KR20190141282A - 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법 - Google Patents

비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 송신장치는 안테나 어레이, 비행체로부터 수신전력정보를 수신하는 통신부 및 비행체로부터 위치검출용파를 상기 안테나 어레이를 통하여 수신하고, 각각의 패치 안테나에 수신되는 상기 위치검출용파의 수신전력크기를 미리 설정된 수신전력크기와 비교하여 비행체의 거리 및 빔폭을 판단하고, 상기 판단된 거리 및 빔폭에 따른 전력전송파를 방사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 비행체용 무선 전력 송신장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 전력공급이 필요한 비행체가 충전을 위하여 특정 위치에 있는 충전소로 이동할 필요가 없음으로 충전소 이동에 따라 소요되는 에너지 및 시간을 감소시킬 수 있다.

Description

비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법{WIRELESS POWER TRANSMITTER FOR FLIGHT AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전자파를 이용하여 비행체에 필요한 전력을 지상으로부터 공급할 수 있는 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술의 발전에 따라 언제 어디서나 정보통신 기기를 통하여 다양한 서비스를 제공하고, 이러한 서비스를 구현하는 장치로 스마트폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대기기의 보급이 늘어나면서 자연적으로 상기 휴대기기의 장시간 사용을 위한 전원공급의 요구가 있다. 이러한 휴대기기의 전원공급을 함에 있어 사용자는 상용전원에 의한 배터리를 매번 충전하여야 하는 불편함이 있다. 특히 4차산업으로 IoT발전과 스마트팩토리에서 스마트센서의 사용증가에 따라 IT 기술과 에너지 기술을 융합한 무선전력전송을 이용하여 휴대기기, 스마트센서 등에 전원을 공급하고자는 기술이 대두되고 있다.
무선전력전송기술은 자기유도방식, 자기공진방식, 자기장 센서방식 및 전파수신방식 등으로 분류된다. 상기 전파수신방식은 송신기 안테나를 통하여 방사된 전파를 수신기 안테나를 통하여 수신한 전파를 정류회로를 이용하여 직류로 변환하여 전력을 수신하는 방식으로 비교적 원거리 전력 전송에 이용될 수 있다.
드론은 지상의 원격조정장치에 의하여 무선전파로 조정할 수 있는 비행체로 카메라, 센서, 통신시스템을 포함하며 레져용, 감시용, 산업용 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
상기 드론에 전력을 전송할 수 있는 기술과 관련하여 대한민국등록특허공보 제10-1803917호의 무인비행체의 충전을 위한 충전소가 개시된다. 상기 선행기술은 사용자가 비행체를 조정하여 충전소로 이동하지 않고, 전파에 대한 응답을 받아 충전소로 자동으로 이동할 수 있도록 제어하고 있다. 그러나 상기 선행기술은 비행체가 비행중 전력이 고갈되는 경우, 매번 충전소로 이동해야 하는 불편함이 있으며, 공간에 있는 비행체의 위치를 파악하여 무선전력을 효율적으로 전송하기 위한 구성에 대하여는 개시하고 있지 않는다.
따라서 비행체에 전력공급이 필요할 경우, 특정 위치에 있는 충전소로 이동할 필요없이 비행체의 위치를 추적하여 무선전력을 공급할 수 있으며, 비행체의 위치를 판단함에 있어 전력 소비를 방지함과 동시에 빠르게 위치를 판단할 수 있는 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1803917호 (2017.12.04)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비행체에 전력공급이 필요할 경우, 특정 위치에 있는 충전소로 이동할 필요없이 비행체의 위치를 추적하여 무선전력을 공급할 수 있는 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체용 무선 전력 송신장치는 안테나 어레이, 비행체로부터 수신전력정보를 수신하는 통신부 및 상기 안테나 어레이를 통하여 비행체의 위치를 판단하기 위하여 미리 설정된 조사방향으로 각각의 스캐닝파를 방사하고, 각각의 스캐닝파를 수신한 비행체로부터 전송되는 수신전력크기를 미리 설정된 수신전력크기와 비교하여 비행체의 거리 및 빔폭을 판단하여, 상기 판단된 거리 및 빔폭에 따른 전력전송파를 방사하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체용 무선 전력 송신장치는 안테나 어레이, 비행체로부터 수신전력정보를 수신하는 통신부 및 비행체로부터 위치검출용파를 상기 안테나 어레이를 통하여 수신하고, 각각의 패치 안테나에 수신되는 상기 위치검출용파의 수신전력크기를 미리 설정된 수신전력크기와 비교하여 비행체의 거리 및 빔폭을 판단하고, 상기 판단된 거리 및 빔폭에 따른 전력전송파를 방사하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전력공급이 필요한 비행체가 충전을 위하여 특정 위치에 있는 충전소로 이동할 필요가 없음으로 충전소 이동에 따라 소요되는 에너지 및 시간을 감소시킬 수 있다. 따라서 비행체가 맡은 임무가 충전에 의하여 단절되지 않고 연속적으로 수행할 수 있음으로 비행효율을 높일 수 있다.
