KR20200033476A - 드론용 esc 드라이버 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

드론용 ESC 드라이버 모니터링 방법 및 장치를 개시한다.
본 실시예에 의하면, 모터 구동용 드라이버의 내부 충방전 소자의 온도를 측정하고, 온도에 따른 예측 수명을 산출하며, 산출된 예측 수명을 기반으로 사용자에게 무인비행체의 추락 위험에 관한 알람 데이터를 제공한다.

Description

드론용 ESC 드라이버 모니터링 방법 및 장치{Method and Apparatus for Monitoring ESC Driver for Drones}
본 실시예는 드론용 ESC 드라이버 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 드라이버 내부의 충방전 소자의 온도를 기반으로 충방전 소자의 수명을 예측하고, 모터의 사용 시간과 예측 수명을 비교하여 사용자에게 알람 데이터를 전송하여 사고를 방지하는 드론용 ESC 드라이버 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
무인비행체(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)는 지상에서 사용자에 의해 원격으로 통제되는 비행체를 의미한다. 국내에서는 드론(drone)이라는 명칭으로 대용되고 있다. 사용자는 무인비행체의 프로펠러 동작을 제어하여 무인비행체의 비행을 조종한다. 무인비행체는 재난구역과 같은 위험환경에서도 효율적으로 운송, 재난 원조와 같은 다양한 임무를 수행할 수 있다. 최근에는 쿼드콥터(quadcopter) 및 옥타콥터(octacopter)와 같은 저렴하고 간편한 형태의 무인비행체가 개발되어 취미용으로도 각광받고 있다.
한편, 무인비행체는 프로펠러를 동작시키기 위한 모터를 구비한다. 또한, 드라이버(Driver)는 모터를 구동하기 위해 모터에 연결되어 있다. 무인비행체가 모터 구동용 드라이버의 과열, 과전류 등으로 고공에서 추락하는 경우, 무인비행체 자체의 파손으로 인한 금전적 손해뿐만 아니라 추락하는 지점의 행인과의 추돌로 큰 인적 손해를 발생시킬 수 있다. 따라서, 무인비행체의 모터 구동용 드라이버를 실시간으로 감시하여 무인비행체의 추락을 미연에 방지할 필요가 있다.
본 실시예는, 모터 구동용 드라이버의 내부 충방전 소자의 온도를 측정하고, 온도에 따른 예측 수명을 산출하며, 산출된 예측 수명을 기반으로 사용자에게 무인비행체의 추락 위험에 관한 알람 데이터를 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 특정 시간을 주기로 모터 구동용 드라이버(Driver)로부터 상기 드라이버의 사용시간 데이터 또는 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 온도 데이터를 기반으로 상기 드라이버의 예측수명 데이터를 산출하는 예측수명 산출부; 상기 사용시간 데이터 및 상기 예측수명 데이터를 기반으로 알람 데이터의 생성 여부를 판단하는 알람 판단부; 및 상기 알림 판단부의 판단에 따라 상기 알람 데이터를 생성하는 알람 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 특정 시간을 주기로 모터 구동용 드라이버(Driver)로부터 상기 드라이버의 사용시간 데이터 또는 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집과정; 상기 온도 데이터를 기반으로 상기 드라이버의 예측수명 데이터를 산출하는 예측수명 산출과정; 상기 사용시간 데이터 및 상기 예측수명 데이터를 기반으로 알람 데이터의 생성 여부를 판단하는 알람 판단과정; 및 상기 알림 판단부의 판단에 따라 상기 알람 데이터를 생성하는 알람 생성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 무인비행체의 모터 구동용 드라이버로부터 드라이버 내부의 충방전 소자 온도만으로 충방전 소자의 예측 수명을 산출하여 사용자에게 알람 데이터를 전송함으로서 무인비행체의 추락에 의한 사고 등을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 장치의 대상이 되는 ESC 드라이버의 구조를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따라 드라이버 모니터링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 ESC 드라이버 내부에 위치한 충방전 소자의 수명과 온도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 실시예에서 '모니터링(Monitoring)'이란 해당 장치 또는 기기의 동작이나 상태 등을 관찰, 통제 또는 감시하는 것을 말한다.
도 1은 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하면, 드라이버 모니터링 시스템은 드론용 모터(110), ESC 드라이버(120), 온도 센서(130) 및 드라이버 모니터링 장치(140)를 포함한다.
드론용 모터(110)는 프로펠러와 연결되고, 비행제어 모듈(Flight Controller, FC)(미도시)로부터 제어 명령을 수신하여 구동된다. 비행제어 모듈은 ESC 드라이버(120)와 함께 드론용 모터(110)의 구동방향 또는 속도 등을 제어한다. 드론용 모터(110)는 프로펠러와 함께 무인비행체의 통상의 구성에 해당하므로, 불필요한 구성의 설명은 생략한다.
