KR20210100255A - 도시간 드론비행을 위한 솔루션 드론스테이션 - Google Patents

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Abstract

현재 전기 모터를 활용하는 드론의 경우 배터리 제약조건으로 인해 장거리비행이 어려운 실정이다.
본 발명에서는 전투기들이 공중급유를 하면서 장거리비행을 하듯, 드론도 공중에서 충전을 할 수 있고, 공중충전소가 적절한 거리에 연결지점으로 배치가 된다면 비행거리는 크게 증가할 것이다. 본 과제에서는 드론의 장거리 비행을 위한 드론 무선 충전 스테이션을 제안하고자 한다.

Description

도시간 드론비행을 위한 솔루션 드론스테이션 {Solution for Intercity Drone Flight Drone Station}
1) 드론의 군집비행을 활용한 태양광판넬의 이동
현재 시중에 나온 택배 드론 기준으로 드론이 견딜 수 있는 무게를 계산하고 이를 활용해 4대의 드론이 태양광판넬을 공중에서 지지하는 구조로 제작.
2) 태양의 입사각을 고려한 공중 드론 충전소의 변형
태양광 판넬이 햇빛과 만나는 가장 효율적인 각도를 유지하기 위해서 조도센서(cds센서)를 사용해 드론 4대의 높이를 조정하여 태양광 판넬을 햇빛과 직각이 되도록 기울여서 효율적인 전력 공급을 한다.
3) 풍속의 영향을 덜 받게 하기 위한 충전 태양광 판넬의 구조
각각의 드론 4대가 바람등의 외부적인 요인에 균형을 잃거나 흔들려도 안정한 형태를 유지할 수 있도록 자이로스코프 센서를 달아서 안정 각도를 벗어나면 원래대로 돌아오게 하거나, 흔들리는 드론의 방향을 감지해서 반대방향으로 드론의 각도를 기울이는 등의 수평유지 효과가지 잡을 수 있다.
4) 장거리 비행을 위한 최단운행거리 선정 및 네비게이션
드론이 지나갈 때 마다 드론 충전소의 정확한 위치를 파악해야 하므로 gps 장치를 붙여서 정확한 좌표값을 입력해 효율적인 상공 충전소의 운행을 돕는다.
5) 판넬상부에서 비행드론의 무선충전 방식
무선 충전 방식, 전자기 유도 방식을 이용하여 드론 충전소에서 태양광 판넬을 이용해 얻은 전기를 무선 전송하여, 드론의 배터리 충전을 위한 케이블 선 없이 자동으로 충전되는 방식.
(1) 런던 임페리얼 칼리지의 유도결합을 이용한 무선 충전드론 (2016.10)
ㅁ 개요 : 임페리얼 칼리지 런던의 연구팀은 유도결합(inductive coupling)을 이용한 무선 충전 드론을 발표
ㅁ 장점 : 유도결합을 위한 무선 충전기 10cm위에서 드론은 전원공급이 될 경우 지속적으로 공중에서 비행가능
ㅁ 단점 : 충전거리가 10cm이므로 지면와 근접한 고도의 비행 및 호버링가능
ㅁ 시사점 : 현재 기술은 충전거리가 10cm이지만 무선충전의 유효거리를 늘리고 전력 손실을 줄이기 위한 기술은 계속해서 개발 중에 있음. 또한 유도결합을 변형하거나 혹은 다른 방식을 사용할 경우 드론 무선충전의 기술이 진일보하는 계기가 될 것임.
Figure pat00001
[출처]https://newatlas.com/wireless-power-drones/46030/
2) 재생에너지 드론
태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용하여, 드론이 비행 중에도 배터리를 충전할 수 있도록 하는 방식이다. 드론 본체에 태양광 패널을 장착하여 태양 에너지를 얻을 수 있다.
드론은 비행 중 배터리를 교체하거나 충전하기 위해 통제소에 돌아올 필요 없이 계속해서 임무를 수행할 수 있다는 장점이 있다.
태양광 패널 등의 장착으로 인해, 드론의 무게가 높아져 배터리 소모율이 높아질 수 있고, 야간이나 바람 한 점 없는 날씨에는 태양 및 풍력 에너지를 얻을 수 없어 배터리 충전이 어렵다.