또한 위치검출파를 통하여 최소한의 전력을 이용하여 비행체의 위치를 파악할 수 있으며, 비행체의 이동시 원격 조정장치로터 수신한 비행체 조작정보를 이용하여 계속적으로 비행체에 무선전력을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체용 무선 전력 송신장치, 비행체및 조정장치의 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신장치의 송수신처리부를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 비행체의 블록구성도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝시 조사범위를 최소화하여 비행체를 찾는 과정을 설명하기 위한 개념도 및 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 개수 및 위치에 따른 전력전송파의 개수 및 빔폭을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 비행체에 대한 중심거리정보를 이용하여 스캐닝파의 조사범위 및 개수를 제어하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 위치를 추적하는 위치추적서버를 통하여 계속적으로 비행체에 무선 전력을 전송할 수 있는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 패치 안테나에 공급되는 신호의 크기 및 위상 제어에 따른 전력전송파의 빔폭 및 크기가 변화되는 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 이동에 따라 안테나 어레이의 방향을 변경하는 구동부의 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝파를 이용하여 비행체의 중심위치를 파악하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체용 무선 전력 송신장치, 비행체및 조정장치의 블록구성도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 무선 전력 송신장치(100)는 다수의 패치 안테나로 이루어져 소정의 스캐닝파 또는 전력전송파를 발생시키는 안테나 어레이(130), 소정의 위치에 있는 비행체(200)에 전력을 전송하도록 상기 전력전송파의 발생을 제어하는 제어부(110)를 포함할 수 있다.
안테나 어레이(130)는 복수개의 패치가 다양한 방향으로 배열되는 형태로 전자파를 방사하기 위한 다양한 안테나 구조 및 형태로 이루어 질 수 있다. 송수신처리부(120)는 상기 안테나 어레이(130)의 각각의 패치에 공급되는 신호의 크기, 위상 및 동작여부 중 적어도 어느 하나 또는 둘이상을 제어부(110)의 제어에 의하여 조정함으로써 소정의 크기, 방향 및 빔폭을 갖는 전력전송파를 생성할 수 있다. 상기 동작여부는 안테나 패치에 신호가 공급되는 유무를 의미하며, 예를들어 해당 안테나 패치에 신호를 공급하지 않는 경우, 그 패치는 어떠한 신호도 방사하지 않는 상태이다. 여기서 전력전송파는 최종적으로 소정의 위치에 있는 비행체(200)에 전력을 전송하기 위한 전자파로 정의하며, 상기 비행체(200)의 위치를 파악하기 위하여 안테나 어레이의 패치 전체 또는 패치 일부(안테나 그룹)를 통하여 방사되는 스캐닝파와는 구별된다. 상기 스캐닝파는 제어부(110)의 제어에 의하여 미리 설정된 빔폭 및 크기를 가지고 -180°~ +180°의 범위에서 순차적으로 또는 미리 설정된 조사순서로 또는 위치검출용파에 의하여 결정되는 방향범위내에서 스캐닝파의 조사범위(각도)를 변경시켜 비행체에 스캐닝파의 전력을 전송할 수 있다. 전력전송파 또는 스캐닝파는 안테나 어레이(130)의 각각의 패치로부터 방사되는 전자파의 상호 보강 및 간섭에 의하여 생성되도록 제어하는 빔포밍 기술에 의하여 이루어질 수 있다(도 8참조). 다양한 형태의 안테나 구조 및 임피던스의 변화에 따른 빔포밍기술은 공지된 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 특정한 빔포밍기술로 제한하지 않는다.
