KR20200071217A

KR20200071217A - 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템

Info

Publication number: KR20200071217A
Application number: KR1020180158687A
Authority: KR
Inventors: 최운경
Original assignee: 주식회사 나노플러스
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-19

Abstract

본 발명은 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템으로서, 비행을 위한 프로펠러를 구비하고, 상기 프로펠러의 회전 구동에 따라 비행되는 비행제어신호를 생성하는 무인비행체 본체; 상기 무인비행체 본체에 장착되며, 상기 무인비행체 본체로부터 비행제어신호를 수신하는 짐벌; 및 상기 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 포함하되, 상기 무인비행체 본체와 상기 짐벌은, 상기 비행제어신호를 광CDMA 방식으로 전송하는 광케이블을 매개로 연결 접속되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 따르면, 무인비행체 본체에 짐벌이 장착되고, 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 구비하는 무인비행체 시스템을 구성하되, 무인비행체 본체와 짐벌 사이의 연결이 광케이블을 매개로 연결 접속되도록 구성함으로써, 기존의 무인비행체에서 유선 또는 무선의 전기적인 연결 시 발생하는 전자기파의 노이즈를 차단하여 안정된 비행 제어가 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하고 있는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 따르면, 무인비행체 본체와 짐벌 간의 비행제어신호를 광케이블을 이용하여 전달함으로써, 전자기파에 의해 발생할 수 있는 노이즈를 원천적으로 차단함에 따른 무인비행체 본체와 짐벌 간의 안정된 신호의 전송이 가능하고, 특히 안정된 신호의 전송을 통해 항상 안정적인 짐벌의 자세유지가 가능하며, 그에 따라 짐벌에 장착된 카메라를 통하여 흔들림 없는 영상을 촬영할 수 있도록 할 수 있다.

Description

광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템{A DRONE SYSTEM WITH GIMBAL OF OPTICAL SIGNAL CONTROL METHOD TYPE}

본 발명은 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무인비행체 본체에 짐벌이 장착되고, 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 구비하는 무인비행체 시스템을 구성하되, 무인비행체의 비행 중에 발생하는 외란이 차단될 수 있도록 무인비행체 본체와 짐벌 사이의 전기적인 연결이 비행제어신호를 광CDMA 방식으로 전송하는 광케이블을 매개로 연결 접속되는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 드론(drone)은 처음에 군사적인 목적의 무인비행체로서 개발되어 이용되었으나, 기술의 발전에 따라 군사용뿐만 아니라, 민간용으로도 활발하게 개발 연구되고 있다. 이러한 무인비행체는 영상 촬영을 위한 카메라를 무인비행체에 탑재하여 기상관측, 환경 혹은 산불감시, 국경이나 해안의 도로 감시, 재난지역 구조를 위한 감시, 통신 중계 및 원격탐사 등에 활용되고 있다. 이와 같은 카메라를 장착한 무인비행체를 하늘에 띄우는 경우, 바람이나 기류 등의 외란에 의해 무인비행체가 흔들려 자세가 안정화되기 어려운 우려가 있다.

이와 같이 카메라를 장착한 무인비행체의 안정적인 사진 촬영을 위하여 짐벌(Gimbal)이라는 기구가 제안되었다. 짐벌이란, 무인비행체가 진동에 상관없이 항상 연직상태를 유지할 수 있게 하는 장치로서, 공기나 구름 등의 무인비행체 주위 요소의 동요나 기울어짐에 관계없이 수평 상태를 유지해 주는 장치이다.

