KR20180090300A - 단일 팔 장애 리던던시를 갖는 멀티-로터 항공기 - Google Patents

Abstract

본 개시는 5 개 이상의 팔(arms)을 포함하는 멀티-로터 항공기를 제공한다. 동축 역회전 로터/프로펠러 쌍은 다각형을 한정하는 각각의 팔 상에 구성된다. 로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장나는 경우, 자동 조종 장치를 통합하는 컨트롤 시스템은, 요(yaw) 안정성을 유지하기 위해 한 쌍의 대응하는 역 회전 로터/프로펠러를 정지시킴으로써, 대응하는 팔을 비기능적으로 만들며; 항공기의 경사 및 리프트 안정성을 유지하기 위해 나머지 기능 팔의 동축 역회전 로터/프로펠러의 스로틀(throttles)을 조절한다.

Description

단일 팔 장애 리던던시를 갖는 멀티-로터 항공기

본 개시는 항공기 분야에 관한 것이다. 보다 특히, 본 개시는 하나의 팔 및/또는 관련된 부품이 어떠한 이유로 고장나는 경우에도 안정된 비행을 유지할 수 있는 멀티-로터 항공기(multi-rotor aerial vehicle)에 관한 것이다.

배경기술은 본 발명을 이해하는데 있어 도움이 될 만한 정보를 포함한다. 여기에서 제공된 어떠한 정보도 선행 기술이거나 본원 발명과 관련이 있거나, 명확히 또는 암시적으로 언급된 어떠한 공보도 선행 기술임을 인정하는 것은 아니다.

무인 항공기(이하 UAV 라고 함)는 카메라, 센서, 통신 장비, 또는 기타 페이로드(payloads)를 운반할 수 있는 원격 조종 또는 자체-조종된 항공기이며, 통제되고, 지속되고, 수평 비행이 가능하며, 대게 엔진에 의해 구동이 된다. 자체-조종된 UAV 는 사전 프로그래밍된 비행 계획에 따라 자율적으로 비행할 수 있다.

UAV 는 유인 항공기가 적용되거나 실현될 수 없는, 점점 더 다양한 응용 분야에 사용되고 있다. 이러한 응용분야는 감시, 정찰, 표적 획득, 데이터 수집, 통신 중계, 유인(decoy), 괴롭힘(harassment), 또는 공급 비행(supply flight)과 같은 군사 작전이 포함될 수 있다. UAV 는 또한, 소방 자연 재해 정찰, 시민 교란이나 범죄 현장에 대한 경찰 감시 및 과학 연구와 같이, 사람 관찰자가 위험에 처할 수 있는, 증가하는 민간인 임무에 사용된다. 후자의 예는 기상 형성 또는 화산의 관찰일 수 있다. 소형화 기술이 발달함에 따라, 이제는 아주 작은 UAV (때로는 마이크로-항공기, 또는 MAV 라고 언급된다) 를 생산하는 것이 가능하다.

UAV 는 필수적으로 두 개의 형태로 디자인된다: 비행기처럼 작동하는 고정된 날개 항공기 및 양력(lift forces)과 다른 방향에서의 움직임을 제공하기 위해 여러 개의 로터(rotors)가 있고, 수직으로 이륙할 수 있으며 헬리콥터처럼 움직일 수 있는 멀티콥터. 후자 디자인은 비즈니스 유저(business users)뿐만 아니라 취미자(hobbyists) 사이에서 급격한 인기를 얻고 있으며, 이는 때때로 "드론(drone)" 이라고 언급된다.

멀티-로터 UAV 는 고도, 방향 및 속도로 드론을 조종할 수 있도록, 차별화된 방법으로 컨트롤될 수 있는 각각의 모터에 의해 구동되는 다중 로터를 가진다.

일반적으로, 조이스틱 구성은 멀티-로터 UAV 를 원격 조종하는데 사용되며된, 스로틀(throttle), 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)는 스틱 컨트롤을 사용하여 조정된다. 예를 들어, 멀티-로터 UAV 가 전진하도록, 사용자는 피치 축에 대해 그의 기기를 기울이며(피치가 상하로 움직이는 경우 UAV 의 코(nose)/헤드(head)가 드론의 왼쪽에서 오른쪽으로 수평축을 따라 움직인다), 멀티-로터 UAV 를 우측 또는 좌측으로 이동시키려면, 상기 장치를 롤 축에 대하여 기울인다(멀티-로터 UAV 의 롤을 코(nose)에서 꼬리(tail)까지 수평 축을 따라 좌측 또는 우측으로 기울임). 사용자는 다른 명령, 특히 "등반(climb)/강하(descent)" (스로틀 컨트롤) 및 "우회전/좌회전" 을 자유롭게 쓸 수 있다. 이러한 명령들은 조이스틱 또는 터치 스크린 또는 터치패드를 사용하는 사용자에 의해 실행될 수 있다.

