KR20220149301A - 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무인전동헬기가 임무 경로를 따라 비행하는 경우 필요한 배터리의 필요 잔량을 예측하고, 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 추천 비행 속도를 산출하여 적용함으로써 에너지를 절감하는 것이 가능하고, 배터리의 잔량 부족으로 인한 비상 착륙이나 추락 사고를 감소시킬 수 있는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템은 배터리가 구비되고, 상기 배터리를 에너지원으로 지정된 비행 속도 및 임무 경로를 따라 비행이 가능한 무인전동헬기와; 상기 무인전동헬기와 정보의 송수신이 가능하고, 입력된 비행 속도 및 임무 경로를 상기 무인전동헬기로 송신하는 지상관제부와; 상기 무인전동헬기의 기체 특성을 반영하여 상기 무인전동헬기가 지정된 임무 경로를 따라 비행을 완료하는 경우 예상되는 상기 배터리의 필요 잔량을 예측하되, 상기 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 상기 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 산출하여 상기 지상관제부에 전달하는 속도추천부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템{Unmanned Electric Helicopter Flight Speed Recommendation System}

본 발명은 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무인전동헬기가 임무 경로를 따라 비행하는 경우 필요한 배터리의 필요 잔량을 예측하고, 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 추천 비행 속도를 산출하여 적용함으로써 에너지를 절감하는 것이 가능하고, 배터리의 잔량 부족으로 인한 비상 착륙이나 추락 사고를 감소시킬 수 있는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템에 관한 것이다.

무인항공기는 외부명령 및 자동조종방식으로 임무를 수행하는 비행체로서 그 용도에 따라 크게 군용과 민간/공공용으로 구분 지으며, 비행체가 주 양력을 얻는 방식에 따라 고정익과 회전익으로 분류할 수 있다.

특히, 회전익 무인항공기는 수직 이착륙이 가능하여 활주로의 제약을 받지 않아 운용이 간편하며 정점 체공, 목표물에 저속 접근 및 장애물이 많은 지역에 위치한 목표물에 대해 지속적이고 효율적인 임무 수행이 가능하다는 점에 있어 활용분야는 계속 증가하는 추세이다.

초기 무인기는 주로 군사용으로 개발되었으나 최근 IT 기술과 비행장치의 발달로 산업 및 민간용 시장이 나날이 성장하고 있다.

국내 산업분야에서는 사용하는 무인기의 종류는 대부분 드론(멀티콥터)이며 여러 실증사업을 통해 여러 기업들이 다양한 산업에 적용할 수 있는 드론들을 개발하고 있으나 드론의 단점들이 특수한 운용 조건을 충족시키지 못하기 때문에 일부 산업 분야에 적용하는데 제한사항이 다소 있는 것으로 나타났다.

산업용 무인기는 공통적으로 임무 하중, 비행시간에 따른 운행거리가 중요시되는데 일반적으로 헬리콥터는 멀티콥터에 비해 임무 하중과 비행시간에 따른 운행거리 부분에서 큰 장점을 지니고 있다.

드론에 비해 강한 내풍성을 지니는 헬리콥터는 산림/해양 환경과 같이 험지에서 수행 조건을 충족시키기 원활하며 고중량 화물 적재, 긴 비행시간과 비행거리를 지니기에 실외에서 운용되는 대부분의 드론을 대체할 수 있다.

기존의 엔진동력 무인기의 경우 비행성능이 뛰어난 장점과 고 중량의 임무장비 및 페이로드를 적재하고 다양한 산업분야에서 적용이 가능한 장점을 지니고 있으나 동력원이 내연기관(가솔린)을 사용하므로 소형화가 어렵고 유지보수 많은 비용과 전문성이 필요하다는 단점을 지니고 있다.

또한 전기동력 무인기의 경우 비행제어장치의 발달로 비행의 안전성 확보와 조종의 편의성을 지니고 있어 산업분야에서 회전익(헬기) 무인기만의 장점을 지닌 전기동력 무인 헬기 개발의 필요성이 절실한 시점이다.

관련된 종래기술로 공개특허공보 제10-2013-0075569호(2013.07.05. 공개)에는 "무인 헬기 시스템 및 무인 헬기 구동 방법"이 제안된 바 있다.