제어부(100)는 스캐닝파 또는 전력전송파가 특정한 지점에 무선 전력을 전송할 수 있도록 메모리(150)에 미리 저장되어 있는 안테나 제어정보를 이용할 수 있다. 안테나 제어정보는 각각의 안테나 어레이의 각각의 패치에 공급되는 신호의 크기, 위상 및 동작여부에 대한 제어정보로 각 패치 안테나로부터 방사되는 전자파의 간섭 및 보강에 의하여 스캐닝파 또는 전력전송파를 발생시키기 위한 빔포밍 정보로 이해될 수 있다. 또한 상기 안테나 제어정보는 스캐닝파 또는 전력전송파를 수신한 비행체로부터 전송된 수신전력과 비교되어 거리를 판단할 수 있는 기준 전력크기에 대한 수신전력 거리정보를 포함할 수 있다. 예를들어 제어부(100)는 공간 어딘가에 있는 비행체(200)의 방향을 판단하기 위하여 미리 설정된 빔폭 및 크기를 가지고 조사각도를 순차적으로 변경시켜 형성된 제1 스캐닝파, 제2 스캐닝파 내지 제n 스캐닝파를 비행체에 전송할 수 있다. 이 경우, 비행체(200)는 상기 제1 스캐닝파, 제2 스캐닝파 내지 제n 스캐닝파에 의하여 수신된 각각의 수신전력정보를 통신부(240)를 통하여 전력송신장치(100)로 전송할 수 있다. 전력송신장치(100)는 예를 들어 40mW의 기준전력크기로 제1 스캐닝파, 제2 스캐닝파 내지 제n스캐닝파 각각을 -180°~ +180°의 범위에서 순차적방사하여 아래 표 1와 같이 비행체(200)로부터 수신전력정보를 수신하였다고 가정한다.

조사각도		 비행체로부터 전송된
수신전력(mW)		 안테나 제어정보(메모리)
거리(m) 수신전력(mW)
제1 스캐닝파 -180° 0 1 18.52
.
.
.
미리 설정된 기준값(10mW) 이하
2
15.57
제K-1 스캐닝파 -10° 13.56 3 10.53
제K 스캐닝파 0° 15.26 4 5.84
제K+1 스캐닝파 +10° 14.05 5 3.25
.
.
.
미리 설정된 기준값(10mW) 이하
6
2.15
제n 스캐닝파 +180° 0 7 1.12
상기 표 1을 참고하면, 제어부(110)는 비행체로부터 수신된 수신전력의 최대값(15.26mW)과 미리 설정된 안테나 제어정보에서 40mW의 기준전력크기에 대하여 수신전력이 15.57mW이므로 안테나 어레이로부터 비행체간의 거리는 2m라고 판단할 수 있다. 동시에 제어부(110)는 미리 설정된 수신전력 기준값(10mW) 이상인 K-1, K 및 K+1의 스캐닝파의 조사각도인 -10°~ +10°를 빔폭정보로 판단할 수 있다. 따라서 스캐닝파에 의하여 비행체의 거리, 빔폭 및 방향(스캐닝파에 의하여 방향은 이미 결정됨)을 파악한 제어부(110)는 거리 2m, 빔폭 -10°~ +10°을 갖는 전력전송파를 생성하도록 미리 설정되어 있는 안테나 제어정보에 따라 송수신처리부(120)를 제어하여 판단된 위치에 있는 비행체(200)에 안테나 어레이를 통하여 전력전송파를 전송할 수 있다.
비행체(200)는 지상의 원격 조정장치(300)에 의하여 무선 전파로 조정할 수 있는 드론 또는 항공기일 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 비행체의 블록구성도이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 비행체(200)는 스캐닝파 또는 전력전송파를 수신하는 전력수신안테나(230), 수신된 스캐닝파 또는 전력전송파를 정류한 후 직류로 변환하는 전력변환부(220), 변환된 직류를 충전하는 충전부(201) 및 충전을 제어하고, 스캐닝파 또는 전력전송파의 수신전력정보를 생성한 후 통신부(240)를 통하여 전력송신장치(100)로 전송하도록 제어하는 제어부(210)를 포함한다.
