KR20180095989A - 비행 성능 계측 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치는 무인 이동체의 비행 성능을 계측하는 센서부; 상기 무인 이동체의 센서부로부터 획득된 데이터 및 신호들을 처리하는 제어부; 상기 획득된 데이터 및 신호들을 저장하는 저장부; 및 상기 획득된 데이터 및 신호들을 외부로 전송하는 네트워크 인터페이스를 포함하며, 상기 무인 이동체에 탈부착이 가능하도록 설치된다.

Description

비행 성능 계측 장치 및 방법{The Apparatus And The Method For Measuring Flight Performance}

본 발명은 비행 성능 계측 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 드론의 비행 성능을 더욱 빠르고 정확하게 계측할 수 있는 비행 성능 계측 장치 및 방법에 관한 것이다.

무인 이동체는 발전 단계에 있으며, 다양한 형태의 무인 이동체와 함께, 무인 이동체의 비행 경로를 설정하는 방법에 대한 기술의 발전도 진행되고 있다. 이러한 무인 이동체 중에서 드론은 소형 무인 비행체로서, 과거에는 군사 목적으로 정찰이나 지형 탐색 등을 위해 사용 및 개발되어 왔으나, 최근에는 민간 분야에서도 교통 상황 모니터링, 화재 등 재해 발생시 구조작업, 항공 사진 촬영 등 다양하게 사용되고 있다.

이러한 드론은 다른 무인 비행체에 비해 많은 장점을 가지는데, 가장 큰 장점은 사용 및 조작이 매우 간단하다는 것이다. 즉, 비행체에 대한 전문적인 지식이 없거나, 사전에 많은 훈련을 하지 않더라도 누구나 쉽게 조종, 유지, 보수, 관리를 할 수 있다. 또한, 기계적인 진동도 크지 않을 뿐 아니라, 피로에 의한 부품 파손의 가능성도 낮다. 이러한 장점들 때문에 최근 드론에 대한 수요가 급속하게 증가하고 있고, 이에 따라 드론을 비행시키는 방법에 대한 관심도 증가하고 있다.

드론이 안정적으로 비행하기 위해서는, 드론의 비행 성능이 특정 기준을 만족해야 한다. 예를 들어, 드론의 각 프로펠러를 회전시키는 모터의 출력이 특정 출력 이상이 되어야 하고, 드론의 주변 온도 또는 압력을 정확히 측정하여야 하며, 자세를 항상 수평으로 유지해야 하고, 드론의 현재 위치를 정확하게 파악할 수 있어야 한다. 그러나, 종래에는 이러한 드론의 비행 성능의 각각의 항목들을 하나씩 개별적으로 측정하였다. 따라서 드론의 모든 비행 성능의 평가를 완료할 때까지 많은 시간이 소요되었다. 또한, 종래의 드론의 비행 성능 계측 장치는 드론과 별도로 형성되어, 계측 결과가 정확하지 않았다.

중국특허등록 제103424126호 중국공개공보 제105978751호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 드론의 비행 성능을 더욱 빠르고 정확하게 계측할 수 있는 비행 성능 계측 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치는 무인 이동체의 비행 성능을 계측하는 센서부; 상기 무인 이동체의 센서부로부터 획득된 데이터 및 신호들을 처리하는 제어부; 상기 획득된 데이터 및 신호들을 저장하는 저장부; 및 상기 획득된 데이터 및 신호들을 외부로 전송하는 네트워크 인터페이스를 포함하며, 상기 무인 이동체에 탈부착이 가능하도록 설치된다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비행 성능 계측 방법은 무인 이동체에, 탈부착이 가능한 비행 성능 계측 장치를 설치하는 단계; 상기 무인 이동체의 실내 점검을 수행하는 단계; 상기 무인 이동체의 실외 점검을 수행하는 단계; 상기 무인 이동체가 비행하며 임무를 수행하는 단계; 상기 비행 성능 계측 장치에 포함된 센서부가 데이터를 획득하는 단계; 상기 획득된 데이터가 저장부에 저장되는 단계; 상기 획득된 데이터가 컨트롤러로 전송되는 단계; 상기 무인 이동체가 비행을 완료하는 단계; 상기 저장부에 저장된 데이터를 백업하고 분석하는 단계를 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

드론의 비행 성능의 여러 항목들을, 하나의 장치로 측정할 수 있다. 따라서, 드론의 비행 성능을 계측하는 데 소요되는 시간을 절약할 수 있다.