상기 종래기술에 따른 무인 헬기 시스템은 무인 헬기에 장착된 헬기 타깃을 촬상하여 상기 무인 헬기의 항법 정보를 계산하고, 상기 계산된 항법 정보 및 지상 타깃의 위치 정보를 포함하는 제어 정보를 상기 무인 헬기에 전송하는 지상 플랫폼; 및 상기 지상 타깃을 촬상하여 지상 타깃 위치를 계산하고, 상기 계산된 타깃 위치와 상기 전송된 제어 정보에 기초하여 구동 정보를 생성하고, 상기 생성된 구동 정보에 따라 구동하는 무인 헬기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하지만, 상기의 종래기술은 무인 헬기가 사용자가 지정한 속도로만 비행함으로써 무인 헬기 사용자는 기체의 특성과 배터리 잔량에 따른 최적의 속도를 알 수 없어 가능한 최대 거리보다 짧은 거리를 운행하거나, 임무에 따른 적절한 속도를 지정하지 못해 배터리 교환에 따른 자원과 시간을 낭비하는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 따른 무인 헬기는 현재 배터리의 잔량으로 임무 경로를 완주할 수 있는지 예측할 수 없어 배터리의 잔량 부족으로 인한 비상 착륙이나 추락 사고가 발생할 염려가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기체의 특성을 고려한 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 산출하여 적용함으로써 비행에 소모되는 에너지를 절감하는 것이 가능하고, 임무 경로의 완주에 필요한 배터리의 필요 잔량을 예측하고 이를 현재 배터리의 잔여 잔량과 비교하여 비행 전 임무 수행 가능 여부를 판단할 수 있는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하고자 본 발명에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템은 배터리가 구비되고, 상기 배터리를 에너지원으로 지정된 비행 속도 및 임무 경로를 따라 비행이 가능한 무인전동헬기와; 상기 무인전동헬기와 정보의 송수신이 가능하고, 입력된 비행 속도 및 임무 경로를 상기 무인전동헬기로 송신하는 지상관제부와; 상기 무인전동헬기의 기체 특성을 반영하여 상기 무인전동헬기가 지정된 임무 경로를 따라 비행을 완료하는 경우 예상되는 상기 배터리의 필요 잔량을 예측하되, 상기 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 상기 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 산출하여 상기 지상관제부에 전달하는 속도추천부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 속도추천부는 복수개의 추천 비행 속도를 산출하되, 상기 복수개의 추천 비행 속도는 에너지 총비용이 낮은 비행 속도, 가장 빠른 비행 속도, 시간당 전력 소모가 가장 낮은 비행 속도를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 무인전동헬기는 상기 지상관제부와 정보를 송수신할 수 있는 통신부와, 주변 기압을 측정할 수 있는 기압계와, 현재 위치를 측정할 수 있는 GPS 수신기와, 상기 배터리의 충방전을 제어하고 상기 배터리의 가용 잔량을 측정할 수 있는 배터리관리부가 더 구비되고, 상기 속도추천부는 상기 무인전동헬기의 기체 특성으로 상기 무인전동헬기의 공기저항계수, 모터 및 블레이드 특징을 반영하고, 상기 기압계에서 측정된 기압 정보를 실시간으로 반영하여 상기 무인전동헬기의 요구 추력을 계산하고, 계산된 요구 추력에 따라 상기 배터리의 필요 잔량을 예측하고, 상기 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 실시간으로 업데이트 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템은 속도추천부의 구성을 통해 무인전동헬기가 임무 경로를 따라 비행하는 경우 필요한 배터리의 필요 잔량을 예측하고, 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 추천 비행 속도를 산출하여 적용함으로써 에너지를 절감하는 것이 가능하고, 현재 배터리의 출력으로 비행 가능 여부를 확인할 수 있어 배터리의 잔량 부족으로 인한 비상 착륙이나 추락 사고를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 개념도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 구성도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 속도추천부의 추천 비행 속도 예시도
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 제어 흐름도

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 속도추천부의 추천 비행 속도 예시도이고, 도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템의 제어 흐름도이다.

상기 무인전동헬기(10)는 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이, 회전익 무인항공기의 일종으로 헬리콥터의 형태를 취하고, 드론(멀티콥터)에 비해 임무 하중과 비행시간에 따른 운행거리 부분에서 큰 장점을 지니고 있어 고중량 화물 적재, 긴 비행시간과 비행거리를 지니기에 실외에서 운용되는 대부분의 드론을 대체하는 기체이다.

