KR20210055004A - 위상배열안테나를 이용한 드론 배터리 충전 방법 및 그 시스템 - Google Patents

위상배열안테나를 이용한 드론 배터리 충전 방법 및 그 시스템 Download PDF

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이경주
오상열
우정민
이상화
임원섭
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Abstract

본 발명은 능동위상배열안테나를 이용한 무선전력 충전시스템에 관한 것으로, 배터리 및 무선전력 수신장치를 포함하는 드론으로부터 파일럿 신호를 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 드론의 위치를 검출하며, 상기 검출된 드론 위치로 미리 결정된 주파수 대역을 갖는 무선전력신호를 전송하는 무선전력 송신장치를 포함한다.

Description

위상배열안테나를 이용한 드론 배터리 충전 방법 및 그 시스템{METHOD FOR CHARGING DRONE BATTERY USING A PHASED ARRAY ANTENNA AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 위상배열안테나를 이용한 무선전력전송기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파(microwave)를 이용하여 원거리에서 비행하는 드론의 배터리를 무선 충전하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
무선전력전송 기술은 전력 송신부와 전력 수신부 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술을 말한다. 이러한 무선전력전송 기술의 일 예로, 스마트폰이나 태블릿 등의 휴대 단말기에 무선으로 전력을 전송하여 배터리를 충전하는 경우를 들 수 있다. 이와 같은 무선전력전송 기술은 휴대 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 지중 시설물, 건물, 휴대용 의료기기, 로봇, 드론, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 전망된다.
무선전력전송 기술에 주로 사용되는 무선충전방식으로는 자기유도방식과 자기공진방식이 있다. 자기유도방식은 자기유도현상을 이용한 무선충전방식이고, 자기공진방식은 자기공진현상을 이용한 무선충전방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 자기유도방식의 드론 무선충전시스템을 예시하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 드론 무선충전시스템은 미리 설정된 감시 영역을 비행하는 드론(10)의 배터리 충전량이 기준치 미만으로 떨어질 경우, 관제센터(20)를 통해 드론(10)이 제어되어 무선충전 스테이션(30)으로 유도되고, 상기 무선충전 스테이션(30)에서 자기유도방식을 이용하여 드론(10)을 무선 충전하는 시스템이다.
도 2는 종래 기술에 따른 자기공진방식의 드론 무선충전시스템을 예시하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 드론 무선충전시스템에서 무선전력 전송거리의 한계로 인하여 전력 송신을 위한 드론(40)이 전력 수신을 위한 드론(50) 방향으로 접근한다. 상기 드론(40, 50) 간의 거리 및 방향 등을 고정하기 위해 도킹 시스템을 이용한다. 도킹 시스템을 통해 도킹된 드론끼리 자기공진방식의 코일을 통해 전력을 무선 충전한다.
그런데, 기존의 무선충전방식 중 하나인 자기유도방식은 전력 송신부와 전력 수신부가 거의 접촉이 이루어진 상태에서 무선 충전이 가능하여, 원거리에서의 드론 충전을 구현하기에 실질적인 제약이 있다. 또한, 자기유도방식을 이용하는 경우, 드론이 무선 충전을 위해 매번 무선충전 스테이션에 착륙해야 하므로, 해당 드론이 충전하는 시간 동안 감시를 비롯한 역할 수행에 있어 공백기가 생기게 되는 문제가 있다.
