KR20210058065A - 무인비행기를 이용한 환경관측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인비행기의 중앙에 수직으로 세워진 중심축의 상단에 환경관측장치를 설치하여 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하되, 상기 중심축이 무인비행기의 비행자세와 무관하게 수직으로 세워진 상태에서 항상 북쪽을 가리키도록 자세 제어함으로써, 방위각에 따른 풍속을 정확하게 측정할 수 있는 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 모터로 회전되는 날개를 통하여 롤링, 피칭 및 요잉이 가능하고 제자리 정지비행이 가능한 기체의 중앙은 상하측으로 관통된 공간부를 제공하며, 이 공간부에 중공상의 X축프레임이 X축모터를 통하여 X축방향으로 회전가능하게 구비되고, 상기 X축프레임의 내부에 Y축모터를 통하여 Y축방향으로 움직이는 Y축프레임이 구비되며, 상기 Y축프레임 상측에 Z축프레임이 구비되고, 상기 Z축프레임 중앙에는 기체의 상하측으로 관통되는 중심축이 구비되며, 상기 중심축과 떨어져서 상기 Z축프레임에는 상기 중심축과 벨트로 연결되는 Z축모터가 구비되어서 상기 중심축을 제자리 회전시키는 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 있어서, 상기 중심축의 상단에 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하는 환경관측기가 장착되고, 상기 중심축의 하단에는 무게추가 구비되며; 상기 Z축프레임에는 상기 X축모터의 회전을 제어하는 X축자이로센서와 Y축모터의 회전을 제어하는 Y축자이로센서가 내장된 관성측정장치가 구비되어서 상기 기체의 자세와 무관하게 상기 중심축을 수직으로 세워주고; 그리고 상기 환경관측기에는 상기 관성측정장치와 신호선으로 연결되는 방위각센서가 구비되어서 상기 환경관측기가 북쪽을 향하도록 상기 상기 Z축모터의 회전을 제어하는 특징이 있다.

Description

무인비행기를 이용한 환경관측장치{Environmental observation device using drone}

본 발명은 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인비행기의 중앙에 수직으로 세워진 중심축의 상단에 환경관측장치를 설치하여 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하되, 상기 중심축이 무인비행기의 비행자세와 무관하게 수직으로 세워진 상태에서 항상 북쪽을 가리키도록 자세 제어함으로써, 방위각에 따른 풍속을 정확하게 측정할 수 있는 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 관한 것이다.

일반적으로 무인비행기는 카메라를 장착하여 원하는 장소를 공중에서 쉽게 촬영할 수 있는 분야에 많이 사용되고 있다. 최근에는 물건을 배달하는 택배분야, 튜브를 익수자에게 전달하는 인명구조분야, 농약을 살포하는 농사분야 및 화재진압분야 등 다양한 곳에서 무인비행기가 활용되고 있다.

최근에는 지표면 부근 낮은 고도(대기경계층) 관측 시 일회용인 라디오존데를 대체할 목적으로 멀티콥터(드론)를 이용한 환경관측 연구를 활발하게 진행 중이다. 국지적인 환경감시, 환경예보, 환경연구 등을 위하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등의 환경 요소에 대한 고도별 실시간 관측이 필요한데, 고가의 윈드 라이다 같은 원격 환경관측장비는 상공의 바람에 따라 상승이동하기 때문에 목적관측을 위해 특정 고도에서 지속적이고 정확한 환경관측은 불가능한 단점이 있었다.

종래 공개특허 제10-2018-0031298호는 멀티콥터(드론)형 소형무인기 환경관측 시스템 및 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 환경요소의 고도별 실시간 관측 방법 및 환경관측 시스템을 제안한 바 있다.

종래 특허는 멀티콥터 프로펠러에서 발생하는 바람에 영향을 받지 않기 위하여 환경관측 복합센서를 멀티콥터 중심으로부터 충분히 멀리 떨어트려 설치하였으며, 상기 멀티콥터 혹은 짐벌에 고정된 풍속측정관을 멀티콥터 혹은 짐벌의 요(YAW) 축을 중심으로 회전시키고, 풍속측정관 내의 풍속 및 방위각을 측정하였다. 그리고 각 방위각마다 풍속을 저장하고, 또한 풍속이 최대인 방위각을 해당 위치와 고도에서의 풍향으로 결정하였다.

