KR20200062874A - Implementation of drone with six tilted propellers - Google Patents

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이명훈
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Abstract

The present invention relates to a drone having six rotating propellers oriented at different angles. According to the present invention, the drone having the six rotating propellers oriented at the different angles can perform autonomous flight including location control, posture control, automatic taking off and landing, returning to the original position, and target tracking flight with respect to a hexarotor drone having six propellers oriented at different angles. According to the present invention, the drone can be provided, which enables full actuation and can control all of six variables of the location and the posture in a three-dimensional space in consideration of the hexarotor drone having the six propellers oriented at the different angles rather than in a z-axis direction.

Description

날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론{Implementation of drone with six tilted propellers}Drone with six rotating blades with angled wings{Implementation of drone with six tilted propellers}

본 발명은 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론을 통해 6-자유도를 확보하여 완전구동(full-actuation) 시스템을 구현하고, 오일러 각이 아닌 단위 쿼터니언(unit quaternion)을 통해 회전행렬을 표현함으로써 자세제어 시에 특이점 문제 없이 드론의 어떠한 자세에서도 자세제어가 가능한 동적 모델을 구축하기 위한 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론에 관한 것이다.The present invention relates to a drone having six rotating blades with a bent angle, and more specifically, a full-actuation by securing a 6-degree of freedom through a drone having six rotating blades with a bent angle of a wing. By implementing the system and expressing the rotation matrix through the unit quaternion rather than the Euler angle, the angle of the wing is bent to build a dynamic model that can control the posture from any position of the drone without any singularity problems during posture control. It relates to a drone having two rotating wings.

현재 민간에서 드론이 활발히 활용되고 있는 대부분의 경우는 사용자가 1:1로 근거리 제어 단말기를 이용하여 가시거리 내에서 드론을 조정하여 영상정보를 수집하거나 농약을 살포하는 등 단순 작업의 용도로 사용하고 있다.Currently, in most cases where drones are actively used in the private sector, users use 1:1 for short-range control terminals to adjust drones within the visible distance to collect video information or spray pesticides, etc. have.

무인 비행기, 무인 지상 차량, 무인 보트, 무인 잠수정, 무인 로봇 등 인간이 직접 탑승하지 않고 유선 또는 무선 통신을 사용하여 사용자가 무인 이동 장치를 제어하여 민간, 군사적인 목적으로 활용하거나, 사용자의 제어없이 특수한 목적을 위해 무인 차량이 자율적으로 행동하도록 하는 제어방식이 활발히 연구되고 있다.Unmanned aerial vehicles, unmanned ground vehicles, unmanned boats, unmanned submersibles, unmanned robots, etc., are used by the user to control unmanned mobile devices using wired or wireless communication without direct boarding, utilized for civil or military purposes, or without user control. Control methods for autonomous vehicles to behave autonomously for special purposes are actively being studied.

군사적인 목적으로 하나, 혹은 그 이상의 드론 집단을 이용하여 목표 감시, 추적, 목표 탐색, 그리고 목표물 타격 등의 군사 임무를 대체 수행할 수 있도록 활발히 연구가 되고 있다. 2016년 미 국방부에서는 무인 드론 103대를 이용하여 지역 감시 및 목표 탐색의 임무를 자율 수행하는 실험에 성공하였다.It is actively being researched to use one or more groups of drones for military purposes to perform military missions such as target surveillance, tracking, target exploration, and target strike. In 2016, the U.S. Department of Defense succeeded in experimenting with 103 unmanned drones to autonomously perform the task of local surveillance and target exploration.

2018 평창 올림픽에서 Intel은 LED 조명을 탑재한 1218대의 드론을 이용하여 올림픽 오륜기, 스노보더, 스키선수 등의 형상을 순차적으로 공중에서 그려내는데 성공했다.At the 2018 PyeongChang Olympics, Intel succeeded in drawing the shapes of Olympic rings, snowboarders, and skiers in the air sequentially using 1218 drones equipped with LED lights.

미국의 통신사 버라이즌과 AT&T, 스프린트, 그리고 중국 통신사 차이나유니콤 등 많은 통신사에서 지진, 홍수 등 재난 발생시에 응급 통신을 위한 통신 기지국 역할을 드론으로써 대체할 수 있도록 연구 및 개발중에 있으며 테스트에 성공하였다.A number of carriers, such as US carrier Verizon, AT&T, Sprint, and China Unicom, China Unicom, are under research and development to replace the role of a communication base station for emergency communications in the event of a disaster such as an earthquake or flood.

