KR20190119805A - 하이브리드 무인항공기 - Google Patents

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KR20190119805A
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Abstract

본 발명은 하이브리드 무인항공기가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 무인항공기는 다수의 날개를 구비하는 비행동체, 상기 다수의 날개에 각각 마련되는 다수의 프로펠러, 상기 다수의 프로펠러 동작을 독립적으로 제어하는 제어부, 상기 다수의 프로펠러와 결합되어 있으며, 추력을 생성하는 모터, 상기 모터에 전력을 공급하는 배터리, 상기 배터리와 병렬로 연결되어 있는 보조배터리, 전력을 생성하여 상기 배터리에 공급하는 제1 발전기, 상기 제1 발전기의 회전자를 회전시키는 제1 내연기관 엔진, 전력을 생성하여 상기 배터리 및 보조배터리에 공급하는 제2 발전기 및 상기 제2 발전기의 회전자를 회전시키는 제2 내연기관 엔진을 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 무인항공기{HYBRID UNMANNED AERIAL VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 무인항공기에 관한 것으로 특히, 내연기관 엔진을 이용하여 발전기에 전기를 생산하고 이를 바탕으로 장시간 비행 및 무거운 운송물을 옮길 수 있는 하이브리드 무인항공기에 관한 것이다.
일반적으로 무인항공기는 사람이 탑승하지 않고, 원격으로 조정하거나 사전정보에 따라 비행하는 모든 비행체를 포함한다. 이러한 무인항공기는 정글이나 오지, 화산지역, 자연재해지역, 원자력 발전소 사고지역 등 인간이 접근할 수 없는 지역에 투입되어 운용되고, 군사용뿐만 아니라, 개인의 취미 활동으로 개발되어 상품화 되기도 한다.
종래의 무인항공기는 내연기관보다 효율성이 떨어지는 배터리 방식을 채택하여 사용되고 있다. 그 이유는 내연기관의 발열량 때문에 화재의 위험성이 크기 때문이다.
따라서, 내연기관과 배터리를 모두 사용하고, 내연기관의 작동시간을 제어하여 화재의 위험성을 줄이면서 비행시간을 연장할 수 있는 하이브리드 무인항공기에 관한 연구가 요구된다.
한국등록특허(제10-1815287호)
본 발명은 내연기관과 배터리를 동시에 사용함으로써, 전력소모가 집중되는 이륙 및 착륙시에 전력 공급이 원활하도록 하고, 기존의 무인항공기보다 비행시간을 연장할 수 있는 하이브리드 무인항공기를 제공한다.
본 발명은 내연기관을 설정된 상황에 따라 작동 또는 중단함으로써, 화재의 위험성은 낮추고, 전력량을 대폭으로 늘릴 수 있는 하이브리드 무인항공기를 제공한다.
본 발명은 기존의 배터리에서 문제가 일어나는 경우, 병렬로 연결된 보조배터리에서 모터에 전력을 공급할 수 있으므로, 비행 중 다양한 변수에 대응하여 대처하고, 사고의 위험을 줄일 수 있는 하이브리드 무인항공기를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 무인항공기는 다수의 날개를 구비하는 비행동체, 상기 다수의 날개에 각각 마련되는 다수의 프로펠러, 상기 다수의 프로펠러 동작을 독립적으로 제어하는 제어부, 상기 다수의 프로펠러와 결합되어 있으며, 추력을 생성하는 모터, 상기 모터에 전력을 공급하는 배터리, 상기 배터리와 병렬로 연결되어 있는 보조배터리, 전력을 생성하여 상기 배터리에 공급하는 제1 발전기, 상기 제1 발전기의 회전자를 회전시키는 제1 내연기관 엔진, 전력을 생성하여 상기 배터리 및 보조배터리에 공급하는 제2 발전기 및 상기 제2 발전기의 회전자를 회전시키는 제2 내연기관 엔진을 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 보조배터리는, 상기 배터리에 고장이 발생한 경우 및 충전된 전력량이 기설정된 전력량 이하인 경우 중 하나에 해당하여 상기 모터에 전력 공급이 불가능한 경우에는 상기 모터에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 제1 발전기는 무인항공기가 이륙 후 기설정된 시간이 경과한 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리에 기설정된 전력량 이하로 전력이 남아있는 경우에는 다시 