이러한 무인비행체 본체에 장착된 짐벌은 무인비행체의 비행제어부로부터 다양한 제어신호를 받아 안정된 자세를 유지하여야만, 짐벌에 장착된 카메라 또한 흔들림 없이 영상을 촬영하는 것이 가능하게 된다. 그러나 종래의 무인비행체의 비행제어부와 짐벌은 일반적인 유선 혹은 무선의 전기적인 접속을 통하여 연결되고, 무인비행체의 비행제어부는 전기적인 신호를 짐벌에 보내게 된다. 이때, 종래의 전기적인 유선 혹은 무선 연결은 전자기파의 간섭에 의하여 많은 노이즈에 노출되게 되고, 노이즈에 노출된 무인비행체의 비행제어부와 짐벌 간에는 불안정한 제어신호로 인한 불안정한 짐벌 제어가 이루어지고, 이는 불안정한 위치 제어에 따른 안정된 영상 촬영이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 무인비행체 본체에 짐벌이 장착되고, 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 구비하는 무인비행체 시스템을 구성하되, 무인비행체 본체와 짐벌 사이의 연결이 광케이블을 매개로 연결 접속되도록 구성함으로써, 기존의 무인비행체에서 유선 또는 무선의 전기적인 연결 시 발생하는 전자기파의 노이즈를 차단하여 안정된 비행 제어가 가능하도록 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 무인비행체 본체와 짐벌 간의 비행제어신호를 광케이블을 이용하여 전달함으로써, 전자기파에 의해 발생할 수 있는 노이즈를 원천적으로 차단함에 따른 무인비행체 본체와 짐벌 간의 안정된 신호의 전송이 가능하고, 특히 안정된 신호의 전송을 통해 항상 안정적인 짐벌의 자세유지가 가능하며, 그에 따라 짐벌에 장착된 카메라를 통하여 흔들림 없는 영상을 촬영할 수 있도록 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템은,

광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템으로서,

비행을 위한 프로펠러를 구비하고, 상기 프로펠러의 회전 구동에 따라 비행되는 비행제어신호를 생성하는 무인비행체 본체;

상기 무인비행체 본체에 장착되며, 상기 무인비행체 본체로부터 비행제어신호를 수신하는 짐벌; 및

상기 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 포함하되,

상기 무인비행체 본체와 상기 짐벌은,

상기 비행제어신호를 광CDMA 방식으로 전송하는 광케이블을 매개로 연결 접속되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 무인비행체 본체는,

무인비행체 비행의 수평 자세, 기울기, 회전 각속도, 및 이동 속도를 포함하는 비행정보를 감지하고 처리하는 자세기준 시스템;

위성 신호를 수신하여 무인비행체의 현재 비행 위치를 계산 처리하는 좌표 유니트;

무인비행체 시스템의 각각의 구동 전원을 공급하기 위한 전원관리 유니트;

상기 무인비행체 본체에 비행을 위해 구비되는 프로펠러를 회전 구동시키기 위한 구동 액추에이터;

무인비행체의 각 구성요소를 통합 제어하며, 자율비행과 구동제어를 포함한 무인비행체의 전반적인 제어를 수행하는 비행제어 컴퓨터; 및

상기 비행제어 컴퓨터의 비행제어신호를 전기신호에서 광신호로 변환하여 인코딩하고, 인코딩된 광신호를 광케이블을 매개로 상기 짐벌로 전송하는 광인코더 유니트를 포함하여 구성할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 광인코더 유니트는,

상기 비행제어 컴퓨터의 전기적인 비행제어신호를 광신호로 변환하는 전기-광 컨버터; 및

상기 전기-광 컨버터의 변환된 광신호를 인코딩하는 광 인코더를 포함하여 구성할 수 있다.

더욱 더 바람직하게는, 상기 광 인코더는,

상기 전기-광 컨버터로부터 입력되는 광신호를 직렬로 커플링 하는 복수개의 커플러; 및

상기 복수개의 커플러 사이에서 광신호를 시간적으로 지연시키는 복수개의 광 지연선로를 포함하여 구성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 짐벌은,

상기 짐벌의 자세를 측정하여 출력하는 자세측정 유니트;

상기 비행제어 컴퓨터의 비행제어신호와 상기 자세측정 유니트의 짐벌 자세 신호에 기초하여 상기 짐벌의 자세 교정 및 상기 카메라의 미세 조정을 위한 구동을 제어하는 짐벌제어 유니트;

상기 짐벌제어 유니트의 구동 제어 하에, 상기 카메라의 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw) 방향의 미세 조정을 수행하는 카메라 구동 액추에이터; 및

상기 광인코더 유니트의 인코딩된 광신호를 수신하여 디코딩하고, 디코딩된 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 광디코더 유니트를 포함하여 구성할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 카메라 구동 액추에이터는,

상기 짐벌에 장착된 카메라를 안정화시키는 동작을 수행하는 액추에이터로서, 모터-PITCH와, 모터-ROLL과, 모터-YAW를 포함하여 구성할 수 있다.