또한, 기존의 무선충전방식 중 다른 하나인 자기공진방식은 수 미터 정도의 무선전력전송이 가능하지만, 전력 송신부와 전력 수신부간 위치나 거리 등의 외부요인이 변동하게 되면 임피던스 등의 특성 변화가 일어난다. 따라서, 공중에서 충전하기 위해서는 드론 위치 변화에 따른 임피던스 정합을 위해 임피던스 조절 장치를 필요로 하거나 혹은 별도의 도킹시스템을 필요로 하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 능동위상배열안테나를 이용하여 원거리에서 비행하는 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 상기 추적된 드론 위치로 빔을 조향하여 드론 배터리를 무선으로 충전하는 방법 및 그 시스템을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 및 무선전력 수신장치를 포함하는 드론으로부터 파일럿 신호를 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 드론의 위치를 검출하며, 상기 검출된 드론 위치로 미리 결정된 주파수 대역을 갖는 무선전력신호를 전송하는 무선전력 송신장치를 포함하는 무선전력 충전시스템을 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 무선전력 송신장치는 능동위상배열안테나를 이용하여 상기 검출된 드론 위치로 빔을 형성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 무선전력 송신장치는 능동위상배열안테나를 이용하여 복수의 드론 방향으로 무선전력신호를 동시에 전송하기 위한 다중 빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 무선전력 송신장치는 동일 주파수 상에서 배열 중첩 원리를 이용하여 다중 빔을 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 무선전력 송신장치는 주파수 분할 방식을 이용하여 다중 빔을 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 드론은 배터리 충전 전력량과 호버링 전력량을 기반으로 빔 패턴 조정 요청 신호를 무선전력 송신장치로 전송하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 무선전력 송신장치는, 빔 패턴 조정 요청 신호에 대응하여, 능동위상배열안테나를 이용하여 무선전력신호의 빔 패턴을 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 드론 배터리 충전 방법 및 그 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 능동위상배열안테나(APAA)를 이용하여 빔 조향각 및 방사 세기를 실시간으로 조절함으로써, 드론의 위치와 거리에 상관없이 무선 충전이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 드론이 미리 설정된 장소를 따라 이동하며, 이동 중에도 원거리에서 지속적인 전력 공급을 받음으로써, 배터리 충전을 위한 공백기 없이 정해진 업무를 지속적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 드론 배터리 충전 방법 및 그 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 자기 유도 방식의 드론 무선충전시스템을 예시하는 도면;
도 2는 종래 기술에 따른 자기 공진 방식의 드론 무선충전시스템을 예시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 충전시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 4 및 도 5는 무선전력 송신장치에서 다중 빔을 동시에 조향하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 구성을 나타내는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 구성을 나타내는 도면;
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 배터리 충전 방법을 설명하는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 능동위상배열안테나를 이용하여 원거리에서 비행하는 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 상기 추적된 드론의 위치로 빔을 조향하여 드론 배터리를 무선으로 충전하는 방법 및 그 시스템을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 충전시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 충전시스템(100)은 무선 전력을 전송하는 무선전력 송신장치(200)와 상기 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(300)를 포함한다. 본 실시 예에서, 드론은 배터리(미도시)와 상기 배터리에 무선 전력을 충전하는 무선전력 수신장치(300)를 포함한다. 또한, 상기 드론은 고정익 드론과 회전익 드론을 포함한다.
무선전력 송신장치(200)는 무선전력 수신장치(300)로부터 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 무선전력 수신장치(300)의 위치를 검출할 수 있다. 무선전력 송신장치(200)는 상기 검출된 무선전력 수신장치(300)의 위치로 빔을 형성하여 미리 결정된 주파수 대역을 갖는 무선전력신호를 전송할 수 있다. 여기서, 상기 파일럿 신호는 무선전력신호와 동일한 주파수 대역을 사용할 수 있다. 일 예로, 상기 무선전력신호 및 파일럿 신호는 5.8GHz 대역의 주파수를 사용할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
무선전력 송신장치(200)는 복수의 안테나 소자들이 미리 결정된 패턴으로 배열된 송신 배열 안테나를 이용하여 무선전력신호를 전송할 수 있다. 이때, 상기 송신 배열 안테나는 동일 편파를 사용하여 무선전력신호를 전송할 수 있다. 일 실시 예로, 상기 송신 배열 안테나는 우 선회 원형 편파(Right Hand Circular Polarization, RHCP)를 사용하여 무선전력신호를 전송할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
무선전력 송신장치(200)는 송신 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나를 포함하는 파일럿 수신 안테나를 통해 파일럿 신호를 수신할 수 있다. 이때, 상기 파일럿 수신 안테나는 무선전력신호와의 상호 간섭을 제거하기 위해 교차 편파를 사용하여 파일럿 신호를 수신할 수 있다. 일 실시 예로, 상기 파일럿 수신 안테나는 좌 선회 원형 편파(Left Hand Circular Polarization, LHCP)를 사용하여 파일럿 신호를 수신할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
송신 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나는, 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라, RHCP를 사용하여 무선전력신호를 전송하는 송신 안테나 기능과 LHCP를 사용하여 파일럿 신호를 수신하는 수신 안테나 기능을 번갈아 가면서 수행할 수 있다. 상기 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라 상술한 두 가지의 기능을 모두 수행하는 안테나를 '편파 재구성 안테나'라 지칭한다.