군사, 민간적인 부분에서 드론을 활용한 자율 임무 수행을 적용할 때 모든 부분에서 기초가 되는 것은 드론의 자세와 위치를 제어하여 우리가 원하는 정확한 자세와 위치를 이동 및 유지할 수 있도록 하는 것이다.When applying autonomous missions using drones in the military and civilian sectors, the basics in all areas are to control the position and position of the drones so that we can move and maintain the exact postures and positions we want.

쿼드로터 드론은 4개의 회전날개를 가진 가장 활발히 사용되고 상용화 되어있는 무인항공기이며, 위치, 자세 제어를 위한 수학적 모델의 구축이 가장 단순하고 쉽기 때문에 거의 모든 대다수의 실생활 및 민간, 군사 목적에 활용하기 위한 연구 및 실험에 활용되고 있다. 하지만 4개의 회전날개로 4-자유도를 가지는 쿼드로터 드론은 3차원 공간에서의 위치(x, y, z축 위치)와 자세(roll: x축 각도, pitch: y축 각도, yaw: z축 각도)에 대한 변수 6개를 모두를 제어하기에 자유도가 부족한 부족 구동의 문제를 가진다. 또한 회전 날개를 6개로 늘리더라도, 6개의 날개가 모두 z축 방향으로 평행하게 정렬이 된 상태라면 4-자유도만을 가지게 된다.The quadrotor drone is the most actively used and commercially available unmanned aerial vehicle with four rotor blades, and it is the most simple and easy to build mathematical model for position and posture control. It is used for research and experiments. However, quad rotor drones with 4 degrees of freedom with 4 rotating blades are positioned in 3D space (x, y, z axis positions) and posture (roll: x axis angle, pitch: y axis angle, yaw: z axis angle) ) Has a problem of insufficient driving due to insufficient freedom to control all six variables. In addition, even if the number of rotating blades is increased to six, if all six blades are aligned in parallel in the z-axis direction, they have only four degrees of freedom.

3차원에서 회전을 나타내는 방법 중 가장 많이 사용되는 방법은 오일러 각을 통해 회전을 표현하는 것이다. 드론의 자세 제어에서도 오일러 각을 이용해 회전을 표현하는 방법이 가장 많이 사용되지만, 이 때의 회전 행렬은 특정 오일러 각에서 실제의 회전을 표현하지 못하는 특이점이 발생한다.The most popular method of representing rotation in 3D is to express rotation through Euler angles. The method of expressing the rotation using the Euler angle is also used most often in the attitude control of the drone, but the rotation matrix at this time has a singularity that cannot represent the actual rotation at a specific Euler angle.

기존의 상용화된 쿼드로터 드론은 4-자유도를 가지기 때문에 그 위치(x, y, z축 위치)와 자세(roll: x축 각도, pitch: y축 각도, yaw: z축 각도)의 6가지 변수 중에서 4가지 변수만을 동시에 원하는 값으로 제어가 가능한 부족 구동의 문제를 가진다. Since the existing commercialized quad rotor drone has 4-degrees of freedom, there are six variables of its position (x, y, z axis position) and posture (roll: x axis angle, pitch: y axis angle, yaw: z axis angle). Among these, there is a problem of insufficient driving that can control only four variables at the same time.

즉, 위치에 중점을 둔 제어를 위해서는 자세의 3가지 변수 중 2가지는 원하는 각도로 제어하지 못하거나, 자세에 중점을 둔 제어를 위해서는 x, y, z축 위치 중 2가지 변수를 원하는 위치로 보내지 못하게 되는 것이다.That is, for control focused on position, two of the three variables of posture cannot be controlled at a desired angle, or for control focused on posture, two variables among the x, y, and z-axis positions are not sent to the desired position. It is impossible.