그러나 종래 특허는 풍속측정관이 멀티콥터와 수평적으로 떨어져 설치되기 때문에 프로펠터의 회전에 따른 와류 영향을 차단하는데 한계가 있었으며, 또한 멀티콥터의 비행방향과 무관하게 풍속측정관이 항상 북쪽을 향하도록 고정할 수 없으므로 멀티콥터를 조정하여 풍속측정관의 방위각을 원격으로 보정하는 작업이 필요한 등의 단점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 본 발명자의 특허 제1848690호에 환경관측장비를 탑재할 수 있도록 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 무인비행기의 중앙에 수직으로 세워진 중심축의 상단에 환경관측장치를 설치하여 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하되, 상기 중심축이 무인비행기의 비행자세와 무관하게 수직으로 세워진 상태에서 항상 북쪽을 가리키도록 자세 제어함으로써, 방위각에 따른 풍속을 정확하게 측정할 수 있는 무인비행기를 이용한 환경관측장치를 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 모터로 회전되는 날개를 통하여 롤링, 피칭 및 요잉이 가능하고 제자리 정지비행이 가능한 기체의 중앙은 상하측으로 관통된 공간부를 제공하며, 이 공간부에 중공상의 X축프레임이 X축모터를 통하여 X축방향으로 회전가능하게 구비되고, 상기 X축프레임의 내부에 Y축모터를 통하여 Y축방향으로 움직이는 Y축프레임이 구비되며, 상기 Y축프레임 상측에 Z축프레임이 구비되고, 상기 Z축프레임 중앙에는 기체의 상하측으로 관통되는 중심축이 구비되며, 상기 중심축과 떨어져서 상기 Z축프레임에는 상기 중심축과 벨트로 연결되는 Z축모터가 구비되어서 상기 중심축을 제자리 회전시키는 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 있어서, 상기 중심축의 상단에 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하는 환경관측기가 장착되고, 상기 중심축의 하단에는 무게추가 구비되며; 상기 Z축프레임에는 상기 X축모터의 회전을 제어하는 X축자이로센서와 Y축모터의 회전을 제어하는 Y축자이로센서가 내장된 관성측정장치가 구비되어서 상기 기체의 자세와 무관하게 상기 중심축을 수직으로 세워주고; 그리고 상기 환경관측기에는 상기 관성측정장치와 신호선으로 연결되는 방위각센서가 구비되어서 상기 환경관측기가 북쪽을 향하도록 상기 상기 Z축모터의 회전을 제어하는 특징이 있다.

본 발명에 따르면 환경관측장치가 무인비행기의 중심축 상단에 수직으로 높게 설치되기 때문에 날개에서 발생되는 바람의 영향을 받지 않으며, 특히 무인비행기의 비행자세와 무관하게 수직으로 세워진 중심축은 항상 북쪽을 가리키므로 방위각이 고정된 상태에서 풍속을 정확하게 측정할 수 있으며, 또한 조정사가 환경관측장치의 방향을 조정하지 않더라도 자동으로 항상 북쪽을 가리키므로 무인비행기를 자유롭게 조정할 수 있는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 무인비행기의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 환경관측장치 설치상태 측면도
도 3은 본 발명 한 실시예의 환경관측장치 설치상태 확대도
도 4는 본 발명 한 실시예의 환경관측장치 제어 블록도

도 1 내지 도 4에서 본 발명 한 실시예의 무인비행기는 기체(10)의 사방으로 다수의 아암(11)이 구비되고, 각 아암(11)의 선단에는 모터(12)로 회전되는 날개(13)가 구비된다. 그리고 기체(10)의 중앙은 상하측으로 관통된 공간부를 제공하며, 이 공간부에 중공상의 X축프레임(20)이 X축모터(21)를 통하여 X축방향으로 회전가능하게 구비된다. 그리고 상기 X축프레임(20)의 내부에 Y축모터(31)를 통하여 Y축방향으로 움직이는 Y축프레임(30)이 구비되며, 상기 Y축프레임(30) 상측에 Z축프레임(40)이 구비된다.

상기 Z축프레임(40)에는 중앙에 기체(10)의 상하측으로 관통되는 중심축(50)이 구비되고, 상기 중심축(50)의 상단에 환경관측기(60)가 장착되며, 상기 중심축(50)의 하단에 무게추(51)가 구비된다. 또한 상기 중심축(50)과 떨어져서 상기 Z축프레임(40)에는 상기 중심축(50)과 벨트로 연결되는 Z축모터(41)가 구비되어서 상기 중심축(50)을 제자리 회전시킨다.

상기 환경관측기(60)는 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지, 질소 및 인 등의 환경정보를 측정하기 위한 것으로서, 이러한 환경정보는 기체(10)에 장착된 무선통신모듈을 통하여 원격지 관리자에게 통보된다. 상기 환경관측기(60)는 기체(10)의 비행자세와 무관하게 항상 북쪽을 가리키도록 하기 위하여 상기 환경관측기(60)의 하부에 방위각센서(61)가 구비되고, 상기 Z축프레임(40)에는 상기 방위각센서(61)와 신호선(62)으로 연결되는 관성측정장치(14)가 구비된다.

