KR20220144940A - 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템 - Google Patents

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허진혁
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템에 관한 것으로서, 일반인이 익숙한 방식으로 더 손쉽게 도심 항공 모빌리티의 비행체를 조종할 수 있도록 하는 휴먼-머신 인터페이스 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 비행체의 조향을 위해 조작하도록 구비되는 조향휠; 비행체의 가속을 위해 조작하도록 구비되는 가속페달; 비행체의 감속 및 제동을 위해 조작하도록 구비되는 감속페달; 비행체가 비행할 목표 고도를 선택 및 지정하도록 구비되는 고도 지정장치; 상기 조향휠, 가속페달, 감속 페달, 고도 지정장치의 조작에 따른 운전 입력 정보를 포함하는 비행체 운전 정보를 기초로 비행체의 고도, 가속, 감속 및 제동, 그리고 조향을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어기; 및 상기 제어기에서 생성된 제어 명령에 따라 구동이 제어되는 구동장치를 포함하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템이 개시된다.

Description

도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템{Control system of air vehicle for urban air mobility}
본 발명은 비행체의 조종 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반인이 익숙한 방식으로 더 손쉽게 도심 항공 모빌리티의 비행체를 조종할 수 있도록 해주는 비행 조종 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 좁은 공간에서 이착륙이 가능하고 비행 자유도가 높은 수직 이착륙기(Vertical Take-Off and Landing, VTOL)가 미래의 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)로 적극 검토되고 있다.
현재 틸트로터(Tiltrotor) 방식의 STOVL(Short Take Off and Vertical Landing) 항공기가 대표적인 수직 이착륙기라 할 수 있으나, 최근 전동화 기술이 발전함에 따라 멀티 로터(Multi-rotor)를 갖는 드론(Drone) 타입의 수직 이착륙기에 대한 관심이 높아지고 있다. 일례를 들면, 드론 타입의 수직 이착륙기로서 4개의 로터(Rotor)를 갖는 쿼드콥터(Quadcopter)가 알려져 있고, 이 쿼드콥터가 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체로 이용될 수 있다.
도 1은 전동 드론 방식의 수직 이착륙기인 쿼드콥터를 예시한 도면이고, 이에 나타낸 바와 같이, 쿼드콥터 등의 전동 드론(1)은 요(Yaw), 롤(Roll), 피치(Pitch) 운동이 가능하다.
이러한 쿼드콥터를 조종하기 위해 도 2와 같은 HMI(Human-Machine Interface)가 이용되고 있다. 도 2는 쿼드콥터의 조종을 위한 종래의 HMI를 간략 예시한 도면으로, 조종기의 레버(2)를 조작하는 방향에 따라 드론을 전후(Forward/Backward), 좌우(Move Left/Move Right), 상하(Up/Down) 방향으로 이동시키거나 좌우 회전(Rotate Left/Rotate Right)시킬 수 있다.
이와 같이 전동 드론은 로터들의 회전속도와 회전방향을 제어함으로써 전진 및 후진, 횡진 운동을 할 수 있는데, 운전자는 도 2와 같은 복잡한 형태의 제어 입력을 조합하여 원하는 모션(motion)을 만들어낼 수 있다.
하지만, 도 2와 같은 조종기 또는 운전 입력 장치는 전후, 좌우, 상하(상승/하강), 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll)과 같은 6방향 비행 자유도를 최대한 활용할 수 있는 장점이 있으나, 복잡하고 생소한 운전 입력 장치를 이용하여 실시간 조종 및 제어해야 하므로 일반인이 운전하기에 어려움이 있다.
즉, 상기한 수직 이착륙기나 기타 도심 항공 모빌리티(이하 'UAM'라 칭함)용 비행체의 조종을 위한 HMI는 6방향 비행 자유도를 최대한 활용할 수 있지만 그 방식이 매우 복잡하여 전문적인 훈련 및 경험이 없는 일반인이 이용하기에는 부적합하다.
위에서 수직 이착륙기 중 전동 드론 방식의 HMI에 대해 설명하였으나, 헬리콥터 방식의 경우도 일반인이 아무런 교육이나 훈련 없이 조종하는 것은 거의 불가능하다.
따라서, 수직 이착륙기를 조종할 수 있도록 선발된 조종사를 대상으로 전문적인 교육과 훈련을 시행하고 있으며, 훈련 종료 후 일정시간 이상 비행 경험을 쌓은 소수의 전문 인력에 한하여 조종 및 운행을 허가해주고 있다. 이에 기존의 복잡한 수직 이착륙기의 조종 방식이나 조종 장치(HMI)는 일반인을 대상으로 대중적으로 운용되어야 하는 UAM용 비행체에는 적합하지 않다.
더욱이, 전동 드론의 경우 기존 그라운드 모빌리티(Ground Mobility)의 운동 특성과 다르게 순수 횡진 운동이 가능하므로 요(Yaw) 운동과 횡 운동의 디커플링(Decoupling)이 가능한 특징이 있다.
상기한 특징은 드론의 운동 자유도를 대폭 향상시킬 수 있으나, 사람이 탑승하는 드론에서는 운전자 및 탑승자가 멀미와 어지러움 등의 불편감을 크게 느낄 수 있다. 나아가, 드론에 탑승 시 상기한 운동 특성 때문에 운전자나 탑승자에게 익숙하지 않은 생소한 비행체의 운동, 예컨대 전/후/좌/우의 구분이 없는 운동이 가능하여 사용자의 불편함이 더 커질 수가 있다.
따라서, 기존 전동 드론의 운동 제어에 있어 한계점을 극복할 수 있으면서 운전자 및 탑승자에게 익숙한 운동 특성을 제공할 수 있는 드론 제어용 HMI 장치 및 제어 알고리즘이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 일반인도 손쉽게 UAM용 비행체를 조종할 수 있는 비행 조종 시스템을 제공하는 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 비행체의 조향을 위해 조작하도록 구비되는 조향휠; 비행체의 가속을 위해 조작하도록 구비되는 가속페달; 비행체의 감속 및 제동을 위해 조작하도록 구비되는 감속페달; 비행체가 비행할 목표 고도를 선택 및 지정하도록 구비되는 고도 지정장치; 상기 조향휠, 가속페달, 감속 페달, 고도 지정장치의 조작에 따른 운전 입력 정보를 포함하는 비행체 운전 정보를 기초로 비행체의 고도, 가속, 감속 및 제동, 그리고 조향을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어기; 및 상기 제어기에서 생성된 제어 명령에 따라 구동이 제어되는 구동장치를 포함하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티(UAM)용 비행 조종 시스템에 의하면, 수직 이착륙 프로세스가 자동화되고 자동차 운전을 통해 익숙해진 조향휠과 가속페달, 감속페달 등이 적용되므로 자동차 운전과 동일한 방법 및 원리로 비행체를 조종할 수 있고, 고도의 훈련된 전문가만이 조종 가능했던 비행체를 일반인도 쉽게 조종할 수 있다.