기존의 오일러 각으로 표현된 회전 행렬을 통한 자세 제어에서는 특정 오일러 각에서의 특이점 문제, 즉 자유도가 충분히 보장됨에도 불구하고 하나의 자유도를 잃어 완벽한 자세 제어가 불가능한 문제를 가진다.In the posture control through the rotation matrix represented by the existing Euler angles, the singularity problem at a specific Euler angle, that is, the degree of freedom is completely guaranteed, but the complete posture control is impossible due to the loss of one degree of freedom.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-188094호(2018.07.23. 공고)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-188094 (announced on July 23, 2018).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론을 통해 6-자유도를 확보하여 완전구동(full-actuation) 시스템을 구현하고, 오일러 각이 아닌 단위 쿼터니언(unit quaternion)을 통해 회전행렬을 표현함으로써 자세제어 시에 특이점 문제 없이 드론의 어떠한 자세에서도 자세제어가 가능한 동적 모델을 구축하기 위한 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to achieve a 6-degree of freedom through a drone having 6 rotating blades with a bent angle of the wing, to implement a full-actuation system, and not to Euler angles, but rather to a unit quaternion. It is to provide a drone having six rotating blades with a bent angle to build a dynamic model capable of controlling a posture in any posture of a drone without any singularity problems during posture control by expressing a rotation matrix through.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론은 6개의 날개를 가지며 방향이 여러 각도로 꺾인 모양의 헥사로터(hexarotor) 드론에 대한 위치 제어와 자세제어, 그리고 자동 이착륙, 원위치 복귀, 타켓 추적 비행을 포함하는 자율 비행을 수행할 수 있다.A drone having six rotating blades in which the angle of the blade is bent according to an embodiment of the present invention for achieving such a technical problem has six wings and the direction is controlled with respect to a hexarotor drone in a shape that is bent at various angles. Posture control and autonomous flight can be performed, including automatic takeoff and landing, return to home, and targeted tracking.

이와 같이 본 발명에 따르면, 6개의 날개를 가지며 그 방향이 z축 방향이 아니라 여러 각도로 꺾인 모양의 헥사로터 드론을 고려함으로써 3차원 공간에서의 위치와 자세에 대한 변수 6개를 모두를 제어할 수 있는 완전구동을 하는 드론을 확보할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to control all six variables for position and posture in a three-dimensional space by considering a hexarotor drone having six wings, the direction of which is bent at various angles rather than the z-axis direction. You can secure a drone that can fully drive.

또한 본 발명에 따르면, 단위 쿼터니언을 활용하여 회전행렬을 표현함으로써 자세 제어에서의 특이점 문제를 해결하고, 드론의 어떠한 자세에서도 원하는 자세를 취하도록 제어가 가능하도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, by expressing the rotation matrix by using a unit quaternion, it is possible to solve the problem of singularity in posture control and to enable control to take a desired posture in any posture of the drone.

또한 본 발명에 따르면, 드론에 대한 기본적인 위치 제어와 자세 제어 시스템을 구축하고, 더 나아가 자동 이착륙, 원위치 복귀, 타켓 추적 비행을 포함하는 자율 비행을 수행하는 드론 장치를 제공함으로써 군사적, 민간적으로 더욱 복잡하고 심도있는 임무를 수행하는데 필요한 기초를 제공하는데 큰 효과가 있다.In addition, according to the present invention, by providing a basic position control and attitude control system for the drone, furthermore, by providing a drone device for autonomous flight including automatic takeoff and landing, return to home, and target tracking flight, military and civilian It has a great effect on providing the basis for carrying out complex and in-depth tasks.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론의 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론에서 위치 및 자세 비행제어부의 세부 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론에서 센서부의 세부 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론의 제어 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론의 사용실시예이다.
1 is a view showing a drone having six rotating blades with an angled wing according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a drone having six rotating blades with an angled wing according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing a detailed configuration of a position and posture flight control unit in a drone having six rotating blades with a bent angle according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing the detailed configuration of a sensor unit in a drone having six rotating blades with an angled wing according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are reference diagrams for explaining a method of controlling a drone having six rotating blades with an angled wing according to an embodiment of the present invention.
7 is an embodiment of using a drone having six rotating blades with an angled wing according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience.

또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice. Therefore, the definition of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

