KR20200040392A - 반작용휠 모멘텀을 기반으로 하는 드론자세 안정화 모듈과 알고리즘을 탑재한 드론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자세 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 자세 제어 장치는 다양한 대상물 예를 들어, 무인 비행체, 건축물 및 가상 현실 웨어러블 기기 등에 적용 가능하다. 자세 제어 장치는 반작용 휠, 제어 모멘트 자이로, 이동 가능한 관성체 등을 이용하여 대상물의 자세 제어를 처리하거나, 자기장을 이용하여 뇌 신경을 자극하도록 전정 기관의 신경을 자극하거나 억제시켜서 중력을 시뮬레이션하도록 처리한다. 본 발명에 의하면, 반작용 휠, 제어 모멘트 자이로 및 이동 가능한 관성체 등을 이용하여 다양한 대상물에 적용 가능하고, 다양한 외부 영향에 따라 대상물의 정확한 자세 제어가 가능하며, 가상 현실 웨어러블 기기에 적용하여 3 차원적 방향으로 머리의 움직임을 계산하여 최적화된 중력 및 충격 시뮬레이션을 구현하여 현실감을 극대화할 수 있다.

Description

반작용휠 모멘텀을 기반으로 하는 드론자세 안정화 모듈과 알고리즘을 탑재한 드론{Drone}

본 발명은 반작용휠 모멘텀을 기반으로 하는 드론자세 안정화 모듈과 알고리즘을 탑재한 드론에 관한 것으로서 상세하게는, 우주항공산업 자세제어용으로 개발된 반작용휠(Reaction Wheel)을 기반으로 하는 모멘텀 제어기술을 재구성하여 드론의 비행자세 안정화를 이루는 새로운 기술의 상용화. 드론에 장착 할 수 있는 모멘텀 역할의 기구부와 동작 알고리즘을 확립하여 고도화된 비행자세안정화 기술 탑재 드론을 제공하고자 한다.

또는, 회전력을 전달하는 구동부와, 사용 목적에 따른 특정 무게를 가지는 적어도 하나의 관성체를 이용하여 바람, 충격 및 진동 등의 외부 영향으로부터 대상물의 무게 중심의 균형을 잡도록 자세를 조절하는 자세 제어 장치에 관한다

현재 자세 제어 기술은 다양한 종류의 대상물 예를 들어, 외부 영향으로 움직이는 자세에 영향을 받는 인공 위성, 건축물 등에 적용되어 외부 영향, 바람, 지진, 진동 등에 의해 발생되는 외부 영향으로부터 대상물의 자세를 제어하기 위한 기술이 점차 개발되고 있는 실정이다.

예를 들어, 건축물의 고층화에 따라, 바람이나 지진과 같은 횡하중에 의해 발생하는 진동의 제어는 고층 건축물 설계에 있어서 중요한 검토 사항이 되고 있다. 국내에서도 30층에서 60층 규모의 고층 건축물들이 다수 건설되고 있으며, 설계 단계에서 수평 방향의 사용성 검토가 의무화되어 있다. 사용성 조건을 만족시키지 못할 경우 이를 개선하기 위한 방법으로는 건축물의 강성을 증대시켜 건축물 자체를 강하게 설계하거나, 부가 장치를 설치 하여 건축물의 감쇠력을 증대시키는 방법 등이 있다.

그러나 현재에는 건축물 자체의 강성 증대보다는 부가 장치에 의한 방법이 국외에서는 다수 채택되고 있으며, 국내에서는 이러한 방향으로 설계가 진행되지 않고 있는 실정이다.

예컨대, 건축물의 진동을 제어하기 위한 대표적인 제진 장치로는 구조물에 질량체, 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동체를 설치하는 동조 질량 댐퍼(Tuned Mass Damper : TMD) 방식이 있으며, 이미 미국, 일본 등에서 많이 사용 되고 있다.

또 우주 공간에서 지구 위를 선회하고 있는 인공 위성의 임무를 효율적으로 수행하기 위해서는 반드시 위성체의 자세를 안정하게 제어해야 한다. 특히, 궤도나 자세 기동 후의 자세 정확도의 유지와 다른 방향으로 그 자세를 바꾸는 것은 위성의 임무를 수행하는 데 있어서 선행적으로 수행되어야 할 부분이다.

근래에 우주 공간에서의 위성의 임무 목적과 규모가 다양하고 커짐에 따라 유연한 구조물(flexible structure s)을 갖는 인공 위성의 자세 제어의 중요성은 더욱 증가하고 있다. 인공 위성에 외부 교란이 있을 때 인공 위성의 자세를 제어해야 하는데, 강체로 가정하여 설계할 경우 자세 제어 시스템의 성능을 정확히 예측할 수 없게 되기 때문이다.

