 커넥터 수단(5); 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단의 조종 명령에 따라 서브 드론 모듈 제어 수단은 관성 센서의 정보로 각각의 프로펠러(1)와 로터부(2)를 제어하여 서브 드론 모듈 수단을 조종 명령받은 상태로 유지하는 수단; 드론 샤시 프레임(6)에 고정시키는 프랜지 수단(4)을 서브 드론 모듈에 고정시키는 프랜지 고정 수단(3)으로 구성한다. 이 경우, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서, 프로펠러 에어포일의 방향을 번갈아 가면서 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 독립적인 드론 형태로 작동하도록 구성하는 방법이 있다. 혹은, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서, 프로펠러 에어포일의 방향을 동일한 방향으로 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러 유닛으로 작동하도록 구성한다.
혹은, 서브 드론 모듈의 프로펠러와 구동 모터 및 구동 회로를 기본으로 구성하여 각각의 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러 유닛처럼 제어하는 방법이다. 즉, 서브 드론 모듈 수단은, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1); 각각의 로터부(2)를 서브 드론 모듈 구동 수단과 연결시키는 수단; 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단과 케이블로 연결하는 커넥터 수단(5); 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단의 구동 명령에 따라 서브 드론 모듈 구동 수단은 각각의 프로펠러(1)와 로터부(2)를 구동시키는 수단으로 구성한다. 이 경우, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서, 프로펠러 에어포일의 방향을 번갈아 가면서 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 독립적인 드론 형태로 작동하도록 구할 수 있다. 혹은, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서, 프로펠러 에어포일의 방향을 동일한 방향으로 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러 유닛으로 작동하도록 구성할 수 있다. 혹은, 복수 개 로터부(2)에 설치되는 프로펠러(1)들을 서브 드론 모듈 구동수단에서 독립적으로 제어하도록 구성하여, 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단에서 서브 드론 모듈 구동수단을 통하여 각각의 프로펠러를 직접 제어하도록 구성할 수 있다.
드론의 비행 시간을 증대하기 위한 방법으로는 드론 기체의 경량화와 비행 효율 개선, 새로운 리튬황 배터리(예상 에너지밀도 300 Wh/kg) 개발 등과 같은 배터리 에너지 밀도 향상으로 연구가 진행되고 있다. 그러나, 90kg의 화물을 운반하는 드론의 경우 10분 비행을 위하여 일반적으로 리튬이온 배터리(평균 에너지밀도 180 Wh/kg)의 경우 22.2kg이 필요하다. 일정 규모 이상의 페이로드에서는 배터리 무게가 하이브리드 엔진의 무게보다 무겁게 된다. 그러나, 발전 용량과 드론 조립체에서 필요로 하는 최대 출력은 큰 차이가 있으므로 이를 극복하기 위해 엔진과 발전기를 일체화시켜 전력을 생산하여 공급하는 하이브리드 엔진을 경량화시켜 적용할 필요가 있다. 엔진 성능 개량을 통한 발전기의 회전 rpm을 높이는 것(일반 휴대형발전기의 경우 4,500 rpm에서 발전)과 경량화를 통하여 충분히 드론 조립체에 충분한 전력(15kg 화물 페이로드 기준 3kW 내외)을 공급할 수 있을 것으로 판단된다. 즉, 전력공급수단(11)으로, 연료 에너지로 회전시키는 엔진(로터리엔진 포함)과 연결된 제너레이터를 통하여 발전된 전력을 드론에 직접 공급하거나, 혹은, 배터리를 충전시키면서 전력을 공급하도록 구성할 수 있다.
