KR20180017464A - 결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

발명의 실시예에 따른 결합형 멀티콥터는 분리 및 결합 수단을 구비하는 구동부; 및 상기 구동부에 제어 명령을 전달하는 관리부를 포함하고, 상기 관리부는 상기 구동부의 분리 및 결합에 의한 무게중심을 반영하여 상기 구동부로 제어 명령을 전달하는 제어부를 포함한다.

Description

결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법{COMBINATION TYPE MULTI COPTER AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 복수의 구동부 및 각 구동부별 프로펠러가 구비된 멀티 콥터의 분리 및 합체를 통해 구동부의 고장 또는 파손이 발생하면, 해당 구동부를 제거하거나 또는 작동을 정지하여 지속적으로 운전이 가능한 결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)는 드론(Drone)으로 일반인에게 더 널리 알려져 있는데, 형상 및 비행 특성에 따라 크게 고정익(Fixed-wing) 무인항공기, 회전익(Rotary) 무인항공기, 멀티콥터(Multi-copter) 무인항공기로 나뉜다. 일반적으로 우리가 알고 있는 쿼드콥터(Quadcopter), 헥사콥터(Hexacopter), 옥토콥터(Octocopter) 등이 멀티 콥터의 일종으로, 이러한 멀티 콥터들은 주로 모터를 동력으로 사용해 비행 시 '윙윙' 소리가 들리기 때문에 드론이라는 명칭을 갖게 되었다.

대한민국 공개 특허 제10-2015-0075587호

본 발명은 분리 및 결합이 가능한 멀티콥터를 통해 기하학적 모양으로 운전할 수 있는 결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 일부 구동부가 정상 동작하지 않는 경우에도 지속적인 임무 수행이 가능한 결합형 멀티콥터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따른 결합형 멀티콥터는 분리 및 결합 수단을 구비하는 구동부; 및 상기 구동부에 제어 명령을 전달하는 관리부를 포함하고, 상기 관리부는 상기 구동부의 분리 및 결합에 의한 무게중심을 반영하여 상기 구동부로 제어 명령을 전달하는 제어부를 포함한다.

발명의 실시예에 따른 결합형 멀티콥터는 일부 구동부의 고장 또는 파손이 발생하더라도, 해당 구동부를 제거하거나 또는 작동을 정지하여 지속적으로 임무 수행이 가능한 효과가 있다.

도 1은 발명의 실시예에 따라 관리부 및 구동부를 활용하여 구성한 결합형 멀티콥터를 나타낸 것이다.
도 2는 발명의 실시예에 따라 다각형으로 관리부 및 구동부를 구성한 결합형 멀티콥터를 나타낸 것이다.
도 3은 발명의 실시예에 따라 구동부의 결합 상태를 나타낸 것이다.
도 4는 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터의 맵을 나타낸 것이다.
도 5는 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터에서 구동부의 회전방향을 나타낸 것이다.
도 6은 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터의 분리 및 합체를 나타낸 것이다.
도 7은 결합형 멀티콥터의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 발명의 실시예에 따라 관리부 및 구동부를 활용하여 구성한 결합형 멀티콥터를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 발명의 실시예에 따른 결합형 멀티콥터(300)는 구동부(100) 및 관리부(200)를 포함하여 구성된다. 도시하지는 않았지만 구동부(100)는 통신부, 출력 상태 점검부를 포함할 수 있다.

구동부(100)의 상태 점검부는 프로펠러를 회전시키는 출력수단의 상태를 점검하고, 그 결과를 통신부를 통해 관리부(200)로 전달한다.

하나의 관리부(200)에 복수의 구동부(100)가 연결될 수 있다. 구동부(200)는 하나의 관리부(200)를 기준으로 일정 각도 이상의 간격으로 이격하여 복수개가 연결될 수 있다.

구동부(100)는 결합 및 분리 수단을 구비할 수 있다. 분리 및 결합 동작은 예를 들어, 전자석으로 실행될 수 있다. 이에 따라 구동부(100)간, 또는 구동부(100)와 관리부(200)간의 결합 및 분리가 가능하다. 다만 결합 및 분리 수단은 이에 대해 한정하는 것은 아니다.

관리부(200)는 제어부(210), 카메라부(220) 및 통신부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

제어부(210)는 관리부(200)와 연결된 구동부(100)의 동작을 제어한다. 제어부(200)는 또한 구동부(100)의 분리 및 결합을 제어할 수 있다. 이에 따라 구동부(100)가 결합형 멀티콥터에 결합되거나 분리될 수 있다.

카메라부(220)는 결합형 멀티콥터의 비행 영상을 촬영하고 이를 저장할 수 있다. 이를 위해 메모리 카드 등의 저장수단을 구비할 수 있다. 카메라부(220)에 의해 수집된 영상은 통신부(230)를 통해 외부로 전달될 수 있다.

