KR20180019276A - 무인으로 비행하는 드론 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

무인으로 비행하는 드론이 개시된다. 무인 비행체 드론은 드론 본체와 드론 본체에 장착된 복수개의 구동 모터에 의하여 비행한다. 본원 발명의 드론은 전원모듈을 통하여 드론의 구동 모터를 포함하는 시스템부에 전원을 공급한다. 전원모듈에 전원을 공급하는 전원의 소스는 첫 번째는 밧데리로 부터의 전원을 공급한다. 또 다른 전원 소스는 적어도 하나의 수소탱크로부터의 수소를 공급받아 전원을 생산하는 연료전지 스택을 포함한다. 본원발명은 밧데리로부터의 전원과 연료전지스택으로부터의 전원이 공통으로 전원모듈에 연결되어 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

무인으로 비행하는 드론 및 그 제어방법 {A drone flying without human boarding and control method thereof}
본 발명은 비행 중 전력 생산이 가능한 무인으로 비행하는 드론 및 그 제어방법에 관한 발명이다.
다양한 형태의 무인으로 비행하는 드론이 개발되어 상용화 되고 있다. 예를 들어 카메라를 내장한 드론을 목표 지점에 띄워 카메라로 영상을 촬영한다. 드론은 기상관측, 환경감시, 산불감시, 재난지역의 구호를 위한 감시, 국경이나 해안의 도로 감시, 통신 중계 및 원격 탐사 등 다양한 용도로 할용이 된다.
이와 같은 무인 비행체 드론은 구동원으로서 밧데리를 사용한다. 드론의 프로펠러 구동용 모터는 많은 전원을 소모한다. 결국 드론의 비행 시간은 밧데리의 용량에 의하여 제한된다. 드론은 목표 지점으로 비행을 시작하여 원하는 사진 촬영 등의 작업을 수행한 후 밧데리의 잔류 용량 시간 이내에 귀환하여야 한다. 결국, 종래의 드론은 비행 시간에 제한받는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 비행 중 전력을 생산하여 비행시간을 연장하는 드론 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무인으로 비행하는 드론에 있어서, 드론본체; 상기 드론 본체에 장착된 복수개의 구동모터; 상기 구동모터를 포함하는 시스템부에 전원을 공급하는 전원모듈; 상기 전원모듈에 전원을 공급하는 밧데리; 적어도 하나의 수소탱크; 및 상기 수소탱크로부터의 수소를 공급받아 전원을 생산하는 연료전지 스택을 포함하며, 상기 밧데리로부터의 전원과 상기 연료전지스택으로부터의 전원은 공통으로 상기 전원모듈에 연결되어 상기 시스템부에 전원을 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다. 밧데리의 전원과 수소탱크의 수소로부터 생산하는 전원을 공통으로 사용하여 비행시간을 연장한다.
상기 밧데리로부터의 전원과 상기 연료전지스택으로부터의 전원을 선택적으로 상기 전원모듈에 공급하도록 제어하는 제어부를 추가로 포함한다. 비행의 초기에는 먼저 밧데리전원으로 비행한다. 비행 중 수소탱크의 밸브를 오픈하고 연료전지스택에서 전원을 생산하고, 연료전지스택의 전원이 안정되면 밧데리전원을 차단한다. 수소탱크의 수소가 다 소모되면 연료전지스택이 전원은 소정 전원의 용량이 나오지 않으므로 다시 밧데리로 전환한다.
상기 연료전지 스택으로부터 생산된 전원을 공급받아 안정된 출력전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 추가로 포함하며, 상기 DC-DC 컨버터로부터의 출력전원은 상기 전원모듈에 공급한다. 연료전지스택에서 생산된 전원은 불안정한 전원이다. DC-DC컨버터를 거친 전원은 일정한 레벨의 안정된 전원이 된다.
상기 드론 본체에 장착된 카메라를 포함하며, 무인으로 목표 지점의 영상을 촬영 가능하다. 드론에 장착된 카메라는 드론의 제어부의 명령 혹은 원격으로 사용자의 명령으로 목표지점의 영상을 촬영한다.
비행을 제어하는 비행제어 프로그램, 상기 연료전지스택 및 상기 밧데리의 전원을 제어하는 전원제어프로그램 및 상기 카메라를 제어하는 카메라 제어 프로그램을 내장한 메모리를 추가로 포함한다. 메모리는 제어부와 일체 혹은 분리된 형태로 제어프로그램을 내장한다. 제어부는 메모리의 프로그램을 실행하여 예정된 동작을 수행한다.