드론에 사람이 탑승할 경우 이상 상황으로 인해 비행중 추락할 때에도 탑승한 사람을 보호 및 탈출할 수 있는 수단으로는 캐빈을 공기 혹은 공기 보다 가벼운 기체를 채운 기구(ballon) 형태로 제작할 필요가 있다. 기구 형태로 제작할 경우 부피는 증가하지만 육상 추락시 충격 감소 효과가 있으며 해상 추락시 수상에 부유할 수 있다. 즉, 기구(ballone)형 캐빈를 장착한 드론은 비행 도중 수상에 착륙하더라도 안전하게 탑승자 및 기체를 보호할 수 있다. 즉, 화물 및 사람이 탑승하는 캐빈(15)을 공기를 채운 기구(balloon) 형태의 완충용 기구(3)로 구성하여, 드론이 추락하더라도 충격을 완화함과 함께 수상 추락시에는 드론이 수면에 떠있도록 부력을 제공하도록 구성한다. 혹은, 화물 및 사람이 탑승하는 캐빈(15)을 공기보다 가벼운 기체를 채운 기구(balloon) 형태의 제 2 페이로드 부력 기구(3)로 구성하여, 제 2 페이로드 부력 기구(3)에서 발생하는 부력(buoyance)을 추가로 확보할 수 있도록 구성한다. 이 경우, 탑승한 사람의 시야를 확보할 수 있는 위치에 조종석(16)을 캐빈(15)에 설치하고, 탑승한 사람이 드론을 직접 조종할 수 있는 장치를 설치한다.
헬리콥터는 로터의 각도를 변경하여 추력을 발생시키므로 비행 중 동체를 수평을 유지할 수 잇지만, 드론은 비행 역학 원리상 전진 및 후진, 좌우 이동시 해당되는 방향의 프로펠러 회전수를 가감시킴으로써 원하는 방향으로 기울어져 비행한다. 이로 인해 동체가 기울어지므로 사람이 탑승할 경우 정상 조종이 어려운 문제를 해결하기 위해 진행 방향으로 추력을 담당하는 프로펠러를 설치(아마존 회사의 신형 프라임 에어 드론에 적용)한다. 이를 통해 서브 드론 모듈은 일정 고도를 유지하는 호버링만 담당함으로써 비행 효율도 향상시킬 수 있다. 즉, 복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(17); 서브 드론 모듈 수단(17)은 상승 및 하강과 회전(Yawing)을 전담하도록 구성하는 수단; 프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하여 직접 추력(Thrust)을 발생시키거나 혹은, 지정된 위치의 서브 드론 모듈 수단(17)을 90도 내외를 기울이는 수단을 설치하여, 지정된 서브 드론 모듈 수단(17)을 90도 내외를 기울인 상태에서 해당 프로펠러를 회전시켜 직접 추력을 발생시키도록 구성한다. 혹은, 복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(17); 서브 드론 모듈 수단(17)은 상승 및 하강과 회전(Yawing)을 전담하도록 구성하는 수단; 프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단; 전진 및 후진 비행 중에 방향을 바꾸기 위해 비행기처럼 러더(Rudder) 및 러더 제어 기구를 설치하는 수단; 추력을 프로펠러(18)가 정지된 호버링 비행 중에는 서브 드론 모듈 수단(17)으로 회전(Yawing) 제어하도록 구성할 수 있다. 각각의 경우, 프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단과 함께, 양력을 발생시키기 위한 날개를 설치하는 수단; 전진 및 후진 비행 중에 피칭(pitching) 제어를 위해 비행기처럼 에일러론(aileron) 및 에일러론 제어 기구를 설치하는 수단; 추력 프로펠러(18)가 정지된 호버링 비행 중에는 서브 드론 모듈 수단(17)으로 상승 및 하강 제어하도록 구성할 수 있다. 혹은, 서브 드론 모듈 수단(17)으로 호버링 비행 상태에서, 프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단으로, 추력 프로펠러(18)의 회전 방향에 따라 전진하거나, 혹은 역으로 회전시키면 후진하는 비행을 제공할 수 있다.