무선전력 송신장치(200)는 파일럿 신호를 이용하여 전력 수신체(즉, 드론)의 위치를 실시간으로 검출하고, 상기 검출된 전력 수신체의 위치로 높은 파워를 갖는 무선전력 신호를 전송할 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는 복수의 능동위상배열안테나 모듈을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 무선전력 송신장치(200)는 복수의 능동위상배열안테나 모듈을 이용하여 다중 빔을 동시에 형성함으로써, 복수의 드론들을 동시에 무선 충전할 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 능동위상배열안테나 모듈(410)은 제1 고정익 드론(415)을 향해 빔을 방사하고, 제2 능동위상배열안테나 모듈(420)은 제2 고정익 드론(425)을 향해 빔을 방사하며, 제3 능동위상배열안테나 모듈(430)은 제3 고정익 드론(435)을 향해 빔을 방사할 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 무선전력 송신장치(200)는 단일 능동위상배열안테나 모듈을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 무선전력 송신장치(200)는 능동위상배열안테나 모듈을 구성하는 복수의 안테나 소자들을 이용하여 다중 빔을 동시에 형성함으로써, 복수의 드론들을 동시에 무선 충전할 수 있다. 가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 능동위상배열안테나 모듈(510)의 제1 안테나 소자는 제1 회전익 드론(511)을 향해 빔을 방사하고, 해당 모듈(510)의 제2 안테나 소자는 제2 회전익 드론(512)을 향해 빔을 방사할 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는, 동시 다중 빔을 형성하는 방법으로, 동일 주파수 상에서 배열 중첩 원리를 이용하여 원하는 방향을 향해 방사 빔을 분할, 형성하는 방법을 사용하거나 혹은 주파수 분할 방식으로 채널 별 동작주파수 대역을 달리하여 빔을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
이러한 무선전력 송신장치(200)는 신호 발생기, 신호 전처리부, 신호 분배부, RF 신호 처리부, 송신 배열 안테나, 편파 재구성 스위치, 파일럿 빔 추적부, AD 컨버터 및 전송 제어부를 포함할 수 있다. 상기 구성요소들에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
무선전력 수신장치(300)는 복수의 안테나 소자들이 미리 결정된 패턴으로 배열된 수신 배열 안테나를 이용하여 무선전력신호를 수신할 수 있다. 이때, 상기 수신 배열 안테나는 동일 편파를 사용하여 무선전력신호를 수신할 수 있다. 일 실시 예로, 상기 수신 배열 안테나는 우 선회 원형 편파(RHCP)를 사용하여 무선전력신호를 수신할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
무선전력 수신장치(300)는 무선전력신호와 동일한 주파수 대역을 갖는 파일럿 신호를 생성하여 무선전력 송신장치(200)로 전송할 수 있다. 이때, 상기 파일럿 신호는 무선전력 송신장치(200)에서 무선전력 수신장치(300)의 위치를 추적하기 위해 사용될 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 무선전력 수신장치(300)는 무선전력 신호와 다른 주파수 대역을 갖는 파일럿 신호를 생성하여 무선전력 송신장치(200)로 전송할 수도 있다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나를 포함하는 파일럿 송신 안테나를 이용하여 파일럿 신호를 전송할 수 있다. 이때, 상기 파일럿 송신 안테나는 무선전력신호와의 상호 간섭을 제거하기 위해 교차 편파를 사용하여 파일럿 신호를 전송할 수 있다. 일 실시 예로, 상기 파일럿 송신 안테나는 좌 선회 원형 편파(LHCP)를 사용하여 파일럿 신호를 전송할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