제어부(210)는 충전부(201)에 충전되어 있는 전력정보를 감시하고, 충전전력이 미리 설정된 최소 전력 이하인 경우, 충전이 필요하다고 판단하고 위치검출용파를 생성하여 통신부(240)를 통하여 전력송신장치(100)로 전송할 수 있다. 위치검출용파는 전력전송파와 동일한 주파수 대역이거나 별도의 통신 채널 주파수 대역으로 이루어질 수 있으며, 무선충전요청정보를 포함할 수 있다. 위치검출용파는 크기 및 위상을 가지고 미리 설정된 기준방사전력이 설정될 수 있으며, 상기 미리 설정된 기준방사전력은 전력송신장치(100)에서 위치검출용파의 수신전력에 따른 비행체의 거리를 판단하기 위하여 이용될 수 있도록 메모리(150)에 미리 저장되어 있는 안테나 제어정보에 포함될 수 있다. 비행체(200)는 위치검출용파를 전력수신안테나(230)를 통하여 안테나 어레이(130)로 전송하기 위하여 통신부(240)와 전력수신안테나(230)간 전송경로를 형성하기 위한 스위칭부(260)를 포함할 수 있다. 상기 스위칭부(260)는 전력전송파를 수신할 경우, 제어부(210)의 제어에 의하여 전력수신안테나(230)와 전력변환부(2220)를 연결할 수 있는 서큐레이터(circulator) 등으로 이루어질 수 있다. 위치검출용파가 통신부(240)의 안테나(미도시)를 통하여 방사되는 경우 또는 전력수신안테나(230)를 통하여 방사되는 경우 모두 전력송신장치의 안테나 어레이(130) 및 통신부(140)의 안테나(미도시)를 통하여 수신될 수 있다. 위치검출용파가 스위칭부(260)를 통하여 전력수신안테나(230)를 통하여 방사되어 안테나 어레이(130)로 입력되는 경우는 통신부(240)의 안테나(미도시)를 통하여 방사되는 경우보다 더 정확한 전력수신안테나(230)의 위치를 전력송신장치(100)가 감지함으로써 무선전력 전송효율을 높일 수 있다.
비행체(200)는 GPS정보, 고도정보, 각속도정보 및 가속도 정보를 생성하는 센서부(250)를 더 포함하며, 상기 센서부(250)는 GPS센서, 고도센서, 자이로 센서, 리니어 센서, 가속도센서 등의 다수의 센서를 포함할 수 있다. 비행체(200)의 제어부(210)는 상기 GPS정보, 고도정보, 각속도정보 및 가속도 정보를 처리하여 현재 공간에서의 비행체의 속도, 방향, 기울기 등을 포함하는 위치정보를 통신부(240)를 통하여 지상의 원격 조정장치(300)에 전송할 수 있다
원격 조정장치(300)는 조이스틱 또는 네비게이션 스틱을 통하여 비행체(200)를 상승, 하강, 회전, 이동 등의 조작명령을 입력받는 조작부(330), 상기 조작부(330)의 조작에 따라 비행체 조작정보를 생성하고, 비행체 조작정보를 비행체(200)로 전송하도록 제어하는 제어부(310)를 포함할 수 있다. 원격 조정장치(300)의 제어부(310)는 상기 비행체 조작정보를 실시간으로 전력송신장치(1000)로 전송하도록 제어할 수 있으며, 전력송신장치(100)는 수신한 비행체 조작정보를 이용하여 비행체(200)의 위치 및 이동을 신속하게 파악할 수 있다. 예를 들어 전력송신장치(100)의 제어부(110) 스캐닝파 또는 전력전송파에 따른 수신전력 또는 위치검출파에 의한 수신전력이 변경되는 경우, 비행체가 이동중이라고 판단하고, 수신한 비행체 조작정보를 이용하여 계속적으로 비행체에 무선전력을 송신하거나 위치검출파를 수신하기 위하여 안테나 어레이의 방향을 변경하도록 구동부(400)를 제어할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 이동에 따라 안테나 어레이의 방향을 변경하는 구동부의 예시도로써, 구동부(400)는 안테나 어레이(130)의 일측과 연결되는 수평회전부(310) 및 상기 수평회전부(310)와 연결되는 상하회전부(320)로 이루어질 수 있다. 제어부(110)는 원격 조정장치(200)로부터 전송된 비행체 조작정보에 따른 수평회전부(310) 및 상하회전부(320)를 제어함으로써 비행체(200)의 이동에 따른 위치변화를 정확하게 추종할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신장치의 송수신처리부를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2를 참고하면, 송수신처리부(120)는 증폭부(124), 감쇠기(123), 위상쉬프터(122) 및 제1 제어부(121)를 포함할 수 있다.
송수신처리부(120)는 각각의 패치(131 ~ 131n)에 공급되는 신호의 위상 및 크기를 제어하기 위하여 복수개로 이루어 질 수 있으며, 제어부(110)는 각각의 송수신처리부(120)를 각각 제어하기 위한 제1 제어부(121) 내지 제n 제어부(121n)을 포함할 수 있다. 제어부(110)는 비행체(200)로부터 전송된 수신전력정보에 의하여 결정된 비행체의 거리, 빔폭 및 방향(스캐닝파에 의하여 방향은 이미 결정됨)에 대하여 미리 설정되어 있는 안테나 제어정보에 따라 각각의 패치에 대한 크기 및/또는 위상 정보를 제1 제어부(121) 내지 제n 제어부(121n)로 전송하여 무선전력 전송을 위한 전력전송파를 생성할 수 있다.