상기 제어부는, 상기 비행제어 프로그램을 실행하여 상기 드론의 비행을 제어하며, 상기 전원제어프로그램을 실행하여 상기 연료전지스택의 전원과 상기 밧데리 전원을 선택적으로 공급한다. 제어부는 비행제어 프로그램을 실행하여 목표지점으로 비행한다. 제어부는 연료전지스택의 전원과 밧데리의 전원을 검지하여 어떤 타이밍에 어떤 전원을 전원모듈에 공급할 지 결정한다.
상기 제어부는, 비행의 초기에는 상기 밧데리 전원을 선택하여 상기 시스템부에 전원을 공급하며, 상기 연료전지스택의 전원이 안정화 되면 상기 연료전지스택의 전원으로 전환하고, 상기 연료전지스택의 전원이 소정의 전원레벨 이하가 되면 다시 상기 밧데리 전원으로 전환하도록 제어한다. 비행의 초기에는 밧데리 전원을 선택하여 공급한다. 연료전지스택에서 정상적인 전원을 생산하면 연료전지스택의 전원을 선택하여 전원모듈에 공급한다. 수소탱크의 수소가 전부 소모되어 연료전지스택의 전원출력이 정해진 레벨 이하로 떨어지면 다시 밧데리 전원을 선택한다.
상술한 목적은, 본원발명의 다른 측면인, 무인으로 비행하는 드론의 제어방법에 있어서, 비행을 시작하면 밧데리의 전원을 시스템부로 공급하는 단계; 연료전지스택의 전원이 소정 레벨로 안정된 전원인지를 검지하는 단계; 연료전지스택의 전원이 소정 레벨로 안정되면, 상기 밧데리전원을 차단하고 연료전지스택의 전원으로 전환하여 상기 시스템부로 공급하는 단계; 및 연료전지스택의 전원이 또 다른 소정 레벨 이하로 떨어지면, 다시 밧데리 전원을 상기 시스템부로 공급하는 단계를 포함하는 무인으로 비행하는 드론의 제어방법을 통하여도 달성된다.
수소탱크를 추가로 포함하고, 상기 수소탱크로부터 연료전지스택으로 공급되는 수소의 압력을 체크하는 단계를 추가로 포함한다. 수소탱크의 압력이 소정 압력 이하이면 수소가 다 소모된 것으로 판단한다. 이때는 연료전지스택의 전원이 일정 레벨 이상이어도 안전을 위하여 밧데리전원으로 전환한다.
연료전지스택의 전원 소모 이후, 상기 밧데리의 전원의 잔량이 소정의 레벨에 도달하면 소정의 위치로 복귀하는 복귀비행을 수행한다. 드론의 복귀지점과 목표 비행지점의 거리를 제어부는 판단한다. 따라서, 밧데리 잔량의 정도를 보고 안전한 레벨에서 복귀비행을 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 드론은 수소탱크의 수소의 용량만큼 추가적인 전원의 생산이 비행 중에 이루어지므로, 이 수소탱크에 의한 전원의 생산 용량에 의한 시간 만큼 드론의 비행시간을 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소탱크를 내장한 드론의 외관도이다.
도 2는 본 발명에 따른 드론의 블록도이다.
도 3a 및 도3b는 본 발명에 따른 드론의 제어 플로챠트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 바람직한 실시예에 대한 설명으로 더욱 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수소탱크를 내장한 드론의 외관도이다.
본 발명에 의한 드론(1)은 드론본체(10)에 수소탱크(20)을 적어도 한 개 이상 장착한다. 본 발명의 실시예에서는 수소탱크(20)를 2개 장착하되 드론본체(10)의 지면 착지를 위한 차지로드를 겸하여 설치된다. 바람직하게는 수소탱크(20)은 장착 및 탈락이 가능한 형태이어야 한다. 수소탱크(20)는 얇은 금속 혹은 플라스틱으로 제작이 가능하다. 수소탱크(20)의 내부 수소는 고압으로 농축하여 저장한다.
다 소모된 수소탱크(20)는 비행 중 자동으로 분리가 되도록 제작할 수 있다. 드론의 무게를 줄이기 위하여 내부 수소를 다 소모한 수소탱크(20)를 분리하여 공중에서 버릴 수 있다.
드론(1)의 드론본체(10) 하부에는 카메라(50)을 장착하여 목표지점의 영상을 촬영할 수 있다.
드론(1)의 드론본체(10) 내부에는 수소탱크(20)의 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지스택이 장착된다.