또한, 비행 성능 계측 장치가 드론에 직접 설치되므로, 드론의 비행 성능을 더욱 정확하게 계측할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치가 무인 항공기에 설치되는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치의 구성들의 무게를 나타낸 도표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치가 무인 이동체의 비행 성능을 계측하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)가 무인 항공기(1)에 설치되는 모습을 나타낸 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)를 이용하여 수행하는 방법에 따르면, 무인 이동체(1)가 비행하여 특정 역할을 수행하기 전, 미리 무인 이동체(1)의 각종 비행 성능을 계측할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 무인 이동체(1)의 외부에 탈부착이 되도록 설치되는 것이 바람직하다. 다만 이에 제한되지 않고, 무인 이동체(1)의 내부에 탈부착이 되도록 설치되는 등 무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측할 수 있다면, 다양한 방식으로 설치될 수 있다. 이하, 비행 성능 계측 장치(10)는 무인 이동체(1)의 외부에 설치되는 것으로 설명한다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.

무인 이동체(1)에는 무인 항공체(UAV: Unmanned Aerial Vehicle), 무인 해상 이동체(UMV: Unmanned Maritime Vehicle) 그리고 무인 지상 이동체(UGV: Unmanned Ground Vehicle) 등이 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 이동체(1)는 무인 항공체(UAV)인 것으로 설명한다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.

무인 항공체(UAV)에는 일반적인 비행기와 같이 날개가 고정익인 경우도 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 이동체(1)는 비교적 느리게 특정 영역을 감시하며, 위급 상황이 발생할 가능성이 높은 경우에는 더욱 면밀히 감시하기 위해 공중 선회 즉, 호버링(Hovering)을 할 수 있도록 프로펠러(153, 회전익)를 가지는 것이 바람직하다. 최근에는 특히, 복수의 프로펠러(153)를 가지는 드론(Drone)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

드론은 소형 무인 항공체로서, 과거에는 군사 목적으로 정찰이나 지형 탐색 등을 위해 사용 및 개발되어 왔으나, 최근에는 민간 분야에서도 교통 상황 모니터링, 화재 등 재해 발생시 구조작업, 항공 사진 촬영 등 다양하게 사용되고 있다. 드론은 멀티콥터라고도 불리며 프로펠러(153)의 개수에 따라, 프로펠러(153)가 3개라면 트리콥터, 4개라면 쿼드콥터, 6개라면 헥사콥터, 8개라면 옥타콥터 등으로 다양하게 불린다. 이러한 멀티콥터는 다른 무인 항공체에 비해 많은 장점을 가지는데, 가장 큰 장점은 사용 및 조작이 매우 간단하다는 것이다. 즉, 비행체에 대한 전문적인 지식이 없거나, 사전에 많은 훈련을 하지 않더라도 누구나 쉽게 조종, 유지, 보수, 관리를 용이하게 할 수 있다. 또한, 기계적인 진동도 크지 않을 뿐 아니라, 피로에 의한 부품 파손의 가능성도 낮다. 이러한 장점들 때문에 재난 구조를 위해 드론을 사용하는 빈도가 점점 증가하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 이동체(1)는 드론인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고 특정 영역을 용이하게 감시하거나, 임무를 용이하게 수행할 수 있다면, 다양한 무인 이동체(1)일 수 있다.

구동부(15)는 비행 경로를 따라 비행하며 임무를 수행할 수 있도록 동력을 제공한다. 만약 무인 이동체(1)가 드론이라면, 구동부(15)는 도 1에 도시된 바와 같이 본체(151), 일단이 본체(151)에 결합된 복수의 아암(152), 복수의 아암(152)의 타단에 각각 결합되어 본체(151)를 부양하는 복수의 프로펠러(153) 및 본체(151)의 하부 또는 측면에 결합되어 본체(151)를 지지하는 복수의 다리(154)를 포함한다. 이러한 무인 이동체(1)는 원활한 비행을 위해 경량인 재질로 제조되는 것이 바람직하다.