상기 중심축(50)은 제자리 회전되므로 신호선(62)의 꼬임을 방지하기 위하여 중심축(50)의 외주면에 슬립링(63)이 장착되어서 신호선(62)이 슬립링(63)을 통하여 방위각센서(61)와 관성측정장치(14)를 연결한다. 상기 관성측정장치(14)에는 X축모터(21)의 회전을 제어하는 X축자이로센서(14a)와 Y축모터(31)의 회전을 제어하는 Y축자이로센서(14b)가 내장되어서 기체(10)의 자세와 무관하게 상기 중심축(50)이 항상 수직으로 세워지게 해준다. 그리고 상기 방위각센서(61)의 입력신호를 연산하는 연산부(64)를 통하여 상기 Z축모터(41)의 회전을 제어하는 모터제어부(65)가 내장된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 환경관측장치는 중심축(50)이 항상 수직으로 세워진 상태에서 상기 환경관측기(60)가 북쪽을 계속 가리키므로 북쪽을 기준으로 풍향 및 풍속을 정확하게 측정할 수 있다.

상기 중심축(50)은 기체(10)와 무관하게 X축프레임(20) 및 Y축프레임(30)을 통하여 Z축프레임(40)에 장착되기 때문에 3차원적으로 자세 제어된다. 상기 X축프레임(20)의 내부에 Y축프레임(30)이 Y축을 기준으로 회동되게 구비되고, 상기 Y축프레임(30)의 상부에는 Z축프레임(40)이 일체로 구비된 상태에서 상기 Z축프레임(40)에 회전가능하게 구비되는 중심축(50)이 Z축모터(41)를 통하여 제자리 회전되므로 상기 중심축(50)이 항상 수직으로 세워진다. 상기 관성측정장치(14)에 내장된 X축자이로센서(14a)와 Y축자이로센서(14b)를 통하여 상기 X축모터(21)와 Y축모터(31)가 회전제어되어 상기 Z축프레임(40)이 기체(10)의 자세와 무관하게 항상 수평으로 유지되므로 결국 상기 중심축(50)이 수직으로 세워진다.

또한 상기 중심축(50) 상단의 환경관측기(60)에 부착된 방위각센서(61)가 신호선(62)과 슬립링(63)을 통하여 상기 관성측정장치(14)에 내장된 연산부(64)와 연결되는데, 상기 연산부(64)는 방위각센서(61)의 방위각에 따라 상기 모터제어부(65)로 출력신호를 보내서 상기 Z축모터(41)의 회전을 제어하므로 상기 중심축(50)이 항상 북쪽을 가리키게 된다.

따라서 상기 환경관측기(60)는 상기 기체(10)의 자세와 무관하게 항상 정해진 위치에 수직으로 세워져 있으므로 풍향 및 풍속을 정확하게 측정할 수 있으며 별도 방위각이 변하지 않으므로 원격지에서 별도 보정작업을 할 필요가 없는 등의 이점이 있다.

10 : 기체 14 : 관성측정장치
20 : X축프레임 21 : X축모터
30 : Y축프레임 31 : Y축모터
40 : Z축프레임 41 : Z축모터
50 : 중심축 51 : 무게추
60 : 환경관측기 61 : 방위각센서
62 : 신호선 63 : 슬립링
64 : 연산부 65 : 모터제어부

Claims (2)

1. 모터로 회전되는 날개를 통하여 롤링, 피칭 및 요잉이 가능하고 제자리 정지비행이 가능한 기체의 중앙은 상하측으로 관통된 공간부를 제공하며, 이 공간부에 중공상의 X축프레임이 X축모터를 통하여 X축방향으로 회전가능하게 구비되고, 상기 X축프레임의 내부에 Y축모터를 통하여 Y축방향으로 움직이는 Y축프레임이 구비되며, 상기 Y축프레임 상측에 Z축프레임이 구비되고, 상기 Z축프레임 중앙에는 기체의 상하측으로 관통되는 중심축이 구비되며, 상기 중심축과 떨어져서 상기 Z축프레임에는 상기 중심축과 벨트로 연결되는 Z축모터가 구비되어서 상기 중심축을 제자리 회전시키는 무인비행기를 이용한 환경관측장치에 있어서,
   상기 중심축의 상단에 풍향, 풍속, 온습도, 미세먼지, 초미세먼지 및 질소 등의 환경정보를 측정하는 환경관측기가 장착되고, 상기 중심축의 하단에는 무게추가 구비되며;
   상기 Z축프레임에는 상기 X축모터의 회전을 제어하는 X축자이로센서와 Y축모터의 회전을 제어하는 Y축자이로센서가 내장된 관성측정장치가 구비되어서 상기 기체의 자세와 무관하게 상기 중심축을 수직으로 세워주고; 그리고
   상기 환경관측기에는 상기 관성측정장치와 신호선으로 연결되는 방위각센서가 구비되어서 상기 환경관측기가 북쪽을 향하도록 상기 상기 Z축모터의 회전을 제어함을 특징으로 하는 무인비행기를 이용한 환경관측장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중심축에는 상기 신호선과 상기 관성측정장치를 연결하는 슬립링이 구비되고,
   상기 관성측정장치에는 상기 방위각센서의 입력신호를 연산하는 연산부를 통하여 상기 Z축모터의 회전을 제어하는 모터제어부가 구비됨을 특징으로 하는 무인비행기를 이용한 환경관측장치.

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