통신부(230)는 카메라부(220)에 의해 수집된 영상을 외부로 전달하거나, 결합형 멀티콥터의 동작 전반에 관련된 명령을 수신하고, 관련 정보를 송수신할 수 있다. 제1 결합형 멀티콥터(300-1)는 하나의 관리부(200)를 둘러싸고 4개의 구동부가 직각으로 이격하여 4개 배치된 구성을 도시하고 있다.

또한, 제2 결합형 멀티콥터(300-2)는 4개의 구동부가 직각으로 이격하여 배치되는 외에, 두 방향의 구동부(200)는 복수개가 직렬로 연결되고, 90도의 간격을 두고 이격하여 배치되는 구동부(200)의 사이에 하나의 구동부가 추가로 연결되는 구성이 도시되어 있다. 이러한 배치는 일예이며, 상황에 따라 변경된 구성으로 배치될 수 있음은 물론이다.

제1 결합형 멀티콥터(300-1) 및 제2 결합형 멀티콥터(300-2)는 각각 독립하여 구동될 수 있다. 즉, 제1 결합형 멀티콥터(300-1) 및 제2 결합형 멀티콥터(300-2)는 개별 구동할 수 있으며, 구동 중에 상호 분리 및 결합이 가능하다.

도 2는 발명의 실시예에 따라 다각형으로 관리부 및 구동부를 구성한 결합형 멀티콥터를 나타낸 것이다. 도 1에서 관리부(200)를 중심으로 사방으로 직각으로 이격하여 4개 배치된 구성과 달리, 도 2(a)는 3개의 구동부가 관리부를 감싸도록 삼각형의 형상으로 배치되고, 하나의 구동부에는 다른 구동부가 추가로 연결되어 구동된다.

또한, 도 2(b)는 6개의 구동부가 관리부를 감싸도록 육각형의 형상으로 배치될 수 있다. 구동부 및 관리부, 구동부와 구동부가 접하는 면은 분리 및 결합 수단이 구비되어 관리부의 제어 명령에 따라 분리 및 결합이 실행될 수 있다.

도 3은 발명의 실시예에 따라 구동부의 결합 상태를 나타낸 것이다. 도면에서는 3개의 구동부가 상호결합된 구성을 예로 들었으나, 결합 형태에 대해 한정하는 것은 아니다. 도시된 바와 같이, 복수의 구동부 또는 관리부는 각각의 ID 정보를 포함한다.

ID 정보를 갖는 각각의 구동부 또는 관리부는 자신과 결합되어 있는 관리부 또는 구동부에게 자신의 ID 정보를 제공하고, 자신과 결합되어 있는 주변 환경 정보를 구동부에 전달한다. 이 경우, 메시지의 구성은 자신의 ID와 각 모서리 별로 결합되어 있는 다른 관리부 또는 구동부의 ID를 함께 제공한다. ID 1 내지 ID 3에서 송신하는 메시지를 표로 나타내면 하기와 같다.

자신의 ID	모서리 번호
	1	2	3	4
1	2

자신의 ID	모서리 번호
	1	2	3	4
2			3	1

자신의 ID	모서리 번호
	1	2	3	4
3			2

즉, ID 1인 구동부는 자신의 모서리 1에서 ID 2인 구동부와 접하기 때문에, 상기 표 1과 같이 모서리 1에서 ID 2인 구동부와 접한다고 표시한다.

또한, ID 2인 구동부는 자신의 모서리 4에서 ID 1인 구동부와 접하고, 자신의 모서리 3에서 ID 3인 구동부와 접하기 때문에, 상기 표 2과 같이 모서리 3에서 ID 3인 구동부와 접하고, 모서리 4에서 ID 1인 구동부와 접한다고 표시한다.

또한, ID 3인 구동부는 자신의 모서리 3에서 ID 2인 구동부와 접하기 때문에, 상기 표 3과 같이 모서리 3에서 ID 2인 구동부와 접한다고 표시한다.

모서리 번호는 각각 ID 정보와 대응하여 저장될 수 있고, 상기 표를 통해 결합관계를 확인할 수 있다. 관리부는 전달받은 정보를 기반으로 결합형 멀티콥터의 맵을 구성하여, 무게중심 및 운동방정식을 산출하고 이에 근거하여 구동부를 제어한다. 구동부에 고장 또는 파손이 발생하는 경우 해당 구동부를 제거하거나 또는 작동을 정지시키는데, 이 경우 변경된 무게중심 및 운동방정식을 재산출하여, 결합형 멀티콥터가 변화된 환경에 능동적으로 대응 가능하다.

도 4는 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터의 맵을 나타내고, 도 5는 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터에서 구동부의 회전방향을 나타낸 것이다.

관리부는 도 3에서의 과정을 통하여 획득한 메시지를 바탕으로 결합형 멀티콥터의 맵을 구성한다. 여기서 결합형 멀티콥터의 맵의 격자 형상은 관리부 및 구동부의 결합 형상과 일치하도록 구성한다.