상술한 바와 같이, 움직임이 가능한 다양한 대상물에 대해 발생되는 외부 영향으로 인한 대상물의 움직임을 보다 정확하게 조절하여 무게 중심을 잡도록 하는 자세 제어가 필요하다.

우주항공산업 자세제어용으로 개발된 반작용휠(Reaction Wheel)을 기반으로 하는 모멘텀 제어기술을 재구성하여 드론의 비행자세 안정화를 이루는 새로운 기술의 상용화. 드론에 장착 할 수 있는 모멘텀 역할의 기구부와 동작 알고리즘을 확립하여 고도화된 비행자세안정화 기술 탑재 드론을 제공하고자 한다

상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 자세 제어 장치는 반작용 휠, 제어 모멘트 자이로 및 이동 가능한 관성체 등을 이용하여 대상물의 자세 제어를 처리하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 본 발명의 자세 제어 장치는 다양한 외부 영향에 따라 대상물의 정확한 자세 제어가 가능하다.

이 특징에 따른 본 발명의 자세 제어 장치는; 대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체에 설치되어 회전력을 발생 하는 구동부와; 상기 대상물 자체 또는 외부로부터 발생되는 물리 정보를 감지하는 물리 정보 감지부와; 상기 본체에 설치되어 상기 구동부로부터 회전력을 전달받아서 회전되어 상기 대상물의 무게 중심을 조절하여 상기 대상물로 전달하는 적어도 하나의 관성체와; 상기 대상물의 현재 자세를 결정하고, 상기 물리 정보 감지부로부터 감지된 물리 정보에 대응하여 상기 관성체를 구동하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여; 상기 관성체의 움직임에 의해 상기 대상물의 자세를 조절한다.

이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 본체는 상기 대상물의 형상에 대응하여 형성되고, 상기 관성체가 이동 가능하게 설치되는 레일, 파이프 중 어느 하나로 구비된다.

다른 실시예에 있어서, 상기 구동부는; 상기 관성체를 회전시키는 모터, 스텝 모터 및 정지기능을 갖는 모터 중어느 하나로 구비된다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 물리 정보 감지부는 상기 대상물에 대응하여 풍속 및 진동 중 적어도 하나를 감지하는 센서로 구비된다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 관성체는; 적어도 하나의 반작용 휠, 적어도 하나의 모멘트 휠 및 제어 모멘트 자이로 중 어느 하나로 구비된다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 구동부와 상기 관성체가 일체로 구비되는 반응 구형 액추에이터로 구비된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 자세 제어 장치의 제어 방법이 제공된다.

이 특징에 따른 본 발명의 자세 제어 장치의 제어 방법은; 상기 자세 제어 장치가 대상물의 현재 자세를 결정하는 단계와; 상기 자세 제어 장치의 제어부가 현재 자세에 따른 관성체를 구동시켜서 상기 대상물의 자세를 유지 하도록 하는 단계 및; 상기 자세 제어 장치의 물리 정보 감지부로부터 물리 정보가 감지되면, 감지된 물리 정보에 대응하여 상기 관성체를 구동하여 상기 대상물의 자세를 조절하는 단계;를 포함한다.

이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 조절하는 단계는; 상기 대상물이 무인 비행체인 경우, 적어도 2 개의 축을 중심으로 회전되는 원반 형태의 상기 관성체를 스텝 모터를 이용하여 회전시키고, 상기 관성체의 회전에 의해 생성되는 토크를 이용하여 상기 대상물의 자세를 제어하도록 처리한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 조절하는 단계는; 상기 대상물이 건축물인 경우, 적어도 2 개의 축을 중심으로 회전되는 원반 형태의 상기 관성체를 스텝 모터를 이용하여 회전시키고, 상기 관성체의 회전에 의해 생성되는 토크를 이용하여 상기 대상물의 자세를 제어하도록 처리하거나, 구 형태의 상기 관성체를 스텝 모터를 이용하여 회전시키고, 상기 관성체의 회전에 의해 생성되는 토크를 이용하여 상기 대상물의 자세를 제어하도록 처리한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 조절하는 단계는; 상기 대상물이 가상 현실 웨어러블 기기인 경우, 상기 관성체가 이동 가능하게 결합되는 가이드 부재를 이용하여 상기 관성체의 가감속 및 정지에 따라 발생된 토크를 머리로 전달하여, 가상 현실 상의 시뮬레이션 또는 상기 관성체의 이동 방향으로 중력 및 충격 시뮬레이션을 이룰수 있도록 처리한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 조절하는 단계는; 상기 대상물이 가상 현실 웨어러블 기기인 경우, 전기가 흐르는 코일을 통해 발생되는 자기장을 신경 부위에 적용시키면 사용되는 주파수에 따라 신경을 자극하거나 억제시킬 수 있는 것을 이용하여 가상 중력을 시뮬레이션하도록 한다.