멀티-로터 UAV 는 일반적으로 다수의 대칭적으로 배치된 로터를 가지고 있으며, 대개 4 이상의 짝수개를 가지고 있다. 쿼드콥터(Quadcopters)(각각 하나의 로터를 가지고 있는, 네 개의 팔(arms)을 갖는 멀티-로터 UAV)는 트리콥터(tricopters)(각각 하나의 로터를 가지고 있는, 세 개의 팔(arm)을 갖는 멀티-로터 UAV)보다 기계적으로 간단한 장점, 더 큰 리프트 수용량(lift capacity) 및 안정성이 있다. 그러나, 전통적인 쿼드콥터는 하나의 로터가 고장나는 경우 재구성될 수 없으며, 리프트의 대칭성에 대한 고유의 의존성 때문에 완전히 불안정화된다. 헥사로터(hexarotors) 및 옥타로터(octarotors)는 더 많은 수의 액츄에이터(actuators)로 인해 향상된 신뢰성을 가지지만, 비용 및 크기를 고려하면 최소의 가능한 구성까지 팔(arms)의 개수를 줄이는 것이 바람직하다.

멀티-로터 UAV 상에서의 각각 로터를 갖는 팔의 수를 증가시키는 것은 (예를 들어, 헥사로터 및 옥타로터에서) 하나의 로터가 고장나더라도 안정하고 비행 가능하게 할 수 있는 반면, 동일한 페이로드(payload)에 대한 추가적인 팔의 개수는 구조의 무게를 상승시키고, 관성을 상승시키게 되며, 감소된 추진력 마진(thrust margin)을 낳게되고, 게다가, 비용도 상승시키는 결과를 낳는다.

따라서, 이 기술분야에서는, 소형 및 크기는 여전히 고려하면서, 하나의 팔(arm) 및/또는 이와 연관된 부품이 고장나는 경우에도 비행을 유지하거나 기능할 수 있는, 최소의 팔(arms)의 수를 갖는 멀티-로터 UAV 를 위한 안정적인 UAV 장치에 대한 요구가 존재한다.

본 명세서에 기재된 모든 공보는 각각의 간행물 또는 특허출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참고 문헌에 포함되도록 표시된 것과 동일한 범위로 참고 문헌에 통합된다. 통합된 참고문헌에 사용된 용어의 정의 또는 사용은 본원에 기재된 용어의 정의와 일치하지 않거나 대비되는 경우, 본원에 기재된 상기 용어의 정의가 적용되고 참고 문헌에서의 용어의 정의는 적용되지 않는다.

일부 실시예에서, 본 발명의 특정 실시예를 기술하고 청구하는데 사용되는 성분의 양, 농도, 반응 조건 등과 같은 특성을 나타내는 숫자는 어떤 경우에는 용어 "약" 에 의해 변형되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 서술된 설명 및 첨부된 청구 범위에 기재된 수치 파라미터는 특정 실시예에 의해 얻어지도록 요구되는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 일부 구체예에서, 수치 파라미터는 보고된 유효 자리 수의 수와 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 본 발명의 일부 실시예의 광범위한 범위를 설명하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치 임에도 불구하고, 특정 실시예에 기재된 수치는 가능한한 정확하게 기록된다. 본 발명의 일부 실시예에 나타낸 수치는 각각의 시험 측정에서 발견된 표준 편차로부터 필연적으로 발생하는 특정 오차를 포함할 수 있다.

본원 명세서 및 하기의 청구 범위를 통해 사용된 바와 같이, "하나의"(a 또는 an), "상기, 그"(the) 의 의미는 그 문맥이 달리 지시하지 않는 한 복수 인용 문헌을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "안에서, 위에서, ~의"(in) 의 의미는 문맥 상 명백하게 달리 나타내지 않는한, "안에서"(in) 및 "위에서"(on) 을 포함한다.

본원에서 값의 범위를 기술하는 것은 단지 그 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 참조하는 손쉬운 방법으로 제공하기 위한 것으로 의도된다. 본원에서 별도로 나타내지 않는 한, 각각의 개별 값은 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 통합된다. 본원에 기재된 모든 방법은 본원에서 달리 나타내지 않거나 문맥상 명백히 부정되지 않는한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서의 특정 실시예와 관련하여 제시된 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 나타내도록 의도된 것이며, 달리 청구된 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서에서의 어떠한 언어도 본 발명의 실시에 있어 필수적인, 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.

본원에 기재된 본 발명의 대체 요소 또는 실시예의 그룹은 제한적으로 해석되어서는 안된다. 각 그룹 구성은 개별적으로 또는 그룹의 다른 구성과 또는 본원에 기재된 다른 요소들과의 조합으로 언급되거나 요구될 수 있다. 편의 및/또는 특허성을 이유로 하나 이상의 그룹 구성이 포함되거나, 그룹으로부터 삭제될 수 있다. 이러한 포함 또는 삭제가 발생하는 경우, 본 명세서는 변형된 그룹을 포함하는 것으로 간주되어 첨부된 클레임에서 사용된 모든 마쿠쉬(Markush) 그룹의 서면 설명을 수행한다.