도 4에서 검은 부분은 결합형 멀티콥터의 제어부 또는 구동부에 해당하는 것으로, 결합형 멀티콥터의 형상을 구체화하여 나타내고, 결합형 멀티콥터의 무게중심을 구하는데 사용될 수 있다. 도면에서 가로축은 x축, 세로축은 y축을 나타낸다. x축과 y축의 무게중심은 각각 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

...수학식(1)

상기 수학식에서 mi와 nj는 각각 열과 행에 있는 관리부 또는 구동부의 개수이며, m은 결합형 멀티콥터의 전체 질량이다. 또한, l은 관리부 또는 구동부 모서리의 길이로, 도 4에서 단위 칸의 길이이다.

또한, 운동방정식은 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

..수학식(2)

상기 수학식에서 ξ는 거리이며 v는 속도이다. 또한, Ω는 멀티콥터 자세 각속도이며, R은 멀티콥터 자세각이다.

또한, T는 구동부에서 생성되는 추력으로 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

..수학식(3)

상기 수학식에서 ω_ik는 i행 k열 구동부의 각속도이며, α_ki는 스위칭 항으로 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

...수학식(4)

또한, τ는 토그(torque)로 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

...수학식(5)

(u,v)는 무게중심이 있는 블록의 좌표값으로, 도 5에서 (u,v)는 (2,3)으로 나타낼 수 있다. 무게중심을 고려하여 구동부의 추력이 결정될 수 있다. 또한, G는 자이로스코프(gyroscopic) 토크로 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.

..........수학식(6)

도 6은 발명의 실시예에 따라 결합형 멀티콥터의 분리 및 합체를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 결합형 멀티콥터의 결합을 위하여, 2기 이상의 결합형 멀티콥터는 마스터(Master) 관리부를 선정하게 되고, 선정된 관리부는 결합형 멀티콥터 합체 후, 상기 수학식을 통하여 관리부를 재설계한다. 이에 따라 구동부의 출력이 조정된다. 결합형 멀티콥터의 분리 및 결합은 예를 들어 전자석으로 실행될 수 있으며, 이에 대해 한정하는 것은 아니다.

도면에 도시된 바와 같이, 결합형 멀티콥터의 결합에 의해 무게중심이 이동하고, 분리되는 과정에서 하나의 구동부(101)가 이동하였으므로 이에 따라 무게 중심이 변경되므로 이를 고려하여 결합형 멀티콥터는 합체 및 분리에 따라 무게 중심의 변경을 반영하여 구동부를 제어한다. 이는 상기 수학식 1 내지 6을 이용한 산출 또는 도 7의 과정으로 산출될 수도 있다.

도 7은 결합형 멀티콥터의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 처음으로, 결합형 멀티콥터가 결합하면 모서리별 연결상황을 파악하여 관리부로 전송한다(S100). 다음으로 연결상황을 통해 무게중심 및 구동부의 제어를 위한 멀티콥터의 맵을 구성하고, 이를 반영하여 구동부의 파라미터를 설정한다(S200). 상기 파라미터는 도 4, 도 5 및 상기 수학식을 통해 설정될 수 있다.

다음으로, 구동부가 정상 동작하는지를 판단하여(S300), 정상동작하는 것으로 판단되는 경우 정상비행하고(S500), 이상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 해당 구동부의 동작을 정지 또는 분리한다(S400).

구동부의 동작이 정지되거나 분리되는 경우, 다른 구동부의 출력이 변경될 수 있으므로 관리부(200)의 제어부(210)는 이를 재산출하기 위해 S100의 단계로 돌아가서 상기의 S100 내지 S300 과정을 반복한다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 구동부
200: 관리부
210: 제어부
220: 카메라부
230: 통신부
300: 결합형 멀티콥터

Claims (5)

1. 분리 및 결합 수단을 구비하는 구동부; 및
   상기 구동부에 제어 명령을 전달하는 관리부를 포함하고,
   상기 관리부는 상기 구동부의 분리 및 결합에 의한 무게중심을 반영하여 상기 구동부로 제어 명령을 전달하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합형 멀티콥터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 관리부는 분리 및 결합 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 결합형 멀티콥터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 관리부는 비행 영상을 저장하는 카메라부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합형 멀티콥터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는 출력상태를 점검하는 출력 상태 점검부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합형 멀티콥터.
   
5. 구동부 및 관리부의 모서리별 연결상황을 파악하여 관리부로 전송하는 단계;
   상기 연결상황을 통해 상기 구동부의 파라미터를 설정하는 단계; 및
   상기 구동부가 정상 동작하는지를 판단하여 정상동작하는 것으로 판단되는 경우 정상비행하고, 이상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 해당 구동부의 동작을 정지 또는 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합형 멀티콥터의 제어 방법.

Images