WO2017034359A1 - 프로펠러 없이 비행 가능한 무인 비행체 - Google Patents

프로펠러 없이 비행 가능한 무인 비행체 Download PDF

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WO2017034359A1
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air
wall
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compression
main body
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PCT/KR2016/009474
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강성모
안효성
최영철
이병훈
손지환
고귀한
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Gwangju Institute of Science and Technology
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Gwangju Institute of Science and Technology
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B64U10/14—Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/18—Thrust vectoring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/26—Ducted or shrouded rotors

Definitions

  • the present invention relates to an unmanned aerial vehicle, such as a quadrotor, and more particularly, to an unmanned aerial vehicle capable of removing a rotary driving means such as a propeller and flying with a driving force due to a pressure difference.
  • unmanned aerial vehicles can provide aerial image acquisition and power line inspections in difficult-to-access disaster / disaster areas, provide covert information in battlefield situations, or reconnaissance by drones. You can perform a mission, such as performing a surveillance mission.
  • unmanned remote controlled vertical take-off and landing vehicles include single-rotor helicopters, coaxial helicopters, and quadrotors.
  • the quadrotor controls the motors connected to the four rotors and can fly relatively stably using various sensors and signal processing.
  • quadrotor has been widely spread as one of hobby and leisure in recent years, but most of the quadrotor is driven by driving force by the rotation of a structure such as a propeller. Therefore, the quadrotor rotates due to inexperience or malfunction of the user when the quadrotor takes off or lands. There is a possibility that an accident that the propeller comes into contact with the user is likely to be fatal.
  • a safety frame surrounding the propeller and the quadrotor and a method of stopping the driving automatically when a contact is made to the propeller have been proposed, but the safety frame does not protect against the propeller's up and down directions.
  • the method of automatically stopping the drive there is a possibility of malfunction in the part of judging whether there is a contact, and the occurrence factor of the accident still exists.
  • the unmanned aerial vehicle which obtains the propulsion force by the rotation of the propeller, cuts the air and generates wind, and thus the wind is not uniform.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a conventional quadrotor.
  • four propellers 5 provided in a frame extending around the main body 2 are connected to the BLDC motor 4, respectively, and the propellers are rotated by the motor 4.
  • the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, and is an unmanned vehicle capable of preventing physical injury or property damage that may occur to a user by excluding means such as a rotating propeller as a means for generating a driving force on an unmanned aerial vehicle.
  • the purpose is to provide a vehicle.
  • the present invention has the purpose of providing an unmanned aerial vehicle having improved stability by introducing a principle of a wingless fan to obtain a driving force without a propeller, thereby generating uniform wind and reducing vibration during flight.
  • Embodiment of the present invention is provided with a main body portion is provided in the center, extending in the horizontal direction from the side of the main body to generate a thrust in the downward direction and consists of a plurality of driving units coupled to form a constant angle around the main body portion, the control module An unmanned aerial vehicle flying in accordance with the command of the driving unit, the suction unit suctions the surrounding air to generate a flow of air, a compression unit connected to the suction unit and varying the speed of the flow of air, flowed through the compression unit And an air discharge part for discharging air, wherein the air discharge part is formed in a cylindrical frame coupled to a part of the compression part in a horizontal direction and having an opening in an up and down direction, and air flowing inside the frame on an inner circumferential surface of the frame. It can be produced with a discharge port exiting in the downward direction.
  • the propeller which is a means for generating a thrust in a conventional unmanned aerial vehicle, is manufactured in a form of inhaling and discharging air, a contact occurs due to immaturity of a user during takeoff or landing of the unmanned aerial vehicle. It can also reduce the damage caused by physical injury.
  • the unmanned aerial vehicle applying the driving method of inhaling and discharging air may generate uniform wind during the flight and reduce vibration of the gas to improve stability during the flight.
  • 1 is a view showing a simplified structure of a conventional quadrotor
  • Figure 2 is a perspective view of the quadrotor of the present invention
  • Figure 3 is a plan view showing a quadrotor of the present invention
  • Figure 4 is a side view showing a quadrotor of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing the driving principle of the fanless fan applied to the quadrotor of the present invention.