본 발명의 일반적인 목적은 신뢰성 있고 비용 효과적인 멀티-로터 강성 프레임(rigid frame) UAV 를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 신뢰성을 향상시키기 위하여 구축된 단일 팔(arm) 장애(failure) 리던던시(redundancy)를 갖는 멀티-로터 UAV 를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 팔/로터의 수를 최소로 유지하면서 멀티-로터 UAV 에서의 단일 팔 장애 리던던시를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 멀티-프로펠러 UAV 의 리프트(lift), 요(yaw), 피치(pitch) 및 롤(roll) 요구 사항을 처리하는 내재된 단일 암(arm) 장애 리던던시를 제공하는 것이다.

본원에 개시된 양상들은 무인 항공기 (UAV) 와 같은 멀티 로터 강성 프레임(rigid frame) 항공기 (AV) 에 관한 것이다. 본 개시는 팔(arm)/로터 중 하나가 고장 났을 경우 항공기가 안정성을 잃지 않는 단일 팔(arm) 장애 리던던시를 제공하는 시스템을 제공한다. 일 양태에서는, 본 개시는 최소 개수의 팔(arms)을 필요로 하는 구성을 제공하며, 이로써 최소 비용으로 단일 팔(arm) 장애 리던던시를 제공한다.

일 양태에서는, 5 개의 팔을 갖는(5-armed) 강성 프레임 UAV 를 제공한다. 개시된 UAV 는 5 개의 팔 각각이 한 쌍의 동축(coaxial) 역 회전 프로펠러와 결합하는 5 개의 팔을 갖는 강성 프레임 구성에 근거할 수 있다. UAV 의 무게 중심(CG)은 고정된 구성에서 인접한 프로펠러를 연결하는 선으로 정의된 다각형 내에 있을 수 있다.

일 양태에서는, 인접한 프로펠러를 연결하는 선들에 의해 정의된 다각형은 UAV의 CG 가 다각형의 중심에 가깝게 위치하는 정다각형일 수 있다. 따라서, 어떤 하나의 팔이 고장나는 경우, UAV 의 CG 는 여전히 작동하고 있는 나머지 4 개의 팔에 의해 형성된 최소 지지 다각형 내에 잘 자리잡아 UAV 의 하나의 팔이 고장나는 경우에도 안정성과 요(yaw) 컨트롤을 유지할 수 있는 능력을 제공한다.

또 다른 일 양태에서는, 인접한 프로펠러를 연결하는 선들에 의해 정의된 다각형은, 임의의 하나의 팔이 고장나는 경우, 볼록 비정다각형(irregular convex polygon)의 구성일 수 있으며, UAV 의 CG 는 여전히 잘 작동하고 있는 나머지 4 개의 팔에 의해 형성된 최소 지지 다각형 내에 잘 자리 잡아 UAV 의 하나의 팔이 고장나는 경우에도 안정성과 요(yaw) 컨트롤을 유지할 수 있는 능력을 제공한다.

일 양태에서, UAV 의 5 개의 팔(arms) 상에서의 동축(coaxial) 역 회전 프로펠러의 각 쌍은 공통 모터 또는 독립적인 모터에 의해 구동될 수 있다.

일 측면에서, 로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장난 경우, 고장난 로터/프로펠러의 반대 방향으로 회전하는, 작동중인 프로펠러는 요(yaw) 안정성을 유지하기 위하여, 차단될 수 있다. 바람직한 실시예로는, 같은 팔 상에서의 역 회전 프로펠러가 요(yaw) 안정성을 유지하기 위하여 차단된다.

일 측면으로는, 기능 로터는 리프트(lift) 및 경사(tilt) 안정성을 유지하기 위하여, 고장난 팔과 관련된 그것들의 위치에 따라 스로틀 업(throttle up) 또는 스로틀 다운(throttle down)된다. 경사 안정성은 다른 로터를 스로틀 업 또는 스로틀 다운하여 리프트의 중심을 이동시켜 CG 와 일치되도록 만든다. 개별 로터/프로펠러의 합력이 UAV 의 무게와 같아지도록 다른 로터를 스로틀 업 또는 스로틀 다운하여 리프트의 안정성이 유지된다.

일 양태에서는, 개시된 UAV 의 시스템은 고장난 팔의 위치를 감지하고 요(yaw) 안정성을 유지하기 위해 차단된 로터 뿐만 아니라 고장난 팔과 관련된 상대 백터 위치에 기초하여 다른 로터를 스로틀 업 또는 스로틀 다운할 수 있는 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 목적, 특징, 양태 및 장점은, 숫자들이 구성 성분들을 표현하는 첨부된 도면에 따라, 하기의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 개시는 신뢰성 있고 비용 효과적인 멀티-로터 강성 프레임 UAV 를 제공한다.