수년 이내에 도로에서는 자율주행차와 함께 상공에서는 개인용비행기인 PAV가 운용될 전망이다. 도로에서는 방향 전환 및 차선 변경시 깜박이등(Lamp)을 유효하게 사용하고 있다. 마찬가지로 PAV처럼 탑승자가 조종하는 경우, 좌우 혹은 상하 깜박이 수단을 설치하여, 주변에서 비행중인 드론에게 해당 드론의 진행 예정 방향을 알려주도록 구성한다. 차량과 달리 PAV는 상하 방향으로도 이동할 수 있으므로 상하 깜박이등(Lamp)도 필요하다. PAV와 같은 유인화 드론은 다양한 분야에 적용될 수 있는데, 특히 레저 분야에 적용하기 위해서는 드론에 비행가능 영역과 고도 제한을 설정하는 수단; 드론에서 이동중 수신하는 위성 위치확인수신기의 좌표를 기준으로 탑승자가 비행가능 영역과 고도 제한을 넘어서도록 조종하더라도, 이탈 경보와 함께 이탈하지 않도록 해당 위치를 유지하도록 구성한다. 혹은, 탑승자가 조종을 포기하거나 조종장치를 오프하는 경우 원격지에서 무선조종장치로 해당 드론을 유도하도록 구성한다. 혹은, 드론 조립체에 비행 프로그램을 설정하는 수단; 설정된 비행 프로그램에 의해 롤러코스터 및 자이로드롭 경우와 같이 급상승과 급하강을 몸으로 체험하도록 구성할 수 있다.
제 12 도는 본 발명의 서브 드론 모듈을 n개 조립하여 페이로드를 확보하는 n단 서브 드론 모듈 조립체 드론의 블록도이다. 즉, 복수 개의 프로펠러(36)와 프로펠러를 회전시키는 구동 모터(19) 및 구동 혹은 독립적으로 자세제어를 실행하는 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단(20)으로 구성하는 서브 드론 모듈 수단(21); 설계하는 페이로드 크기에 따라 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)을 설치하도록 구성하는 수단; 각각의 서브 드론 모듈 수단(21,22,23)의 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단(20)을 제어하는 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(24); 마스터 역할의 중앙 비행제어수단(24)은 관성센서(26)의 정보로 각각의 서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)을 제어하여 비행자세를 유지하는 수단; 필요한 전력을 공급하는 전력공급수단(31)으로 구성한다. 이 경우, 서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)로 호버링 비행 상태에서, 프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력 프로펠러(33)와 구동 모터(34) 및 모터 구동 수단(35)을 추가로 설치하는 수단으로, 추력 프로펠러(33)의 회전 방향에 따라 전진하거나, 혹은 역으로 회전시키면 후진하는 비행을 제공할 수 있다. 혹은, 탑승한 사람이 조종할 수 있도록, 조종장치(27) 및 비행 상태를 표시하는 디스플레이 수단(28)을 포함할 수 있다. 혹은, 전력공급수단(31)으로, 연료 에너지로 회전시키는 엔진(로터리엔진 포함)과 연결된 제너레이터를 통하여 발전된 전력을 드론에 직접 공급하거나, 혹은, 배터리를 충전시키면서 전력을 공급하도록 구성할 수 있다.
본 발명은 페이로드(일례로 15~30kg급) 별로 모듈화시킨 서브 드론 모듈을 요구하는 페이로드에 따라 서브 드론 모듈을 샤시 프레임에 필요한 개수만큼 레고처럼 조립하고 중앙 조종 장치에서 각각의 서브 드론 모듈을 제어하여 비행하는 개념으로 드론의 페이로드를 획기적으로 높일 수 있는 개념을 포함한다. 드론은 다른 비행 수단과 달리 위성위치수신기(GPS)와 영상인식기술 기반으로 정밀한 자동항법 및 원격조종도 가능하다는 장점이 있는 만큼 운반할 수 있는 페이로드를 높이는 문제점을 본 발명을 통해 해결할 수 있다면, 새로운 육·해·공을 주행할 수 있는 편리한 교통 수단으로 발전할 수 있다.