또한, 조종 시 자동차와 유사한 기체 응답을 기대할 수 있기 때문에 기존의 자동차 운전자라면 높은 수준의 훈련 없이 조종이 가능하며, 기존 자동차 운전면허 시험에 프로세스(고도 등) 추가만으로 운전면허 시험을 운용할 수 있다.
또한, 운전자 및 탑승자에게 익숙한 운동 방식으로 비행체를 이동시킬 수 있고, 탑승 시 어지러움이나 멀미 등의 불편감 없이 일반인이 편안하게 이용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 전동 드론 타입의 수직 이착륙기인 쿼드콥터를 예시한 도면이다.
도 2는 쿼드콥터의 조종을 위한 종래의 운전 입력 장치를 간략 예시한 도면이다.
도 3 내지 도 7은 멀티 로터를 갖는 드론 타입 수직 이착륙기의 비행 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 비행체에서 운전 입력 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 비행체에서 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명에서 UAM용 비행체의 운행 과정을 나타낸 순서도이다.
도 11은 본 발명에서 고도별 평면 가상 도로 레이어를 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명에서 가상 도로 레이어의 교차로 설정의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 UAM용 비행체의 제어 블록도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 비행체의 상승 및 하강, 고도 유지를 위한 제어 로직의 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 15와 도 16은 본 발명의 실시예에서 각각 비행체의 가속과 감속을 위한 제어 로직의 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c는 기존 드론의 선회 방법과 본 발명에 따른 UAM용 비행체의 선회 방법을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 비행체의 선회를 위한 제어 로직의 알고리즘을 나타내는 도면이다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 일반인이 익숙한 방식으로 더 손쉽게 도심 항공 모빌리티의 비행체를 조종할 수 있도록 해주는 비행 조종 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 도심 항공 모빌리티(이하 'UAM'이라 칭함)를 위한 비행체, 구체적으로는 운전자가 탑승하여 운전 조작을 통해 원하는 고도에서 원하는 방향과 속도, 자세로 이동 및 비행할 수 있는 수직 이착륙기에 적용 가능하다. 더 구체적으로는, 복수 개의 로터를 가지는 전동 드론 타입의 비행체에 적용 가능하며, 그 예로서 4개의 로터를 갖는 쿼드콥터에 적용 가능하다.
먼저, 본 발명의 실시예에 대한 설명에 앞서, 멀티 로터를 갖는 드론 타입 수직 이착륙기의 비행 원리를 도 3 내지 도 7을 참조로 살펴보면 다음과 같다. 도 3 내지 도 7에는 쿼드콥터의 예가 도시되어 있다.
수직 이착륙기(1)에 장착된 4개의 로터는 앞쪽의 좌측과 우측에 배치되는 제1 로터(10)와 제2 로터(20), 그리고 뒤쪽의 좌측과 우측에 배치되는 제3 로터(30)와 제4 로터(40)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 로터(10)와 제4 로터(40)가 서로 대각선 방향을 따라 배치되는 동시에 제2 로터(20)와 제3 로터(30)가 서로 대각선 방향을 따라 배치되는 것일 수 있다.
도 3을 참조하면, 수직 이착륙기(1)의 이착륙 및 비행을 위하여 기본적으로 제1 로터(10)와 제4 로터(40)는 시계방향(clockwise, CW)으로 회전하고, 제2 로터(20)와 제3 로터(30)는 반시계방향(counterclockwise, CCW)으로 회전한다. 이때, 각 로터의 회전속도와 회전방향을 제어함으로써 수직 이착륙기의 상승과 하강, 전진과 후진, 횡진, 좌회전과 우회전 등의 운동이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 수직 이착륙기(1)의 상승 시에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 로터(10)와 제4 로터(40)가 시계방향으로 고속 회전하는 동시에 제2 로터(20)와 제3 로터(30)가 반시계방향으로 고속 회전하는 상태가 될 수 있다. 또한, 수직 이착륙기(1)의 전진 시에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 로터(10)와 제2 로터(20)가 저속 회전하는 동시에 제3 로터(30)와 제3 로터(40)가 고속 회전하는 상태(전방 피칭)가 될 수 있다.
또한, 수직 이착륙기(1)의 우회전 시에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 로터(10)와 제4 로터(40)가 시계방향으로 저속 회전하는 동시에 제2 로터(20)와 제3 로터(30)는 반시계방향으로 고속 회전하는 상태(로터 모멘트 비대칭 상태)가 될 수 있다. 또한, 수직 이착륙기(1)의 좌측 이동 시에는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 로터(10)와 제3 로터(30)가 저속 회전하는 동시에 제2 로터(20)와 제4 로터(40)가 고속 회전하는 상태(좌측 피칭 상태)가 될 수 있다.
아울러, 수직 이착륙기(1)의 전후 가속도는 앞쪽 로터(제1 및 제2 로터) 또는 뒤쪽 로터(제3 및 제4 로터)의 양력을 조정하면서 기체(비행체)의 포워드 피칭(Forward Pitching) 또는 백워드 피칭(Backward Pitching)에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 수직 이착륙기(1) 횡 가속도는 좌측 로터(제1 및 제3 로터) 또는 우측 로터(제2 및 제4 로터)의 양력을 조정하면서 기체의 좌측 롤(Roll) 또는 우측 롤(Roll)에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 수직 이착륙기(1)의 요(Yaw) 운동(선회 운동)은 서로 대칭 배열을 이루는 각 로터의 회전속도 차이에 따른 기체 모멘트를 활용하여 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같은 비행 및 제어 원리를 이용하지만 비행체 운동의 제어 및 조종을 위해 운전자가 조작하게 되는 운전 입력 장치(조종 장치)를 포함하는 비행 조종 시스템이 개선된다.
즉, 본 발명이 적용되는 UAM용 비행체에서는, 기존 드론 타입의 비행체에서 사용되었던 도 2와 같은 조종기와 달리, 자동차의 운전 장치와 유사한 형태 및 조작 방식의 비행 조종 시스템이 사용된다.
도 8은 본 발명이 적용되는 비행체에서 비행 조종 시스템의 운전 입력 장치를 예시한 도면으로, 운전 입력 장치(조종 장치)의 구성요소들이 운전석에 설치된 상태를 간략 도시한 정면도이다. 또한, 도 9는 본 발명이 적용되는 비행체에서 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록이다.