본 개시는 신뢰성을 향상시키기 위해 단일 팔 장애 리던던시가 구축된 멀티-로터 UAV 를 제공한다.

본 개시는 팔/로터의 수를 최소로 유지하면서 멀티-로터 UAV 에서의 단일 팔 장애 리던던시를 제공한다.

본 개시는 멀티-프로펠러 UAV 의 리프트(lift), 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 요구 사항을 처리하는 구축된 단일 팔 장애 리던던시를 제공한다.

첨부된 도면은 본 발명의 개시에 대한 추가적인 이해를 돕기 위하여 첨부되며, 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 개시의 예시적인 실시예를 설명하고, 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1 은 본 개시의 일 실시예에 따른 멀티-로터 무인 항공기 (UAV) 의 대표적인 예시를 나타낸다.
도 2 는 본 개시의 일 실시예에 따른 멀티-로터 UAV 의 또 다른 대표적인 예시를 나타낸다.
도 3 은 본 개시의 일 실시예에 따른 멀티-로터 UAV 에서의 단일 팔 리던던시(single arm redundancy)를 설명하기 위한 예시적인 블록 다이아그램(block diagram)을 나타낸다.

하기는 첨부 도면에 도시된 개시의 실시예에 대한 상세한 설명이다. 실시예들은 개시된 내용을 명확하게 전달할 수 있을만큼 상세하다. 그러나, 제공되는 세부 사항의 정도는 예상되는 실시예들의 변형을 제한하지 않는다; 반대로, 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 개시의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변형, 균등물, 및 대안들을 포함하는 것이다.

첨부된 청구 범위 각각은, 침해 목적으로 청구 범위에 기술된 다양한 요소 또는 제한에 대한 균등물을 포함하는 것으로 인식되는 별도의 발명을 정의한다. 문맥에 따라, 하기의 모든 참고문헌들은 어떤 경우에는 특정 구체적인 실시예만을 언급할 수 있다. 다른 경우에는, "발명" 에 대한 참고문헌들은 청구항 중 하나 이상(반드시 전부는 아님)에 기재된 주제(subject matter)를 언급하는 것으로 인식될 것이다.

본원에 기재된 다양한 용어들은 하기에 나타내어진다. 청구범위에 사용된 용어가 하기에서 정의되지 않는 한, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 출원 당시에 발행된 특허 및 인쇄된 간행물에 반영된대로 해당 용어를 부여한 가장 넓은 정의로 부여되어야 한다.

본원에 기재된 "요(yaw)" 라는 용어는 노우즈(nose)의 측면에서 측면으로의 이동 또는 회전 또는 중력의 중심을 통과하는 수직축 주위로의 멀티-로터 UAV 의 헤딩(heading)을 말한다.

본원에 기재된 "양력(lift force)" 이라는 용어는 UAV 를 상승시키기 위한 다양한 힘을 말한다.

본원에 기재된 "리프트 중심(centre of lift)" 이라는 용어는 모든 로터에 의해 발생된 모든 양력(lift force)의 총합이 그 방향으로의 총합력으로 나타내어지는 UAV 상의 지점을 말한다.

본원에 기재된 "스로틀(throttle)" 이라는 용어는 일반적으로 프로펠러를 구동하는 로터 어셈블리의 속도를 변화시킴으로써, UAV의 양력을 변화시키는 메커니즘을 말한다.

본원에 기재된 "힘의 모멘트(moment of force)" 라는 용어는 축, 받침점, 또는 피벗을 중심으로 대상물을 회전시키는 힘의 경향을 말한다.

본 개시는 항공기 분야에 관한 것이다. 보다 특히, 본 개시는 로터 어셈블리의 하나 및/또는 관련된 부품이 어떠한 이유로 고장나는 경우에도 작동할 수 있는 멀티-로터 항공기에 관한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예가 5 개의 팔을 갖는(5-armed) 강성 프레임 멀티-로터 UAV 를 참조하여 하기에서 설명되었지만, 본 발명의 범위는 비행중 안정성 및/또는 고도를 달성하기 위한 유사한 수단 및 원리를 사용할 수 있는 유인 또는 무인 항공기에 적용된다.

도 1 은 본 개시의 일 실시예에 따른 멀티-로터 무인 항공기 (UAV) 의 대표적인 예시를 나타낸다.

일 양태에서는, UAV (100) 은 모터들로 구성될 수 있는 A1, A2, A3, A4 및 A5 로 나타낸 로터 어셈블리를 가질 수 있다.