도 2는 본 발명에 따른 드론의 블록도이다.
본 발명 드론의 대부분의 주요 구성품은 드론본체(10)에 장착된다. 드론(1)은 수소탱크(20), 제어부(30), 연료전지스택(40), 카메라(50), DC-DC컨버터(60), 전원모듈(70), 구동모터(80) 및 밧데리(90)를 가진다.
수소탱크밸브(21)가 오픈 되면 수소탱크(20) 내부의 고압의 수소는 수소공급관을 통하여 연료전지스택(40)으로 공급된다. 연료전지스택(40)의 수소 입력단에는 수소의 압력을 측정하는 수소압력센서(42)가 설치 될 수 있다. 또한, 도면에는 미도시한 수소압력레귤레이터를 통하여 적절한 압력으로 조절하여 연료전지스택(40)으로 입력한다.
연료전지스택(40)은 입력된 수소와 반응하여 전원을 생산한다. 연료전지스택(40)은 수소를 입력받아 전원을 생산하는 소자로서 이미 상용화 되었다. 따라서 연료전지스택의 전원 생산 과정은 상세한 설명을 생략한다.
연료전지스택(40)에서 생산된 전원은 DC-DC컨버터(60)에 공급된다. DC-DC컨버터(60)는 입력된 전원을 안정화 하는 역할을 수행한다. 연료전지스택(40)에서 생산된 전원은 일정한 값을 가지지 않으므로, DC-DC컨버터를 통과한 전원은 일정한 레벨을 같도록 안정화 된다.
연료전지스택(40)과 DC-DC컨버터(60) 사이에는 제어부(30)에 의해 온오프되는 스위칭 소자로서, 가령 연료전지스택 FET(41)가 설치 될 수 있다. 연료전지스택 FET(41)는 로우 제어신호에 의하여 턴온 되는 소자로서, 연료전지스택 FET(41)가 턴온되면 연료전지스택(40)에서 출력되는 수소에 의하여 생산된 전원은 DC-DC컨버터(60)에 정상적으로 공급된다.
한편, 연료전지스택FET(41)이 턴오프되면 연료전지스택(40)에서 출력된 전원은 DC-DC컨버터에 공급되지 않는다.
DC-DC컨버터(60)을 통하여 안정화된 전원은 전원모듈(70)에 공급되는 첫번째 전원 소스에 해당한다.
밧데리(90)는 전원모듈(70)에 공급되는 두 번째 전원 소스에 해당한다. 밧데리(90)와 전원모듈(70) 사이에는 제어부(30)에 의해 온오프되는 스위칭 소자로서, 가령 밧데리 FET(91)가 설치 될 수 있다.
전원모듈(70)은 DC-DC컨버터(60) 혹은 밧데리(90)를 통하여 공급되는 전원을 동작전원(V1,V2 등)으로 변환하여 드론(1)의 시스템부로 공급한다.
전원모듈(70)의 동작전원의 일례로는 V1 혹은 V2 등 다양한 전원이 있다. V1 전원은 예를 들어 19V-DC 전원으로서 드론(1)의 추진체를 위한 구동모터들(80)에 공급 될 수 있다.
구동모터들(80)은 동작전원 V1을 공급받아 고속 회전을 하고 구동모터들(80)에 연결된 프로펠러들의 회전양력으로 드론은 비행한다. 구동모터들(80)은 4개 혹은 6개 등 다양한 개수를 구비할 수 있다. 본 발명은 구동모터의 개수에 한정되지 않는다.
또 다른 동작전원 V2는 예를 들어 5V-DC 전원으로서 제어부를 포함한 각종 회로부에 공급된다.
제어부(30)는 전원모듈(70)로부터 동작전원 V2를 공급받으며, 내부 혹은 외부에 연결된 메모리에 저장된 다양한 프로그램을 실행한다.
메모리는 제어부(30)의 내부에 인베디드 형태로 장착될 수 있다. 메모리는 제어부(30)의 외부에 ROM형태로 장착되고 제어부는 메모리에 저장된 프로그램을 실행 할 수 있다.
메모리에는 비행제어프로그램, 전원제어프로그램 및 카메라촬영제어프로그램 등이 저장될 수 있다.
한편 제어부(30)는 수소탱크밸브(21), 압력센서(42), 연료전지스택(40), DC-DC컨버터(60), 연료전지스택FET(41), 밧데리FET(91) 등을 직접 제어 할 수 있다.