도시된 바와 같이, UAM용 비행체의 운전석(조종석)에 자동차에서와 유사한 운전 입력 장치가 적용될 수 있다. 즉, 본 발명이 적용되는 UAM용 비행체의 운전 입력 장치는, 운전자(조종자)가 손으로 회전 조작하도록 구비되는 조향휠(Steering Wheel) 어셈블리(110), 운전자가 발로 가압 조작하도록 구비되는 가속페달(120)과 감속페달(제동페달)(130), 그리고 운전자가 비행체의 비행 고도를 선택 및 지정하기 위해 손으로 조작하도록 구비되는 고도 지정장치(140)를 포함한다. 이에 더하여, UAM용 비행체의 운전 입력 장치는 비행체를 후진시키기 위해 조작하도록 구비되는 후진 조작기구(도 9에서 도면부호 '156'임)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 조향휠 어셈블리(110)는 자동차의 조향휠과 유사한 형태의 조향휠(111)과 조향축(미도시)을 포함하며, 이 중에서 조향휠(111)은 림부(111a)와 보스부(111b), 상기 림부(111a)와 보스부(111b) 사이를 연결하는 스포크부(111c)를 포함하는 것이 될 수 있다. 상기 조향축은 조향휠(111)과 일체로 회전하도록 보스부(111b)에 결합되고, 이때 조향축이 비행체의 기체(vehicle body) 부분에 회전 가능하게 결합된다. 이에 조향휠 전체가 조향축에 의해 기체에서 회전 가능하게 지지되는 구조가 된다.
또한, 조향휠 어셈블리(110)는 운전자가 조향휠(111)을 조작할 때 조향휠의 회전각도, 즉 조향각(조타각도)을 검출하는 조향각 센서(112)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 조향각 센서(112)로는 자동차의 조향축에 구비되는 자동차용 조향각 센서와 동일한 것이 채택될 수 있다.
조향각 센서(112)는 검출된 조향각에 따른 전기적인 신호를 출력하는데, 제어기(200)에 신호를 입력할 수 있도록 구비된다. 즉, 조향각 센서(112)가 출력하는 신호, 즉 조향각을 나타내는 조향각 검출 신호가 제어기(200)에 입력될 수 있게 되어 있는 것이다.
또한, 가속페달(120)과 감속페달(제동페달)(130)은 비행체의 종방향 구동(가속, 감속) 및 제동을 조작하기 위한 것으로서, 가속페달(120)은 운전자가 비행체의 가속을 위해 조작하게 되는 페달이고, 감속페달(130)은 운전자가 비행체의 감속 및 제동을 위해 조작하게 되는 페달이다. 본 발명에서 상기 각 페달로는 자동차의 가속페달 내지 브레이크 페달과 동일한 구성을 가지는 것이 채택될 수 있다.
즉, 가속페달(120)과 감속페달(130)은, 공통적으로 운전자가 발로 밟는 부분인 페달 패드(121a,131a), 페달 패드에 일단부가 결합되어 페달 패드를 지지하는 페달 암(121b,131b), 및 기체(차체) 부분에 고정되고 페달 암의 타단부가 회동 가능하게 결합되는 마운팅 브라켓(미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 가속페달(120)과 감속페달(130)에는 각각 운전자의 페달 조작 상태에 따른 신호를 출력하는 센서가 설치된다. 즉, 가속페달(120)에는 운전자 운전 입력 정보로서 가속페달 조작 상태에 따른 가속페달 입력값을 검출하는 가속페달 센서(122)가 설치되고, 감속페달(130)에는 운전자 운전 입력 정보로서 감속페달 조작 상태에 따른 감속페달 입력값을 검출하는 감속페달 센서(132)가 설치된다
상기 가속페달 센서(122)와 감속페달 센서(132)는 자동차에서 운전자의 페달 조작량을 나타내는 페달 위치(Pedal Position) 또는 페달 깊이(Pedal Depth)를 검출하도록 구비되는 통상의 APS(Accelerator Position Sensor)와 BPS(Brake Pedal Sensor)일 수 있다.
그리고 가속페달 센서(122)와 감속페달 센서(132)는 검출 신호를 제어기(200)에 입력할 수 있도록 구비된다. 즉, 가속페달 센서(122)가 출력하는 신호, 즉 가속페달 입력값을 나타내는 신호와, 감속페달 센서(132)가 출력하는 신호, 즉 감속페달 입력값을 나타내는 신호가 제어기(200)에 입력될 수 있게 되어 있는 것이다.
상기 고도 지정장치(140)는 운전자가 원하는 비행체의 비행 고도(목표 고도)를 선택 및 지정할 수 있도록 구비되는 것으로서, 도시된 바와 같이 슬라이딩 노브 방식의 셀렉터가 될 수 있다. 슬라이딩 노브 방식의 셀렉터는 예시적인 것으로, 본 발명이 슬라이딩 노브 방식의 고도 지정장치에 의해 한정되는 것은 아니며, 운전자가 원하는 비행 고도를 간단히 선택 및 입력할 수 있는 방식이라면 제한 없이 채택 및 적용 가능하다.
도시된 슬라이딩 노브 방식의 셀렉터에서는 운전자가 노브(141)를 상방 및 하방으로 슬라이이드 이동시킴에 따라 원하는 비행 고도를 선택 및 지정할 수 있다. 이때, 노브(141)를 상하로 이동시켜 노브의 위치를 조절함에 따라 비행 고도를 일정 간격으로 변하는 것이 가능하다.
상기 고도 지정장치(140)는 제어기(200)에 신호 입력이 가능하도록 연결되며, 운전자가 노브(141)를 이동시켜 조작하게 되면, 노브를 조작하여 선택한 비행 고도를 나타내는 전기적인 신호가 제어기(200)로 입력되고, 이에 제어기는 운전자가 선택 및 입력한 고도 값을 인지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 UAM용 비행체의 제어 시스템은 위치정보 취득부(151)를 더 포함할 수 있다. 위치정보 취득부(151)는 비행체의 위치 정보를 실시간으로 취득하기 위한 것으로, GPS(Global Positioning System) 모듈을 포함하는 것이 될 수 있다. GPS 모듈은 인공위성과 통신하여 비행체가 위치한 실시간 위치 정보, 예를 들어 비행체의 현재 위도 및 경도에 관한 정보를 취득할 수 있게 해준다.
또한, 본 발명에서 UAM용 비행체의 제어 시스템은 비행체의 가속도와 속도, 자세, 고도 등 비행체의 이동 및 자세 제어에 필요한 운전 정보를 검출하는 센서들을 더 포함할 수 있다. 더 상세하게는, 제어 시스템은, 비행체의 가속도를 검출하는 가속도 센서(152), 비행체의 속도를 검출하는 속도 센서(153), 비행체의 요레이트 정보 등 비행체의 자세를 검출하는 자세 검출 센서(posture sensor)(154), 비행체의 고도를 검출하는 고도 센서(155)를 포함할 수 있다.