다른 양태에서는, 각각의 로터 어셈블리는 로터 어셈블리 A1 을 위한 P1-1 및 P1-2, 로터 어셈블리 A2 를 위한 P2-1 및 P2-2, 로터 어셈블리 A3 를 위한 P3-1 및 P3-2, 로터 어셈블리 A4 를 위한 P4-1 및 P4-2 및 로터 어셈블리 A5 를 위한 P5-1 및 P5-2 로 나타낸 한 쌍의 동축 프로펠러를 운반하도록 구성될 수 있다.

일 양태에서는, 로터 어셈블리는 모터를 통해 위 또는 아래로 스로틀(throttle)되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라, 대응 프로펠러에 의해 제공되는 양력을 증가 또는 감소시킨다.

다른 양태에서는, 동축 프로펠러는 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성될 수 있으며, 이로써 서로의 토크를 균형 맞출 수 있다. 또 다른 양태에서는, 동축 프로펠러는 UAV 에 요구되는 양력을 전달하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서는, UAV 100 의 비행 중 안정된 고도를 유지하기 위해, 모든 동축 프로펠러는 동일한 양력을 전달하도록 구성될 수 있으며, 그 합은 UAV 100 의 중량과 운반되는 중량(이하 "총 중량" 이라 함)의 합과 동일할 수 있고 UAV 100 의 중력점의 중심에서 양력의 모멘트의 합을 0 으로 유지시켜 UAV 100 이 어느 방향으로도 기울어지지 않고 비행시 불안정하게 되지 않도록 한다.

예시적인 실시예에서, 로터 어셈블리는 각각의 동축 프로펠러 쌍의 견고하고 낮은/비 진동 마운팅(mounting)을 보장하는데 필요할 수도 있는 적절한 수단을 사용하여 중앙 허브 102 에 5 개의 팔을 갖는(5-armed) 어셈블리로 연결될 수 있어, 모든 동축 프로펠러 쌍이 중앙 허브 102 에 오각형 배열로 결합된다. 예시적인 실시예에서, 이러한 연결은 도 1 에 나타낸 바와 같이 5 개의 팔(arms) 104-1, 104-2, 104-3, 104-4 및 104-5 에 의해 이루어질 수 있고, 그 결과 5 개의 팔을 갖는(5-armed) 강성 프레임 동축 프로펠러 구성을 제공한다.

일 양태에서는, UAV 팔(arm) 을 따른 프로펠러 배열은 같은 편 또는 그 반대 편에 있을 수 있다.

도 1 (및 또한 도 2) 에 나타낸 실시예가 비록 정다각형 구성으로 배치된 5 개의 로터/프로펠러를 가지나, 임의의 하나의 팔이 고장난 경우와 같은 불규칙적 볼록 다각형을 가질 수 있으며, UAV 의 CG 가 여전히 잘 작동하는 남은 4 개의 팔에 의해 형성된 최소 지지 다각형 내에 잘 놓여있어, UAV 의 팔 하나가 고장나는 경우에도, 안정성 및 요(yaw) 컨트롤을 유지할 수 있는 능력을 제공한다.

다른 양태에서는, 임의의 팔에 장착된 로터 어셈블리의 하나의 프로펠러가 어떤 이유로 고장이 발생하는 경우, UAV 100 의 자동 조종 장치는, 그 로터 상의 동축으로 배치된 다른 프로펠러를 정지시키기 위해, 로터 어셈블리/팔에 대응하는 모터를 정지시킬 수 있고, 그 결과 UAV 의 팔을 효과적으로 부작동하도록 하고 요(yaw) 구성 요소의 균형을 맞추게 된다.

도 2 는 본 개시의 일 실시예에 따른 멀티-로터 무인 항공기 200 의 또다른 예시를 나타낸다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, UAV 200 은 정오각형의 꼭짓점을 연결함으로써 형성된 202, 204, 206, 208 및 210 과 같은 5 개의 측면을 포함할 수 있다. 각 꼭짓점에 위치하는 것은 한 쌍의 역회전 동축 프로펠러를 포함하는 로터 어셈블리일 수 있다. 이와 같이 형성된 다각형은 도 2 에 나타낸 삼각형 구조와 같은 적합한 구조에 의해 지지될 수 있으며, 따라서, 각각의 로터는 UAV 본체로부터 방사되는 방사형 팔(arm)에 의해 UAV 본체에 연결되지 않을 수 있다. 본 개시에서의 로터 팔(arm)에 대한 어떠한 언급도 비록 팔 그 자체가 없을지라도 그러한 구성의 로터를 포함할 수 있다.

일 양태에서는, UAV 100 은 UAV 및 이의 기능 시스템의 작동 상태에 기초하여 로터의 스로틀(throttle)을 제어하도록 구성된 자동 조종 장치를 통합하는 컨트롤 시스템을 추가적으로 포함할 수 있다.