구동부(15)는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 아암(152)을 포함할 수 있다. 아암(152)은 4개인 것이 바람직하나, 무인 이동체(1)가 용이하게 비행할 수 있다면 이에 제한되지 않고 다양한 개수의 아암(152)을 가질 수 있다. 복수의 아암(152)의 일단은 각각 본체(151)에 결합되며, 각 아암(152)들은 본체(151)를 중심으로 등간격에 따라 방사형으로 배치될 수 있다. 아암(152)이 본체(151)에 결합된다는 것은, 아암(152)이 본체(151)와 따로 제작되어 결합수단에 의해 결합되는 경우뿐만 아니라 본체(151)와 일체형으로 제작되는 경우도 포함한다.

복수의 아암(152)의 타단에는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 프로펠러(153)가 각각 결합된다. 각 아암(152)의 타단에 프로펠러(153)가 하나씩, 아암(152)의 타단의 상부에 결합될 수도 있으나, 한 쌍의 프로펠러(153)가 아암(152)의 타단의 상부 및 하부에 각각 동시에 결합될 수도 있다. 또는, 각각의 아암(152)마다 복수의 가지(Branch)가 형성되고, 복수의 가지 각각의 타단에 프로펠러(153)가 결합될 수도 있다. 즉, 프로펠러(153)가 무인 이동체(1)를 용이하게 공중으로 부양 및 비행시킬 수 있다면, 제한되지 않고 다양한 형태를 가질 수 있다.

구동부(15)는 전원을 공급하는 배터리(미도시)를 더 포함한다. 배터리의 정격 전압 및 형태는 무인 이동체(1)의 사양에 따라 변경될 수 있다. 또한, 무인 이동체(1)는 상기 배터리(미도시)로부터 생산된 전원을 공급받아 프로펠러(153)를 구동하는 구동 모터(미도시)를 더 포함한다. 상기 배터리(미도시)가 전원을 공급하는 방식 및 구동모터(미도시)가 프로펠러(153)를 회전시키는 매커니즘은 일반적인 사항이므로, 상세한 설명은 생략한다.

구동부(15)는 복수의 다리(154)를 더 포함할 수 있다. 복수의 다리(154)는 본체(151)의 하부 또는 측면에 결합되며, 다리(154)는 별도로 제조되어 본체(151)에 부착될 수도 있지만 본체(151)와 일체로 성형될 수도 있다. 다리(154)는 무인 이동체(1)의 착륙시 무인 이동체(1)를 용이하게 지지할 수 있다면 다양한 형태를 가질 수 있다.

무인 이동체(1)에는 카메라(16)가 더 설치될 수 있다. 카메라(16)는 특정 영역을 촬영하여 특정 영역에 대한 이미지 신호를 수신함으로써 영상을 획득한다. 이를 위해 일반적으로 카메라(16)에는, CCD(Charge Coupled Device, 전하결합소자)나 CMOS 이미지 센서 등의 촬상 소자가 포함된다. 카메라(16)는 패닝(Panning), 틸팅(Tilting)이 가능한 팬틸트 카메라(16)인 것이 바람직하며, 특히 360°로 패닝이 가능하여 전, 후, 좌, 우 방향으로 모두 촬영이 가능한 카메라(16)인 것이 바람직하다. 또는, 카메라(16)는 최근에 소개된 360° 카메라(16)일 수도 있다. 360° 카메라(16)란, 어안 렌즈를 복수로 장착하여 카메라(16) 자체가 물리적인 패닝 또는 틸팅이 되지 않고, 전방위가 동시에 촬영이 가능한 카메라(16)를 말한다. 이러한 경우에는, 360° 카메라(16)가 획득한 영상은, 비행 성능 계측 장치(10) 내에 설치된 소프트웨어를 통해 패닝 또는 틸팅된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라(16)는 이에 제한되지 않고, 복수의 영역을 향해 촬영이 가능하다면 다양한 카메라(16)를 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)의 블록도이다.

비행 성능 계측 장치(10)는 무인 이동체(1)에 설치되어, 무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측할 수 있다. 이를 위해, 비행 성능 계측 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(11), 센서부(12) 및 저장부(13)를 포함한다.