자세 검출 센서(154)는 비행체의 3차원 공간상의 자세를 검출하기 위한 것으로서, 3-축 지자계 센서나 3-축 자이로스코프 센서 등을 포함할 수 있다. 고도 센서는 레이더를 이용하여 고도를 측정하거나 또는 기압계에서 측정된 기압을 이용하여 고도를 측정하는 것이 될 수 있다. 또한, 상기 센서들이 비행체의 회전가속도를 검출하기 위해 선택적으로 이용될 수 있다.
그 밖에, 비행 조종 시스템은 비행체의 비행을 위해 필요한 정보들을 취득하기 위한 공지의 센서나 검출요소, 정보 취득부를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 거리 측정 센서 등을 더 포함할 수 있다. 거리 측정 센서는 주변 외부 물체까지의 거리를 측정하기 위한 것으로, 거리 측정을 위해 초음파나 적외선, 레이더 등을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명에서 제어기(200)는 비행체에서 상기 센서 및 정보 취득부 등의 운전정보 검출부를 통해 취득 및 수집되는 각종 운전 정보를 기초로 비행체를 구동하기 위한 구동장치의 작동을 제어한다. 여기서, 구동장치는 로터를 회전시키는 모터(311-314)를 포함할 수 있다. 예컨대, 4개의 로터를 갖는 쿼드콥터에서 구동장치는 각 로터를 회전시키는 4개의 모터(311-314)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제어 시스템은 운전자의 운전 및 조종 지원을 위한 디스플레이(320)를 더 포함할 수 있고, 이 디스플레이(320)의 작동은 제어기(200)에 의해 제어된다. 상기 디스플레이(320)는 비행체 내부에 설치되는 증강현실 헤드업 디스플레이(Augmented Reality-Head Up Display, AR-HUD)가 될 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명에서 UAM용 비행체의 운행 과정을 나타낸 순서도로서, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 운전자가 비행체에 탑승한 뒤 전원을 온(IGN ON) 한 후(S1) 고도 지정장치(140)를 이용하여 원하는 비행 고도(예, 150m)를 선택 및 지정하여 출발하면(S2), 비행체가 이륙하여 운전자가 선택한 목표 고도로 자동 수직 상승하고(S3), 이후 비행체는 운행 중 고도를 변화시키지 않는다.
이와 같이 비행체의 출발 전에 운전자가 고도 지정장치(140)를 이용하여 비행 고도를 미리 선택 및 지정한 후 출발하도록 할 수 있으며, 이렇게 고도 지정장치(140)를 이용하여 비행 고도를 선택 및 지정하는 것은 비행체의 출발 전에만 운전자에 의해 행해지도록 제한될 수 있다. 즉, 비행 중에는 운전자가 고도 지정장치를 추가로 조작하지 못하도록 할 수 있다. 물론, 출발 직후에 비행 고도를 선택 및 지정하도록 하거나, 출발 이후 필요에 따라 고도 지정장치(140)를 조작하여 비행 고도를 변경하도록 하는 것도 가능하다.
또한, 비행체가 출발 후 운전자가 선택한 목표 고도에 도달할 때까지 자동으로 수직 상승하고 나면, 운전자의 별도 입력이 있을 때까지 자동으로 호버링(Hovering) 제어가 수행되면서 비행체의 고도가 유지된다. 이후 운전자가 조향휠(111)과 가속페달(120), 감속페달(130)을 조작하여 비행체를 원하는 방향 및 속도로 이동시키는데, 이러한 운전 동안 비행체의 고도는 계속해서 운전자가 선택한 고도로 자동 유지된다(S4).
이와 같이 비행체가 수직 상승하고 난 후 고도가 자동으로 유지되는 상태에서 운전자가 조향휠(111), 가속페달(120) 및 감속페달(130)만을 조작하여 비행체를 원하는 방향과 속도로 운전하는데, 이때 비행체의 모션은 운전자가 선택한 고도 내에서의 평면 운동으로 제한된다. 비행체의 고도가 자동으로 유지되는 상태에서 운전자가 조향휠과 페달 조작만으로 비행체를 목표 위치까지 평면 이동시키는 것이다.
이후 목표 위치에 도착하고 나면, 운전자가 고도 지정장치(140)를 조작하여 착륙장이 위치한 고도를 선택 및 지정하는데(S5), 이에 비행체는 선택된 고도에 위치한 착륙장까지 자동으로 수직 하강하여 착륙하게 된다(S6). 이후 운전자는 비행체의 전원을 오프(IGN OFF) 한 후 하차하게 된다(S7).
상술한 바와 같이 본 발명에서는 운전자가 고도 지정장치를 이용하여 목표 고도를 지정하면, 비행체가 목표 고도까지 수직 상승하고, 이러한 비행체의 수직 상승이 제어기(200)가 구동장치인 각 모터(311-314)의 구동을 제어함으로써 자동 수행된다.
또한, 목표 고도까지 수직 상승한 상태에서 운전자가 조향휠(111), 가속페달(120) 및 감속페달(130)을 조작하여 원하는 방향과 속도로 비행체를 이동시키는데, 이러한 운전 동안 제어기(200)는 운전자가 조향휠(111), 가속페달(120) 및 감속페달(130)을 조작함에 따른 운전 정보를 기초로 구동장치인 각 모터(311-314)의 구동을 제어하게 된다.
또한, 제어기(200)는 목표 고도에서 비행체의 조향을 위한 선회나 가, 감속에 필요한 최소한의 롤, 피치, 요 모션만을 허용하며, 기본적으로 비행체를 평면 운동시키게 된다. 이와 같이 UAM용 비행체가 3차원 공간에서 자유롭게 비행할 수 있는 것이긴 하지만, 고도 변경이나 횡진 운동 등을 배제하고 기존 자동차의 이동 및 운동 특성과 유사하게 이동한다.
즉, 본 발명에서는 기존 자동차에서와 유사하게 운전자가 조향휠(111)을 조작하여 비행체의 진행방향을 원하는 방향으로 조절 및 변경하는 조향을 수행하며, 가속페달(120)을 조작하여 비행체를 가속시키거나, 감속페달(130)을 조작하여 비행체를 감속 내지 제동시킨다. 또한, 운전자가 감속페달을 밟은 상태에서 비행체의 속도가 0으로 유지될 때, 비행체는 운전자에 의해 선택된 고도를 유지하면서 호버링 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
결국, 본 발명에서는 비행체가 고도 상승 후 목표 위치까지 직진, 좌회전, 우회전, 가속, 감속 등의 평면 운동을 통해 이동하므로 운전자와 탑승자가 종래와 같은 멀미나 어지러움 등의 통증을 느끼지 않고 편안하게 이동 및 탑승할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에서 비행체의 운전 조작이 기존 자동차의 운전 조작과 유사하다. 즉, 조향휠(111)과 가속페달(120), 감속페달(130)을 조작하여 원하는 방향과 속도로 이동할 수 있으므로 자동차에서와 같이 운전 조작이 쉽고, 전문 훈련 없이도 일반인이 비행체를 쉽게 운전할 수 있는 이점이 있게 된다.