ESC 드라이버(120)는 드론용 모터(110)에 연결되고, 비행제어 모듈과 함께 드론용 모터(110)의 구동방향 또는 속도 등을 제어한다. ESC 드라이버(120)는 드론에 사용되는 ESC(Electronic Speed Controller) 드라이버를 의미하고, 모터를 구동하기 위한 다양한 형태의 드라이버를 포함할 수 있다. 비행제어 모듈은 자이로 센서, 가속 센서 등의 값들을 수신하고, 수신한 값들을 기반으로 드론의 제어 여부를 판단한다. 비행제어 모듈은 드론용 모터(110)의 구체적인 출력값을 ESC 드라이버(120)로 전송하고, ESC 드라이버(120)는 수신한 출력값에 따라 모터의 회전, 방향 등을 제어한다.
온도 센서(130)는 ESC 드라이버(120)의 내부에 위치한 충방전 소자의 온도를 측정한다. 온도 센서(130)란, 온도의 변화에 응답하는 센서로, 온도 변화를 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 센서를 말한다. 본 실시예에 따른 드라이버 모니터링 장치(140)를 탑재한 무인비행체는 자이로 센서, 가속 센서 등 일반적으로 탑재하는 센서 외에 온도 센서(130)를 추가로 포함한다. 온도 센서(130)는 드라이버 내부의 충방전 소자에 연결되어 상시로 온도를 측정한다. 온도 센서(130)는 드라이버 모니터링 장치(140)의 온도 데이터 수집 요청에 대한 응답으로서 드라이버 모니터링 장치(140)로 충방전 소자의 온도를 전송한다.
한편, 도 1에서 ESC 드라이버(120)와 온도 센서(130)는 별도의 장치인 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, ESC 드라이버(120) 내부에 온도 센서(130)를 별도로 포함하는 구성일 수도 있다.
드라이버 모니터링 장치(140)는 온도 센서(130)를 이용하여 간접적으로 ESC 드라이버(120)를 모니터링한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 ESC 드라이버를 감시 대상으로 하지만, 모터에 사용되는 다양한 종류의 드라이버를 감시할 수도 있다. ESC 드라이버(120)의 수명은 드라이버를 구성하는 내부 부품의 신뢰도와 관련되는데, 특히 전해콘덴서(Electrolytic Condenser)를 포함하는 충방전 소자는 인가되는 온도에 따라 수명을 달리한다. 충방전 소자의 내부 전해액이 마르면 인버터의 링크 전압 리플(Ripple)이 커짐에 따라 모터의 토크 리플 또한 커진다. 따라서, 무인비행체는 모터의 토크 리플이 커짐에 따라 발생하는 진동으로 인해 추락할 위험이 커진다. 일반적으로, 충방전 소자의 내부 온도는 ESC 드라이버(120)를 구성하는 인버터 내부의 스위칭 소자(MOSFET 또는 GaN 등 전력용 반도체 소자)와 DC/DC 컨버터에 사용된 칩인덕터로 인해 상승하게 된다. 즉, 드라이버 모니터링 장치(140)는 ESC 드라이버(120)의 내부에 존재하는 충방전 소자의 온도를 이용하여 간접적으로 ESC 드라이버(120)를 모니터링한다. 충방전 소자의 내부 온도와 수명에 대해서는 도 5와 관련하여 후술한다.
드라이버 모니터링 장치(140)는 온도 센서(130)로부터 충방전 소자의 온도 데이터를 수집한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 특정 주기로 반복하여 온도 데이터를 수집하고, 특정 주기는 사용자에 의해 설정될 수 있다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 수집한 온도 데이터를 기반으로 충방전 소자의 예측 수명을 산출한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 ESC 드라이버(120) 내부 충방전 소자의 예측 수명이 다한 경우, 무인비행체가 추락할 위험이 있는 것으로 판단한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 산출한 예측 수명과 실제 사용 시간을 비교하고, 비교한 결과에 따라 사용자에게 추락 위험을 알리기 위한 알람 데이터를 생성한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 생성한 알람 데이터를 사용자에게 전송한다.
도 2는 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 드라이버 모니터링 장치(140)는 데이터 수집부(210), 예측수명 산출부(220), 알람 판단부(230) 및 알람 생성부(240)를 포함한다.