수신 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나는, 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라, RHCP를 사용하여 무선전력신호를 수신하는 수신 안테나와 LHCP를 사용하여 파일럿 신호를 송신하는 송신 안테나의 기능을 번갈아 가면서 수행할 수 있다. 마찬가지로, 상기 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라 상술한 두 가지의 기능을 모두 수행하는 안테나를 '편파 재구성 안테나'라 지칭한다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 배열 안테나, 편파 재구성 스위치, 신호 정류부, 파일럿 신호 제어부 및 신호 발생기를 포함할 수 있다. 상기 구성요소들에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다. 이러한 무선전력 수신장치(300)를 포함하는 드론은 미리 설정된 장소를 따라 이동하며, 이동 중에도 원거리에서 지속적인 전력 공급을 받음으로써, 배터리 충전을 위한 공백기 없이 정해진 업무를 지속적으로 수행할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력 충전시스템은 능동위상배열안테나를 이용하여 원거리(수십 내지 수백 미터)에서 비행하는 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 상기 추적된 드론 위치로 빔을 조향하여 드론 배터리를 무선으로 충전할 수 있다. 또한, 상기 무선전력 충전시스템은 하나 이상의 능동위상배열안테나를 이용하여 다중 빔을 형성하여 복수의 드론들을 동시에 무선 충전할 수 있다. 또한, 상기 무선전력 충전시스템은 능동위상배열안테나를 이용하여 빔 조향각 및 방사 세기를 실시간으로 조절할 수 있어, 드론의 위치와 거리에 상관없이 무선 충전이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(200)는 신호 발생기(210), 신호 전처리부(220), 신호 분배부(230), RF 신호 처리부(240), 송신 배열 안테나(250), 편파 재구성 스위치(260), 파일럿 빔 추적부(270), AD 컨버터(280) 및 전송 제어부(290)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 구성요소들은 무선전력 송신장치를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 무선전력 송신장치는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
신호 발생기(210)는 무선전력 수신장치(300)로 무선전력을 전송하기 위한 기준 무선전력신호를 생성할 수 있다. 이때, 상기 신호 발생기(210)는 미리 결정된 동작 주파수 대역(가령, 5.8GHz)을 갖는 기준 무선전력신호를 생성할 수 있다. 또한, 신호 발생기(210)는, 전송 제어부(290)의 전력 제어 명령에 따라, 미리 결정된 전력 세기를 갖는 기준 무선전력신호를 생성할 수 있다.
신호 전처리부(220)는 위상 천이기(Phase Shifter, PS) 및 고출력 증폭기(High Power Amplifier, HPA)를 포함할 수 있다. 신호 전처리부(220)는 위상 천이기를 통해 신호 발생기(210)로부터 수신된 기준 무선전력신호의 위상을 변경할 수 있다. 이후, 신호 전처리부(220)는 고출력 증폭기를 통해 위상 천이된 기준 무선전력신호의 세기를 증폭할 수 있다. 한편, 상기 신호 전처리부(220)는 본 발명의 필수적인 구성요소는 아니며 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.
신호 분배기(230)는 신호 발생기(210) 또는 신호 전처리부(220)로부터 수신된 하나의 기준 무선전력신호를 복수 개의 무선전력신호로 분기하여 RF 신호 처리부(240)로 출력할 수 있다.
RF 신호 처리부(240)는 송신 배열 안테나(250)를 구성하는 복수의 안테나 소자들에 각각 대응하는 복수 개의 RF 신호 처리 유닛들(245)을 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은 위상 천이기 및 고출력 증폭기를 포함할 수 있다.