그리고, 이들 구성요소들은 버스(14)를 통해 상호간에 연결되어 통신할 수 있다. 제어부(11)에 포함된 모든 구성요소들은 적어도 하나의 인터페이스 또는 어댑터를 통해 버스(14)에 접속되거나, 직접 버스(14)에 연결될 수 있다. 또한, 버스(14)는 상기 기술한 구성요소 외에 다른 서브 시스템들과 연결될 수도 있다. 버스(14)는 메모리 버스, 메모리 컨트롤러, 주변 버스(Peripheral Bus), 로컬 버스를 포함한다. 다만 이에 제한되지 않고, 각각의 구성요소들은 버스(14)를 통하지 않고 I2C, RS232, UART 등 다양한 통신 프로토콜을 사용하여 연결될 수도 있다. 또한, 각각의 구성요소들은 동일한 방식이 아닌, 각각 다른 방식으로도 연결될 수도 있다. 즉, 제어부(11)에 포함된 모든 구성요소들이 상호간에 연결될 수 있다면 다양한 방식이 사용될 수 있다.

제어부(11)는 비행 성능 계측 장치(10)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(11)는 센서부(12)로부터 인가되는 각종 데이터 및 신호들을 처리하여 저장부(13)에 저장하거나, 네트워크(2)를 통해 외부의 컨트롤러로 전송할 수 있다. 또는, 사용자가 컨트롤러를 이용하여 명령 신호를 인가하면, 이를 감지하여 사용자의 명령에 대응되는 동작을 수행하도록 제어한다. 제어부(11)로는 CPU(Central Processing Unit), MCU(Micro Controller Unit) 또는 DSP(Digital Signal Processor) 등을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고 다양한 논리 연산 프로세서가 사용될 수 있다. 제어부(11)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

센서부(12)는 무인 이동체(1)의 비행 성능의 다양한 항목들을 계측하기 위해, 다양한 센서를 포함한다. 예를 들면, 회전 운동을 하는 물체의 방위 변화를 측정하는 자이로 센서(124), 주변의 온도를 감지하는 온도 감지 센서(125) 등을 포함한다. 센서부(12)는 이에 제한되지 않고, 다양한 비행 성능을 계측할 수 있다면, 다양한 종류의 센서가 사용될 수 있다. 센서부(12)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

저장부(13)는 비행 성능 계측 장치(10)의 동작들을 처리 및 제어하기 위한 프로그램과 각 프로그램 수행 중에 발생되는 각종 데이터 또는 수신된 신호 등을 저장한다. 저장부(13)는 비행 성능 계측 장치(10)에 내장될 수도 있으나, 별도의 저장 서버로서 마련될 수도 있다. 나아가 SD 카드와 같이, 비행 성능 계측 장치(10)에 삽입 및 인출이 가능하도록 형성될 수도 있다. 저장부(13)는 비휘발성 메모리 장치 및 휘발성 메모리 장치를 포함한다. 비휘발성 메모리 장치는 부피가 작고 가벼우며 외부의 충격에 강한 NAND 플래시 메모리이고, 휘발성 메모리 장치는 DDR SDRAM인 것이 바람직하다.

비행 성능 계측 장치(10)는 네트워크(2)에 연결될 수도 있다. 따라서 비행 성능 계측 장치(10)는 다른 장치들과 네트워크(2)를 통하여 연결되어, 각종 데이터 및 신호들을 송수신할 수 있다. 이 때, 네트워크 인터페이스(21)는 네트워크(2)로부터 하나 이상의 패킷의 형태로 된 통신 데이터를 수신하고, 비행 성능 계측 장치(10)는 제어부(11)의 처리를 위해 상기 수신된 통신 데이터를 저장할 수 있다. 마찬가지로, 비행 성능 계측 장치(10)는 송신한 통신 데이터를 하나 이상의 패킷 형태로 저장부(13)에 저장하고, 네트워크 인터페이스(21)는 상기 통신 데이터를 네트워크(2)로 송신할 수 있다.

네트워크 인터페이스(21)는 네트워크 인터페이스 카드, 모뎀 등을 포함할 수 있고, 네트워크(2)는 인터넷, WAN(wide area network), LAN(local area network), 전화 네트워크, 직접 연결 통신 등 다양한 유무선 통신 방법을 포함할 수 있다.