한편, 본 발명에서는 3차원 공간 내에서 고도 지정장치(140)를 통해 선택 가능한 고도마다 평면의 가상 레이어가 미리 정의되는데, 구체적으로는 고도별 평면의 가상 레이어 내에 가상 도로(항로)를 설정한 가상 도로 레이어(Virtual Spatial Road Layer, VSRL)가 정의되어 제어기 내에 입력 및 저장될 수 있다.
도 11은 본 발명에서 고도별 평면의 가상 도로 레이어(VSRL)를 예시한 도면으로, 고도별 가상 도로 레이어에서 직선은 도로를, 직선의 교차점은 도로의 교차로이거나 비행체가 이착륙할 수 있는 이착륙장을 나타낸다. 여기서, 이착륙장은 UAM 운용 시스템의 버티포트(Vetiport) 또는 모빌리티 환승 거점(Hub)일 수 있다.
또한, 제어기(200) 내에 도 11에 예시된 바와 같은 고도(예, Ground, 100m, 150m)별 가상 도로 레이어가 미리 입력 및 저장된 상태에서, 운전자가 고도 지정장치(140)를 통해 원하는 비행 고도를 지정하면, 제어기(200)에서는 지정된 고도에 해당하는 가상 도로 레이어가 선택될 수 있다.
또한, 제어기(200)는 비행체(1)가 출발 후 자동으로 수직 상승하여 운전자에 의해 선택된 비행 고도에 도달하면, 그 비행 고도에서의 가상 평면 도로 모습이 포함된 가상 도로 레이어(VSRL)의 이미지가 비행체(1) 내 디스플레이(320)에 표시되도록 한다.
이때, 제어기(200)는 위치정보 취득부(151)를 통해 취득되는 비행체(1)의 실시간 위치 정보를 기초로 가상 도로 레이어(VSRL) 내에 비행체의 현재 위치와 이동 경로 등을 표시한다. 이를 통해 제어기(200)는, 운전자가 조향휠(111)과 가속페달(120), 감속페달(130)을 조작하여 동일 고도로 비행체(1)를 이동시키는 동안, 비행체가 가상 도로 레이어 내 도로를 벗어나지 않고 도로를 따라 이동할 수 있도록 해당 비행체의 운전자에게 비행 경로를 계속 안내하는 운전 보조 및 지원을 수행한다.
또한, 본 발명에서 가상 도로 레이어는 제어기(200)의 저장부에 저장된 지도 데이터로부터 비행체(1)의 현재 위치 정보를 기초로 추출된 정보일 수 있다. 상기 지도 데이터는 UAM 운용 시스템의 이착륙장(버티포트)들과 이착륙장 간 도로들, 그리고 교차로에 대한 정보를 포함하는 것일 수 있다. 이에 제어기(200)는 비행체(1)의 현재 위치 정보를 기초로 저장부의 지도 데이터로부터 비행체 주변의 가상 도로 레이어를 추출할 수 있고, 이를 디스플레이(320)에 표시되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 운전자가 내비게이션 단말기와 같은 차량 내 입력장치(미도시)를 이용하여 목적지를 선택하면, 제어기(200)는 가상 도로 레이어가 디스플레이(320)에 표시되도록 함과 동시에 이동하는 비행체의 현재 위치와 목적지까지의 경로가 상기 가상 도로 레이어 상에 표시되도록 하여 운전자에게 비행을 안내할 수 있다.
그리고 본 발명에서 운전자에 의해 선택된 고도의 가상 도로 레이어(VSRL) 및 비행체(1)의 위치를 디스플레이(320)에 표시하여 비행체가 가상 도로 레이어 내 도로를 따라 이동할 수 있도록 운전자에게 비행 경로를 안내하는 운전 보조 및 지원을 수행할 때, 가상 신호등 시스템을 적용하는 것이 가능하다. 즉, 가상 도로 레이어 내 교차로 위치마다 가상 신호등을 디스플레이에 함께 표시하는 것이다.
가상 신호등 시스템은, 디스플레이에 표시된 가상 도로 레이어 내 특정 교차로를 동일한 고도를 비행하는 여러 대의 비행체들이 비슷한 시점에서 통과하려 할 때, 충돌 사고 없이 비행체들이 각자 지정된 시점 및 순번에 맞춰 교차로를 통과할 수 있도록 비행체별로 운전자에게 해당 교차로의 통과 시점을 가상 신호등을 통해 안내한다.
이러한 가상 신호등 시스템은 지상의 교차로에 설치되어 자동차를 대상으로 운용되고 있는 실제 신호등 시스템을 모사하여 가상 도로 레이어 내 교차로에 적용한 것이라 할 수 있다. 즉, 가상 도로 레이어의 교차로에 표시된 가상 신호등을 통하여 비행체별로 각 운전자에게 통과 신호와 정지 신호를 순차적으로 제공함으로써 비행체별로 지정된 시점에 교차로를 차례로 통과하도록 안내하는 것이다.
이때, 교차로를 향해 비행하는 비행체들의 제어기 간에 비행체들의 위치 정보를 서로 공유하고, 더불어 제어기들이 서로 통신하여 비행체들의 위치 정보를 기초로 전체 비행체들에 대한 교차로 통행 우선순위를 결정한 뒤, 상기 결정된 통행 우선순위를 비행체들의 제어기 간에 통신을 통해 공유한다. 또한, 각 비행체의 제어기는 통과 신호 또는 정지 신호를 가상 신호등을 통해 표시하여 충돌없이 비행체가 지정된 시점에 교차를 통과할 수 있도록 운전자에게 안내하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 교차로 통행 우선순위는 교차로에서 각 비행체까지의 거리를 기준으로 결정될 수 있다. 즉, 교차로에서 거리가 더 가까운 비행체일수록 더 먼저 교차로를 통과하도록 우선순위가 결정될 수 있는 것이다.
또한, 도 12는 본 발명에서 가상 도로 레이어의 교차로 설정의 예를 설명하기 위한 도면으로, P1-P5는 이착륙장인 버티포트를 나타내고, J1-J3는 교차로를 나타낸다. 'X'로 표시된 곳은 교차로이지만 비행 경로에서 제외되는 교차로이다. 도시된 바와 같이, 가상 도로 레이어(VSRL)의 운용 효율성을 고려하여 제어기는 목적지까지의 비행 경로를 설정할 때 P3에서 P1으로 이동할 경우 비행체가 통과해야 하는 교차로의 개수가 최적화될 수 있도록 'X'로 표시된 교차로를 이용하지 않고 P3→P2→P1의 경로로 우회하도록 안내할 수 있다.