본 발명의 일실시예에 따른 무인전동헬기(10)는 배터리(11)와, 통신부(12)와, 기압계(13)와, GPS 수신기(14)와, 배터리관리부(15)가 구비되고, 상기 배터리(11)를 에너지원으로 지정된 비행 속도 및 임무 경로를 따라 비행이 가능한 구성이다.

상기 무인전동헬기(10)의 기체 특성은 각 사양에 따라 공기저항계수, 모터 및 블레이드 특징 등이 정해지고, 이러한 기체 특성에 따라 비행 중 상기 배터리(10)의 소모율이 달라지게 된다.

상기 통신부(12)는 상기 지상관제부(20)와 정보를 송수신할 수 있는 구성으로 무선 통신을 수행하는데, 무선 통신 기술로는 Wifi, Wibro 및 Wimax 등의 무선 인터넷 기술 또는 CDMA(Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile communication), LTE(Long Term Evolution) 및 5G 등의 이동 통신 기술, USB, LAN, UART 등이 이용될 수 있다.

상기 기압계(13)는 주변 기압을 측정할 수 있는 구성으로 대기는 누르는 힘을 가지고 있기 때문에 해면에 가까이 갈 수록 기압이 높아지고, 멀어질 수록 낮아 지는데, 기압이 높을수록 블레이드의 추력은 증가하며 기체의 전진을 방해하는 항력은 높아 진다.

상기 GPS 수신기(14)는 3개 이상의 GPS 위성으로부터 송신되는 신호를 이용하여 기체의 현재 위치를 삼각측량법을 이용하여 측정하는 구성으로 상기 GPS 수신기(14)는 위성에서 신호를 송신한 시간과 상기 GPS 수신기(14)에서 신호를 수신한 시간의 시간차를 이용하여 위성과 상기 GPS 수신기(14)간의 거리를 산출한다.

상기 배터리관리부(15)는 상기 배터리(11)의 충방전을 제어하고 상기 배터리(11)의 가용 잔량을 측정할 수 있는 구성이다.

상기 배터리 관리부(15)는 상기 배터리(11)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태 및 가용 잔량(SOC)를 실시간으로 모니터링한다.

또한, 상기 배터리 관리부(15)는 상기 배터리(11)의 과충전 또는 과방전 등을 미연에 방지하여 상기 배터리(15)를 보호한다.

상기 지상관제부(20)는 상기 무인전동헬기(10)의 전반적인 동작을 제어하고 상태를 모니터링 하는 구성으로 상기 무인전동헬기(10)와 정보의 송수신이 가능하고, 상기 속도추천부(30)로부터 전달받은 추천 비행 속도에 따라 입력된 비행 속도 및 임무 경로를 상기 무인전동헬기(10)로 송신하도록 구성된다.

상기 속도추천부(30)는 본 발명의 핵심 구성으로 상기 무인전동헬기(10)의 기체 특성을 반영하여 상기 무인전동헬기(10)가 지정된 임무 경로를 따라 비행을 완료하는 경우 예상되는 상기 배터리(10)의 필요 잔량을 예측하되, 상기 배터리(10)의 가용 잔량 범위 내에서 상기 무인전동헬기(10)의 추천 비행 속도를 산출하여 상기 지상관제부(20)에 전달하는 구성이다.

보다 구체적으로 상기 속도추천부(30)는 지정된 임무 경로의 비행 완주에 예측되는 상기 배터리(10)의 필요 잔량이 상기 배터리(10)의 가용 잔량보다 작은 경우에는 상기 배터리(10)의 가용 잔량이 충분하므로 비행 가능으로 판정하여 추천 비행 속도를 산출하도록 구성된다. 물론 반대의 경우는 비행 불가로 판정하게 된다.

한편, 상기 배터리(10)의 '필요 잔량 - 가용 잔량'이 0에 근접하는 경우는 상기 배터리(10)의 가용 잔량의 마진이 부족하기는 하나 일단 비행 가능으로 판정하고, 다만 추천 비행 속도에서 에너지 소모가 많은 비행 속도는 추천하지 않도록 구성된다.