각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은, 전송 제어부(290)의 위상 제어 명령에 따라, 위상 천이기를 통해 무선전력신호의 위상을 변경하여 특정 방향의 빔을 형성할 수 있다. 또한, 각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은, 전송 제어부(290)의 전력 제어 명령에 따라, 고출력 증폭기를 통해 무선전력신호의 세기를 증폭할 수 있다.
송신 배열 안테나(250)는 미리 결정된 패턴으로 배열된 복수의 안테나 소자들을 포함할 수 있다. 상기 미리 결정된 패턴은 매트릭스 패턴일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
송신 배열 안테나(250)는 복수의 RF 신호 처리 유닛(245)으로부터 수신된 복수의 무선전력신호를 복수의 안테나 소자들을 통해 방사할 수 있다. 이때, 상기 송신 배열 안테나(250)는 우 선회 원형 편파(RHCP) 또는 좌 선회 원형 편파(LHCP)를 사용하여 무선전력신호를 전송할 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는, 설명의 편의상, 우 선회 원형 편파(RHCP)를 사용하여 무선전력신호를 전송하고, 좌 선회 원형 편파(LHCP)를 이용하여 파일럿 신호를 수신하는 것을 예시하여 설명하도록 한다. 또한, 송신 배열 안테나(250)에서 방사되는 무선전력신호는 연속파(continuous wave) 신호일 수 있다.
송신 배열 안테나(250)를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나(255)는, 편파 재구성 안테나로서, 무선전력 수신장치(300)로부터 파일럿 신호를 수신하기 위해 사용될 수 있다.
편파 재구성 안테나(255)는, 편파 재구성 스위치(260)의 주기적인 스위칭 동작에 따라, RHCP를 사용하여 무선전력신호를 전송하는 송신 안테나 기능과 LHCP를 사용하여 파일럿 신호를 수신하는 수신 안테나 기능을 번갈아 가면서 수행할 수 있다.
편파 재구성 스위치(260)는, 전송 제어부(290)의 펄스 제어 명령에 따라, 편파 재구성 안테나(255)의 기능을 주기적으로 전환시키는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 편파 재구성 스위치(260)의 스위칭 동작과 무선전력 수신장치(300)에 포함된 편파 재구성 스위치(320)의 스위칭 동작이 서로 동기화되도록 구성할 수 있다.
파일럿 빔 추적부(270)는 편파 재구성 안테나(255)로부터 수신된 파일럿 신호의 도래각을 검출하고, 상기 검출된 도래각을 기반으로 무선전력 수신장치(300)의 위치를 검출할 수 있다. 상기 파일럿 빔 추적부(270)는 무선전력 수신장치(300)의 위치와 관련된 정보(이하, 설명의 편의 상, '타겟 정보'라 칭함)를 ADC 컨버터(280)로 제공할 수 있다.
ADC 컨버터(280)는 파일럿 빔 추적부(270)로부터 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호를 전송 제어부(290)로 제공할 수 있다. 한편, 상기 ADC 컨버터(280)는 본 발명의 필수적인 구성요소는 아니며 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.
전송 제어부(290)는 파일럿 빔 추적부(270) 또는 ADC 컨버터(280)로부터 수신된 타겟 정보를 기반으로 송신 배열 안테나(250)의 빔을 형성하기 위한 위상 조절 값을 결정할 수 있다. 이후, 상기 전송 제어부(290)는 빔 형성을 위한 위상 조절 값을 포함하는 위상 제어 신호를 생성하여 RF 신호 처리부(240)로 제공할 수 있다.
전송 제어부(290)는 파일럿 빔 추적부(270) 또는 ADC 컨버터(280)로부터 수신된 타겟 정보를 기반으로 송신 배열 안테나(250)의 출력 빔 세기를 결정할 수 있다. 이후, 상기 전송 제어부(290)는 빔 세기를 설정하기 위한 전력 제어 신호를 생성하여 RF 신호 처리부(240)로 제공할 수 있다.