Figure pat00002
[출처]https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=19453340&memberNo=38486222&vType=VERTICAL
3) 무선충전기지 : GET(Global Energy Transmission) 시스템
모스크바기술대학에서 개발한 무선충전 기지시스템은 착륙하지 않고도 한번에 여러대의 드론을 충전할 수 있는 공중 유도 충전시스템을 개발함. 기지를 충분히 건설한다면 드론을 공중에 배치해 착륙할 필요없이 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
직경이 약 10m인 막대에 6각형의 와이어 프레임이 부분적으로 구성된 가제보(gazebo:정자 형태의 천막 또는 간이 구조물) 형태를 하며 최대 12kw의 전력을 전송할 수 있다.
GET의 장거리 자율 드론 비전은 인간이 배터리를 교체하지 않고도 신속하게 재충전하는 것이다. 이를 통해 하나의 드론 혹은 여러 대의 드론이 끊임없이 지역을 감시하도록 몇 마일 내 상호 충전 루프를 만들 수 있다.
지상에 위치한 충전기지 시스템으로 충전 루프와 같은 방식은 효과적이지만 지상에 시스템이 구축되다보니 고정된 지점으로 드론이 왕복비행을 해야하므로 이 시스템을 좀 더 유동적으로 개선할 필요가 있다.
Figure pat00003
[출처]http://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=15112
4) 레이저빔 충전
레이저빔을 발사하면 그 에너지를 전기 에너지로 바꿔서 비행하는 무인 드론
많은 연료를 실을 수 없는 작은 드론이라도 아주 장시간 하늘에 체공하면서 정찰이 가능하다.지상에서 레이저 빔으로 에너지를 계속 공급하면 이를 전기 에너지로 바꾸어 비행하게 됨. 또한 레이저 동력 방식은 미래에 우주 개발에 적용될 여지가 있다. 강한 레이저를 발사할 경우 안전성 문제등이 거론될 수도 있다. 지상에서 충전을 해야하는 상황을 개선할 수 있으나 드론과의 거리가 멀수록 레이저의 강도를 높여야하는 위험부담이 있고 중간 장애물이 없는 상황에서만 제한적으로 유용하다.
Figure pat00004
[출처]https://technabob.com/blog/2012/07/12/lockheed-martin-stalker-uav/
- 기존의 비즈니스에 드론을 사용하려는 기업들은 주로 식품 및 상품들을 판매하는 전자상거래 업체나 물류 서비스를 진행하고 있는 회사들임.
Figure pat00005
(자료원: My Drone Authority & KOTRA 실리콘밸리 무역관 정리)
물류 업체와 아마존, 월마트 같은 전자 상거래의 대기업들을 위주로 드론 운송에 대한 노력과 시도는 계속되고 있고, 최근 구글이 연방항공국으로부터 처음으로 상업적 배송에 대한 인가를 받아 소비자에게 실제 물류 배송을 계획하고 있음.
드론 운송이, 특히 도시에서 일반화되기 까지는 물품의 무게와 크기 제한, 드론이 비행 시 발생시키는 소음의 피해뿐 아니라 배송비에 대한 문제 중 배터리 교체라든지 안전에 대한 모니터링 및 점검을 하는 인력에 대한 비용, 환경적인 어려움에서 강한 바람과 폭우 등으로 인한 비행 자체의 어려움과 다가구 주택에서는 집앞까지 배송에 대한 문제등이 야기됨
[문헌 1] 1020170003507 ,무인 드론 충전 스테이션(AUTOMATIC WIRELESS DRONE CHARGING STATION) [문헌 2] 1020160095879 에너지저장시스템(ESS)을 이용한 드론 무선 충전 및 정밀 위치 보정을 이용한 자동 착륙 유도시스템(Method and System for Drone Wireless Charging using Energy Storage System and Landing Guide using Precision Position Compensation)
우리가 일상생활 또는 산업의 현장에서 활용하는 드론의 배터리의 수명은 극히 제한적이다. 짧은 배터리 수명을 가진 드론은 성능에 비해 작동범위에 따른 한계가 명확하다. 그러나 드론의 배터리 용량이 커지게 되면 무게가 증가하게 되므로 모순적인 관계가 형성된다. 더욱이 제한적인 배터리로 인해 드론의 활동반경이 작아지게 되므로 장거리이동은 어려운 실정이다.