상기 속도추천부(30)는 비행 속도별 배터리 소모량을 고려하여 검색된 비행 속도별로 배터리 소모량에 대한 에너지 총비용을 계산한다.

상기 에너지 총비용은 아래 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

에너지 총비용 = 구동 에너지 비용 + 고도 유지 비용 + 공기 저항 비용 + 회전 비용 + ?? + 시간 비용 + 배터리 잔량 비용

상기 [수학식 1]을 참조하면, 상기 속도추천부(30)는 구동 에너지 비용, 고도 유지 비용 및 공기 저항 비용을 포함하는 비행에 필요한 배터리 에너지 비용, 시간 비용 및 배터리 잔량 비용을 합하여 에너지 총비용을 산출한다.

여기서, 시간 비용은 주행 시간이 과도하지 않도록 제한하기 위한 항이고, 배터리 잔량 비용은 현재 배터리 잔량으로 불가능한 주행 속도를 회피하도록 하기 위한 항이다.

본 발명의 일실시예에서 상기 속도추천부(30)는 복수개의 추천 비행 속도를 산출하도록 구성되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 복수개의 추천 비행 속도는 에너지 총비용이 낮은 비행 속도(추천 1), 가장 빠른 비행 속도(추천 2), 시간당 전력 소모가 가장 낮은 비행 속도(추천 3)를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 속도추천부(30)는 도 4의 흐름에도 도시된 바와 같이 상기 무인전동헬기(10)의 기체 특성으로 상기 무인전동헬기(10)의 공기저항계수, 모터 및 블레이드 특징을 반영하고, 상기 기압계(13)에서 측정된 기압 정보를 실시간으로 반영하여 상기 무인전동헬기(10)의 요구 추력을 계산하고, 계산된 요구 추력에 따라 상기 배터리(11)의 필요 잔량을 예측하고, 상기 무인전동헬기(10)의 추천 비행 속도를 실시간으로 업데이트 하도록 구성된다.

상기와 같은 속도추천부(30)의 구성에 의하여 상기 배터리(11)의 잔량 부족으로 인한 비상 착륙이나 추락 사고를 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

앞에서 설명되고 도면에서 도시된 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10 무인전동헬기
11 배터리
12 통신부
13 기압계
14 GPS 수신기
15 배터리관리부
20 지상관제부
30 속도추천부

Claims (3)

1. 배터리가 구비되고, 상기 배터리를 에너지원으로 지정된 비행 속도 및 임무 경로를 따라 비행이 가능한 무인전동헬기와;
   상기 무인전동헬기와 정보의 송수신이 가능하고, 입력된 비행 속도 및 임무 경로를 상기 무인전동헬기로 송신하는 지상관제부와;
   상기 무인전동헬기의 기체 특성을 반영하여 상기 무인전동헬기가 지정된 임무 경로를 따라 비행을 완료하는 경우 예상되는 상기 배터리의 필요 잔량을 예측하되, 상기 배터리의 가용 잔량 범위 내에서 상기 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 산출하여 상기 지상관제부에 전달하는 속도추천부를; 포함하는 것을 특징으로 하는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 속도추천부는, 복수개의 추천 비행 속도를 산출하되, 상기 복수개의 추천 비행 속도는 에너지 총비용이 낮은 비행 속도, 가장 빠른 비행 속도, 시간당 전력 소모가 가장 낮은 비행 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 무인전동헬기는, 상기 지상관제부와 정보를 송수신할 수 있는 통신부와, 주변 기압을 측정할 수 있는 기압계와, 현재 위치를 측정할 수 있는 GPS 수신기와, 상기 배터리의 충방전을 제어하고 상기 배터리의 가용 잔량을 측정할 수 있는 배터리관리부가 더 구비되고,
   상기 속도추천부는, 상기 무인전동헬기의 기체 특성으로 상기 무인전동헬기의 공기저항계수, 모터 및 블레이드 특징을 반영하고, 상기 기압계에서 측정된 기압 정보를 실시간으로 반영하여 상기 무인전동헬기의 요구 추력을 계산하고, 계산된 요구 추력에 따라 상기 배터리의 필요 잔량을 예측하고, 상기 무인전동헬기의 추천 비행 속도를 실시간으로 업데이트 하는 것을 특징으로 하는 무인전동헬기 비행 속도 추천 시스템.

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