전송 제어부(290)는 기준 무선전력신호의 세기를 설정하기 위한 전력 제어 신호를 생성하여 신호 발생기(210)로 제공할 수 있다. 또한, 전송 제어부(290)는 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스 제어 신호를 생성하여 편파 재구성 스위치(260)로 제공할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력 송신장치는 능동위상배열안테나를 이용하여 원거리(수십 내지 수백 미터)에서 비행하는 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 상기 추적된 드론 위치로 빔을 조향하여 드론 배터리를 무선으로 충전할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)는 수신 배열 안테나(310), 편파 재구성 스위치(320), 신호 정류부(330), 파일럿 신호 제어부(340) 및 신호 발생기(350)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 구성요소들은 무선전력 수신장치를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 무선전력 수신장치는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다. 이러한 무선전력 수신장치(300)는 드론에 포함되어, 드론 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
수신 배열 안테나(310)는 미리 결정된 패턴으로 배열된 복수의 안테나 소자들을 포함할 수 있다. 상기 미리 결정된 패턴은 매트릭스 패턴일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
수신 배열 안테나(310)는 송신 배열 안테나에서 전송된 무선전력신호를 복수의 안테나 소자들을 통해 수신할 수 있다. 이때, 상기 수신 배열 안테나(310)는 우 선회 원형 편파(RHCP)를 사용하여 무선전력신호를 수신할 수 있다.
수신 배열 안테나(310)를 구성하는 복수의 안테나 소자들 중 적어도 하나(315)는, 편파 재구성 안테나로서, 파일럿 신호를 무선전력 송신장치(200)로 전송하기 위해 사용될 수 있다.
고정익 드론의 경우, 수신 배열 안테나(310)는 날개 및 몸체의 하부 굴곡면을 따라 부착된 형태의 유연 기판 상의 패치형 안테나일 수 있다. 한편, 회전익 드론의 경우, 몸체 하부에 위치한 평판형 구조물에 삽입 또는 인쇄된 패치형 안테나일 수 있다.
편파 재구성 안테나(315)는, 편파 재구성 스위치(320)의 주기적인 스위칭 동작에 따라, RHCP를 사용하여 무선전력신호를 수신하는 수신 안테나 기능과 LHCP를 사용하여 파일럿 신호를 전송하는 송신 안테나 기능을 번갈아 가면서 수행할 수 있다.
편파 재구성 스위치(320)는, 파일럿 신호 제어부(340)의 펄스 제어 명령에 따라, 편파 재구성 안테나(315)의 기능을 주기적으로 전환시키는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 편파 재구성 스위치(320)의 스위칭 동작과 무선전력 송신장치(200)에 포함된 편파 재구성 스위치(260)의 스위칭 동작이 서로 동기화되도록 구성할 수 있다.
신호 정류부(330)는 수신 배열 안테나(310)를 구성하는 복수의 안테나 소자들에 각각 대응하는 복수의 DC 정류기들을 포함할 수 있다. 각각의 DC 정류기는 각 안테나 소자로부터 수신된 무선전력신호를 DC 전력 신호로 변환할 수 있다.
파일럿 신호 제어부(340)는 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스 제어 신호를 생성하여 편파 재구성 스위치(320)로 제공할 수 있다. 또한, 파일럿 신호 제어부(340)는 파일럿 신호의 생성을 제어하기 위한 제어 신호를 신호 발생기(350)로 제공할 수 있다.
신호 발생기(350)는, 파일럿 신호 제어부(340)의 제어 명령에 따라, 무선전력 송신장치(200)로 전송하기 위한 파일럿 신호를 생성할 수 있다. 이때, 상기 신호 발생기(350)는 무선전력신호와 동일한 주파수 대역(가령, 5.8GHz)을 갖는 파일럿 신호를 생성할 수 있다. 또한, 상기 신호 발생기(350)는 미리 결정된 전력 세기를 갖는 파일럿 신호를 생성할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력 수신장치를 포함하는 드론은 미리 설정된 장소를 따라 이동하며, 이동 중에도 원거리에서 지속적인 전력 공급을 받음으로써, 배터리 충전을 위한 공백기 없이 정해진 업무를 지속적으로 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 배터리 충전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 무선전력 수신장치를 포함하는 드론(300)은 사용자 명령 등에 따라 미리 지정된 위치로 이동한다(S805). 드론(300)이 미리 지정된 위치에 도달한 경우, 해당 드론(300)은 제자리에서 비행하는 호버링(Hovering) 상태를 유지한다(S810).