도 3 은 UAV 100 (또는 UAV 200 및 이하의 UAV 100 에 대한 모든 언급은 UAV 200 을 포함하는 것으로 이해되어져야만 한다) 과 같은 멀티-로터 UAV 에서의 단일 팔 리던던시를 설명하기 위한 예시적인 블록 다이아그램 300 을 나타낸다. 동일한 속도로 회전할 때 로터의 조합에 의해 생성된 양력은 동일할 수 있고 이에 따라 (UAV 에서 질량이 대칭적으로 분배되어 있음을 고려하여) 상기 조건에서 UAV 100/200 의 리프트 중심은 도 3 에 나타낸 포인트 A 의 무게 중심과 일치할 수 있다. 다른 시나리오에서는, 로터는 UAV 의 무게 중심 A 와 일치하는 리프트 중심을 갖도록 상이한 속도로 작동하도록 구성되어 안정된 상태를 제공할 수 있다.

UAV 100 의 비행 중에는 로터 어셈블리 또는 프로펠러 중 하나 또는 UAV 팔 또는 이들의 조합 중 하나가 고장에 이르는 임의의 뜻밖의 사고가 발생할 수 있다. 먼지 또는 작은 입자 물질이 모터에 유입되어 손상시킬 수 있으며, 과도한 습기가 모터 샤프트의 부식을 야기시킬수 있으며, 모터 드라이버가 오작동할 수 있다. 또는 다른 시나리오에서는, 모터 과열이 권선 절연을 손상시킬 수 있으며 시스템의 내부 배선을 손상시킬 수 있다. 장애물과의 충돌은 UAV 팔에 기계적 손상을 야기할 수 있으며, UAV 프로펠러 날(blade)은 부서지거나, 날의 스크래치/균열은 시간이 지남에 따라 커질 수 있으며 마침내 고장에 이를 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에서, 한 팔의 두 개의 역회전 프로펠러 중 하나, 예를 들어 상기에서 언급한 임의의 고장 시나리오로 인해 P3-1 가 고장난다고 가정한다. 일 양태에서는, 본 개시의 시스템은 이러한 고장을 감지할 수 있는 UAV 100 상의 적절히 구성된 센서를 가질 수 있고, 대응하는 로터 어셈블리, 이 경우에는 A3, 를 차단하도록 자동 조종 장치에 지시할 수 있다.

다른 양태에서는, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 로터 어셈블리 A3 가 차단되고 나머지 로터 어셈블리에 의해 제공된 양력이 이전과 동일하게 유지되면, 리프트 중심은 (A3 와는 반대 방향으로 A3 와 A 를 결합하는 선을 따라) 무게 중심 포인트 A 로부터 포인트 B 로 이동할 수 있다. 이러한 상황에서는, 무게 중심 포인트 A 상의 힘의 모멘트 합은 0 이 아니며 이에 따라 UAV 100 은 line 302 (이하에서는 경사 축 또는 경사 축 302 라고 한다)와 같은, 무게 중심 포인트 A 와 A3 의 중심을 결합하는 선에 수직인 수평 축을 중심으로 기울어지는 것(tilting)을 시작할 수 있으며, 결과적으로 UAV 100 의 양력 및 드리프팅을 추가적으로 감소시킬 수 있고, 마침내 UAV 100 이 불안정해지고 충돌하게 된다. 이는 본원에 개시된 바와 같이 대응하는 로터 어셈블리의 스로틀 조절에 의해 나머지 팔(arms)의 양력을 조절함으로써 회피할 수 있다.

일 양태에서는, 본원의 시스템은, 무게 중심 포인트 A 상의 양력 모멘트 합이 다시 0 이 되고 UAV 100 이 안정화 되기 위해, 각 팔의 프로펠러에 의해 제공되는 양력이 초기 값에 비해 상승되거나 감소될 수 있도록, 관련된 로터 어셈블리에 적절한 스로틀 신호(throttling signals)를 제공하도록 구성될 수 있다.

일 양태에서는, 경사 축 302 로부터 더 멀리 있는 두 로터 어셈블리 (A1, A5) 는, 무게 중심 포인트 A 상의 양력 모멘트 합이 다시 0 이 되고 UAV 100 이 안정화되는 이와 같은 방법으로, 프로펠러의 양력을 감소시키기 위해 스로틀 다운(throttled down)될 수 있다.

또 다른 양태에서는, 경사 축 302 로부터 더 가까이 있는 두 로터 어셈블리 (A2, A4) 는, 무게 중심 포인트 A 상의 양력 모멘트 합이 다시 0 이 되고 UAV 100 이 안정화되는 이와 같은 방법으로, 프로펠러의 양력을 증가시키기 위해 스로틀 업(throttled up)될 수 있다.