작동할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 제2 발전기는 상기 보조배터리에 충전량이 기설정된 충전량 이상으로 측정되는 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리의 문제로 인해 상기 보조배터리에서 상기 모터에 전력을 공급하는 경우에는 다시 작동할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 제1 내연기관 엔진 및 제2 내연기관 엔진은, 기설정된 제1 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는 사용자에게 알림정보를 제공하고, 기설정된 시간이 경과한 뒤 작동을 멈추며, 기설정된 제2 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는 즉시 작동을 중단하고, 사용자에게 작동 중지 알림정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 내연기관과 배터리를 동시에 사용함으로써, 전력소모가 집중되는 이륙 및 착륙시에 전력 공급이 원활하도록 하고, 기존의 무인항공기보다 비행시간을 연장할 수 있는 하이브리드 무인항공기가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 내연기관을 설정된 상황에 따라 작동 또는 중단함으로써, 화재의 위험성은 낮추고, 전력량을 대폭으로 늘릴 수 있는 하이브리드 무인항공기가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 배터리에서 문제가 일어나는 경우, 병렬로 연결된 보조배터리에서 모터에 전력을 공급할 수 있으므로, 비행 중 다양한 변수에 대응하여 대처하고, 사고의 위험을 줄일 수 있는 하이브리드 무인항공기가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 무인항공기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 발전기의 작동 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제2 발전기의 작동 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의　실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 무인항공기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참고하면, 상기 하이브리드 무인항공기는 비행동체(100), 프로펠러(200), 제어부(미도시), 모터(300), 배터리(400), 보조배터리(500), 제1 발전기(600), 제1 내연기관 엔진(700), 제2 발전기(800), 제2 내연기관 엔진(900)을 포함할 수 있다.
상기 비행동체(100)는 다수의 날개를 구비할 수 있다.
또한, 상기 비행동체(100)는 상기 하이브리드 무인항공기의 경량화를 위해 경량소재를 이용하여 제조되는 것이 특징이다.
상기 프로펠러(200)는 상기 다수의 날개에 각각 마련될 수 있다.
도 1에서 상기 프로펠러(200)는 전방 날개 양쪽에 하나씩 마련되어 있지만, 추력을 증대시키기 위해 상기 프로펠러(200)를 추가시켜 마련될 수 있고, 후방 날개에도 마련될 수 있다.
하지만, 양쪽 날개 및 상기 비행동체(100)의 균형을 맞추기 위해 전방 날개에 마련된 프로펠러(200)의 수는 양쪽이 동일하게 마련되어야 하고, 후방 날개에 마련된 프로펠러(200)의 수는 짝수로 이루어져야 한다.
상기 제어부(미도시)는 상기 다수의 프로펠러 동작을 독립적으로 제어할 수 있다.
일예로, 상기 전방 날개의 양쪽에 각각 3개의 프로펠러(200)가 마련되어 있고, 왼쪽 날개의 2번째 프로펠러(200)에 문제가 발생하여 상기 프로펠러(200)가 작동이 되지 않는 경우, 상기 제어부(미도시)는 이를 인지하여, 오른쪽 날개의 2번째 프로펠러(200)의 작동을 중단함으로써, 비행동체(100)의 균형을 유지시킬 수 있다.
상기 모터(300)는 상기 다수의 프로펠러와 결합되어 있으며, 추력을 생성할 수 있다.
또한 상기 모터(300)는 상기 프로펠러(200)와 동일하게 마련될 수 있다. 또한 상기 모터(300)의 수만큼 상기 배터리(400), 보조배터리(500), 제2 발전기(800) 및 제2 내연기관 엔진(900)이 동일한 수만큼 마련될 수 있다.