더욱 더 바람직하게는, 상기 광디코더 유니트는,

광케이블을 매개로 상기 광인코더 유니트의 광 인코더로부터 전송되는 광신호를 디코딩 하는 광 디코더; 및

상기 광 디코더의 디코딩된 광 신호를 전기신호로 변환하는 광-전기 컨버터를 포함하여 구성할 수 있다.

더더욱 바람직하게는, 상기 짐벌은,

상기 무인비행체 본체의 비행 방향과는 독립적으로 360도 방향으로 회전하여 임의의 목표를 향하여 상기 카메라로 영상을 촬영할 수 있도록 기능할 수 있다.

본 발명에서 제안하고 있는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 따르면, 무인비행체 본체에 짐벌이 장착되고, 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 구비하는 무인비행체 시스템을 구성하되, 무인비행체 본체와 짐벌 사이의 연결이 광케이블을 매개로 연결 접속되도록 구성함으로써, 기존의 무인비행체에서 유선 또는 무선의 전기적인 연결 시 발생하는 전자기파의 노이즈를 차단하여 안정된 비행 제어가 가능하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제안하고 있는 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 따르면, 무인비행체 본체와 짐벌 간의 비행제어신호를 광케이블을 이용하여 전달함으로써, 전자기파에 의해 발생할 수 있는 노이즈를 원천적으로 차단함에 따른 무인비행체 본체와 짐벌 간의 안정된 신호의 전송이 가능하고, 특히 안정된 신호의 전송을 통해 항상 안정적인 짐벌의 자세유지가 가능하며, 그에 따라 짐벌에 장착된 카메라를 통하여 흔들림 없는 영상을 촬영할 수 있도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 개략적인 외관 사시도 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 적용되는 무인비행체 본체의 광인코더 유니트와 짐벌의 광디코더 유니트의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 광 인코더의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 광인코더 유니트와 광디코더 유니트 간의 신호처리 흐름을 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 개략적인 외관 사시도 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템에 적용되는 무인비행체 본체의 광인코더 유니트와 짐벌의 광디코더 유니트의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 광 인코더의 구성을 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 4에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템(100)은, 무인비행체 본체(110), 짐벌(130), 및 카메라(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

무인비행체 본체(110)는, 비행을 위한 프로펠러(101)를 구비하고, 프로펠러(101)의 회전 구동에 따라 비행되는 비행제어신호를 생성하는 무인비행체의 구성이다. 이러한 무인비행체 본체(110)는 후술하게 될 짐벌(130)과 연결하되, 비행제어신호를 광CDMA 방식으로 전송하는 광케이블을 매개로 연결 접속될 수 있다. 여기서, 무인비행체 본체(110)는 프로펠러(101)의 회전에 의하여 하늘로 올라가고, 전진 혹은 후진을 수행하여 원하는 위치로의 비행 이동이 가능하게 되는 무인비행체의 구성이다.

또한, 무인비행체 본체(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 무인비행체 비행의 수평 자세, 기울기, 회전 각속도, 및 이동 속도를 포함하는 비행정보를 감지하고 처리하는 자세기준 시스템(111)과, 위성 신호를 수신하여 무인비행체의 현재 비행 위치를 계산 처리하는 좌표 유니트(112)와, 무인비행체 시스템(100)의 각각의 구동 전원을 공급하기 위한 전원관리 유니트(113)와, 무인비행체 본체(110)에 비행을 위해 구비되는 프로펠러(101)를 회전 구동시키기 위한 구동 액추에이터(114)와, 무인비행체의 각 구성요소를 통합 제어하며, 자율비행과 구동제어를 포함한 무인비행체의 전반적인 제어를 수행하는 비행제어 컴퓨터(115), 및 비행제어 컴퓨터(115)의 비행제어신호를 전기신호에서 광신호로 변환하여 인코딩하고, 인코딩된 광신호를 광케이블을 매개로 짐벌(130)로 전송하는 광인코더 유니트(120)를 포함하여 구성할 수 있다.