그러나 또 다른 양태에서는, 나머지 로터 어셈블리 A1, A2, A5 및 A4 각각은, 무게 중심 포인트 A 상의 양력 모멘트 합이 다시 0 이 되고 UAV 100 이 안정화되는 이와 같은 방법으로, 부착된 프로펠러의 양력을 증가시키거나 감소시키기 위해 개별적으로 스로틀 업 및 스로틀 다운(throttled up and down)될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 일단 로터 조립체 A3 가 정지되면, UAV 100 의 리프트 중심은 로터 어셈블리 A1 및 A5 에는 더 가깝고, 로터 어셈블리 A2 및 A4 으로부터는 더 먼 포인트 B 로 이동할 수 있다. (나머지 로터 어셈블리가 예를 들어, 스로틀 업 또는 다운(throttled up or down)하기 이전에 동일한 리프트를 제공하도록 작동할 때) 새로운 리프트 중심 B 는 모든 네 개의 작동하는 로터가 새로운 리프트 중심 B 를 통과하고 경사 축 302 에 평행한 선 304 로부터 등거리에 위치하게 될 것이다. 일 양태에서는, 본 개시의 시스템은 A1, A2, A4 및 A5 와 같은 나머지 작동 로터 어셈블리의 스로틀을 재조절할 수 있으며, 그 결과 무게 중심점 포인트 A 상의 양력 모멘트 합이 다시 리프트 중심 B 를 무게 중심 A 로 이동시킴으로써 다시 빠르게 0 으로 될 수 있고 UAV 100 을 안정하게 만들 수 있다.

예시적인 실시예에서, 본 개시의 시스템은 후술하는 바와 같이 정지 로터 어셈블리에 대한 스로틀을 조절함으로써, 무게 중심 A 상의 (벡터 형태로의) 양력 모멘트의 합을 0 으로 유지할 수 있다. 여전히 작동중인 로터 어셈블리에 대한 스로틀은 하기의 스칼라 방정식을 만족하도록 다양하게 변형될 수 있다:

(LfA1)*L1 = (LfA2)*L2 및

(LfA5)*L5 = (LfA4)*L4

여기서, L1, L2, L4 및 L5 는 각각 경사축 302 로부터의 A1, A2, A4 및 A5 와 같은 작동 로터 어셈블리의 거리이며; LfA1, LfA2 등은 A1, A2 등과 같은 각각의 로터 어셈블리에 의해 제공되는 양력이다.

일 양태에서, L1, L2, L4 및 L5 와 같은 작동 로터 어셈블리의 거리는, 고장난 로터 어셈블리와 관련된 대응하는 로터 어셈블리의 위치를 고려하여, 본 개시의 시스템에 의해 결정될 수 있다.

또 다른 양태에서는, UAV 100 상의 총 양력은, UAV 100 의 로터 어셈블리 A1, A2, A3, A4 및 A5 상에 제공된 각각의 프로펠러에 의해 제공되는 양력의 합에 의해 초기에 제공될 수 있다. 하나의 로터 어셈블리가 정지된 후, 나머지 팔들(arms)의 양력이 조절되지 않는 한, 총 양력은 감소할 수 있으며 따라서 UAV 100 은 고도를 잃고/잃거나 불안정해질 수 있다.

일 실시예에서는, 이러한 경우에, 나머지 프로펠러의 양력은, 대응하는 로터 어셈블리에 의해 구동되는 나머지 네 개의 프로펠러와의 양력의 합이 다시 UAV 100 의 총 중량과 동등해지고, 그 결과 UAV 100 이 고도와 평형을 유지할 수 있도록 하기 위하여, 이들의 로터 어셈블리에 더 많은 스로틀을 제공함으로써 증가될 수 있다.

즉, 일 양태에서는, 모든 로터 어셈블리가 기능적이지만, 본 개시의 시스템은 로터 어셈블리에 제공되는 총 리프트가 UAV 100 의 총 중량과 같아지도록 구성될 수 있다. 이는 하기와 같이 나타낼 수 있다:

∑(LfA1)(LfA2)(LfA3)(LfA4)(LfA5) = UAV 의 총 중량

또 다른 양태에서는, 본 개시의 시스템은 하나의 로터 어셈블리, 예를 들어 A5 가 정지되면, 이전의 UAV 100 의 무게 중심을 유지하면서, 나머지 로터 어셈블리에 의해 제공되는 총 리프트가 UAV 100 의 총 중량과 동일하도록, 구성될 수 있다. 이러한 A3 의 고장의 예시적인 조건 하에서는 하기와 같이 나타낼 수 있습니다:

∑(LfA1)(LfA2)(LfA4)(LfA5) = UAV 의 총 중량

본 개시는 정적 멀티-로터 UAV 구성에서 리던던시를 얻기 위한 최소한의 팔(arms)의 수를 가능하게 하는 발명을 제공한다. 또한, 5 개의 팔 중 하나의 팔을 분리(isolation)하여 발생하는 양력의 손실 단지 20% 에 불과하며, 단일 모터/프로펠러 고장시 두 개의 팔을 정지시키는 것을 필요로 하는 구성과 비교하여 리던던시시에 더 높은 양력을 얻을 수 있다. 본 발명은 하나의 팔이 고장난 경우에 멀티-로터 UAV 를 작동시키기 위해 필요한 최소한의 팔 구성을 기술한다.