제어부(30)의 출력제어 신호에 의하여 수소탱크밸브(21)는 온 혹은 오프 될수 있다. 수소탱크밸브(21)는 수동으로 온 혹은 오프 될 수도 있다.
압력센서(42)의 신호를 제어부(30)는 모니터링 한다. 이 모니터링를 통하여 수소탱크(20)의 수소의 잔량을 예측 할 수 있다.
제어부(30)는 연료전지스택(40)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 된 상태에 따라 제어신호를 출력하여 연료전지스택(40)의 상태를 최적의 상태로 만들 수 있다.
제어부(30)는 연료전지스택 FET(41)에 제어신호를 출력하여 연료전지스택 FET(41)를 온 혹은 오프 시킬 수 있다.
본 실시예에서는 연료전지스택 FET(41)가 연료전지스택(40)과 DC-DC컨버터(60) 사이에 설치된 것을 개시하나, 연료전지스택FET(41)는 DC-DC컨버터(60)와 전원모듈(70) 사이에 설치 될 수 있다.
제어부(30)가 연료전지스택FET(41)를 턴온 하는 경우에는 밧데리FET(91)를 턴오프하여 밧데리(90)의 전원을 절약한다.
제어부(30)는 수소가 다 소모된 경우에는, 연료전지스택FET(41)를 턴오프하고, 밧데리FET(91)를 턴온 하여 밧데리 전원으로 비행한다.
도 3a 및 도3b는 본 발명에 따른 드론의 제어 플로챠트이다.
전원버턴이 눌러져서 드론(1)의 비행을 시작하면, 먼저 밧데리(90) 전원을 드론의 전원모듈(70)에 공급한다(S10).
드론(1)의 제어부(30)은 구동모터들(80)의 구동제어를 시작하고, 드론(1)을 비행하는 비행모드를 실행한다. (S20/S30).
제어부(30)는 수소탱크밸브(21)를 오픈 하기 위한 제어신호를 출력한다. (S40). 만약 수동으로 밸브(21)를 열고 비행을 시작한다면 제어부(30)는 이 단계(S40)을 생략 할 수 있다.
제어부(30)는 연료전지스택(40)의 수소 입력단에 설치된 압력센서(42)로부터 수소의 압력에 대한 정보를 수신한다.(S50).
제어부(30)는 연료전지스택(40)의 동작을 시작하는 제어신호를 연료전지스택(40)에 보낼 수 있다. (S60).
연료전지스택(40)은 공급된 수소와 반응하여 전원을 생산한다.
제어부(30)는 연료전지스택FET(41)를 턴온 하기 위한 제어신호를 연료전지스택FET(41)에게 출력할 수 있다.(S70).
연료전지스택FET(41)가 턴온되면 수소반응에 의하여 생산된 전원을 DC-DC컨버터(60)에 공급되고, DC-DC컨버터(60)에 의하여 안정화된 전원은 전원모듈(70)에 공급된다.
수소탱크(20)의 수소에 의하여 안정된 전원이 생산되면 밧데리 전원 공급은 차단하도록 밧데리FET(91)를 턴오프한다. (S80)
한편, 수소탱크(20)의 수소가 점점 소모되면 연료전지스택(40) 입력단에 설치된 압력센서(42)의 출력이 변화한다.
제어부(30)는 연료전지스택(40)의 압력센서(42)로부터의 압력신호가 정상값인지를 모니터링한다. (S90)
압력센서(42)로부터의 입력값이 정상값이라면 연료전지스택의 전력 생산을 계속한다.
압력센서(42)로부터의 입력값이 정상값이 아니라면, 수소탱크(20)의 수소가 'EMPTY'라고 판단한다. (S100)
제어부(30)는 연료전지스택FET(41)를 턴오프 시키고, 밧데리FET(91)를 턴온시켜 밧데리(90)의 전원을 전원모듈(70)에 공급한다. (S110,S120,S130)
제어부(30)는 밧데리의 전원이 일정 레벨 이하인지를 판단한다. (S140)
밧데리(90)는 별도의 마이컴을 내장하여 자신의 밧데리 잔량에 대한 정보를 제어부에 전달 할 수 있다.
제어부(30)는 밧데리의 만충전 으로부터 동작 시간을 카운팅하여 밧데리 잔량을 판단하는 별도의 프로그램으로 밧데리 잔량을 판단 할 수 있다.