여기서, 자세기준 시스템(111)은 AHRS(Attitude Heading Reference System)라고 하며, 무인비행체 즉 드론의 자세가 수평인지, 기울어졌는지, 회전하는 경우의 각속도는 얼마인지, 이동속도는 얼마인지 등을 감지하여 계산하고 판단하는 구성이다. 또한, 좌표 유니트(112)는 GPS(Global Positioning System)로서, 위성에서 보내는 신호를 수신하여 드론의 현재 위치를 계산하는 위성항법 구성이다. 또한, 전원관리 유니트(113)는 PMU(Power Management Unit)라고 하며, 배터리 전원을 다양한 직류전원 혹은 교류전원으로 변환하여 무인비행체 시스템(100)의 각 구성요소가 사용하는 전원으로 변환하여 공급하는 구성이다. 또한, 비행제어 컴퓨터(115)는 FCC(Flight Control Computer)라고 하며, 무인비행체의 각 구성요소를 통합하여 제어하며, 자율비행이나 구동제어를 포함한 무인비행체의 전반적인 제어를 수행할 수 있다. 이때, 자세기준 시스템(111)과 좌표 유니트(112)와 전원관리 유니트(113)와 구동 액추에이터(114)와 비행제어 컴퓨터(115)는 무인비행체의 비행을 위한 일반적인 구성에 해당하므로 불필요한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 무인비행체 본체(110)는 광인코더 유니트(120)를 사용하여 광케이블로 신호를 전달하므로 전자기파 등의 노이즈로부터 신호의 왜곡을 방지하고, 그에 따른 노이즈 없는 안전한 신호의 전송이 가능하도록 할 수 있다. 이때, 무인비행체 본체(110)의 각종 기능 유니트들인 자세기준 시스템(111), 좌표 유니트(112), 전원관리 유니트(113), 구동 액추에이터(114)는 비행제어 컴퓨터(115)와 연결하되, 광인코더 유니트(120)를 공통으로 사용하여 비행제어 컴퓨터(115)와 연결될 수 있다.

또한, 광인코더 유니트(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 비행제어 컴퓨터(115)의 전기적인 비행제어신호를 광신호로 변환하는 전기-광 컨버터(121)와, 전기-광 컨버터(121)의 변환된 광신호를 인코딩하는 광 인코더(122)를 포함하여 구성할 수 있다. 통상 인코딩이란 전기적인 제어신호에 있는 제어신호의 소스, 어드레스, 제어명령을 코딩하는 것을 의미하지만, 광 인코더(122)에서 수행되는 인코딩은 전기적인 제어신호에서 변환된 광신호에 있는 제어신호의 소스, 어드레스, 제어명령을 광신호로 코딩하는 것을 의미한다. 즉, 광 인코더(122)를 통과한 광신호에는 제어신호의 소스, 제어신호의 타겟, 어드레스 및 명령어가 포함되어 있으며, 종래의 전기적인 제어신호를 무선 혹은 유선으로 전송하는 것에 비교하여 광신호를 광케이블을 통하여 전송하면 동일한 신호를 노이즈 없이 깨끗하고 안전하게 전달하는 것이 가능하게 된다.

여기서, 광 인코더(122)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전기-광 컨버터(121)로부터 입력되는 광신호를 직렬로 커플링 하는 복수개의 커플러(123a~123e)와, 복수개의 커플러(123a~123e) 사이에서 광신호를 시간적으로 지연시키는 복수개의 광 지연선로(124~127)를 포함하여 구성할 수 있다.

또한, 광 인코더(122)는 각 커플러(123a~123e)의 좌측 단자, 가령 커플러(123a)의 부호 1, 2로 표시된 단자는 각각의 입력단자이고, 각 커플러(123a~123e)의 우측 단자, 가령 커플러(123e)의 부호 3, 4로 표시된 단자는 각각의 출력단자이다. 각각의 커플러(123a~123e)는 단자 1을 입력단자로 광신호가 입력되면 일직선 방향(단자 3의 방향)으로 전달되는 전달계수 특성과, 대각선 방향으로 커플링 되는 커플링계수 특성을 가진다. 광 지연선로(24~27)는 각각 광선로의 길이를 다르게 구성하여 광이 시간적으로 지연되도록 구성된다. 이와 같은 지연 선로와 커플링 특성에 의거하여 결국은 광 인코더(122)의 입력 단자 1에 입력되는 8비트의 제어신호가 입력되면, 광 인코더(122)의 출력단자 4를 통하여 64비트의 부호화된 신호가 출력될 수 있다. 즉, 광 인코더(122)는 시간적 CDMA 방식으로 구현될 수 있다.