1 : 프로펠러 2 : 로터부
3 : 프랜지 고정수단 4 : 프랜지
5 : 커넥터 6 : 안전망
7 : 드론 샤시 프레임 8 : 서브 드론 모듈
9 :ㅍ프랜지 10 : 중앙 비행제어수단
11 : 전력공급수단 12 : 커넥터
13 : 프랜지 14 : 서브 프로펠러와 로터부 모듈
15 : 캐빈(cabin) 16 : 조종석
17 : 서브 드론 모듈 18 : 추력 프로펠러
19 : 복수개 프로펠러
20 : 1번 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단
21 : 1번 서브 드론 모듈 22 : 2번 서브 드론 모듈
23 : n번 서브 드론 모듈 24 : 중앙 비행제어 수단
25 : 위성좌표수신기 26 : 관성센서
27 : 조종 장치 28 : 디스플레이 수단
29 : 카메라센서 30 : 무선통신수단
31 : 전력공급수단 32 : 원격조종장치
33 : 추력용 프로펠러 34 : 구동 모터
35 : 모터 구동 수단 36 : 복수개 프로펠러
3 : 프랜지 고정수단 4 : 프랜지
5 : 커넥터 6 : 안전망
7 : 드론 샤시 프레임 8 : 서브 드론 모듈
9 :ㅍ프랜지 10 : 중앙 비행제어수단
11 : 전력공급수단 12 : 커넥터
13 : 프랜지 14 : 서브 프로펠러와 로터부 모듈
15 : 캐빈(cabin) 16 : 조종석
17 : 서브 드론 모듈 18 : 추력 프로펠러
19 : 복수개 프로펠러
20 : 1번 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단
21 : 1번 서브 드론 모듈 22 : 2번 서브 드론 모듈
23 : n번 서브 드론 모듈 24 : 중앙 비행제어 수단
25 : 위성좌표수신기 26 : 관성센서
27 : 조종 장치 28 : 디스플레이 수단
29 : 카메라센서 30 : 무선통신수단
31 : 전력공급수단 32 : 원격조종장치
33 : 추력용 프로펠러 34 : 구동 모터
35 : 모터 구동 수단 36 : 복수개 프로펠러
Claims (24)
- 드론에 있어서,
복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(8);
설계하는 페이로드 크기에 따라 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(8)을 설치하도록 구성한 드론 샤시 프레임 수단(7);
드론 샤시 프레임 수단(7)에 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(8)을 고정시키는 프랜지 수단(9);
각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 제어하는 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10);
각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10)과 연결시키는 커넥터 수단(12);
드론에 필요한 전력을 공급하는 전력공급수단(11);
마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(10)은 조종장치(원격조종장치 포함)의 조종 입력을 따라 관성 센서의 정보로 각각의 서브 드론 모듈 수단(8)을 제어하여 해당 방향으로 비행하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 및 서브 드론 모듈의 중앙 비행제어 수단과 방법
- 제 1 항에 있어서,
서브 드론 모듈 수단은
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1) 수단;
각각의 로터부(2)를 서브 드론 모듈의 제어 수단과 연결시키는 수단;
서브 드론 모듈의 제어 수단을 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단과 케이블로 연결하는 커넥터 수단(5);
마스터 역할의 중앙 비행제어 수단의 조종 명령에 따라 서브 드론 모듈 제어 수단은 관성 센서의 정보로 각각의 프로펠러(1)와 로터부(2)를 제어하여 서브 드론 모듈 수단을 조종 명령받은 상태로 제어하는 수단;
드론 샤시 프레임(6)에 고정시키는 프랜지 수단(4)을 서브 드론 모듈에 고정시키는 프랜지 고정 수단(3)으로 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 및 구동 방법
- 제 2 항에 있어서,
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서
프로펠러 에어포일의 방향을 번갈아 가면서 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 독립적인 드론 형태로 작동하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 구성 방법
- 제 2 항에 있어서,
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서