밧데리의 잔량이 정해진 레벨 이하로 판단되면, 제어부(30)는 드론을 원래의 위치로 복귀하기 위한 복귀 프로그램을 구동할 수 있다. (S150)
본 발명 실시예에서는 연료전지스택(40)과 밧데리(90)에 각각 FET들(41,91)을 설치한 경우를 설명하였으나, FET들을 설치하지 않고, 두 가지 전원 소스를 전원모듈(70)에 각각 연결하고, 두 전원의 레벨을 비교하는 비교회로를 이용하여 높은 전원을 항상 공급하도록 하는 실시예도 가능하다.
따라서, 본원발명은 두 가지 전원 소스를 전원모듈에 각각 공급하도록 연결하고, 제어적 혹은 회로적으로 선택적으로 하나의 전원을 공급함으로써 비행시간을 연장하는 것은 전부 본원발명의 권리범위에 속한다.
1 : 드론
10 : 드론본체
20 : 수소탱크
21 : 수소탱크 밸브
30 : 제어부
40 : 연료전지스택
41 : 연료전지 스택 FET
42 : 압력센서
50 : 카메라
60 : DC-DC 컨버터
70 : 전원모듈
80 : 구동모터
90 : 밧데리
91 : 밧데리 FET

Claims (10)

  1. 무인으로 비행하는 드론에 있어서,
    드론 본체;
    상기 드론 본체에 장착된 복수개의 구동모터;
    상기 구동모터를 포함하는 시스템부에 전원을 공급하는 전원모듈;
    상기 전원모듈에 전원을 공급하는 밧데리;
    적어도 하나의 수소탱크; 및
    상기 수소탱크로부터의 수소를 공급받아 전원을 생산하는 연료전지 스택을 포함하며,
    상기 밧데리로부터의 전원과 상기 연료전지스택으로부터의 전원은 공통으로 상기 전원모듈에 연결되어 상기 시스템부에 전원을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 무인으로 비행하는 드론.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밧데리로부터의 전원과 상기 연료전지스택으로부터의 전원을 선택적으로 상기 전원모듈에 공급하도록 제어하는 제어부를 추가로 포함한 무인으로 비행하는 드론.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 생산된 전원을 공급받아 안정된 출력전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 추가로 포함하며,
    상기 DC-DC 컨버터로부터의 출력전원이 상기 전원모듈에 공급되는 무인으로 비행하는 드론.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 드론 본체에 장착된 카메라를 포함하며,
    무인으로 목표 지점의 영상을 촬영 가능한 무인으로 비행하는 드론.
  5. 제4항에 있어서,
    비행을 제어하는 비행제어 프로그램, 상기 연료전지스택 및 상기 밧데리의 전원을 제어하는 전원제어프로그램 및 상기 카메라를 제어하는 카메라 제어 프로그램을 내장한 메모리를 추가로 포함하는 무인으로 비행하는 드론.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 비행제어 프로그램을 실행하여 상기 드론의 비행을 제어하며, 상기 전원제어프로그램을 실행하여 상기 연료전지스택의 전원과 상기 밧데리 전원을 선택적으로 공급하는 무인으로 비행하는 드론.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 비행의 초기에는 상기 밧데리 전원을 선택하여 상기 시스템부에 전원을 공급하며, 상기 연료전지스택의 전원이 안정화 되면 상기 연료전지스택의 전원으로 전환하고, 상기 연료전지스택의 전원이 소정의 전원레벨 이하가 되면 다시 상기 밧데리 전원으로 전환하도록 제어하는 무인으로 비행하는 드론.
  8. 무인으로 비행하는 드론의 제어방법에 있어서,
    비행을 시작하면 밧데리의 전원을 시스템부로 공급하는 단계;
    연료전지스택의 전원이 소정 레벨로 안정된 전원인지를 검지하는 단계;
    연료전지스택의 전원이 소정 레벨로 안정되면, 상기 밧데리전원을 차단하고 연료전지스택의 전원으로 전환하여 상기 시스템부로 공급하는 단계; 및
    연료전지스택의 전원이 또 다른 소정 레벨 이하로 떨어지면, 다시 밧데리 전원을 상기 시스템부로 공급하는 단계를 포함하는 무인으로 비행하는 드론의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    수소탱크를 추가로 포함하고,
    상기 수소탱크로부터 연료전지스택으로 공급되는 수소의 압력을 체크하는 단계를 추가로 포함하는 무인으로 비행하는 드론의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    연료전지스택의 전원 소모 이후, 상기 밧데리의 전원의 잔량이 소정의 레벨에 도달하면 소정의 위치로 복귀하는 복귀비행을 수행하는 무인으로 비행하는 드론의 제어방법.
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