위와 같은 광 인코더(122)의 신호의 예는 일실시예로 설명할 뿐, 이에 제한을 두지는 않으며, 8비트의 입력 제어신호에는 제어신호의 소스, 타겟, 어드레스, 명령데이터 등이 코딩되어 포함될 수 있고, 커플러(123a~123e)의 커플링 특성과 전달특성을 조절하면 다양한 인코딩 특성을 구현할 수 있게 된다. 이때, 광 인코더(122)로 사용된 디바이스를 동일하게 광 디코더(142)로 이용할 수 있으며, 이 경우 광 디코더(142)는 광 인코더(122)의 동일한 하드웨어를 입력단자 2에 인코딩된 광신호를 입력하면 출력단자 3으로 광신호가 디코딩되어 출력될 수 있다.

짐벌(130)은, 무인비행체 본체(110)에 장착되며, 무인비행체 본체(110)로부터 비행제어신호를 수신하는 구성이다. 이러한 짐벌(130)은 프로펠러(101)의 구동에 의한 진동 혹은 외란을 카메라(150)로부터 분리하게 된다. 즉, 짐벌(130)은 기본적인 진동 충격을 흡수하는 진동흡수댐퍼(미도시)등을 구비하고, 프로펠러(101)에 의해서 발생하는 진동은 짐벌(130)의 댐펴를 통하여 흡수가 가능하나 경우에 따라서는 전부 흡수하는 것이 불가능할 수 있다. 이를 위해 짐벌(130)에는 카메라(150)의 X, Y, Z 축 방향의 미세한 조정을 위한 카메라 구동 액추에이터가 설치될 수 있다. 이에 따라 카메라(150)의 피치(PITCH), 롤(ROLL), 요(YAW) 방향의 미세한 조정을 통하여 카메라(150)가 항상 안정감 있게 자세를 유지한 상태에서 카메라의 영상을 촬영하면, 안정되고 정밀한 카메라 영상 획득이 가능하게 된다. 카메라 구동 액추에이터의 일례로서, BLDE 모터가 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 카메라의 X축, Y축, Z축 방향의 회전을 위하여 적어도 3개의 BLDC 모터가 짐벌(130)에 설치될 수 있다.

또한, 짐벌(130)은 도 2에 도시된 바와 같이, 짐벌(130)의 자세를 측정하여 출력하는 자세측정 유니트(131)와, 비행제어 컴퓨터(115)의 비행제어신호와 자세측정 유니트(131)의 짐벌 자세 신호에 기초하여 짐벌(130)의 자세 교정 및 카메라(150)의 미세 조정을 위한 구동을 제어하는 짐벌제어 유니트(132)와, 짐벌제어 유니트(132)의 구동 제어 하에, 카메라(150)의 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw) 방향의 미세 조정을 수행하는 카메라 구동 액추에이터(133)와, 광인코더 유니트(120)의 인코딩된 광신호를 수신하여 디코딩하고, 디코딩된 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 광디코더 유니트(140)를 포함하여 구성할 수 있다. 여기서, 짐벌제어 유니트(132)는 짐벌(130)의 구동수단인 카메라 구동 액추에이터(133)의 구동을 제어할 수 있다. 즉, 짐벌제어 유니트(132)는 짐벌(130)에 있는 카메라 구동 액추에이터(133)의 모터-PITCH(133a)와, 모터-ROLL(133b)과, 모터-YAW(133c) 중 하나를 구동하여 짐벌(130)이 안정적인 자세를 취하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 짐벌(130)에 장착된 카메라(150)는 안정된 자세로 영상을 촬영할 수 있게 된다.