드론(300)은 자신의 위치 추적을 위한 파일럿 신호를 무선전력 송신장치(Microwave Power Transmission, MPT, 200)로 전송한다(S815).
무선전력 송신장치(200)는 드론(300)으로부터 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 드론의 위치 및 거리를 추적한다(S820). 상기 무선전력 송신장치(200)는 무선전력 신호를 생성하여 상기 드론(300)의 위치로 전송한다(S825).
드론(300)은 무선전력 송신장치(200)로부터 수신된 무선전력 신호를 기반으로 배터리를 충전한다. 한편, 각 드론(300)은 무게, 날개 형태(회전익, 고정익) 및 크기 등에 따라 충전 시 요구하는 필요 전력량이 다르다.
드론(300)은 배터리 충전 전력량과 호버링 전력량을 서로 비교한다(S830). 상기 830 단계의 비교 결과, 배터리 충전 전력량이 호버링 전력량 이하인 경우, 드론(300)은 빔 패턴 조정 요청 신호를 무선전력 송신장치(200)로 전송한다(S835).
드론(300)으로부터 빔 패턴 조정 요청 신호를 수신한 경우(S840), 무선전력 송신장치(200)는 송신 전력량 및 빔 패턴을 조정한 후 무선전력 신호를 드론 방향으로 방사한다(S845).
한편, 상기 830 단계의 비교 결과, 배터리 충전 전력량이 호버링 전력량보다 큰 경우, 드론(300)은 호버링 상태를 계속 지속하면서 무선전력 신호를 기반으로 배터리를 충전한다(S850).
배터리가 만 충전 된 경우(S855), 드론(300)은 무선충전 종료 신호를 무선전력 송신장치(200)로 전송한다. 상기 무선충전 종료 신호를 수신한 무선전력 송신장치(200)는 무선전력 신호의 전송을 종료한다(S865).
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 무선전력 충전시스템 200: 무선전력 송신장치
210: 신호 발생기 220: 신호 전처리부
230: 신호 분배부 240: RF 신호 처리부
250: 송신 배열 안테나 260: 편파 재구성 스위치
270: 파일럿 빔 추적부 280: AD 컨버터
290: 전송 제어부 300: 무선전력 수신장치
310: 수신 배열 안테나 320: 편파 재구성 스위치
330: 신호 정류부 340: 파일럿 신호 제어부
350: 신호 발생기

Claims (7)

  1. 배터리 및 무선전력 수신장치를 포함하는 드론으로부터 파일럿 신호를 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 기반으로 상기 드론의 위치를 검출하며, 상기 검출된 드론 위치로 미리 결정된 주파수 대역을 갖는 무선전력신호를 전송하는 무선전력 송신장치를 포함하는 무선전력 충전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는, 능동위상배열안테나를 이용하여 상기 검출된 드론 위치로 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는, 상기 능동위상배열안테나를 이용하여 복수의 드론 방향으로 무선전력신호를 동시에 전송하기 위한 다중 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는, 동일 주파수 상에서 배열 중첩 원리를 이용하여 상기 다중 빔을 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는, 주파수 분할 방식을 이용하여 상기 다중 빔을 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 드론은, 배터리 충전 전력량과 호버링 전력량을 기반으로 빔 패턴 조정 요청 신호를 상기 무선전력 송신장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는, 상기 빔 패턴 조정 요청 신호에 대응하여, 상기 능동위상배열안테나를 이용하여 상기 무선전력신호의 빔 패턴을 조정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 충전시스템.
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