KR20210058070A

KR20210058070A - 멀티콥터의 요잉 제어시스템

Info

Publication number: KR20210058070A
Application number: KR1020190145052A
Authority: KR
Inventors: 최종필
Original assignee: 최종필
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-24
Also published as: KR102260716B1

Abstract

본 발명은 기체를 요잉(Yawing) 시키기 위하여 같은 방향으로 회전되는 한쌍의 모터 출력을 높일 경우 반대로 회전되는 다른 모터들과의 펄스폭변조(pulse width modulation : PWM)신호에 차이가 발생되는데, 이를 감지하여 별도 요잉날개의 풍력으로 기체가 회전되도록 함으로써, 요잉에 따른 모터 출력을 빠르게 낮춰서 배터리소모를 줄일 수 있는 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 기체에 방사상으로 다수의 아암이 구비되고, 각 아암 선단에는 서로 반대로 회전되는 A모터와 B모터가 번갈아 구비되어서 각각의 A날개 및 B날개를 회전시키고, 상기 기체에는 비행제어유닛이 내장되고, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터드라이버를 통하여 상기 비행제어유닛과 연결되어 출력이 제어되며, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터출력센서를 통하여 상기 비행제어유닛으로 PWM신호를 보내며, Y축을 기준으로 기체를 선회시키는 요잉 동작시 상기 A모터와 B모터의 출력이 서로 다르게 상기 비행제어유닛이 출력을 제어하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 있어서, 상기 어느 한 A모터와 B모터의 사이에 보조아암을 통하여 요잉모터가 구비되고, 상기 요잉모터로 회전되는 요잉날개는 X축에 직교되고 Y축에 나란한 방향으로 구비되어서 바람의 힘으로 상기 기체가 Y축을 기준으로 제자리 회전되도록 하며; 상기 요잉모터는 상기 A모터와 B모터의 PWM신호값의 차이에 따라 정회전 또는 역회전되도록 한 특징이 있다.

Description

멀티콥터의 요잉 제어시스템{Multicopter Yawing Control System}

본 발명은 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체를 요잉(Yawing) 시키기 위하여 같은 방향으로 회전되는 한쌍의 모터 출력을 높일 경우 반대로 회전되는 다른 모터들과의 펄스폭변조(pulse width modulation : PWM)신호에 차이가 발생되는데, 이를 감지하여 별도 요잉날개의 풍력으로 기체가 회전되도록 함으로써, 요잉에 따른 모터 출력을 빠르게 낮춰서 배터리소모를 줄일 수 있는 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 관한 것이다.

일반적으로 멀티콥터는 프로펠러의 개수에 따라 쿼드콥터(프로펠러 4개), 헥사콥터(프로펠러 6개) 및 옥토콥터(프로펠러 8개) 등으로 구성된다.

x축 방향을 전후 방향이라 하고 y축을 좌우 방향이라 하며, z축을 상하 방향이라 할 경우 x축을 중심으로 멀티콥터 기체가 좌우로 회전하는 것을 롤링(rolling) 운동이라 하고, y축을 중심으로 기체가 앞뒤로 회전하는 것을 피칭(pitching) 운동이라 하며, z축을 중심으로 기체가 회전하는 것을 요잉(yawing) 운동이라 한다.

프로펠러가 4개인 쿼드콥터의 경우 마주하는 양쪽 날개들 회전을 반대로 하여 같은 출력으로 회전시킬 경우 기체는 정지상태로 호버링()이 된다. 이런 상태에서 뒤쪽에 위치한 날개 2개의 회전속도를 증가시키면 뒷부분이 앞 부분에 비해 상대적으로 위로 들리는 피칭동작을 통하여 앞쪽으로 기울게 되고, 이 자세의 기울기에 의해 앞쪽으로 진행하는 추진력이 발생되어 전진하게 되며, 후진은 반대로 진행된다. 또한 좌측에 위치한 날개 2개의 회전속도를 증가시키면 우측부분에 비해 상대적으로 위로 들리는 롤링동작을 통하여 우측으로 기울게 되고, 이때 기체는 우측으로 움직인다.

기체의 상승과 하강은 날개를 모두 같은 속도로 빠르게 회전시키거나 느리게 회전시키면 간단히 해결된다. 요잉 조종은 대각선에 위치한 같은방향으로 회전되는 한쌍의 모터 속도를 조절하여 이루어지는데, 대각선에 있는 모터의 속도를 올리면 반토크가 발생되어 기체는 반대로 제자리 회전된다.

상기에서 멀티콥터의 요잉 동작은 반토크(Antitorque)의 원리로 제자리 회전되는데, 반토크는 모터의 회전량과 날개의 크기에 비례한다.