데이터 수집부(210)는 특정 시간을 주기로 무인비행체 내부의 누적비행시간 산출부(미도시)에서 산출한 비행시간을 사용시간 데이터로, 온도 센서(130)로부터 ESC 드라이버(120) 내부의 충방전 소자의 온도를 온도 데이터로 각각 수집한다. 특정 시간은 사용자에 의해 설정될 수 있다. 누적비행시간 산출부는 사용자에게 애플리케이션(Application), 별도의 소프트웨어 등을 통해 누적 비행시간을 제공한다. 데이터 수집부(210)는 사용자에게 제공되는 누적 비행시간 데이터를 ESC 드라이버(120)의 총 구동 시간, 즉 ESC 드라이버(120) 내부 충방전 소자의 사용시간 데이터로 수집한다. 또한, 데이터 수집부(210)는 온도 센서(130)로부터 온도 데이터를 수집한다. 온도 데이터는 ESC 드라이버(120) 내부의 충방전 소자의 온도에 관한 데이터를 말한다.
예측수명 산출부(220)는 데이터 수집부(210)에서 수집한 온도 데이터를 기반으로 ESC 드라이버(120)의 예측수명 데이터를 산출한다. 보다 상세하게는, 예측수명 산출부(220)는 온도 데이터를 기반으로 드라이버 내부 충방전 소자의 수명을 예측하고, 예측한 충방전 소자의 수명을 ESC 드라이버(120)의 수명으로 추정한다. 예측수명 산출부(220)가 드라이버 내부 충방전 소자의 수명을 예측하기 위한 일 예는 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
(L: 예측수명, Ls: 최고 사용온도에서의 보증수명, Ts: 최고 사용온도, dTs: 최고 사용온도에서의 발열 spec 온도, T: 실 사용온도, dT: 내부 발열 온도)
최고 사용온도에서의 보증수명(Ls)은 충방전 소자를 생산하는 회사별로 상이하다. 일반적으로, 최고 사용온도(Ts)는 약 105도이고 충방전 소자의 보증수명(Ls)은 약 12,000시간이다. 즉, 충방전 소자는 105도의 온도로 동작하는 경우 약 12,000시간을 동작할 수 있다. 예측수명 산출부(220)는 온도 센서(130)로부터 수집한 온도 데이터(T)와 보증수명(Ls), 최고 사용온도(Ts), 발열 spec 온도(dTs) 및 내부 발열 온도(dT)를 이용하여 충방전 소자의 예측수명 데이터를 산출한다. 내부 발열 온도(dT)를 산출하기 위한 일 예는 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00002
(R: 실제 인가 리플, Rs: 정격 리플)
알람 판단부(230)는 데이터 수집부(210)에서 수집한 사용시간 데이터와 예측수명 산출부(220)에서 산출한 예측수명 데이터를 기반으로 알람 데이터의 생성 여부를 판단한다. 보다 상세하게는, 알람 판단부(230)는 예측수명 데이터에 대한 사용시간 데이터의 비율(사용시간 데이터를 예측수명 데이터로 나눈 비율)을 비교결과 데이터로 생성하고, 생성된 비교결과 데이터와 사용자에 의해 기 설정된 임계치를 비교하여 알람 데이터의 생성 여부를 판단한다. 예컨대, 사용자가 90%의 임계치를 설정한 경우, 사용시간 데이터를 예측시간 데이터로 나눈 후 100을 곱한 값, 즉 비교결과 데이터가 임계치인 90% 이상인지 여부를 판단한다. 알람 판단부(230)는 비교결과 데이터가 90% 이상인 경우, ESC 드라이버(120)의 수명이 10% 미만으로 남은 것으로 판단되므로, 알람생성 데이터를 알람 생성부(240)로 전송한다. 한편, 알람 판단부(230)는 생성된 비교결과 데이터를 기반으로 사용자에게 현재 ESC 드라이버(120)의 잔여수명 데이터를 생성하여 사용자에게 전송할 수도 있다.
알람 생성부(240)는 알람 판단부(230)의 판단에 따라 사용자에게 전송할 알람 데이터를 생성한다. 알람 데이터는 ESC 드라이버(120)의 교체, 무인비행체의 조작 중지 등의 알람정보를 포함하고, 별도의 통신부를 거쳐 사용자에게 전송된다. 알람 데이터는 사용자 단말기나 비행 콘트롤러(Flight Controller, FC)를 이용한 어플리케이션을 이용하여 사용자에게 전송될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 장치의 대상이 되는 ESC 드라이버의 구조를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 드론용 ESC 드라이버 모니터링 장치는 전원부(310), 제어부(320), 온도센서부(330), 3상 드라이버부(340) 및 3상 MOSFET부(350)를 포함한다.
전원부(310)는 무인비행체의 배터리로부터 전원을 수신하여 ESC 드라이버 내부 구성들을 동작하기 위한 전원을 공급한다. 전원부(310)는 배터리로부터 직류 전원의 레벨을 변환하여 출력하도록 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다. 전원부(310)는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 ESC 드라이버 전반에 전원을 공급할 수 있다.
제어부(320)는 센서리스(Sensorless) 모터를 제어하기 위한 자속 기준 제어(Field Oriented Control, FOC) 알고리즘을 포함하고, ADC(Analog Digital Converter)를 이용하여 상전압, 배터리 전압 또는 상전류를 센싱한다.