비행성능 계측 장치(10)는 외부로부터 드론으로 RC 수신를 통해　인가되는 모든 제어 신호를 추출 저장 할 수 있다. 이 때, 비행 성능 계측 장치(10)는 PPM, PWM, S-BUS 등 다양한 방법으로 신호를 수신할 수 있다. PPM(Pulse Position Modulation, 펄스위치변조)은, 신호 파형의 진폭에 따라 반송파 펄스의 위치를 변화시키는 방법이다. 이에 비해 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조)은, 변조 신호의 크기에 따라서 펄스의 폭을 변화시켜 변조하는 방법이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(12)의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 센서부(12)는 GPS 수신기(121), GPS/INS(122), 모터 출력 센서(123), 자이로 센서(124), 온도 감지 센서(125), 가스 감지 센서(126), 음성 센서(127), 거리 감지 센서(128) 등을 포함한다.

GPS(Global Positioning System)이란, GPS 위성에서 전송하는 신호를 GPS 수신기(121)가 수신하여 현재 위치를 좌표로 계산하는 위성항법시스템이다. 일반적으로 항공기, 선박, 자동차 등의 내비게이션(Navigation)에 자주 사용되며, 최근에는 스마트폰(Smartphone), 태블릿 PC(Tablet PC), 랩탑(Laptop), PDA 등의 전자 장치에도 많이 사용된다. GPS는 GPS 위성, GPS 제어국, GPS 수신기(121)로 구성된다.

GPS 위성은 내브스타(NAVSTAR, NAVigation　Satellite　Timing　And　Ranging)라고도 불리고, 현재 지구 주위를 공전하는 GPS 위성은 30개 이상이며, 이 중 24개의 GPS 위성이 지구 주변의 6개 공전궤도면에 분포하고 있다. GPS 제어국은 지구 상에 총 6개가 존재하며, 부 제어국은 상공을 지나는 GPS 위성을 추적하고, 거리와 변화율을 측정하여 주 제어국으로 전송한다. 주 제어국은 각각의 부 제어국으로부터 수신한 GPS 위성에 대한 정보들을 이용하여, GPS 위성이 자신의 궤도를 유지하도록 제어한다.

GPS 수신기(121)는 GPS 위성에서 송신하는 주파수에 동조된 안테나, 수정발진기 등을 이용한 정밀한 시계, 수신된 신호를 처리하고 위치 좌표 및 속도 벡터 등을 계산하는 처리장치, 계산된 결과를 출력하는 출력장치 등을 포함한다. GPS 수신기(121)는 GPS 위성으로부터 GPS 위성의 위치에 대한 정보를 수신한다. 그리고, 그 정보를 송신한 시간과 GPS 수신기(121)에 포함된 시계에서 측정한 정보 수신 시간을, 신호의 속도로 나누어 거리를 측정한다. 이러한 방법을 이용하여 최소 3개의 GPS 위성의 위치와 거리 정보를 알게 되면, 현재 위치의 좌표 정보를 추출할 수 있다. 현실적으로는, GPS 위성의 시계와 GPS 수신기(121)의 시계 간의 오차가 발생할 수 있으므로, 적어도 4개의 GPS 위성으로부터 신호를 수신한다. 최근에는 20개의 GPS 위성으로부터 신호를 받아 현재 위치의 좌표 정보를 추출하는 GPS 수신기(121)도 개발되었다. 한편, GPS 수신기(121)는 각 GPS 위성 고유의 의사잡음부호를 PSK 변조를 통해 스펙트럼을 확산하여 송신한다. 따라서, 모든 GPS 위성이 같은 주파수를 사용하여 신호를 송신하더라도, GPS 수신기(121)는 각 GPS 위성의 신호를 구별할 수 있다. 비행 성능 계측 장치(10)는 GPS 수신기(121)를 통해 GPS 신호를 받아, 현재 무인 이동체(1)의 위치에 대한 좌표 정보를 획득할 수 있다.

INS(Inertial Navigation System, 관성 항법 시스템)란 외부의 도움이 없이 관성센서인 자이로와 가속도계로 측정되는 항체의 가속도와 각속도를 이용하여 항체의 위치, 속도 및 자세에 대한 정보를 계산하는 시스템이다. 이러한 INS는 가속도와 자이로의 입력 값을 적분하여 자세와 속도를 계산하므로, 시간이 지날수록 오차가 누적되는 단점이 있다. 그러나 GPS는 시간이 지나도 오차가 누적되지 않지만, 단시간의 항법 오차가 크다.