전력소스(101)는 신호의 주파수를 일정하게 유지하기 위한 위상고정루프(PLL:phase locked loop), 전력증폭기, 인버터 및 전력분배기 등을 포함하여 이루어져 각각의 송수신처리부(120)에 소정의 주파수, 위상 및 크기를 갖는 전력을 공급할 수 있다.
한편 송수신처리부(120)는 패치 안테나(131~131n)에 최종 공급되는 전력전송파의 크기 및 위상을 검출하거나 각 패치 안테나(131~131n)를 통하여 비행체로부터 전송되는 위치검출용파를 검출하기 위한 수신전력검출부(125)를 더 포함할 수 있다. 수신전력검출부(125)는 커플러(coupler)로 이루어질 수 있으며, 검출된 전력전송파 또는 위치검출용파는 제1 제어부(121)를 통하여 제어부(110)로 입력될 수 있다. 여기서 위치검출용파는 비행체(200)에 의하여 생성되어 전력수신안테나를 통하여 전력송신장치(100)의 안테나 어레이(130)로 입력될 수 있다.
따라서 전력송신장치(100)는 스캐닝파를 수신한 비행체로부터 전송된 수신전력정보를 이용하여 비행체의 위치를 판단하고 미리 설정된 안테나 제어정보에 따른 빔포밍을 제어함으로써 비행체에 최대전력을 효율적으로 전송할 수 있다. 또한 전력송신장치(100)는 스캐닝파에 의하여 미리 설정된 수신전력의 기준값보다 낮은 수신전력이 수신되는 조사각(방향)은 장애물이 있는 것으로 판단하고 해당 방향으로는 전력전송파가 방사되지 않도록 전력전송파의 빔폭을 제어할 수 있다. 이하 무선전력전송을 위한 비행체의 위치를 판단함에 있어 전력 소비를 방지함과 동시에 빠르게 위치를 판단할 수 있도록 상기 위치검출용파를 이용한 다양한 실시예에 대하여 도 4a 내지 도 7b를 통하여 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 d는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝시 조사범위를 최소화하여 비행체를 찾는 과정을 설명하기 위한 개념도 및 흐름도이다.
도 4a 및 4d를 참고하면, 전력송신장치(100)는 상술한 도 1 및 도 2에서 비행체(200)의 위치를 파악하기 위한 스캐닝파를 먼저 방사할 필요없이 비행체로부터 방사되는 위치검출용파를 안테나 어레이(130)를 통하여 수신하여 정확하게 전력수신안테나(230)의 위치를 파악할 수 있다. 따라서 전력송신장치(100)는 스캐닝파 방사에 따른 전력소비를 할 필요가 없으며, 미리 설정된 적어도 하나 이상의 패치들로 이루어진 안테나 그룹에 입력되는 위치검출용파의 전력크기를 검출함으로써 빠르게 전력수신안테나(230)의 위치를 판단할 수 있다.
먼저 전력송신장치(100)는 위치검출용파의 수신을 대기한 상태를 유지한다(S401). 비행체(200)는 무선충전이 필요하다고 판단되는 경우, 위치검출용파를 전력수신안테나(230)를 통하여 방사하는 경우, W1, W2, W3, W4, W5의 경로로 안테나 어레이의 각각의 안테나 그룹(A1,A2,A3,A4)에 수신될 수 있다. 설명을 위하여 위치검출용파를 W1 내지 W5로 표시하였으나 안테나 어레이를 이루는 각각의 패치 안테나에 위치검출용파가 입력됨은 당연하다. 여기서 상기 안테나 그룹(A1,A2,A3,A4)은 메모리에 미리 설정되어 있는 안테나 제어정보에 의하여 미리 전력전송파를 방사할 방향은 미리 설정될 수 있다. 무선송신장치(100)는 수신전력검출부(125)를 통하여 입력된 위치검출용파의 수신전력이 미리 설정된 기준 전력보다 큰 경우, 무선송신장치는 안테나 그룹 A1, A2, A3 및 A4를 순차적으로 동작하도록 제어하여 각 안테나 그룹(A1,A2,A3,A4)별로 수신되는 수신전력크기를 감지할 수 있다(S402). 계속적으로 무선송신장치(100)는 감지된 각 안테나 그룹(A1,A2,A3,A4)별 수신전력의 크기, 위상 및 감지시간정보를 비교하여 위치검출용파의 수신전력크기가 가장 큰 안테나 그룹(A2)을 결정하고 미리 설정되어 있는 안테나 제어정보와 비교함으로써 전력전송파를 방사할 방향을 결정할 수 있다. 한편 무선송신장치(100)는 결정된 안테나 그룹(A2) 내의 다수의 패치 안테나에 수신되는 위치검출용파의 최대 수신전력크기와 미리 설정된 방사전력에 따른 거리정보를 이용하여 전력수신안테나의 거리를 판단할 수 있다(S403). 다음으로 무선송신장치(100)는 상기 안테나 그룹(A2)으로 이루어진 다수의 패치 안테나들을 통하여 판단된 방향 및 거리에 의한 전력전송파(B)를 형성하여 비행체(200)의 전력수신안테나에 빠르게 전력을 전송할 수 있다(S404).