본 발명의 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론은, 기존의 상용화 된 z축 방향으로 고정된 4개의 회전날개를 가지는 드론이 가지는 4-자유도(4-degree-of-freedom)에 따른 부족구동(under-actuation) 문제와 더불어, 드론의 자세 제어에서 오일러 각(Euler angle)으로 표현한 회전행렬을 사용할 시에 발생하는 특이점 문제를 해결하기 위해, 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론을 통해 6-자유도를 확보하여 완전구동(full-actuation) 시스템을 구현하고, 오일러 각이 아닌 단위 쿼터니언(unit quaternion)을 통해 회전행렬을 표현함으로써 자세제어 시에 특이점 문제 없이 드론의 어떠한 자세에서도 자세제어가 가능한 동적 모델을 구한다.The drone having six rotating blades with the angle of the blade of the present invention bent is at 4-degree-of-freedom of a drone having four rotating blades fixed in the conventional z-axis direction. In addition to the under-actuation problem that follows, to solve the singularity problem that occurs when using the rotation matrix expressed by the Euler angle in the attitude control of the drone, six rotating blades with the angle of the wing are bent. Branches implement a full-actuation system by securing 6-degrees of freedom through drones, and express the rotation matrix through unit quaternions rather than Euler angles, so that any attitude of the drone without any specific problem during posture control Also obtain a dynamic model capable of posture control.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 드론은 6개의 날개를 가지며 그 방향이 z축 방향이 아니라 여러 각도로 꺾인 모양의 헥사로터 드론을 고려함으로써 3차원 공간에서의 위치(x, y, z축 위치)와 자세(roll: x축 각도, pitch: y축 각도, yaw: z축 각도)에 대한 변수 6개를 모두를 제어할 수 있는 완전 구동을 하는 드론을 확보하고, 단위 쿼터니언을 활용하여 회전행렬을 표현함으로써 자세 제어에서의 특이점 문제를 해결한다. Therefore, the drone according to the embodiment of the present invention has six wings, and its direction is not a z-axis direction, but a position in a three-dimensional space (x, y, z-axis position) by considering a hexarotor drone in a shape that is bent at various angles. ) And posture (roll: x-axis angle, pitch: y-axis angle, yaw: z-axis angle) secure a drone that can fully control all six variables, and utilize a unit quaternion to rotate the matrix. To solve the singularity problem in attitude control.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 드론에 대한 기본적인 위치제어와 자세제어 시스템을 구축하고, 더 나아가 자동 이착륙, 원위치 복귀, 타켓 추적비행을 포함하는 자율비행을 수행하는 드론의 제어 장치를 제공한다.Moreover, a basic position control and attitude control system for a drone according to an embodiment of the present invention is constructed, and further, a control device for a drone performing autonomous flight including automatic takeoff and landing, returning to the original position, and target tracking flight is provided.

본 발명의 실시예에 따른 드론의 위치제어와 자세제어를 위해 다음의 수학식 1과 같은 회전행렬을 이용할 수 있다.For the position control and posture control of the drone according to the embodiment of the present invention, a rotation matrix such as Equation 1 below may be used.

Figure pat00001
Figure pat00001

그리고, 다음의 수학식 2와 같이 뉴턴-오일러 식을 이용할 수도 있다.In addition, the Newton-Euler equation may be used as shown in Equation 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론 및 이의 제어 방법은 6개의 날개를 가지며 그 방향이 z축 방향이 아니라 여러 각도로 꺾인 모양의 헥사로터 드론을 고려함으로써 3차원 공간에서의 위치와 자세에 대한 변수 6개를 모두를 제어할 수 있는 완전구동을 하는 드론을 확보할 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, a drone having six rotating blades with a bent angle and a control method thereof have six blades and the direction of the hexarotor is bent at various angles rather than the z-axis direction. By considering the drone, it is possible to secure a fully-driven drone capable of controlling all six variables for position and posture in a three-dimensional space.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 단위 쿼터니언을 활용하여 회전행렬을 표현함으로써 자세 제어에서의 특이점 문제를 해결하고, 드론의 어떠한 자세에서도 원하는 자세를 취하도록 제어가 가능하도록 할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by expressing the rotation matrix by using a unit quaternion, it is possible to solve the problem of singularity in posture control and to enable control to take a desired posture in any posture of the drone.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 드론에 대한 기본적인 위치 제어와 자세 제어 시스템을 구축하고, 더 나아가 자동 이착륙, 원위치 복귀, 타켓 추적 비행을 포함하는 자율 비행을 수행하는 드론 장치를 제공함으로써 군사적, 민간적으로 더욱 복잡하고 심도있는 임무를 수행하는데 필요한 기초를 제공하는데 큰 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by establishing a basic position control and attitude control system for the drone, furthermore, by providing a drone device for performing autonomous flight including automatic takeoff and landing, return to home, and target tracking flight, military and civilian It has a great effect on providing the basis for carrying out more complex and in-depth missions.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art to which the art belongs understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. will be. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the claims below.

Claims (1)

6개의 날개를 가지며 방향이 여러 각도로 꺾인 모양의 헥사로터(hexarotor) 드론에 대한 위치 제어와 자세제어, 그리고 자동 이착륙, 원위치 복귀, 타켓 추적 비행을 포함하는 자율 비행을 수행하는 날개의 각도가 꺾인 6개의 회전날개를 가지는 드론.Position and posture control for hexarotor drones with six wings and angles of different angles, and the angle of the wing performing autonomous flight including automatic takeoff and landing, return to home, and target tracking flight. Drone with 6 rotating wings.
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