본 발명을 통하여 도시간 드론비행을 위한 공중태양광 충전소(스테이션)을 제안하여, 많은 드론들이 구동을 위해 배터리를 활용하며, 배터리 중량에 따른 제약조건으로 인해 장거리비행이 어려운 실정이다. 본 팀은 드론의 장거리 비행을 위한 드론의 공중 태양광 스테이션을 개발하고자 한다. 드론 충전 스테이션의 효과적인 운용을 위하여 기존의 태양전지와 달리 염료감응형 태양전지를 활용해 무게를 크게 줄이고, 서포트 드론을 활용하여 위치 변경, 호버링. 그리고 태양전지의 태양광 입사각 변화가 가능하도록 개발한다. 이를 통해 개발한 공중충전소가 적절한 거리에 연결지점으로 배치가 된다면 비행거리는 크게 증가할 것이며, 이를 통해 드론의 기능과 영향력을 확장하고 다양한 임무를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명에서 개발하고자하는 기술은 " 도시간 드론의 장거리이동을 위한 솔루션 "이라고 볼 수 있다. 이 솔루션의 핵심은 장거리이동을 위한 드론 공중충전소인 " 드론스테이션 "이라고 할 수 있다. 드론스테이션은 총4대의 드론이 군집비행을 통해 태양열전지판을 들어 올려 원하는 지점으로 이동하는 방식이다. 이 제품은 태양열전지판을 이용한 자가 충전방식 기술을 사용하여 이론적으로 지상으로 내려오지 않고 하늘에서 계속 떠있으면서 스스로 충전을 하면서 다른 드론도 충전할 수 있다. 또한 GPS 기능을 이용하여 무인으로 조종이 가능하여 드론이 스스로 기상정보를 받아서 분석하여 최적의 경로를 찾아낼 수 있으며 동시에 스스로 자율 비행이 가능하다. 또한 전자기 유도방식을 이용하여 드론을 공중에서 바로 충전 시킬 수 있어서 아주 먼 거리를 비교적 빠른 시간 동안 효율적으로 다닐 수 있다.
1) 드론의 군집비행을 활용한 태양광판넬의 이동
현재 시중에 나온 택배 드론 기준으로 드론이 견딜 수 있는 무게를 계산하고 이를 활용해 3~4대의 헥사드론이 태양광판넬을 공중에서 지지하는 구조로 제작. 현재 시중에 나온 택배 드론 기준으로
드론의 무게 : 16kg, 표준 이륙 무게 : 36~48kg, 배터리 : 12초 44.4V 리튬 포 배터리로 15분쯤, 태양광 판넬의 넓이 : 1670 * 1000 * 32mm, 무게 : 18.8kg, 전기 생산량 : 290~305 Wp을 고려해서 효율적인 충전스테이션을 구현한다.
2) 태양의 입사각을 고려한 공중 드론 충전소의 변형
태양광 판넬은 햇빛과 만나는 각도가 90도 일 때 효율이 가장 좋다. 이 태양광 판넬이 햇빛과 만나는 가장 효율적인 각도를 유지하기 위해서 조도센서(cds센서)를 사용해 드론 4대의 높이를 조정하여 태양광 판넬을 햇빛과 직각이 되도록 기울여서 효율적인 전력 공급을 한다.
3) 풍속의 영향을 덜 받게 하기 위한 충전 태양광 판넬의 구조
드론이 바람에 기체가 흔들리게 되어 스테이션의 태양열 충전 및 드론 무선 충전 시 문제가 될 수 있다. 각각의 드론 4대가 바람등의 외부적인 요인에 균형을 잃거나 흔들려도 안정한 형태를 유지할 수 있도록 자세 및 각속도를 측정할 수 있는 자이로스코프 센서를 달아서 안정 각도를 지속적으로 유지할 수 있도록 한다.
4) 장거리 비행을 위한 최단운행거리 선정 및 네비게이션
드론이 지나갈 때 마다 정확한 좌표위치에 드론 충전소를 띄워야 하므로 gps 장치를 붙여서 정확한 좌표값을 입력해 놓고 효율적인 상공 충전소의 운행을 돕는다. 또 예를 들면 택배 드론이 서울에서 부산까지 가기 위해 그 날의 날씨, 환경들을 예측해서 최소, 최적, 최고로 안전하고 빠른 경로를 계산하고 그때그때의 상황에 맞춰 가장 효율적인 경로로 직접 가서 가장 효율적인 새로운 "드론 길 " 그 자체를 형성 시킬 수 있다.