도 4b는 도 4b의 (a) 및 도 4c의 S401,S402 및 S403에 의하여 전력수신안테나(230)의 방향 및 거리가 판단된 경우에도 무선송신장치(100)는 더욱 더 정확한 전력수신안테나(230)의 방향을 판단하기 위하여 제한된 조사범위를 갖는 스캐닝파(b1,b2,b3,b4,b5)를 전체 패치 안테나 또는 안테나 그룹(A2)에 의하여 생성하여 방사할 수 있다. 도 4b의 (b) 및 도 4d를 참고하면, 무선송신장치(100)는 -180°~ +180°의 전부 범위에서 스캐닝파의 조사각도를 변경시키는 스캐닝을 할 필요없이 안테나 그룹(A2)에 의하여 미리 특정된 방사방향의 제한된 조사범위에서만 스캐닝파(b1,b2,b3,b4,b5)를 방사하고 비행체로부터 수신한 수신전력을 이용하여 더 정확하게 전력전송파의 방향, 거리를 재설정할 수 있다. 이후 무선송신장치(100)는 재설정된 조사방향, 빔폭 및 거리에 따라 안테나 어레이들을 통하여 전력전송파를 형성하여 전력수신안테나(230)에 빠르게 전력을 전송할 수 있다(S409). 도 4a내지 도 4d에서는 하나의 비행체에 대하여 설명하였으나 이에 한정하지 않고 두개 이상의 비행체에 대하여도 동시에 무선전력전송이 가능하며 이에 대하여는 도 5 및 6을 통하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 개수 및 위치에 따른 전력전송파의 개수 및 빔폭을 도시한 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 비행체에 대한 중심거리정보를 이용하여 스캐닝파의 조사범위 및 개수를 제어하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참고하면, 도 4c의 S401,S402 및 S403에 의하여 비행체(200)의 방향 및 거리가 판단된 경우에도 무선송신장치(100)는 복수의 비행체(200a, 200b)의 전력수신안테나(230)에 동시에 전송하기 위한 방향을 판단하기 위하여 제한된 조사범위를 갖는 다수의 스캐닝파(b)를 전체 패치안테나 또는 안테나 그룹(A2)에 의하여 생성하여 방사할 수 있다. 각 스캐닝파에 의하여 복수의 비행체(200a, 200b)으로부터 각각 수신된 수신전력을 이용하여 무선송신장치(100)는 빔폭정보를 판단하고 전력전송파(B)의 빔폭을 조정함으로써 복수의 비행체에 하나의 전력전송파를 전송하거나(도 5의 (a)참고), 서로 다른 경로를 갖는 두개의 전력전송파(도 5의 (b)참고)를 전송할 수 있다.
도 6의 (a)를 참고하면, 비행체간 중심거리 정보를 전송하지 않은 경우, 무선송신장치(100)는 -180°~ +180°의 범위에서 순차적으로 빔의 조사각도를 변경시키는 다수의 스캐닝(b1 내지 b6)을 통하여 스캐닝시 전력소모가 많을 뿐 아니라 스캐닝 시간도 오래 걸리는 문제가 있다.