비행 성능 계측 장치(10)는 복수의 GPS 수신기(121)를 포함할 수도 있다. 그리고, 복수의 GPS 수신기(121)가 가지는 공통의 오차를 서로 상쇄시킴으로써, 더욱 정확하고 정밀한 위치 데이터를 획득할 수 있다. 이를 DGPS(Differential GPS)라 한다.

GPS/INS(122)는 GPS와 INS의 장점을 결합한 시스템으로서, 여러 개의 GPS 안테나로부터 측정된 반송파 위상을 이용하여, 안테나 간의 기저선 벡터를 통해 항체의 자세 오차와 자이로 센서(124)의 오차를 정확하게 보상할 수 있다. 최근 외국에서는 GPS/INS(122) 항공측량체계가 많이 이용되고 있고 국내에서도 지도제작에 이용되고 있다. 특히 라이다(LiDAR)와 디지털 항공 카메라를 사용하기 위해서는 반드시 필요하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, GPS/INS(122) 대신 AHRS(Attitude & Heading Reference System) 센서를 포함할 수도 있다.

AHRS은 3축 지자기, 자이로, 가속도계를 측정하여 무인 항공기의 자세를 파악할 수 있는 장치이다. IMU(Inertial Measurement Unit)이라고 하는 관성 측정 유닛으로도 불린다.

모터 출력 센서(123)는 모터의 회전수(RPM)을 측정한다. 모터 출력 센서(123)는 모터의 회전수를 측정하기 위해, 홀(Hall) 센서를 사용할 수 있다. 그리고, 모터 드라이버로 인가되는 PWM 신호를 측정하여 상기 모터 드라이버에 인가된 명령과 모터로 출력되는 모터 회전출력을 비교할 수도 있다. 따라서, 모터 구동 드라이버의 입력과 출력을 측정하여 모터 드라이버와 모터의 성능 상태를 모니터링 할 수 있고, 만약 고장 또는 불량이 발생하는 등 문제 발생시, 원인 및 대처 방법을 용이하게 분석 할 수 있다. 모터 출력 센서(123)는 실제 무인 항공기의 모터의 회전과 비교하여, 정상 비행 여부 등을 판단할 수 있다.

자이로 센서(124)는 회전 운동을 하는 물체의 방위 변화를 측정하는 센서이다. 자이로 센서(124)는 물체가 회전하면 발생하는 자이로 효과(Gyro Effect)를 사용하여 원점의 위치를 역으로 추정함으로써, 물체의 회전량을 구할 수 있다. 3축으로 직접 회전하는 기계식, 코리올리의 힘을 이용한　튜닝포크 방식의 MEMS식, 레이저의 도달 시간의 차이를 이용하는 광학식 등 다양한 종류가 있다. 일반적으로 사용자가 휴대할 수 있거나, 사용이 용이한 소형 기기에는 크기가 가장 작은 MEMS식 자이로 센서(124)가 장착된다. 다만 이에 제한되지 않고 다양한 종류의 자이로 센서(124)가 사용될 수 있다.

온도 감지 센서(125)는 주변의 온도를 측정하는 센서로, 접촉식과 비접촉식이 있다. 접촉식은 센서를 대상 물체에 직접 접촉시켜서 열평형 상태가 되었을 때의 센서의 온도를 측정하는 방식이고, 비접촉식은 대상 물체로부터 방출되는 열복사의 강도를 측정함으로써 온도를 측정하는 방식이다. 무인 항공기는, 만약 화재 현장에 투입되는 경우 원거리에서도 온도를 측정할 수 있어야 하므로, 비접촉식으로 주위 환경의 온도를 감지하는 것이 바람직하다. 이러한 비접촉식 센서로는 방사식, 광식, 적외선식 등이 있다. 온도 감지 센서(125)는, 주변의 온도를 측정하여 무인 항공기가 측정한 온도와 비교할 수 있다. 이를 통해 무인 항공기의 온도 측정의 정확성을 판단할 수 있다.