상기 배터리(400)는 상기 모터(300)에 전력을 공급할 수 있다.
상기 보조배터리(500)는 배터리와 병렬로 연결되어 상기 모터(300)에 전력을 공급할 수 있다.
즉, 상기 배터리(400)에 고장이 발생한 경우 및 충전된 전력량이 기설정된 전력량 이하인 경우 중 하나에 해당하여 상기 모터(300)에 전력 공급이 불가능한 경우에는 상기 모터(300)에 전력을 상기 보조배터리(500)에서 공급할 수 있다.
위의 경우, 안전을 위하여 배터리(400)에서 모터(300)에 공급하는 전선로를 차단할 수 있다.
또한, 비행 중 보조배터리(500)에서도 문제가 생겨 더 이상 모터(300)에 전력을 공급할 수 없는 경우, 균형을 맞추기 위해 반대편의 모터(300)에 공급되는 전력을 차단할 수 있다.
위의 경우는 적어도 양쪽에 각각 모터가 두 개 이상 마련된 것이며, 전력을 차단하기 위해서 양쪽에 각각 모터가 적어도 하나 이상은 있어야 상기 조건을 만족하여 전력차단을 실행할 수 있다.
상기 제1 발전기(600)는 전력을 생성하여 상기 배터리에 공급할 수 있다.
상기 제1 내연기관 엔진(700)은 상기 제1 발전기(600)의 회전자를 회전시킬 수 있다.
또한 상기 제1 발전기(600)는 과열방지 및 연료의 효율성을 위해 기설정된 상황에서는 작동을 중지하거나 다시 작동할 수 있다.
이하에서는 상기 제1 발전기(600)가 작동을 중지하거나 다시 작동하는 일실시예를 도 2를 참고하여 상세하게 설명한다.
또한 상기 제1 발전기(600)가 작동을 중지한다는 의미는 상기 제1 내연기관 엔진(700)이 작동을 중지한다는 의미와 동일하게 해석될 수 있으며, 상기 제1 발전기(600)가 다시 작동을 한다는 것은 상기 제1 내연기관 엔진(700)이 다시 작동한다는 것과 동일한 의미로 해석될 수 있다.
상기 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 발전기의 작동 순서도이다.
도 2를 참고하면, 상기 제1 발전기(600)는 무인항공기가 이륙 후 기설정된 시간이 경과한 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리(400)에 기설정된 전력량 이하로 전력이 남아있는 경우에는 다시 작동할 수 있다.
무인항공기가 전력을 가장 많이 소비하는 상황은 상기 무인항공기가 이륙 및 착륙을 하는 경우이다. 이륙을 실시하고 일정 시간이 지난 후에는 작동을 하지 않아도 이미 충분한 전력량이 충전되었기 때문에 연료 효율을 높이고, 화재 위험을 줄이기 위해 작동을 중단한다.
위에 상황에서 착륙 시 상기 제1 발전기(600)를 작동하지 않을 수 있다. 상기 기설정된 전력량이 착륙 시 필요한 전력량 이상이기 때문에 기설정된 배터리 이상으로 충전된 상황이라면 상기 제1 발전기는 작동하지 않는다.
또한 이륙 후 작동을 중단한 제1 발전기(600)는 상기 배터리(400)에 기설정된 전력량 이하로 남아 있는 경우에는 다시 작동을 실시하고, 충전 중 기설정된 전력량 이상으로 측정된 경우에는 다시 제1 발전기(600)의 작동을 중단한다.
상기 배터리(400)에 기설정된 전력량 이하로 남아있는 상황은 다수의 배터리 중 적어도 하나 이상의 배터리(400) 전력량이 이하로 남아있는 상황이면 제1 발전기(600)가 작동하고, 상기 충전 중 기설정된 전력량 이상으로 측정된 상황은 다수의 배터리(400)가 전부 기설정된 전력량 이상으로 측정되어야 상기 제1 발전기(600)의 작동을 중단한다.
다시 도 1를 참고하면, 상기 제2 발전기(800)는 전력을 생성하여 상기 배터리(400) 및 보조배터리(500)에 상기 생성된 전력을 공급할 수 있다.