상술한 바와 같이, 상업용 무인기(드론) 시장의 성장에 따른 비행안정화 기술 수요 증가.

국내외 대다수 제조사들이 비행자세 안정화 방법으로 로터 제어 기술만을 채택 중로터제어기술만으로 드론비행자세를 유지 시키는 것에는 한계가 있음.

-특히 구조물 사이의 돌풍과 기압의 변화에 따른 자세 불안정현상으로 추락 사고가 빈번하게 발생하는것을 방지할 수 있다

도 1은 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도;
도 2는 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 제어 수순을 도시한 흐름도;
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 제 1 구동 원리를 나타내는 구성을 도시한 도면들;

도 1은 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 자세 제어 장치(100)는 다양한 종류의 관성체를 이용하여 외부 영향으로부터 물리 정보를 감지하고, 감지된 물리 정보에 대응하여 대상물의 움직임을 보상하도록 함으로써, 대상물의 자세를 제어 하거나, 대상물로 가해지는 외부 영향에 대응되는 모멘트(moment)를 정확하게 사용자에게 전달하도록 처리한다.

이를 위해, 본 발명의 자세 제어 장치(100)는 대상물에 반영되는 다양한 외부 영향에 따라 발생되는 물리 정보를 감지하는 물리 정보 감지부(110)와, 물리 정보 감지부(110)로부터 감지된 물리 정보에 대응하여 대상물의 자세를 조절하도록 구동되는 관성체(140)와, 관성체(140)를 구동하는 구동부(130) 및, 물리 정보 감지부(110)로부터 감지된 물리 정보에 대응하여 관성체(140)가 대상물의 자세를 조절하거나, 물리 정보에 의해 대상물로 전달 되는 모멘트를 사용자에게 전달하도록 구동부(130)를 제어하는 제어부(120)를 포함한다. 관성체(140)와 구동부 (130)는 일체형(150)으로 구비될 수 있다.

물리 정보 감지부(110)는 대상물 자체에서 발생되는 움직임이나 대상물로 가해지는 외부 영향 예를 들어, 바람, 지진에 의한 진동 등을 감지하는 적어도 하나의 센서로 구비된다. 또 물리 정보 감지부(110)는 사용자에게 전기 적인 자극을 전달하도록 중력을 감지하는 센서로 구비될 수 있다.

관성체(140)는 예를 들어, 반작용 휠, 모멘텀 휠, 제어 모멘트 자이로 등으로 구비되고, 자세 제어 장치(100)를 형성하는 몸체에 설치된다. 몸체는 예를 들어, 레일, 파이프 등으로 구비되어 대상물의 형상에 대응하는 구조로 대상물에 설치되고, 관성체(140)가 탑재되거나, 내부에 이동 가능하도록 수용 설치된다.

구동부(130)는 예를 들어, 모터, 스텝 모터 및 정지기능을 갖는 모터 등으로 구비되어 관성체(140)를 회전 구동 시키거나 정지시킨다.

그리고 제어부(120)는 예를 들어, 컨트롤러, 프로세서, 프로그램어블 로직 컨트롤러(PLC), 컨트롤 유닛 등으로 구비되어, 물리 정보 감지부(110)로부터 감지된 물리 정보에 대응하여 구동부(130)를 제어한다.

도 2는 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 제어 수순을 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 자세 제어 장치(100)는 단계 S160에서 대상물의 현재 자세를 결정하고, 단계 S170 에서 현재 자세에 따른 관성체(140)를 구동시킨다. 단계 S180에서 물리 정보 감지부(110)로부터 물리 정보가 감지되면, 단계 S190에서 감지된 물리 정보에 대응하여 관성체(140)를 구동하여 대상물의 자세를 조절한다.

구체적으로 본 발명에서의 관성체를 구동하기 위한 구성 및 작용을 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 제 1 구동 원리를 나타내는 구성을 도시한 도면들이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이 실시예의 제 1 구동 원리는 축을 중심으로 회전되는 원반 형태의 관성체(140) 즉, 회전체를 스텝 모터(130)를 이용하여 회전시키고, 이를 통해 생성되는 토크를 이용하여 대상물의 자세를 제어하도록 처리한다. 여기서 토크는 관성체(140)의 질량과 회전 속도에 의한 각 운동량에 의해 생성된다. 제 1 구동 원리를 위한 구성은 몸체(102)와, 각각의 축에 대응하여 구비되는 적어도 2 개의 관성체(140)와, 하나의 관성체(140)를 회전시키는 적어도 2 개의 스텝 모터(130) 및, 각 관성체(140)에 구비되어 회전을 정지시키는 브레이크(132)로 구성된다.