도 6의 (b)를 참고하면,복수의 비행체(200a, 200b)들은 통신을 통하여 비행체간 거리를 계산하고, 계산된 거리를 이용하여 중심거리정보(291)를 생성하여 전력송신장치(100)로 전송할 수 있다. 따라서 무선송신장치(100)는 b1의 스캐닝파를 방사한 후 미리 설정된 조사각만큼 이동하여 방사된 b2 스캐닝파를 수신한 제1 비행체(200a)로부터 수신전력정보 및 중심거리정보를 수신받는 경우, 제2 비행체(200b)만이 제1 비행체(200a)로부터 중심거리만큼 떨어져 위치한다고 판단할 수 있다. 따라서 무선송신장치(100)는 상기 중심거리정보를 이용하여 이후 스캐닝범위는 도 6의 (a)의 b3, b4, b5, b6의 스캐닝파를 방사할 필요가 없이 제1 비행체(200a)를 중심으로 중심거리만큼 떨어진 위치에 조사각을 새로이 설정한 스캐닝파(b7)만을 방사하여 제2 비행체(200b)으로부터 수신전력정보를 빠르게 수신할 수 있다. 도 6의 (c)를 참고하면, 중심거리를 이용하여 최소한의 스캐닝파만을 방사하여 두 비행체의 위치를 판단하고 이에 따른 빔폭을 조절함으로써 전력소비를 최소화하고 빠르게 복수의 비행체에 동시에 무선 전력을 송신할 수 있는 전력전송파를 방사할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 위치를 추적하는 위치추적서버를 통하여 계속적으로 비행체에 무선 전력을 전송할 수 있는 개념도이다.
도 7을 참고하면, 무선송신장치는 다수의 무선송신장치(100a, 100b... 100n)으로 이루어질 수 있으며, 위치추적서버(500)를 더 포함할 수 있다. 위치추적서버(500)는 비행체의 비행을 조정하는 원격 조정장치(300)로부터 조작정보, GPS정보, 고도정보, 각속도정보 및 가속도정보를 이용하여 비행체의 이동속도 및 이동방향을 포함하는 비행체의 위치정보를 생성할 수 있다. 위치추적서버(500)는 네트워크망(10)을 통하여 원격 조정장치(300) 및 다수의 무선송신장치(100a, 100b... 100n)와 연결되어 다수의 무선송신장치(100a, 100b... 100n)의 위치를 기준으로 해당 무선송신장치의 무선전력 전송가능 범위를 미리 설정할 수 있다. 예를 들어 어느 하나의 무선송신장치(100a)는 스캐닝파 또는 전력전송파에 의하여 비행체로부터 전송되는 수신전력을 수신받거나, 위치검출파에 의하여 수신전력을 검출하는 경우, 상기 모든 수신전력이 미리 설정된 수신전력크기보다 작은 경우, 비행체(200)가 무선전력전송범위를 이탈하였다는 이탈정보를 위치추적서버(500)로 전송할 수 있다. 어느 하나의 무선송신장치(100a)로부터 상기 이탈정보를 전송받은 위치추적서버(500)는 미리 설정된 무선전력 전송가능 범위를 이용하여 비행체의 현재 위치에 따라 무선전력전송이 가능한 또 다른 무선전력송신장치(100b)를 결정하고, 결정된 무선전력송신장치(100b)에 비행체의 위치정보를 전송할 수 있다. 따라서 무선전력송신장치는 공간을 비행하는 비행체를 위치추적서버에 의하여 계속적으로 실시간으로 비행체의 위치정보를 생성관리하고, 비행체가 무선전력전송범위를 벗어나더라도 무선전력전송이 가능한 또 다른 무선전력송신장치를 통하여 무선전력전송이 연속적으로 이루어 질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캐닝파를 이용하여 비행체의 중심위치를 파악하기 위한 개념도이다.