그리고 상기한 가상 도로 레이어(VSRL)를 이용하여 자동차에 적용되고 있는 차선 유지 보조(Lane Following Assist, LFA) 시스템과 같은 기능을 수행하도록 할 수 있다. 즉, 제어기(200)가 운전자의 운전 조작에 따라 비행체(1)가 가상 도로 레이어에서 안내되고 있는 도로(비행 경로)를 벗어나지 않도록 위치 제어를 수행할 수 있는데, 예를 들면 비행체(1)가 도로를 벗어나지 않도록 해주는 조향 제어를 수행하거나, 비행체(1)의 현재 위치 정보를 기초로 비행체가 가상 도로 레이어의 도로에서 벗어날 경우 비행체 내 경고장치를 작동시켜 운전자에게 경고하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시에에 따른 비행체의 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 UAM용 비행체의 제어 방법을 보여주는 도면으로서, 비행체의 운전 동안 비행체에서 수집되는 실시간 운전 정보에 기초하여 비행체의 모션 제어를 수행하기 위한 제어 블록도이다.
본 발명의 제어 방법이 적용되는 비행체에서 구동장치는 로터의 회전을 위해 각 로터마다 개별 구비되는 복수 개의 모터이며, 쿼드콥터인 경우 구동장치는 4개의 모터가 된다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 비행체에서 실시간 운전 정보가 수집되고, 이 실시간 운전 정보가 제어기(200)에 입력된다. 이때, 실시간 운전 정보는, 조향각 센서(112)에 의해 검출되는 조향각(θ), 가속페달 센서(122)에 의해 검출되는 가속페달 입력값(ωa), 감속페달 센서(132)에 의해 검출되는 감속페달 입력값(ωb), 고도 지정장치(140)의 조작에 따른 목표 고도 값(Zt), 고도 센서(155)에 의해 검출되는 비행체의 실시간 고도 정보(Z), 위치정보 취득부(151)에 의해 취득되는 비행체의 실시간 위치 정보(X,Y), 자세 검출 센서(154)에 의해 검출되는 비행체의 실시간 자세 정보(롤, 피치, 요 값), 속도 센서(153)에 의해 검출되는 비행체 속도(Vx,Vy,Vz), 및 가속도 센서(152)에 의해 검출되는 비행체 가속도(Ax,Ay,Ax)와 회전가속도(Tx,Ty,Tz)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 실시간 운전 정보는 운전자에 의해 후진 조작기구(156)가 조작됨에 따라 입력되는 후진 입력 정보를 더 포함할 수 있다.
이로써, 제어기(200)는 상기와 같이 입력되는 운전 정보에 기초하여 미리 설정된 제어 로직에 따라 비행체의 상승 및 하강, 고도 유지를 위한 제어를 수행할 수 있고, 가속과 감속, 후진을 위한 제어를 수행할 수 있으며, 좌회전과 우회전을 위한 선회(조향) 제어를 수행할 수 있다.
이를 위해 제어기(200)의 제어 로직에서 상기와 같은 운전 정보를 기초로 하여 로터에 대한 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값이 생성되고, 이때 제어기(200)에서는 상기 생성된 제어 명령 값에 따라 각 모터(311-314)의 구동이 제어되도록 한다. 여기서, 모터(311-314)의 구동을 제어하기 위한 제어 명령(R1,R2,R3,R4)은 회전속도 명령이 될 수 있으며, 도 13에서 로터 회전속도 명령(R1,R2,R3,R4)은 모터 회전속도 명령을 의미하고, 이는 모터 구동을 제어하기 위한 제어 명령 값이 된다.
UAN용 비행체로 이용 가능한 쿼드콥터 등의 전동 드론에서 비행을 위한 구동장치는 로터를 회전시키는 모터이므로 제어기가 제어 명령 값에 따라 각 로터를 회전시키는 모터의 구동을 제어한다. 이때, 모터의 구동 및 제어를 위해 인버터가 이용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 비행체의 상승 및 하강, 고도 유지를 위한 제어 로직의 알고리즘을 설명하기 위한 도면으로, 목표 고도(Zt)로 상승 및 하강, 유지하기 위한 로터 회전속도 피드백 제어가 수행되는 상태를 예시하고 있다.
운전자가 고도 지정장치(140)를 조작하여 목표로 하는 비행 고도(이하 '목표 고도'라 칭함)를 선택 및 지정하면, 제어기(200)가 목표 고도(Zt) 값과 고도 센서(155)에 의해 검출되는 비행체의 실시간 고도(Z) 정보를 이용하여 비행체의 고도를 목표 고도로 제어하기 위한 피드백 제어를 실시한다.
상기 고도 센서(155)에 의해 검출되는 비행체의 실시간 고도(Z) 값은 피드백 입력값이 되며, 제어기(200) 내 피드백 제어기(211)가 목표 고도(Zt)와 피드백 입력값인 현재의 고도(Z) 값 정보를 이용하여 피드백 제어를 수행한다. 이때, 피드백 제어기(211)는 비행체의 고도 값을 목표 고도로 유지하기 위한 제어 명령 값, 즉 로터(모터) 회전속도 명령(R1,R2,R3,R4)을 생성 및 출력한다.
결국, 상기와 같이 피드백 제어기(211)에 의해 생성된 제어 명령 값에 따라 로터(모터)의 구동이 제어됨으로써, 비행체가 목표 고도로 유지될 수 있고, 현재 고도가 목표 고도를 추종하도록 비행체의 상승, 하강 제어가 이루어질 수 있게 된다. 상기 피드백 제어기(211)로는 PID, 리드-래그(Lead-Lag), 칼만 필터 등의 제어기를 시스템의 특성에 맞추어 이용할 수 있다.
도 15와 도 16은 본 발명의 실시예에서 각각 비행체의 가속과 감속을 위한 제어 로직의 알고리즘을 설명하기 위한 도면으로, 도 15는 가속페달 입력값(ωa)에 따라 비행체의 가속 제어가 수행되는 상태를 예시하고 있고, 도 16은 감속페달 입력값(ωb)에 따라 비행체의 감속 제어가 수행되는 상태를 예시하고 있다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 가속 제어 시, 제어기(200)는, 비행체에서 수집되는 운전 정보, 즉 가속페달 입력값(ωa)과 비행체의 현재 고도(Z) 및 속도(Vx) 정보를 입력 정보로 이용하여 그로부터 목표 가속도를 결정한다. 이때, 제어기(200)에는 입력 정보로부터 목표 가속도를 결정하는데 이용되는 설정 데이터가 미리 입력 및 저장된다.