또한, 카메라 구동 액추에이터(133)는 도 2에 도시된 바와 같이, 짐벌(130)에 장착된 카메라(150)를 안정화시키는 동작을 수행하는 액추에이터로서, 모터-PITCH(133a)와, 모터-ROLL(133b)과, 모터-YAW(133c)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 모터-PITCH(133a)는 짐벌(130)의 X축에 대한 회전운동이 가능하도록 동작하고, 모터-ROLL(133b)은 짐벌(130)의 Y축에 대한 회전운동이 가능하도록 동작하며, 모터-YAW(133c)는 짐벌(130)의 Z축에 대한 회전운동이 가능하도록 동작한다. 이와 같이 카메라 구동 액추에이터(133)의 모터의 종류로는 BLDC 모터를 사용함이 바람직하나, 이에 제한을 두지는 않으며, BLDC 모터가 아닌 직류 혹은 교류 모터의 사용도 가능하다.

또한, 광디코더 유니트(140)는 도 3에 도시된 바와 같이, 광케이블을 매개로 광인코더 유니트(120)의 광 인코더(122)로부터 전송되는 광신호를 디코딩 하는 광 디코더(142)와, 광 디코더(142)의 디코딩된 광 신호를 전기신호로 변환하는 광-전기 컨버터(141)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 광디코더 유니트(140)는 광케이블을 통하여 전송된 광신호인 비행제어신호를 광디코더(142)를 이용하여 디코딩하고, 광-전기 컨버터(141)를 이용하여 광신호를 전기신호로 전환하는데 이용하게 된다. 통상적으로 디코더는 인코더의 역순으로 신호를 처리하는 것으로, 광 디코더(142)는 광 인코더(122)의 역순으로 전기적인 제어신호에서 변환된 광신호를 처리하게 된다. 즉, 광 인코더(122)를 통과한 광신호에 포함된 제어신호의 소스, 제어신호의 타겟, 어드레스 및 명령어를 광 디코더(142)에서 디코딩 하여 제어신호의 소스, 제어신호의 타겟, 어드레스 및 명령어를 광-전기 컨버터(141)를 통하여 전기적 제어신호로 변환하게 된다. 변환된 전기적 제어신호는 짐벌제어 유니트(132)에 전송되어 짐벌(130)의 제어 수행에 사용된다.

이와 같은 짐벌(130)은 무인비행체 본체(110)의 비행 방향과는 독립적으로 360도 방향으로 회전이 가능한 상태로 임의의 목표를 향한 후 카메라(150)로 영상을 촬영할 수 있도록 기능할 수 있다. 또한, 카메라(150)를 포함한 짐벌(130)은 무인비행체 본체(110)의 비행 방향과는 독립적으로 사용자의 원격 조종으로 임의의 목표를 향하여 영상을 촬영하는 것이 가능하고, 카메라(150)가 촬영한 영상은 무선으로 조작자에게 송출될 수도 있다.

카메라(150)는, 짐벌(130)에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라 모듈의 구성이다. 이러한 카메라(150)는 짐벌(130)에 장착되어 짐벌제어 유니트(132)로부터 제어신호를 받을 수 있다. 또한, 카메라(150)는 무인비행체 본체(110)로부터 제어신호를 받을 수도 있다. 또 다른 일례로는, 카메라(150)가 조작자로부터 직접 무선으로 명령을 받고, 조작자에게 직접 무선으로 촬영한 영상을 송출할 수도 있다. 즉, 카메라(150)는 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 제어신호를 수신함에 있어 특별히 한정되지 않고, 짐벌(130)이나 무인비행체 본체(110) 또는 지상의 조작자로부터 수신할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템의 광인코더 유니트와 광디코더 유니트 간의 신호처리 흐름을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광인코더 유니트(120)와 광디코더 유니트(140) 간의 신호처리는, 무인비행체 본체(110)의 비행제어 컴퓨터(115)에서 전기적인 비행제어신호를 발생시켜 광인코더 유니트(120)로 출력하면, 광인코더 유니트(120)의 전기-광 컨버터(121)에서 전기적인 비행제어신호를 광신호로 변환하게 된다(S110). 다음, 광신호로 변환된 비행제어신호를 받은 광 인코더(122)는 변환된 광신호를 인코딩하고(S120), 광케이블을 통해 인코딩된 광신호를 짐벌(130)로 전송하게 된다(S130). 다음, 짐벌(130)의 광디코더 유니트(140)의 광 디코더(142)는 광케이블의 광신호를 수신하고, 수신된 광신호를 디코딩한다(S140). 다음, 광-전기 컨버터(141)는 광 디코더(142)에 의해 디코딩된 광신호를 전기신호로 변환하게 된다(S150).