그러나 레이싱드론 처럼 날개 크기를 줄여서 기체를 빠르게 움직이게 제작할 경우 기체에 비하여 날개크기가 작아지게 되어 반토크(Antitorque)가 상대적으로 약해진다. 따라서 신속한 회전을 위해선 날개가 상대적으로 큰 일반 멀티콥터보다 모터출력을 높게 하기 때문에 배터리소모가 빠르게 진행되어 비행시간이 단축되는 단점이 있었다.

종래 특허 제812756호는 본체부를 중심으로 직교하는 4방향의 동일 반경에 설치되어 동일한 방향으로의 회전력을 갖는 4개의 메인 구동로터 및 상기 본체부의 상부 중심에 회전운동이 가능한 상태로 축 설치되어 4개의 메인 구동로터에 대응되는 반대 회전력을 발생시켜 기체의 요잉 제어가 이루어지도록 하는 요잉제어 구동로터를 포함하는 요잉제어가 용이한 쿼드로콥터를 제안한 바 있다.

그러나 종래 특허는 반토크로 기체를 제자리 회전켜야 되기 때문에 요잉제어 구동로터 및 날개 크기를 소형으로 줄일 수 없는 단점이 있으며, 요잉제어 구동로터 및 날개가 커지므로 배터리 전력소모를 줄일 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 기체를 요잉(Yawing) 시키기 위하여 같은 방향으로 회전되는 한쌍의 모터 출력을 높일 경우 반대로 회전되는 다른 모터들과의 펄스폭변조(pulse width modulation : PWM)신호에 차이가 발생되는데, 이를 감지하여 별도 요잉날개의 풍력으로 기체가 회전되도록 함으로써, 요잉에 따른 모터 출력을 빠르게 낮춰서 배터리소모를 줄일 수 있는 멀티콥터의 요잉 제어시스템을 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 기체에 방사상으로 다수의 아암이 구비되고, 각 아암 선단에는 서로 반대로 회전되는 A모터와 B모터가 번갈아 구비되어서 각각의 A날개 및 B날개를 회전시키고, 상기 기체에는 비행제어유닛이 내장되고, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터드라이버를 통하여 상기 비행제어유닛과 연결되어 출력이 제어되며, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터출력센서를 통하여 상기 비행제어유닛으로 PWM신호를 보내며, Y축을 기준으로 기체를 선회시키는 요잉 동작시 상기 A모터와 B모터의 출력이 서로 다르게 상기 비행제어유닛이 출력을 제어하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 있어서, 상기 어느 한 A모터와 B모터의 사이에 보조아암을 통하여 요잉모터가 구비되고, 상기 요잉모터로 회전되는 요잉날개는 X축에 직교되고 Y축에 나란한 방향으로 구비되어서 바람의 힘으로 상기 기체가 Y축을 기준으로 제자리 회전되도록 하며; 상기 요잉모터는 상기 A모터와 B모터의 PWM신호값의 차이에 따라 정회전 또는 역회전되도록 한 특징이 있다.

본 발명 한 실시예는 반대로 회전되는 모터들의 펄스폭변조값의 차이를 감지하고 이 신호에 따라 별도의 요잉날개를 회전시켜 날개 바람의 힘으로 기체를 회전시키므로 반대로 회전되는 모터들의 출력을 빠르게 낮춰줄 수 있으므로 배터리소모가 줄어들게 되어 비행시간이 연장되는 등의 이점이 있다.

또한 각 모터의 모터출력센서와 비행제어유닛(FCU)을 연결하는 신호선에 병렬로 연결하여 서로 반대로 회전되는 모터의 펄스폭변조신호(PWM)의 차에 따라 상기 요잉날개 회전을 제어하는 검출모듈만 제작하면 되므로 기존의 비행제어유닛을 새로 설계해야 되는 어려움이 해소되고, 또한 상기 검출모듈만 제작하면 멀티콥터의 종류마다 서로 다른 비행제어유닛 시스템에 모두 적용 가능하므로 호환성이 향상되는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 쿼드콥터 사시도
도 2는 본 발명 한 실시예의 쿼드콥터 평면도
도 3은 본 발명 한 실시예의 레이싱드론의 평면도
도 4는 본 발명 한 실시예의 제어 블록도

도 1 내지 도 2에서 본 발명 한 실시예의 쿼드콥터는 기체(10)의 사방으로 아암(11)이 구비되고 각 아암(11)의 선단에는 같은 방향으로 회전되는 한쌍의 A모터(20) 상기 A모터(20)와 반대방향으로 회전되는 한쌍의 B모터(30)가 각각 구비되며, 각 A모터(20) 및 B모터(30)에는 A날개(21) 및 B날개(31)가 각각 구비된다. 상기 A모터(20) 및 B모터(30)는 사각형의 모서리에 배치된 상태에서 상하측 및 좌우측으로 대응되며 대각선 방향으로는 A모터(20)끼리 또는 B모터(30)끼리 대응된다.