이때, 설정 데이터는 입력 정보(가속페달 입력값, 비행체의 고도 및 속도)와 목표 가속도 간 상관관계를 정의한 데이터로서, 가속페달 입력값(ωa)과 비행체의 고도(Z) 및 속도(Vx)에 상응하는 값으로 목표 가속도가 설정되어 있는 맵이 될 수 있다. 이에 제어기(200)에서는 맵을 이용하여 현재의 가속페달 입력값(ωa)과 비행체의 현재 고도(Z) 및 속도(Vx)에 상응하는 목표 가속도를 결정할 수 있게 된다.
이어 제어기(200) 내 피드백 제어기(212)에서는, 상기와 같이 결정된 목표 가속도를 목표 값으로 이용하고, 가속도 센서(종가속도 센서)(152)에 의해 검출되는 비행체의 현재 종가속도(Ax)를 피드백 값으로 이용하여, 비행체의 종가속도가 목표 가속도를 추종하도록 하기 위한 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값을 생성 및 출력한다.
마찬가지로, 도 16에 나타낸 바와 같이, 감속 제어 시, 제어기(200)는, 비행체에서 수집되는 운전 정보, 즉 감속페달 입력값(ωb)과 비행체의 현재 고도(Z) 및 속도(Vx) 정보를 입력 정보로 이용하여 그로부터 목표 감속도를 결정한다. 이때, 제어기(200)에는 입력 정보로부터 목표 감속도를 결정하는데 이용되는 설정 데이터가 미리 입력 및 저장된다.
이때, 설정 데이터는 입력 정보(감속페달 입력값, 비행체의 고도 및 속도)와 목표 감속도 간 상관관계를 정의한 데이터로서, 감속페달 입력값(ωb)과 비행체의 고도(Z) 및 속도(Vx)에 상응하는 값으로 목표 감속도가 설정되어 있는 맵이 될 수 있다. 이에 제어기(200)에서는 맵을 이용하여 현재의 감속페달 입력값(ωb)과 비행체의 현재 고도(Z) 및 속도(Vx)에 상응하는 목표 감속도를 결정할 수 있게 된다.
이어 제어기(200) 내 피드백 제어기(213)에서는, 상기와 같이 결정된 목표 감속도를 목표 값으로 이용하고, 가속도 센서(종가속도 센서)(152)에 의해 검출되는 비행체의 종감속도(Ax)를 피드백 값으로 이용하여, 비행체의 종감속도가 목표 감속도를 추종하도록 하기 위한 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값을 생성 및 출력한다.
결국, 가속 및 감속 제어 시 피드백 제어기(212,213)가 생성 및 출력하는 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값, 즉, 로터(모터) 회전속도 명령 값에 따라 비행체의 구동장치인 각 모터(311-314)의 구동이 제어되고, 이로써 운전자의 페달 입력값(ωa,ωb)에 상응하는 비행체의 가속 또는 감속 비행이 이루어질 수 있게 된다.
다음으로, 도 17a, 도 17b, 도 17c는 기존 드론의 선회 방법과 본 발명에 따른 UAM용 비행체의 선회 방법을 비교하여 나타낸 도면으로, 도 17a와 도 17b는 기존 드론의 선회 상태를, 도 17c는 본 발명에 따른 UAM용 비행체의 선회 상태를 나타내고 있다.
기존 드론의 선회 방법으로는, 도 17a와 같은 단순 횡이동(Only Translation) 방식, 또는 도 17b와 같은 회전-직진-회전 방식(Translation + Rotation Combination)이 이용되었다. 하지만, 이러한 기존 드론의 선회 방법에 따르면, 이동이라는 목적은 달성할 수 있으나, 익숙하지 않은 생소한 비행체의 모션 및 이동으로 인하여 탑승자들이 멀미 등의 불편함을 심하게 느낄 수 있다.
반면, 본 발명에서는 자동차에서 조향휠을 조작할 때와 유사한 방식으로 비행체의 선회 모션 및 이동이 이루어진다. 즉, 기존 드론 모션의 단점을 보완하고 조종성 및 조종의 용이성을 향상시키기 위하여, 운전자들에게 익숙한 자동차에서의 조향 기구 형태를 주된 HMI로 채용하고, 자동차와 유사한 조향 입력 방식에 의해 비행체가 자동차에서와 유사한 형태로 선회 이동을 하도록 하는 것이다.
도 17c에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 비행체는 자동차와 같이 요 운동과 전진 이동을 동시에 복합적으로 행하면서 선회 주행을 하게 된다(Simultaneous Translation and Rotation). 즉, 운전석에서 운전자가 정면을 보면서 조향휠(111)을 조작할 때, 운전자가 조향휠의 조작을 통해 조향하는 방향으로 비행체(1)가 요 운동을 하면서 전진하는 것이며, 자동차가 좁은 골목길을 통과하듯이 비행체가 좌회전과 우회전을 번갈아 하면서 동시에 전진하는 선회 비행이 이루어진다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 비행체의 선회 비행을 위한 제어 로직의 알고리즘을 설명하기 위한 도면으로, 조향각(θ)과 조향각속도(θ'), 비행체 속도(Vx)를 입력으로 하여 비행체에 대한 조향 제어(선회 제어)를 수행하는 제어 블록도를 나타낸 것이다.
도 17c와 같은 선회 제어 시, 제어기(200)는, 비행체(1)에서 수집되는 운전 정보로서, 운전자의 조향휠 조작에 따른 조향 입력 정보, 즉 조향각 센서(112)에 의해 검출되는 실시간 조향각(θ) 정보를 입력받게 되며, 동시에 속도 센서(153)에 의해 검출되는 비행체(1)의 실시간 속도(Vx) 정보를 입력받는다. 또한, 제어기(200)는 조향각 신호를 미분하여 얻어지는 조향각속도(θ') 정보를 조향 입력 정보로서 추가로 더 이용할 수 있다.
이때, 제어기는 조향각(θ)과 조향각속도(θ'), 비행체 속도(Vx) 정보로부터 설정 데이터를 이용하여 목표 횡가속도와 목표 요레이트 값을 결정한다. 여기서, 설정 데이터는, 조향각과 조향각속도, 비행체 속도에 상응한 값으로 목표 횡가속도가 설정되어 있는 제1 맵과, 조향각과 조향각속도, 비행체 속도에 상응하는 값으로 목표 요레이트가 설정되어 있는 제1 맵을 포함할 수 있다. 이에 조향각과 조향각속도, 비행체 속도를 입력으로 하여 제어기의 제1 맵에서는 목표 횡가속도가, 제어기의 제2 맵에서는 목표 요레이트가 결정될 수 있다.
이어 제어기(200) 내 피드백 제어기(214,215)에서는, 상기와 같이 결정된 목표 횡가속도와 목표 요레이트를 각각 목표 값으로 이용하고, 가속도 센서(횡가속도 센서)(152)에 의해 검출되는 비행체의 횡가속도(Ay), 및 자세 검출 센서(154)에 의해 검출되는 요레이트 값을 피드백 값으로 이용하여, 비행체의 횡가속도와 요레이트가 각각 목표 횡가속도와 목표 요레이트를 추종하도록 하기 위한 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값을 생성 및 출력한다.