가스 감지 센서(126)는 기체의 농도를 감지하는 센서를 말하며, 예를 들면 산소 농도 감지 센서, 이산화탄소 농도 감지 센서 등이 있다. 만약, 화재가 발생한 경우에는 화재 현장에서 인명에게 영향을 미치는 가장 중요한 요소 가운데 하나가 산소 또는 이산화탄소 등의 기체 농도이다. 따라서, 가스 감지 센서(126)는 예를 들어 화재 등의 재난 상태가 발행한 경우에, 주위의 기체 농도를 감지한다. 산소 농도 감지 센서에는 안정화 지르코니아를 사용하는 고체전해질 방식, 전해액을 사용하는 습식 전지방식, 산소가 가지는 상자성(paramagnetism)을 이용하는 자기식 등이 있다. 그리고 이산화탄소 농도 감지 센서에는 평면후막식, 비분산 적외선 방식, 고체전해질 방식, 전기 화학 방식 등이 있다. 가스 감지 센서(126)는, 주변의 기체의 농도를 측정하여 무인 항공기가 측정한 농도와 비교할 수 있다. 이를 통해 무인 항공기의 기체 농도 측정의 정확성을 판단할 수 있다.

음성 센서(127)는 외부의 음성이나 기타 감시 지역에서 발생하는 오디오 신호 등을 수신하여 제어부로 전송하거나 외부 서버로 전송한다. 대표적인 음성 센서(127)로는 마이크로폰(Microphone)이 있다.

거리 감지 센서(128)는 원거리에 위치한 물체까지의 거리를 측정하는 센서이다. 일반적으로 초음파를 이용한 레이더(RADAR) 센서, 레이저를 이용한 라이다(LIDAR) 센서 등 원거리 물체 감지 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 라이다(LIght Detection And Ranging,　LIDAR,　레이저 레이더)는 레이저　펄스를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 대상 물체의 위치좌표를 측정하는　레이더　시스템이다.　라이다는 물체 판별 정확성은 다소 떨어지나, 높은 에너지 밀도와 짧은 주기의 펄스 신호를 생성할 수 있는 능력을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 라이다(LIDAR) 센서를 사용하여 레이저를 무인 항공기의 외부에 쏘면, 레이저가 외부의 물체에 부딪혀 반사된다. 이 반사파를 수신하여 외부의 물체가 존재하는 거리, 위치, 나아가 상기 물체의 물성까지도 판단할 수 있다. 거리 감지 센서(128)는, 주변의 물체와의 거리를 측정하여 무인 항공기가 측정한 거리와 비교할 수 있다. 이를 통해 무인 항공기의 거리 측정의 정확성을 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(12)는 이에 제한되지 않고, 전압 센서, 전류 센서, RC command 추출 센서, 압력 감지 센서, 가속도 센서 등 다양한 센서를 더 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)의 구성들의 무게를 나타낸 도표이다.

비행 성능 계측 장치(10)는, 무인 이동체(1)에 탈부착이 가능하도록 설치된다. 즉, 무인 이동체(1)는 비행 성능 계측 장치(10)가 설치된 상태로 비행하여야 한다. 따라서, 비행 성능 계측 장치(10)는 최대한 가벼운 무게를 가져야 한다. 현재 실험적으로 구현된 비행 성능 계측 장치(10)의 무게는, 도 4에 도시된 도표와 같다.

데이터 로거는 대략 50g이다. 로거란 무인 이동체(1)가 비행하며 획득하는 각종 데이터들을 기록하는 장치로서, 상기 도 2의 블록도에서 저장부(13)를 나타낸다.

GPS/INS(122)는 20g, GPS 수신기(121)는 45g, GPS 안테나는 200g이다. GPS 안테나는 상당히 먼 거리에 존재하는 GPS 위성으로부터 신호를 직접적으로 수신하며, 비교적 무거운 무게를 가진다.

모뎀은 35g, 모뎀 안테나는 25g을 가진다. 모뎀은 네트워크 인터페이스 중 하나로, 가까운 거리에 존재하는 컨트롤러와 송수신을 하므로 비교적 가벼운 무게를 가진다.