이러한 제 1 구동 원리는 2 축 이상의 회전 구도가 발생되기 때문에 3 차원적인 자세 제어가 가능하다. 또 단순 회전에 의해 발생되는 토크 뿐만 아니라, 회전체(140)를 순간적으로 정지(브레이크)시키면, 정지에 의해 발생된 토크가 장착된 대상물로 전달되어 순간적인 움직임을 전달할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 자세 제어 장치의 제 2 구동 원리를 나타내는 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 이 실시예의 제 2 구동 원리는 회전 가능한 구 형태의 관성체 즉, 반응 구형 액추에이터 (reaction sphere actuator)를 스텝 모터를 이용하여 회전시키고, 이를 통해 생성되는 토크를 이용하여 대상물의 자세를 제어하도록 처리한다. 제 2 구동 원리는 구 형태의 관성체와 모터가 결합된 일체형으로 제공된다. 따라서 구 형태의 관성체를 이용하여 축을 지나는 회전체를 단일화시킬 수 있다. 물론 회전체와 모터가 분리하여 외부에 모터를 구비하고, 이를 통해 회전체를 회전시키는 형태로 구비될 수도 있다.

여기서 반응 구형 액추에이터(reaction sphere actuator)는 복수 개의 영구 자석(Permanent Magnet : PM)을 구비하여 임의의 축을 중심으로 토크를 발생하는 로터(Rotor)와, 복수 개의 전자석(ElectroMagnet : EM)을 구비하여 영구 자석(PM)들과 상호 작용하여 자장을 형성하는 스테이터(Stator)로 구성된다. 로터와 스테이터는 볼 조인트 베이링(Ball Joint Bearing)에 의해 상호 회전 가능하게 지지된다. 이러한 반응 구형 액추에이터의 토크는 로터와 스테이터의 회전에 의해 즉, 구 표면과 구를 둘러싸고 있는 케이스에 각각의 영구 자석과 전자석을 필요에 따라 복수 개로 장착하고, 전자기석의 작동에 따라 원하는 방향으로 구를 회전시켜서 얻어진다

구성한다. 본체는 복수 개의 레일 또는 파이프(102)들로 이루어진다. 각각의 레일 또는 파이프(102)는 일측 또는 내부에 관성체(140)가 좌우 이동 가능하도록 설치된다.

또한, 레일 또는 파이프(102 : 102b, 102c)는 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이, 직선 또는 아크 형태 (102b 또는 102c)로 구비되고, 레일 또는 파이프(102)를 따라 이동할 수 있는 관성체(140 : 140b, 140c)를 스프링(142), 직선형 모터 또는 압축 공기를 각각 혹은 혼용하여 한쪽 방향으로 서서히 또는 순간적으로 발사하여 상술한 반작용 휠 또는 제어 모멘트 자이로와 유사한 효과를 내고, 또한 관성체(140)가 레일 또는 파이프(102) 의 끝에 부딪히는 충격을 통해 외부 충격 효과를 더할 수 있다.

또한, 다수의 제어 모멘트 자이로 또는 반작용 휠과, 직선 또는 아크 형태의 관성체를 지닌 레일 또는 파이프의 역할을 혼용하여 효과를 극대화 할 수 있다. 예를 들면, 반작용 휠을 통하여 특정 방향으로의 토크를 출력시킴과 동시에 동일 방향으로 파이프 내의 관성체를 움직이고 또 충격시키면 더욱 극적인 효과를 전달할 수 있다.

10 : 대상물
20 : 무인 비행체
30 : 가상 현실 웨어러블 기기
40 : 건축물

Claims (1)

1. 자세 제어 장치에 있어서:
   대상물에 설치되는 본체와;
   상기 본체에 설치되어 회전력을 발생하는 구동부와;
   상기 대상물 자체 또는 외부로부터 발생되는 물리 정보를 감지하는 물리 정보 감지부와;
   상기 본체에 설치되어 상기 구동부로부터 회전력을 전달받아서 회전되어 상기 대상물의 무게 중심을 조절하여 상기 대상물로 전달하는 적어도 하나의 관성체와;
   상기 대상물의 현재 자세를 결정하고, 상기 물리 정보 감지부로부터 감지된 물리 정보에 대응하여 상기 관성체를 구동하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여; 상기 관성체의 움직임에 의해 상기 대상물의 자세를 조절하되,
   상기 관성체는 실린더형 가이드 부재의 내부에 이동 가능하게 삽입되며,
   상기 실린더형 가이드 부재는 양측면에서 압축 가스를 사용하여 상기 관성체를 타측 방향으로 이동시키도록 구성되어 관성체가 상기 실린더형 가이드 부재의 일측 끝단까지 가속으로 부딪혀서 발생되는 충격 및 그 관성을 이용하여 대상물의 자세를 제어하고,
   상기 물리 정보 감지부는 상기 대상물에 대응하여 풍속 및 진동 중 적어도 하나를 감지하는 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 자세 제어 장치.
   

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