이때, 비행체의 횡가속도를 피드백 제어하는 피드백 제어기(214)가 출력하는 제어 명령 값과, 비행체의 요레이트를 피드백 제어하는 피드백 제어기(215)가 출력하는 제어 명령 값을 기초로 조향 제어를 위한 최종의 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값이 제어기(200) 내에서 생성된다.
결국, 비행체(1)의 선회 및 조향 제어 시, 제어기에서 생성 및 출력되는 최종의 제어 명령(R1,R2,R3,R4) 값, 즉, 로터(모터) 회전속도 명령 값에 따라 비행체의 구동장치인 각 모터(311-314))의 구동이 제어되고, 이로써 운전자의 조향 입력값에 상응하는 비행체의 선회 및 조향이 이루어질 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 UAM용 비행체의 비행 조종 시스템에 의하면, 수직 이착륙 프로세스가 자동화되고 자동차 운전을 통해 익숙해진 조향휠과 가속페달, 감속페달 등이 적용되므로 자동차 운전과 동일한 방법 및 원리로 비행체를 조종할 수 있고, 고도의 훈련된 전문가만이 조종 가능했던 비행체를 일반인도 쉽게 조종할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 비행체 10 : 제1 로터
20 : 제2 로터 30 : 제3 로터
40 : 제4 로터 110 : 조향휠 어셈블리
120 : 가속페달 130 : 감속페달
140 : 고도 지정장치 151 : 위치정보 취득부
152 : 가속도 센서 153 : 속도 센서
154 : 자세 검출 센서 155 : 고도 센서
156 : 후진 조작기구 200 : 제어기
311-314 : 모터 320 : 디스플레이

Claims (12)

  1. 비행체의 조향을 위해 조작하도록 구비되는 조향휠;
    비행체의 가속을 위해 조작하도록 구비되는 가속페달;
    비행체의 감속 및 제동을 위해 조작하도록 구비되는 감속페달;
    비행체가 비행할 목표 고도를 선택 및 지정하도록 구비되는 고도 지정장치;
    상기 조향휠, 가속페달, 감속 페달, 고도 지정장치의 조작에 따른 운전 입력 정보를 포함하는 비행체 운전 정보를 기초로 비행체의 고도, 가속, 감속 및 제동, 그리고 조향을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 제어기; 및
    상기 제어기에서 생성된 제어 명령에 따라 구동이 제어되는 구동장치를 포함하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비행체의 가속, 감속 및 제동, 그리고 조향을 제어하는 동안, 상기 제어기는 비행체의 고도를 상기 지정된 목표 고도로 유지하기 위한 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    비행체의 고도를 검출하는 고도 센서를 더 포함하며,
    상기 제어기는,
    비행체의 이륙 시, 상기 고도 센서에 의해 검출되는 비행체의 고도가 상기 지정된 목표 고도에 도달할 때까지 비행체를 수직 상승시키는 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    비행체의 고도를 검출하는 고도 센서를 더 포함하며,
    상기 제어기는,
    비행체의 착륙 시, 상기 고도 센서에 의해 검출되는 비행체의 고도가 상기 고도 지정장치의 조작에 의해 변경된 목표 고도에 도달할 때까지 비행체를 수직 하강시키는 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가속페달의 조작 상태에 따른 가속페달 입력값을 검출하는 가속페달 센서;
    상기 감속페달의 조작 상태에 따른 감속페달 입력값을 검출하는 감속페달 센서;
    비행체의 고도를 검출하는 고도 센서; 및
    비행체의 속도를 검출하는 속도 센서를 더 포함하며,
    상기 제어기는,
    상기 각 센서에 의해 검출되는 가속페달 입력값, 감속페달 입력값, 비행체의 고도 및 속도 정보를 기초로 비행체의 가속 및 감속을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 조향휠의 조작 상태에 따른 조향 입력 정보를 검출하는 조향각 센서;
    비행체의 횡가속도를 검출하는 가속도 센서;
    비행체의 요레이트를 검출하는 자세 검출 센서를 더 포함하며,
    상기 제어기는,
    상기 조향각 센서에 의해 검출되는 조향 입력 정보를 기초로 목표 횡가속도와 목표 요레이트를 결정하고,
    상기 가속도 센서에 의해 검출되는 비행체의 횡가속도가 상기 목표 횡가속도를 추종하도록 제어하기 위한 제어 명령, 및 상기 자세 검출 센서에 의해 검출되는 비행체의 요레이트가 상기 목표 요레이트를 추종하도록 제어하기 위한 제어 명령을 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    비행체의 속도를 검출하는 속도 센서를 더 포함하며,
    상기 조향 입력 정보는 조향각 센서의 신호로부터 취득되는 조향각 및 조향각속도를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 취득되는 조향각 및 조향각속도, 상기 검출되는 비행체의 속도에 해당하는 목표 횡가속도와 목표 요레이트를 각각 맵으로부터 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    비행체의 위치 정보를 취득하는 위치정보 취득부; 및
    비행체에서 제어기에 의해 작동이 제어되는 디스플레이를 더 포함하며,
    상기 제어기는,
    상기 지정된 목표 고도에 해당하는 가상 도로 레이어를 표시함과 동시에, 상기 위치정보 취득부에 의해 취득되는 비행체의 현재 위치를 상기 가상 도로 레이어 상에 표시하도록, 상기 디스플레이의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가상 도로 레이어는,
    고도별 평면의 가상 레이어 내에 도로가 설정된 것으로,
    상기 디스플레이에 표시되는 가상 도로 레이어에서 직선이 도로를, 직선의 교차점이 도로의 교차로 또는 비행체가 이착륙할 수 있는 이착륙장을 나타내도록 설정된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 위치정보 취득부에 의해 취득되는 비행체의 현재 위치 정보를 기초로 비행체가 가상 도로 레이어에 표시된 도로를 벗어나지 않도록 비행체의 조향을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 위치정보 취득부에 의해 취득되는 비행체의 현재 위치 정보를 기초로 비행체가 가상 도로 레이어에 표시된 도로를 벗어나는 경우 비행체 내 경고장치를 작동시켜 운전자에게 경고하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 타 비행체의 제어기와 통신하여 비행체들의 위치 정보를 서로 공유하는 동시에, 상기 비행체들의 위치 정보를 기초로 상기 교차로에 대한 통행 우선순위를 결정하고,
    상기 결정된 통행 우선순위를 타 비행체의 제어기와 통신을 통해 공유하며,
    상기 교차로에서의 통과 신호 또는 정지 신호를 상기 가상 도로 레이어 상의 가상 신호등을 통해 표시하도록 된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행 조종 시스템.
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