프로펠러 에어포일의 방향을 동일한 방향으로 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러 유닛으로 작동하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 구성 방법
- 제 1 항에 있어서,
서브 드론 모듈 수단은
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1);
각각의 로터부(2)를 서브 드론 모듈 구동 수단과 연결시키는 수단;
마스터 역할의 중앙 비행제어 수단과 케이블로 연결하는 커넥터 수단(5);
마스터 역할의 중앙 비행제어 수단의 구동 명령에 따라 서브 드론 모듈 구동 수단은 각각의 프로펠러(1)와 로터부(2)를 구동시키는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 및 구성 방법
- 제 5 항에 있어서,
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서
프로펠러 에어포일의 방향을 번갈아 가면서 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 독립적인 드론 형태로 작동하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 구성 방법
- 제 5 항에 있어서,
복수 개 로터부(2)에 설치되는 각각의 프로펠러(1)에서
프로펠러 에어포일의 방향을 동일한 방향으로 고정시킴으로써 서브 드론 모듈을 하나의 프로펠러 유닛으로 작동하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 서브 드론 모듈 구성 방법
- 제 5 항에 있어서,
복수 개 로터부(2)에 설치되는 프로펠러(1)들을 서브 드론 모듈 구동수단에서 독립적으로 제어하도록 구성하여
마스터 역할의 중앙 비행제어 수단에서 서브 드론 모듈 구동수단을 통하여 각각의 프로펠러를 직접 제어하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 의 서브 드론 모듈 구성 방법
- 제 1 항에 있어서,
전력공급수단(11)으로
연료 에너지로 회전시키는 엔진(로터리엔진 포함)과 연결된 제너레이터를 통하여 발전된 전력을 드론에 직접 공급하거나,
혹은, 배터리를 충전시키면서 전력을 공급하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 하이브리드 전력공급수단
- 제 1 항에 있어서,
화물 및 사람이 탑승하는 캐빈(15)을 공기를 채운 기구(balloon) 형태의 완충용 기구(3)로 구성하여,
드론이 추락하더라도 충격을 완화함과 함께 수상 추락시에는 드론이 수면에 떠있도록 부력을 제공하도록 구성함을 특징으로 하는 공기를 채운 기구 형태의 캐빈을 포함한 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
화물 및 사람이 탑승하는 캐빈(15)을 공기보다 가벼운 기체를 채운 기구(balloon) 형태의 제 2 페이로드 부력 기구(3)로 구성하여,
제 2 페이로드 부력 기구(3)에서 발생하는 부력(buoyance)을 추가로 확보할 수 있음을 특징으로 하는 제 2 페이로드 부력 기구를 포함한 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 10 및 11 항에 있어서,
탑승한 사람의 시야를 확보할 수 있는 위치에 조종석(16)을 캐빈(15)에 설치하고,
탑승한 사람이 드론을 직접 조종할 수 있는 장치를 설치함을 특징으로 하는 사람이 탑승하여 조종하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(17);
서브 드론 모듈 수단(17)은 상승 및 하강과 회전(Yawing)을 전담하도록 구성하는 수단;
프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하여 직접 추력(Thrust)을 발생시키거나 혹은,
지정된 위치의 서브 드론 모듈 수단(17)을 90도 내외를 기울이는 수단을 설치하여, 지정된 서브 드론 모듈 수단(17)을 90도 내외를 기울인 상태에서 해당 프로펠러를 회전시켜 직접 추력을 발생시킴을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 추력 프로펠러를 포함한 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
복수 개의 드론 로터부(rotor, 회전자)에 각각 프로펠러를 설치한 서브 드론 모듈 수단(17);
서브 드론 모듈 수단(17)은 상승 및 하강과 회전(Yawing)을 전담하도록 구성하는 수단;
프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단;
전진 및 후진 비행 중에 방향을 바꾸기 위해 비행기처럼 러더(Rudder) 및 러더 제어 기구를 설치하는 수단;
추력을 프로펠러(18)가 정지된 호버링 비행 중에는 서브 드론 모듈 수단(17)으로 회전(Yawing) 제어하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 추력 프로펠러를 포함한 드론 조립체