또한 상기 제2 발전기(800)는 보조배터리(500)에 전력을 공급하는 것을 기본 원칙으로 하지만, 상기 제1 발전기(600)에 문제가 생겨서 더 이상 작동을 할 수 없는 경우에는 배터리(400)에 전력을 공급할 수 있다.
또한 상기 제2 발전기(800)가 배터리(400)에 전력을 공급하는 상황은 상기 제2 발전기(800)가 보조배터리(500)에 전력을 공급하지 않는 상황에서만 가능하다.
상기 제2 내연기관 엔진(900)은 상기 제2 발전기(800)의 회전자를 회전시킬 수 있다.
또한 상기 제2 발전기(800)는 과열방지 및 연료의 효율성을 위해 기설정된 상황에서는 작동을 중지하거나 다시 작동할 수 있다.
이하에서는 상기 제2 발전기(800)가 작동을 중지하거나 다시 작동하는 일실시예를 도 3를 참고하여 상세하게 설명한다.
또한 상기 제2 발전기(800)가 작동을 중지한다는 의미는 상기 제2 내연기관 엔진(900)이 작동을 중지한다는 의미와 동일하게 해석될 수 있으며, 상기 제2 발전기(800)가 다시 작동을 한다는 것은 상기 제2 내연기관 엔진(900)이 다시 작동한다는 것과 동일한 의미로 해석될 수 있다.
상기 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 제2 발전기의 작동 순서도이다.
도 3을 참고하면, 상기 제2 발전기(800)는 상기 보조배터리(500)에 충전량이 기설정된 충전량 이상으로 측정되는 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리(400)의 문제로 인해 상기 보조배터리(500)에서 상기 모터에 전력을 공급하는 경우에 다시 작동할 수 있다.
상기 배터리(400)에 문제가 발생하여 보조배터리(500)에서 모터(300)에 전력을 공급하는 경우에는 상기 제2 발전기(800)이 작동을 시작하고, 보조배터리(500)에서 모터(300)에 전력을 공급하지 않는 경우는 상기 제2 발전기(800)는 작동을 하지 않는다.
또한 상기 제2 발전기(800)가 작동하는 경우에 상기 보조배터리(500)에 기설정된 충전량이 이상으로 충전이 되지 않는 경우는 상기 제2 발전기(800)의 작동을 유지하고, 상기 보조배터리(500)에 기설정된 충전량 이상으로 충전된 경우에는 작동을 중단한다. 그 이유는 연료의 효율을 높이고, 화재 위험을 낮출 수 있기 때문이다.
또한 상기 제2 발전기(800)가 작동을 중지한 상황에 상기 보조배터리(500)에 기설정된 충전량 이상으로 남아있는 경우에는 계속 작동을 중지한 상태를 유지하고, 상기 보조배터리(500)에 기설정된 충전량 이하로 남아있는 경우에는 상기 제2 발전기(800)가 작동을 시작한다.
또한 상기 제2 발전기(800)가 작동을 시작하면, 도 3의 알고리즘에 의해 보조배터리(500)에 남아 있는 전력량을 측정하며, 상기 전력량이 기설정된 충전량 이상으로 충전이 된 경우에는 상기 제2 발전기(800)는 작동을 중지한다.
다시 도 1를 참고하면, 상기 제1 내연기관 엔진(700) 및 상기 제2 내연기관 엔진(900)은 기설정된 제1 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는 사용자에게 알림정보를 제공하고, 기설정된 시간이 경과한 뒤 작동을 멈출 수 있으며, 기설정된 제2 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는 즉시 작동을 중단하고, 사용자에게 작동 중지 알림정보를 제공할 수 있다.
상기 제1 온도범위는 100도 이상 120도 이상이며, 상기 제2 온도범위는 120도를 초과한 온도로 설정될 수 있다. 이는 사용자 설정에 따라 변경이 가능하다.