일 양태에서는, 기능하는 로터들은 고장난 팔과 관련하여 이들의 위치에 따라 스로틀 업(throttled up) 또는 스로틀 다운(throttled down)되어 리프트와 경사(tilt) 안정성을 유지한다. 경사 안정성은, 다른 로터를 스로틀 업(throttling up) 또는 스로틀 다운(throttling down) 함으로써, 리프트의 중심을 이동시켜 CG 와 일치되도록, 유지된다. 리프트 안정성은, 다른 로터를 스로틀 업 또는 스로틀 다운 함으로써, 개별 로터/프로펠러의 양력의 합과 UAV 의 중량이 같아지도록, 유지된다.

일 실시예에서, UAV 는, 각각의 팔이 한 쌍의 역회전 프로펠러와 통합하는 5 개의 팔을 가질 수 있다. 동축 프로펠러를 사용하는 5 개의 팔을 갖는(5-armed) 강성 프레임 구성은, 팔의 프로펠러/모터/드라이버 고장으로 인해 단일 팔이 정지되기 때문에, 최소의 팔의 수 및 스로틀 마진(throttle margin)에 최소의 페널티를 주는 최상의 리던던시를 제공할 수 있다.

일 실시예에서는, UAV 는 임의의 제한이 없는, 고정 피치 프로펠러 메카니즘 또는 다양한 피치 프로펠러 시스템을 가질 수 있다.

상기 실시예의 특정 특징 및 양상의 다양한 조합 및/또는 서브 조합이 만들어질 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려된다. 따라서, 개시된 실시예의 다양한 특징 및 양상은, 개시된 발명의 다양한 모드를 형성하기 위해 서로 결합되거나 대체될 수 있음이 이해되어져야만 한다. 또한, 실시예에 의해 본원에 개시된 본 발명의 범위는 상기에서 개시된 특정 배열에 의해 한정되어서는 안된다.

전술한 내용은 본 발명의 다양한 실시예를 기술하지만, 본 발명의 다른 및 추가적인 실시예는 이 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않고 고안될 수 있다. 본 발명의 범위는 하기의 청구 범위에 의해 결정된다. 본 발명은, 통상의 지식을 가진 자에게 이용 가능한 정보 및 지식과 결합할 때, 통상의 기술자가 본 발명을 제작하고 사용할 수 있도록 포함된, 기술된 실시예, 버전 또는 예들에 한정되지 않는다.

Claims (7)

1. 하기를 포함하는 멀티-로터(multi-rotor) 항공기:
   4 개 이상의 팔(arms)을 갖는 프레임;
   프레임의 각 팔 상에 구성된 역회전 동축 로터/프로펠러 쌍; 및
   항공기 및 그 기능 시스템의 작동 상태에 기초한 로터/프로펠러 쌍의 스로틀(throttle)을 제어하도록 구성된 자동 조종 장치를 통합하는 컨트롤 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   역회전 로터/프로펠러 쌍이, 다각형의 중심과 가까운 항공기의 무게 중심을 갖는 정다각형(regular polygon)을 한정하도록 구성되는, 항공기.
3. 제1항에 있어서,
   역회전 로터/프로펠러 쌍이, 다각형의 중심과 가까운 항공기의 무게 중심을 갖는 볼록 비정다각형(irregular convex polygon)을 한정하도록 구성되는, 항공기.
4. 제1항에 있어서,
   로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장나는 경우, 요(yaw) 안정성을 유지하기 위해 자동 조종 장치가 한 쌍의 대응하는 역 회전 로터/프로펠러를 정지시킴으로써 대응하는 팔을 비기능적으로 만드는, 항공기.
5. 제4항에 있어서,
   로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장나는 경우, 항공기의 경사 및 리프트 안정성을 유지하기 위해 자동 조종 장치는 또한, 비기능 팔과 관련된 위치에 따라 기능 팔 상의 역회전 로터/프로펠러의 쌍을 스로틀 업(throttles up) 또는 스로틀 다운(throttles down) 하는, 항공기.
6. 제5항에 있어서,
   로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장나는 경우, 자동 조종 장치는 기능 로터/프로펠러를 스로틀 업 또는 스로틀 다운함으로써 리프트 안정성을 유지하여, 개별 로터/프로펠러의 양력의 합이 항공기의 중량과 동일한, 항공기.
7. 제5항에 있어서,
   로터/프로펠러 중 어느 하나가 고장나는 경우, 리프트의 중심을 항공기의 무게 중심과 일치시키기 위하여 자동 조종 장치가 기능 로터/프로펠러를 스로틀 업 또는 스로틀 다운함으로써 경사 안정성을 유지하는, 항공기.
   

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