그 외에 케이스, 각종 구성 요소들을 고정시키기 위한 고정부 등 기타 부품들의 무게는 250g이다. 따라서, 비행 성능 계측 장치(10)의 총 무게는 대략 625g이 된다. 따라서, 무인 이동체(1)는 자신의 무게에 625g을 더한 무게를 부양할 수 있도록, 충분한 모터의 출력 및 프로펠러의 부양력을 가져야 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)가 무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측하기 위해, 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 성능 계측 장치(10)를 무인 항공기에 설치한다(S501). 만약, 무인 이동체(1)의 외부에 설치한다면, 비행 성능 계측 장치(10)가 무인 항공기에 고정될 수 있도록 별도의 브라켓이 마련될 수도 있다.

그 후, 무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측하기 위해, 먼저 실내 점검을 수행한다(S502). 실내 점검이란 무인 이동체(1)를 비행시키기 전에, 착륙 상태에서 점검하는 것을 말한다. 예를 들면, 비행 성능 계측 장치(10)의 정상 설치 여부 및 배선 점검, 무인 이동체(1)의 수평 감지 점검, 배터리 용량 점검 및 저장부 용량 점검 등을 말한다.

실내 점검이 완료되면, 무인 이동체(1)의 실외 점검을 수행한다(S503). 실외 점검이란 실제 무인 이동체(1)를 비행시키면서 비행 성능을 점검하는 것을 말한다. 예를 들면, GPS 위치 파악 점검, 모터 출력 점검, 데이터 기록 정상 여부 점검 등을 말한다.

이러한 실내 점검 및 실외 점검을 완료하면, 무인 이동체(1)는 특정 영역을 비행하면서 임무를 수행한다(S504). 임무를 수행하는 동안, 센서부(12)가 각종 비행 성능의 항목들을 계측하여 데이터를 획득하고 저장부에 저장한다. 또한, 네트워크를 통해 외부의 컨트롤러에 상기 획득한 데이터들을 전송하기도 한다(S505). 사용자는 컨트롤러를 모니터링 하면서, 상기 데이터들을 실시간으로 확인할 수 있다.

무인 이동체(1)가 비행을 완료하면, 무인 이동체(1)의 저장부에 저장된 데이터들을 백업하고 상기 데이터들을 분석한다(S506). 그럼으로써, 무인 이동체(1)의 비행 성능을 계측하고, 정상 여부를 점검할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 무인 항공기 2: 네트워크
10: 비행 성능 계측 장치 11: 제어부
12: 센서부 13: 저장부
14: 버스 15: 구동부
16: 카메라 21: 네트워크 인터페이스
121: GPS 수신기 122: GPS/INS
123: 모터 출력 센서 124: 자이로 센서
125: 온도 감지 센서 126: 가스 감지 센서
127: 음성 센서 128: 거리 감지 센서
151: 본체 152: 아암
153: 프로펠러 154: 다리

Claims (6)

1. 무인 이동체의 비행 성능을 계측하는 센서부;
   상기 무인 이동체의 센서부로부터 획득된 데이터 및 신호들을 처리하는 제어부;
   상기 획득된 데이터 및 신호들을 저장하는 저장부; 및
   상기 획득된 데이터 및 신호들을 외부로 전송하는 네트워크 인터페이스를 포함하며,
   상기 무인 이동체에 탈부착이 가능하도록 설치되는, 비행 성능 계측 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 무인 이동체의 자세를 수평으로 유지하도록 제어하는 GPS/INS를 포함하는, 비행 성능 계측 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 저장부는,
   삽입 및 인출될 수 있는 SD 카드인, 비행 성능 계측 장치.
4. 무인 이동체에, 탈부착이 가능한 비행 성능 계측 장치를 설치하는 단계;
   상기 무인 이동체의 실내 점검을 수행하는 단계;
   상기 무인 이동체의 실외 점검을 수행하는 단계;
   상기 무인 이동체가 비행하며 임무를 수행하는 단계;
   상기 비행 성능 계측 장치에 포함된 센서부가 데이터를 획득하는 단계;
   상기 획득된 데이터가 저장부에 저장되는 단계;
   상기 획득된 데이터가 컨트롤러로 전송되는 단계;
   상기 무인 이동체가 비행을 완료하는 단계;
   상기 저장부에 저장된 데이터를 백업하고 분석하는 단계를 포함하는 비행 성능 계측 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 무인 이동체의 자세를 수평으로 유지하도록 제어하는 GPS/INS를 포함하는, 비행 성능 계측 방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 저장부는,
   삽입 및 인출될 수 있는 SD 카드인, 비행 성능 계측 방법.

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