상기 제1 온도범위에 해당하는 온도가 측정되었을 때, 기설정된 시간이 경과한 뒤 작동을 멈추는 이유는 기설정된 온도에 도달해도 폭발 및 화재의 위험성이 적기 때문에 기설정된 시간까지는 전력을 생산하여 무인항공기의 비행능력을 낮추지 않고 일을 계속 진행하면서 사용자가 무인항공기의 상태를 확인하고 계속 비행을 실행하는 것에 대한 선택을 할 수 있기 때문이다.
상기 제2 온도범위에 해당하는 온도가 측정되었을 때는 폭발 및 화재의 위험이 매우 높기 때문에 즉시 내연기관 엔진의 작동을 중지하고, 무인항공기가 진행하고 있던 작업은 중지하고 복귀할 수 있도록 할 수 있다.
또한 상기 제1 내연기관 엔진(700) 및 상기 제2 내연기관 엔진(900)의 발열량을 측정하는 것과 상기 제1 발전기(600) 및 제2 발전기(800)의 온도까지 측정하는 것을 의미하며, 내연기관 엔진이나 발전기 둘 중에 어느 하나라도 기설정된 온도 이상으로 측정되면 작동을 중지할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 내연기관과 배터리를 동시에 사용함으로써, 전력소모가 집중되는 이륙 및 착륙시에 전력 공급이 원활하도록 하고, 기존의 무인항공기보다 비행시간을 연장할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 내연기관을 설정된 상황에 따라 작동 또는 중단함으로써, 화재의 위험성은 낮추고, 전력량을 대폭으로 늘릴 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 배터리에서 문제가 일어나는 경우, 병렬로 연결된 보조배터리에서 모터에 전력을 공급할 수 있으므로, 비행 중 다양한 변수에 대응하여 대처하고, 사고의 위험을 줄일 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 일실시예는 상기 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 따라서, 본 발명의 일실시예는 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 비행동체
200: 프로펠러
300: 모터
400: 배터리
500: 보조배터리
600: 제1 발전기
700: 제1 내연기관 엔진
800: 제2 발전기
900: 제2 내연기관 엔진

Claims (5)

  1. 다수의 날개를 구비하는 비행동체;
    상기 다수의 날개에 각각 마련되는 다수의 프로펠러;
    상기 다수의 프로펠러 동작을 독립적으로 제어하는 제어부;
    상기 다수의 프로펠러와 결합되어 있으며, 추력을 생성하는 모터;
    상기 모터에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리와 병렬로 연결되어 있는 보조배터리;
    전력을 생성하여 상기 배터리에 공급하는 제1 발전기;
    상기 제1 발전기의 회전자를 회전시키는 제1 내연기관 엔진;
    전력을 생성하여 상기 배터리 및 보조배터리에 공급하는 제2 발전기; 및
    상기 제2 발전기의 회전자를 회전시키는 제2 내연기관 엔진;
    를 포함하는 하이브리드 무인항공기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조배터리는,
    상기 배터리에 고장이 발생한 경우 및 충전된 전력량이 기설정된 전력량 이하인 경우 중 하나에 해당하여 상기 모터에 전력 공급이 불가능한 경우에는 상기 모터에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인항공기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발전기는,
    무인항공기가 이륙 후 기설정된 시간이 경과한 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리에 기설정된 전력량 이하로 전력이 남아있는 경우에는 다시 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인항공기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 발전기는,
    상기 보조배터리에 충전량이 기설정된 충전량 이상으로 측정되는 경우에는 작동을 중단하고, 상기 배터리의 문제로 인해 상기 보조배터리에서 상기 모터에 전력을 공급하는 경우에는 다시 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인항공기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내연기관 엔진 및 제2 내연기관 엔진은,
    기설정된 제1 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는, 사용자에게 알림정보를 제공하고, 기설정된 시간이 경과한 뒤 작동을 멈추며, 기설정된 제2 온도범위에 해당하는 온도가 측정되는 경우에는, 즉시 작동을 중단하고, 사용자에게 작동 중지 알림정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무인항공기.
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