온도센서부(330)는 드론용 모터(110)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 3기반으로 특정 온도보다 높은 경우 드론용 모터(110)의 운행에 장애를 가져올 수 있을 것으로 판단할 수 있다. 한편, 3상 드라이버부(340)는 3상 MOSFET(MOS Field-Effect Transistor)의 구동을 지원하기 위한 드라이버를 포함하고, 3상 MOSFET부(350)는 3상으로 이루어진 MOSFET을 포함한다.
도 4는 본 실시예에 따라 드라이버 모니터링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
온도 센서(130)는 ESC 드라이버(120) 내부의 충방전 소자의 온도를 측정한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 온도 센서(130)에 측정된 온도 데이터를 특정 시간을 주기로 반복하여 확인한다(S402). 드라이버 모니터링 장치(140)는 누적비행시간 산출부로부터 사용시간 데이터를, 온도 센서(130)로부터 측정한 온도 데이터를 각각 수집한다(S404). 드라이버 모니터링 장치(140)는 수집한 온도 데이터를 기반으로 충방전 소자의 예측수명 데이터를 산출한다(S406). 드라이버 모니터링 장치(140)는 예측수명 데이터에 대한 사용시간 데이터의 비율을 비교결과 데이터로 생성하고, 생성된 비교결과 데이터와 기 설정된 임계치를 비교하여 알람 데이터의 생성 여부를 판단한다(S408). 즉, 비교결과 데이터가 임계치 이상인 경우에는 알람 데이터를 생성하고, 임계치 미만인 경우에는 단계 S402 내지 S408를 반복한다. 드라이버 모니터링 장치(140)는 비교결과 데이터가 임계치 이상인 경우, 알람 데이터를 생성하여 사용자에게 전송한다(S410). 사용자는 드라이버 모니터링 장치(140)의 알람 데이터를 기반으로 드라이버의 교체, 무인비행체의 운행 정지 등의 조치를 취함으로써 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 4에서는 단계 S402 내지 단계 S410을 순차적으로 진행하는 것으로 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서, 단계 S402 내지 단계 S410 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 등 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능하다.
도 5는 ESC 드라이버 내부에 위치한 충방전 소자의 수명과 온도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 충방전 소자의 수명은 인가된 온도와 반비례하는 것을 알 수 있다. 도 3의 그래프는 [수학식 1]을 온도와 예측 수명을 변수로 나타낸 그래프이다. 충방전 소자의 온도가 70도인 경우 수명은 약 38,000시간인 반면, 온도가 30도인 경우에는 수명이 약 540,000시간이다. 충방전 소자는 온도를 낮출수록, 수명이 급수적으로 늘어난다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 드론용 모터 120: ESC 드라이버
130: 온도 센서 140: 드라이버 모니터링 장치
210: 데이터 수집부 220: 예측수명 산출부
230: 알람 판단부 240: 알람 생성부
310: 전원부 320: 제어부
330: 온도센서부 340: 3상 드라이버부
350: 3상 MOSFET부

Claims (5)

  1. 특정 시간을 주기로 ESC(Electronic Speed Controller) 드라이버의 사용시간 데이터 또는 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집부;
    상기 온도 데이터를 기반으로 상기 ESC 드라이버의 예측수명 데이터를 산출하는 예측수명 산출부;
    상기 사용시간 데이터 및 상기 예측수명 데이터를 기반으로 알람 데이터의 생성 여부를 판단하는 알람 판단부; 및
    상기 알림 판단부의 판단에 따라 상기 알람 데이터를 생성하는 알람 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알람 판단부는,
    상기 사용시간 데이터와 상기 예측수명 데이터를 비교하여 비교결과 데이터를 생성하고, 상기 비교결과 데이터가 기 설정된 임계치 이상인 경우, 상기 알람 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 수집부는,
    별도로 구비된 온도 센서(Sensor)를 이용하여 상기 드라이버의 충방전 소자의 온도를 측정한 결과를 온도 데이터로 수집하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 예측수명 산출부는 상기 온도 데이터, 최고온도 데이터 및 리플발열 온도 데이터를 이용하여 상기 예측수명 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 장치.
  5. 특정 시간을 주기로 모터 구동용 드라이버(Driver)로부터 상기 드라이버의 사용시간 데이터 또는 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집과정;
    상기 온도 데이터를 기반으로 상기 드라이버의 예측수명 데이터를 산출하는 예측수명 산출과정;
    상기 사용시간 데이터 및 상기 예측수명 데이터를 기반으로 알람 데이터의 생성 여부를 판단하는 알람 판단과정; 및
    상기 알림 판단부의 판단에 따라 상기 알람 데이터를 생성하는 알람 생성과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 ESC 드라이버 모니터링 방법.

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