한편, 본 발명에 따른 광 인코더(122) 및 광 디코더(142)는 공통 광선로로 사용되고, 무인비행체 본체(110)의 모든 기능유니트들이 전기적 신호가 전달되는 대응 기능 블록, 가령 비행제어 컴퓨터(115)와 연결될 경우에 전기-광 컨버터(121)를 사용하여 광신호로 변환한 후, 광 인코더(122)에 연결하고, 광 디코더(142)는 대응 기능 블록에 연결될 수 있다. 그리고 짐벌(130)의 모든 기능유니트들이 전기적 신호가 전달되는 대응 기능 블록, 가령 짐벌제어 유니트(132)와 연결결 경우에 광-전기 컨버터(141)를 사용하여 광 디코더(142)에연결하여 시간적 광CDMA 시리얼 광통신으로 모든 신호 처리가 가능하도록 연결되고, 광 디코더(142)는 대응 기능 블록에 연결될 수 있다. 즉, 종래의 병렬 전기 데이터 버스를 통하여 고속으로 데이터 통신하는 경우는 노이즈 문제, 회로의 복잡성 및 장비의 과동한 무게 등의 문제점이 있었다. 또한, 종래의 시리얼 버스 데이터 통신의 경우에도 데이터 통신이 저속이라는 문제점이 있었다. 본 발명은 시간적 광CDMA 방식을 이용하여 하나의 광선로로 모든 기능블록들이 서로 연결되고, 시간적 광CDMA 방식으로 노이즈 없는 고속의 데이터 통신을 기능블록들 간 혹은 비행제어 컴퓨터(115) 및 짐벌제어 유니트(132)간에 간단하고 가벼운 회로로 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템은, 무인비행체 본체에 짐벌이 장착되고, 짐벌에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라를 구비하는 무인비행체 시스템을 구성하되, 무인비행체 본체와 짐벌 사이의 연결이 광케이블을 매개로 연결 접속되도록 구성함으로써, 기존의 무인비행체에서 유선 또는 무선의 전기적인 연결 시 발생하는 전자기파의 노이즈를 차단하여 안정된 비행 제어가 가능하고, 특히, 무인비행체 본체와 짐벌 간의 비행제어신호를 광케이블을 이용하여 전달함으로써, 전자기파에 의해 발생할 수 있는 노이즈를 원천적으로 차단함에 따른 무인비행체 본체와 짐벌 간의 안정된 신호의 전송이 가능하고, 특히 안정된 신호의 전송을 통해 항상 안정적인 짐벌의 자세유지가 가능하며, 그에 따라 짐벌에 장착된 카메라를 통하여 흔들림 없는 영상을 촬영할 수 있도록 할 수 있게 된다.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 본 발명의 일실시예에 따른 무인비행체 시스템
110: 무인비행체 본체
111: 자세기준 시스템
112: 좌표 유니트
113: 전원관리 유니트
114: 구동 액추에이터
115: 비행제어 컴퓨터
120: 광인코더 유니트
121: 전기-광 컨버터
122: 광 인코더
123a~123e: 커플러
124~127: 광 지연선로
130: 짐벌
131: 자세측정 유니트
132: 짐벌제어 유니트
133: 카메라 구동 액추에이터
133a: 모터-PITCH
133b: 모터-ROLL
133c: 모터-YAW
140: 광디코더 유니트
141: 광-전기 컨버터
142: 광 디코더
150: 카메라
S110: 전기적인 비행제어신호를 광신호로 변환하는 단계
S120: 변환된 광신호를 인코딩하는 단계
S130: 광케이블을 통해 인코딩된 광신호를 짐벌로 전송하는 단계
S140: 짐벌에서 광케이블의 광신호를 수신하고, 수신된 광신호를 디코딩하는 단계
S150: 디코딩된 광신호를 전기신호로 변환하는 단계