그리고 상기 기체(10)에는 상기 어느 한 A모터(20)와 B모터(30) 사이 중간지점에 보조아암(12)이 구비되고, 보조아암(12)의 선단에는 요잉날개(41)를 갖는 요잉모터(40)가 구비된다. 상기 요잉날개(41)는 풍력으로 기체(10)를 요잉동작시켜 Z축을 기준으로 기체(10)를 좌우측으로 선회시킬 때 사용된다. 따라서 상기 요잉날개(41)는 X축에 직교되고 Y축에 나란하게 구비된다.

도 3은 헥사콥터와 같이 6개의 모터를 사용하지만 트라이콥터와 같은 구조에 회전방향이 서로 다른 2개의 모터를 조합한 멀티콥터로써, 기체(10)의 좌우측 및 꼬리쪽에 상하측으로 회전방향이 서로 다른 한쌍의 A,B모터(20)(30)가 구비되고, 각 모터(20)(30)에는 날개(21)(31)가 각각 구비된다. 그리고 꼬리쪽에는 요잉모터(40) 및 요잉날개(41)가 구비되는데, 상기 요잉날개(41)는 X축에 직교되고 Y축에 나란하게 구비되어서 Z축을 기준으로 기체를 좌우측으로 선회시키는 요잉동작시 사용된다.

도 4는 본 발명 한 실시예의 블록도로써, 기체(10)에는 비행제어유닛(FCU)(50)이 구비되어서 원격지와 무선통신하면서 기체의 비행자세를 조정한다. 상기 비행제어유닛(40)에는 다양한 센서가 탑재되는데, GPS수신기, 관성항법시스템, 자이로센서(52), 가속센서(51), 온도감지센서, 거리감지센서 등이 있다. 상기 GPS(Global Positioning System)란 GPS 위성에서 전송하는 신호를 GPS 수신기가 수신하여 현재 위치를 좌표로 계산하는 위성항법장치이고, 관성센서인 자이로센서(52)와 가속센서(51)는 기체의 가속도와 각속도를 이용하여 기체의 위치, 속도 및 자세에 대한 정보를 계산하는데 이용된다.

상기 A모터(20) 및 B모터(30)는 비행제어유닛(40)과 모터드라이버(53)로 연결되어 A날개(21) 및 B날개(31)의 회전수가 제어되고, 상기 A모터(20) 및 B모터(30)는 모터출력센서(54)를 통하여 PWM신호를 모터드라이버(53)로 전송한다. 따라서 비행제어유닛(40)은 각 모터의 실제 회전수를 PWM신호로 감지하여 기체의 자세를 제어한다.

본 발명 한 실시예는 상기 비행제어유닛(40)과 모터출력센서(54)의 신호선에 병렬로 연결되는 PWM연산모듈(60)이 구비되고, 상기 PWM연산모듈(60)은 요잉모터드라이버(61)를 통하여 상기 요잉모터(40)의 회전을 제어한다. 상기 PWM연산모듈(60)은 상기 A모터(20)와 B모터(30)의 회전수 차이를 연산하여 회전수에 차이가 발생되면 상기 요잉모터(40)를 정역회전 시킨다. 예컨데 도 2에서와 같이 A모터(20)의 출력을 높여서 B모터(30)의 회전수 보다 큰 요잉동작이 발생되면 기체(10)는 시계방향으로 회전되려 한다. 이때 상기 PWM연산모듈(60)은 A모터(20)의 회전수와 B모터(30)의 회전수의 차이를 감지하여 상기 요잉모터(40)를 정회전시키고, 상기 요잉날개(41)의 풍력으로 상기 기체(10)를 시계방향으로 회전시키는데 도움을 준다. 따라서 기체(10)가 빠르게 회전되므로 상기 A모터(20)의 출력을 빠르게 낮춰 배터리 소모를 줄일 수 있는 이점이 있다.

상기의 반대로 B모터(30)의 출력이 높아지면 기체(10)는 반시계방향으로 요잉동작이 발생되고, 이는 PWM연산모듈(60)이 감지하여 요잉날개(41)가 역회전되도록 요잉모터(40)가 회전제어된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 멀티콥터는 서로 마주 접하는 A모터(20) 및 B모터(30)의 회전을 반대로 제어함으로써 기체를 수직 이착륙시킬 수 있다. 또한 피칭동작을 통하여 기체를 전후측으로 움직이거나 롤링동작으로 기체를 좌우측으로 조정할 수 있으며, 요잉동작으로 기체를 제자리 선회시킬 수 있다.