도 10을 참고하면, 무선송신장치(100)는 미리 설정된 안테나 제어정보에 의하여 소정의 위치에 있는 비행체에 원형의 스캐닝파(S)를 형성하여 방사하여 비행체의 중심위치를 정확히 판단함으로써 무선전력전송 효율을 극대화 할 수 있다. 예를들어 도 10의 (a)를 참고하면, 원형의 스캐닝파(S)에 의하여 비행체(200)로부터 전송되는 수신전력크기가 B,D지점에서는 미리 설정된 기준전력크기보다 작은 경우, 제어부(110)는 비행체의 중심이 아니라고 판단하고, 오른쪽으로 원형의 스캐닝파를 이동시킨 후 다시 비행체로부터 전송되는 수신전력크기를 비교 판단할 수 있다. 도 10의 (b)를 팜고하면, 이동된 원형의 스캐닝파에 의하여 B,D의 수신전력이 미리 설정된 기준전력크기보다 큰 경우, 제어부(100)는 비행체의 중심이다고 판단하고, 이때의 스캐닝파의 방향을 전력전송파를 방사하기 위한 방향이라고 결정할 수 있다. 따라서 제어부는 결정된 방향 및 수신전력크기에 따른 이동체의 거리를 이용하여 정확하게 비행체의 중심에 무선전력을 전송할 수 있는 전력전송파를 방사하여 무선전력전송의 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100:전력송신장치 101:전력소스
110,210,310:제어부 120:송수신처리부
122:위상쉬프터 123:감쇠기
124:증폭부 125:수신전력검출부
130:안테나 어레이 131:패치 안테나
140,240,340:통신부 150:메모리
200:비행체 230:전력수신안테나
250:센서부 201:충전부
300:원격 조정장치 330:조작부
400:구동부
1000: 무선 전력 송수신시스템

Claims (10)

  1. 비행체용 무선 전력 송신장치에 있어서,
    안테나 어레이,
    비행체로부터 수신전력정보를 수신하는 통신부 및
    상기 안테나 어레이를 통하여 비행체의 위치를 판단하기 위하여 미리 설정된 조사방향으로 각각의 스캐닝파를 방사하고, 각각의 스캐닝파를 수신한 비행체로부터 전송되는 수신전력크기를 미리 설정된 수신전력크기와 비교하여 비행체의 거리 및 빔폭을 판단하여, 상기 판단된 거리 및 빔폭에 따른 전력전송파를 방사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신부는 비행체를 지상에서 조정하는 조정장치로부터 비행체 조작정보를 입력받으며,
    상기 제어부는 비행체부터 전송되는 수신전력이 변화하는 경우, 비행체가 이동중이라고 판단하고 상기 조장정보에 따라 안테나 어레이의 방향을 변경하도록 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신전력정보는 적어도 둘 이상의 비행체들간의 중심거리정보를 더 포함하고,
    제어부는 상기 중심거리정보를 이용하여 스캐닝파의 조사범위 및 개수를 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    조정장치로부터 수신받은 조작정보, GPS정보, 고도정보, 각속도정보 및 가속도정보를 이용하여 비행체의 이동속도 및 이동방향을 포함하는 비행체의 위치정보를 생성하는 위치추적서버를 더 포함하고,
    제어부는 비행체로부터 수신된 모든 수신전력크기가 미리 설정된 수신전력크기보다 작은 경우, 비행체가 무선전력전송범위를 이탈하였다는 이탈정보를 위치추적서버로 전송하고,
    상기 이탈정보를 수신한 관리서버는 비행체의 위치정보를 이용하여 비행체에 무선 전력을 송신할 수 있는 또 다른 비행체용 무선 전력 송신장치에 비행체의 위치정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
  5. 비행체용 무선 전력 송신장치에 있어서,
    안테나 어레이,
    비행체로부터 수신전력정보를 수신하는 통신부 및
    비행체로부터 위치검출용파를 상기 안테나 어레이를 통하여 수신하고, 각각의 패치 안테나에 수신되는 상기 위치검출용파의 수신전력크기를 미리 설정된 수신전력크기와 비교하여 비행체의 거리 및 빔폭을 판단하고, 상기 판단된 거리 및 빔폭에 따른 전력전송파를 방사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는 다수의 패치 안테나로 이루어진 적어도 둘 이상의 안테나 그룹을 형성하고,
    상기 제어부는 위치검출용파의 수신전력크기가 가장 큰 안테나 그룹을 결정하고, 결정된 안테나 그룹에 미리 설정된 방향으로 전력전송파를 발생하도록 상기 안테나 그룹을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신장치.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각각의 패치 안테나에 위치검출파가 수신된 시간의 차이에 따른 시간 지연을 가지고 각각의 패치 안테나로부터 전자파가 방사되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 결정된 안테나 그룹에 미리 설정된 방향범위의 내에서 스캐닝파를 방사하고, 비행체로부터 수신한 수신전력을 이용하여 전력전송파의 방향 및 거리를 재설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 수신전력정보는 적어도 둘 이상의 비행체들간의 중심거리정보를 더 포함하고,
    제어부는 상기 중심거리정보를 이용하여 스캐닝파의 조사범위 및 개수를 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 통신부는 비행체를 지상에서 조정하는 조정장치로부터 비행체 조작정보를 입력받으며,
    상기 제어부는 비행체로부터 전송되는 수신전력이 변화하는 경우, 비행체가 이동중이라고 판단하고 상기 비행체 조작정보에 따라 안테나 어레이의 방향을 변경하도록 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 비행체용 무선 전력 송신장치.
KR1020180067822A 2018-06-14 2018-06-14 비행체용 무선 전력 송신장치 및 그 제어방법 KR102136309B1 (ko)

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