Claims

광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템(100)으로서,
비행을 위한 프로펠러(101)를 구비하고, 상기 프로펠러(101)의 회전 구동에 따라 비행되는 비행제어신호를 생성하는 무인비행체 본체(110);
상기 무인비행체 본체(110)에 장착되며, 상기 무인비행체 본체(110)로부터 비행제어신호를 수신하는 짐벌(130); 및
상기 짐벌(130)에 장착되어 비행 지역의 영상을 촬영하기 위한 카메라(150)를 포함하되,
상기 무인비행체 본체(110)와 상기 짐벌(130)은,
상기 비행제어신호를 광CDMA 방식으로 전송하는 광케이블을 매개로 연결 접속되는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제1항에 있어서, 상기 무인비행체 본체(110)는,
무인비행체 비행의 수평 자세, 기울기, 회전 각속도, 및 이동 속도를 포함하는 비행정보를 감지하고 처리하는 자세기준 시스템(111);
위성 신호를 수신하여 무인비행체의 현재 비행 위치를 계산 처리하는 좌표 유니트(112);
무인비행체 시스템(100)의 각각의 구동 전원을 공급하기 위한 전원관리 유니트(113);
상기 무인비행체 본체(110)에 비행을 위해 구비되는 프로펠러(101)를 회전 구동시키기 위한 구동 액추에이터(114);
무인비행체의 각 구성요소를 통합 제어하며, 자율비행과 구동제어를 포함한 무인비행체의 전반적인 제어를 수행하는 비행제어 컴퓨터(115); 및
상기 비행제어 컴퓨터(115)의 비행제어신호를 전기신호에서 광신호로 변환하여 인코딩하고, 인코딩된 광신호를 광케이블을 매개로 상기 짐벌(130)로 전송하는 광인코더 유니트(120)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제2항에 있어서, 상기 광인코더 유니트(120)는,
상기 비행제어 컴퓨터(115)의 전기적인 비행제어신호를 광신호로 변환하는 전기-광 컨버터(121); 및
상기 전기-광 컨버터(121)의 변환된 광신호를 인코딩하는 광 인코더(122)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제3항에 있어서, 상기 광 인코더(122)는,
상기 전기-광 컨버터(121)로부터 입력되는 광신호를 직렬로 커플링 하는 복수개의 커플러(123a~123e); 및
상기 복수개의 커플러(123a~123e) 사이에서 광신호를 시간적으로 지연시키는 복수개의 광 지연선로(124~127)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 짐벌(130)은,
상기 짐벌(130)의 자세를 측정하여 출력하는 자세측정 유니트(131);
상기 비행제어 컴퓨터(115)의 비행제어신호와 상기 자세측정 유니트(131)의 짐벌 자세 신호에 기초하여 상기 짐벌(130)의 자세 교정 및 상기 카메라(150)의 미세 조정을 위한 구동을 제어하는 짐벌제어 유니트(132);
상기 짐벌제어 유니트(132)의 구동 제어 하에, 상기 카메라(150)의 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw) 방향의 미세 조정을 수행하는 카메라 구동 액추에이터(133); 및
상기 광인코더 유니트(120)의 인코딩된 광신호를 수신하여 디코딩하고, 디코딩된 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 광디코더 유니트(140)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제5항에 있어서, 상기 카메라 구동 액추에이터(133)는,
상기 짐벌(130)에 장착된 카메라(150)를 안정화시키는 동작을 수행하는 액추에이터로서, 모터-PITCH(133a)와, 모터-ROLL(133b)과, 모터-YAW(133c)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제6항에 있어서, 상기 광디코더 유니트(140)는,
광케이블을 매개로 상기 광인코더 유니트(120)의 광 인코더(122)로부터 전송되는 광신호를 디코딩 하는 광 디코더(142); 및
상기 광 디코더(142)의 디코딩된 광 신호를 전기신호로 변환하는 광-전기 컨버터(141)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.
제7항에 있어서, 상기 짐벌(130)은,
상기 무인비행체 본체(110)의 비행 방향과는 독립적으로 360도 방향으로 회전하여 임의의 목표를 향하여 상기 카메라(150)로 영상을 촬영할 수 있도록 기능하는 것을 특징으로 하는, 광 신호 제어 방식의 짐벌을 구비한 무인비행체 시스템.