본 발명 한 실시예에서 요잉동작은 다음과 같이 이뤄진다. 먼저 한쌍의 A모터(20)와 한쌍의 B모터(30)가 같은 출력으로 회전되는 동안 기체(10)는 제자리 수평비행을 하게 된다. 이런 상태에서 상기 비행제어유닛(40)에서 같은 방향으로 회전되는 한쌍의 A모터(20)의 출력을 한쌍의 B모터(30)의 출력보다 더 높일 경우 또는 반대로 B모터(30)의 출력을 A모터(20)의 출력보다 더 높일 경우 기체(10)는 시계방향 또는 반시계방향으로 제자리 회전된다.

상기 A모터(20)와 B모터(30)는 각각의 모터출력센서(54)를 통하여 상기 비행제어유닛(40)과 연결되어서 각 모터들의 PWM신호를 통보하고, 상기 비행제어유닛(40)은 상기 PWM신호에 따라 상기 모터들의 회전수를 제어한다. 상기 PWM연산모듈(60)은 상기 모터출력센서(54)와 비행제어유닛(40)을 연결하는 신호선에 병렬로 연결되어서 각 A모터(20)와 B모터(30)의 PWM신호를 중간에서 획득한다.

따라서 상기 PWM연산모듈(60)은 상기 A모터(20)와 B모터(30)의 회전수 차이를 연산하여 A모터(20)의 출력이 더 높을 경우 상기 요잉모터드라이버(61)를 통하여 상기 요잉모터(40)를 정회전시킨다. 따라서 상기 요잉모터(40)의 작동으로 발생되는 풍력으로 인하여 기체(10)는 Y축을 기준으로 시계방향으로 회전되므로 기체(10)가 신속하게 원하는 위치로 회전된다. 따라서 비행제어유닛(40)은 기체(10)가 원하는 지점에 놓이면 이를 감지하여 A모터(20)의 출력을 낮춰 B모터(30)와 같게 해주므로 A모터(20)의 출력을 빠르게 낮춰 배티러소모를 줄일 수 있으므로 비행시간의 연장에 도움을 준다.

또한 반대로 B모터(30)의 출력이 증가하는 경우 상기 PWM연산모듈(60)은 상기 요잉모터(40)가 역회전되도록 상기 요잉모터드라이버(61)를 제어한다.

10 : 기체 11 : 아암
12 : 보조아암 20 : A모터
30 : B모터 40 : 요잉모터
41 : 요잉날개 50 : 비행제어유닛
53 : 모터드라이버 54 : 모터출력센서
60 : PWM연산모듈 61 : 요잉모터드라이버

Claims

기체에 방사상으로 다수의 아암이 구비되고, 각 아암 선단에는 서로 반대로 회전되는 A모터와 B모터가 번갈아 구비되어서 각각의 A날개 및 B날개를 회전시키고, 상기 기체에는 비행제어유닛이 내장되고, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터드라이버를 통하여 상기 비행제어유닛과 연결되어 출력이 제어되며, 상기 각 A모터와 B모터는 각각의 모터출력센서를 통하여 상기 비행제어유닛으로 PWM신호를 보내며, Y축을 기준으로 기체를 선회시키는 요잉 동작시 상기 A모터와 B모터의 출력이 서로 다르게 상기 비행제어유닛이 출력을 제어하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템에 있어서,
상기 어느 한 A모터와 B모터의 사이에 보조아암을 통하여 요잉모터가 구비되고, 상기 요잉모터로 회전되는 요잉날개는 X축에 직교되고 Y축에 나란한 방향으로 구비되어서 바람의 힘으로 상기 기체가 Y축을 기준으로 제자리 회전되도록 하며;
상기 요잉모터는 상기 A모터와 B모터의 PWM신호값의 차이에 따라 정회전 또는 역회전되도록 한 것을 특징으로 하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각 모터출력센서와 비행제어유닛을 연결하는 신호선에 병렬로 연결되어서 상기 A모터와 B모터의 출력의 차이를 검출하는 PWM연산모듈이 구비되고,
상기 PWM연산모듈과 상기 요잉모터는 요잉모터드라이버를 통하여 연결되어서 상기 상기 요잉모터의 회전이 제어됨을 특징으로 하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
기체의 좌,우측 및 꼬리쪽에 각각 상,하측으로 회전방향이 서로 다른 한쌍의 A모터와 B모터가 구비되고, 각 모터에는 A날개 및 B날개가 각각 구비되어서 트라이콥터로 구성되고,
상기 기체의 꼬리쪽에는 상기 A모터 또는 B모터와 간섭되지 않게 상기 요잉모터 및 요잉날개가 구비됨을 특징으로 하는 멀티콥터의 요잉 제어시스템.