5) 판넬상부에서 비행드론의 무선충전 방식
사람이 없는 상공에서 사람의 도움없이 충전을 위한 유선 케이블을 꽂는다는 것은 굉장히 어려울 것으로 판단된다. 그래서 충전하기 어려운 유선 충전 방식 대신 최근 스마트폰에 활용되고 있는 무선 충전 방식, 전자기 유도 방식을 이용하여 드론 충전소에서 태양광 판넬을 이용해 얻은 전기를 무선 전송하는 방식 활용한다. 이 충전 방식을 이용하면 충전 케이블 없이 자동으로 충전을 할 수 있으므로, 이용이 쉽고 간편할 것으로 예상된다.
본 발명을 통하여 택배드론의 비행거리 확장이 가능하며, 도시간 및 장거리 비행으로 드론배송의 이동거리 확장이 가능하다.장거리비행간 배송안전을 위한 최적의 이동경로 확보가 가능하다.
본 발명을 통하여 군사용드론의 중간기지 활용이 가능하다. 군사목적의 장기간 작전수행을 위한 공중 전력공급, 임무변경 및 수정을 위한 프로그래밍 전달이 가능하다.
본 발명을 통하여 다중로터형 무인항공기의 단점극복 하여 3개 이상 다중 로터를 탑재한 드론의 비행시간 증가, 기상정보를 활용한 경로유도로 인해 바람의 영향 최소화가 가능하다.
본 발명으로 인하여 기존의 드론을 변형하거나 새롭게 개발하지 않고 장거리드론비행이 가능한 솔루션의 구축할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 드론의 임무수행할 수 있는 영역이나 영향력을 미치는 공간이 더욱 활장될 수 있다. 공중에서 드론을 충전하면서 중간 거점역할을 통해 최종목적지까지 최적의 경로로 유도하는 방식으로 드론의 유실을 줄이고 드론의 임무를 효과적으로 완수할 수 있다. 드론의 장거리비행은 많은 장점과 가능성이 있다. 도시간에 드론의 비행이 가능해진다는 것은 새로운 물류의 혁신이 이루어질 수 있으며 사물이나 제품의 교류뿐 아니라 재해재난지역의 구호품을 전달하는데에도 더욱 효과적이다.
도 1은 본 발명의 드론스테이션의 구조.
도 2은 임무수행을 위한 이동의 예시.
도 3은 이동경로 최적화의 예시.
도 4는 3개의 드론이 삼각형의 태양광판넬을 들어올리고 있는 형상.
도 5는 4개의 드론이 직사각형의 태양광판넬을 지지하고 있는 형상.
도 1는 공중충전을 위한 서포트드론의 군집비행 및 호버링을 하는 형태로, 염료감응형 태양전지를 활용한 태양광전지판넬의 무게 감축한다. 서포트드론으로 태양전지의 태양광 입사각의 변화가능이 가능하다.
도 2, 도 3 에서 보듯이 장거리비행시 지상의 형태와 종류, 대기정보(바람, 폭우등)를 활용하여 최적화된 이동경로 구성하고 GPS좌료를 활용하여 드론스테이션의 가변적 경로 구성한다.
도 4에서 3개의 드론이 삼각형의 태양광판넬을 들어올리고 있는 형상이다. 3개의 드론이 고도를 조절하면서 태양광의 입사각을 최적각으로 바꾸는 역할을 하고 삼각형의 안정적인 구조과 외부 기상현상을 극복할 수 있도록 한다. 하지만 드론의 수가 적다보니 충전할 수 있는 드론의 수가 제한될 수 있다는 단점이 있지만 이는 기술적인 부분으로 극복이 가능하다.
도 5에서는 4개의 드론이 직사각형의 태양광판넬을 지지하고 있는 형상이다. 삼각형에 비해 더 많은 태양광전력을 생산할 수 있지만 주변 기상의 영향을 받을 수 있지만 태양광판넬의 구조를 변형시킬 경우 극복할 수 있고 2대의 드론을 동시에 충전할 수 있는 구조로 확장할 수 있다. 그리고 다양한 기능을 추가로 탑재해서 공중에서 거점기지의 역할을 할 수 있다.

Claims (5)

  1. 군집비행을 통한 공중드론 충전스테이션 운용 방법.
  2. 태양광의 최대입사를 위한 드론스테이션의 운용 방법.
  3. 풍속에 의한 저항을 최소화하기 위한 충전스테이션내 태양광판넬 구조 구성.
  4. 미션드론의 경로를 최적화할 수 있는 충전스테이션 배치 방법.
  5. 충전스테이션 내 드론의 무선충전.
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