- 제 13 및 14 항에 있어서,
프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력을 발생시키는 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단과 함께
양력을 발생시키기 위한 날개를 설치하는 수단;
전진 및 후진 비행 중에 피칭(pitching) 제어를 위해 비행기처럼 에일러론(aileron) 및 에일러론 제어 기구를 설치하는 수단;
추력 프로펠러(18)가 정지된 호버링 비행 중에는 서브 드론 모듈 수단(17)으로 상승 및 하강 제어하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 추력 프로펠러를 포함한 드론 조립체
- 제 14 및 15 항에 있어서,
서브 드론 모듈 수단(17)로 호버링 비행 상태에서,
프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력 프로펠러(18)와 구동 모터를 추가로 설치하는 수단으로
추력 프로펠러(18)의 회전 방향에 따라 전진하거나, 혹은
역으로 회전시키면 후진하는 비행을 제공함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 추력 프로펠러를 포함한 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
탑승자가 조종하는 경우
좌우 혹은 상하 깜박이 수단을 설치하여
주변에서 비행중인 드론에게 해당 드론의 진행 예정 방향을 알려줌을 특징으로 하는 깜박이 수단을 포함한 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
드론에 비행가능 영역과 고도 제한을 설정하는 수단;
드론에서 이동중 수신하는 위성 위치확인수신기의 좌표를 기준으로 탑승자가 비행가능 영역과 고도 제한을 넘어서도록 조종하더라도
이탈 경보와 함께 이탈하지 않도록 해당 위치를 유지함을 특징으로 하는 비행가능 구역 내에서만 비행하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
탑승자가 조종을 포기하거나 조종장치를 오프하는 경우 원격지에서 무선조종장치로 해당 드론을 유도하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체
- 제 1 항에 있어서,
드론에 비행 프로그램을 설정하는 수단;
설정된 비행 프로그램에 의해 롤러코스터 및 자이로드롭 경우와 같이 급상승과 급하강을 몸으로 체험하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 놀이 기구
- 드론에 있어서,
복수 개의 프로펠러(36)와 프로펠러를 회전시키는 구동 모터(19) 및 구동 혹은 독립적으로 자세제어를 실행하는 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단(20)으로 구성하는 서브 드론 모듈 수단(21);
설계하는 페이로드 크기에 따라 복수 개의 서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)을 설치하도록 구성하는 수단;
각각의 서브 드론 모듈 수단(21,22,23)의 서브 드론 모듈 구동 및 제어수단(20)을 제어하는 마스터 역할의 중앙 비행제어 수단(24);
마스터 역할의 중앙 비행제어수단(24)은 관성센서(26)의 정보로 각각의 서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)을 제어하여 비행자세를 유지하는 수단;
필요한 전력을 공급하는 전력공급수단(31)으로 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 구성 방법
- 제 21 항에 있어서,
서브 드론 모듈 수단(21, 22, 23)로 호버링 비행 상태에서,
프로펠러 비행기처럼 진행 방향으로 추력 프로펠러(33)와 구동 모터(34) 및 모터 구동 수단(35)을 추가로 설치하는 수단으로
추력 프로펠러(33)의 회전 방향에 따라 전진하거나, 혹은
역으로 회전시키면 후진하는 비행을 제공함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 추력 프로펠러를 포함한 드론 조립체 구성 방법
- 제 21 항에 있어서,
탑승한 사람이 조종할 수 있도록
조종장치(27) 및 비행 상태를 표시하는 디스플레이 수단(28)을 포함함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체 구성 방법
- 제 1 항에 있어서,
전력공급수단(31)으로
연료 에너지로 회전시키는 엔진(로터리엔진 포함)과 연결된 제너레이터를 통하여 발전한 전력을 드론에 직접 공급하거나,
혹은, 배터리를 충전시키면서 전력을 공급하도록 구성함을 특징으로 하는 서브 드론 모듈 설치 개수에 따라 페이로드를 조절하는 드론 조립체의 전력공급 방법
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