  • Figure 6 is a view showing a frame of a fan without a fan applied to the quadrotor of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the suction unit provided in the quadrotor of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a compression unit provided in the quadrotor of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a cross-sectional view of the air discharge unit provided in the quadrotor of the present invention, a cross-sectional view taken along the line H 'in FIG.
  • This embodiment is an unmanned vehicle, for example, a quadrotor driving unit that can change the position of the motor and the propeller, which is the portion where the quadrotor gains thrust, in the direction of thrust in the vertical direction, such as a quadrotor.
  • the battery module and the control module may be mounted in the main body included in the unmanned aerial vehicle of the embodiment.
  • the control module controls the operation of the driving unit provided in the unmanned aerial vehicle according to a signal sent by the user from a long distance, and can control the flight state of the aircraft by controlling the position or rotational speed of each propeller.
  • the embodiment mainly describes a quadrotor having four propellers, but may be applied to all driving means of an unmanned aerial vehicle regardless of the number of propellers.
  • the quadrotor 10 of the present invention forms four upstream portions 11a, 11b, 11c, and 11d for generating a propulsion force by forming an upward airflow in a downward direction, and the compression is coupled to the side surfaces of the respective outlet portions. It may be composed of a portion (12a, 12b, 12c, 12d) and the suction portion (13a, 13b, 13c, 13d) which is connected to one end of the compression portion and sucks ambient air. End portions of the respective suction portions are coupled to each other at 90 degrees to be fixed to the quadrotor including four drive means for generating a propulsion force.
  • FIG. 3 is a plan view showing a quadrotor of the present invention. A quadrotor structure of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
  • the quadrotor of the present invention forms a flow of air downward and consists of four driving units 10 serving as wings, each driving unit having a cylindrical discharge portion 11 having an opening 14 at the center thereof, the discharge It may include a compression unit 12 coupled to the side of the unit and compresses the air moved to the discharge unit and the suction unit 13 for sucking the ambient air.
  • the discharge part 11 is provided with a space in which the air moved by the compression unit 12 can be rotated, the upper end is provided with a discharge port through which air can be discharged.
  • the air discharged through the outlet port generates a driving force in the quadrotor while moving downward through the circular opening 14, which will be described in detail later.
  • the discharge port may be continuously formed along the inner circumferential top surface of the discharge part 11, and the height of the discharge part may be appropriately changed according to the size of the quadrotor.
  • the diameter of the opening 14 formed at the center of the discharge portion 11 may also vary according to the driving force required for the quadrotor.
  • the compression unit 12 is coupled to the outlet 11 and supports it, and provides a passage through which the air sucked inside moves, and when the cross-sectional area is reduced, the speed of the air sucked using the principle that air flows quickly
  • the shape of the outer surface may be manufactured to be changed in the inflow direction of air so that is faster.
  • the plate having a predetermined length along the side of the discharge portion 11 and the moving passage is formed therein is coupled, the plate has a constant length in the center direction of the quadrotor and its length at the portion that is coupled to the inlet It can be manufactured in a shape that rapidly decreases.
  • the suction unit 13 is formed in a cylindrical shape connected to the end of the compression unit 12, the inlet can be provided on the lower surface of the compression unit 12, based on the horizontal plane of the quadrotor, the air entered through the inlet It can be provided with a motor for moving the, and the fan is formed in the motor by using the principle of the pump can suck up the ambient air from the downward direction upwards.
  • Figure 4 is a side view showing a quadrotor of the present invention. Referring to Figure 4, it shows a shape viewed from the side of one of the drive unit of the quadrotor of the present invention. As viewed from the side, the discharge portion 11 is cylindrical and the outer circumferential surface is formed to have a flat surface. The inner circumferential surface of the discharge portion is formed to have a concave curved shape as the upper portion is convex and downward, and a gap for discharging air may be provided at the convex portion, and a detailed structure will be described in the following drawings.
  • the compression part 12 connecting the discharge part 11 and the suction part 13 may be formed to have a smaller width and diameter from the suction part 13 to the discharge part 11. That is, the passage through which air flows in the compression unit 11 may be formed such that the contact area with air gradually decreases.
  • the suction part 13 is configured to pump air from the downward direction of the quadrotor to the compression part, and adjust the flow rate of the air injected from the discharge part by adjusting the flow rate of the air according to the rotational speed of the motor.
  • Figure 5 is a view showing the driving principle of the fanless fan applied to the quadrotor of the present invention.
  • the present invention implements a wingless quadrotor and uses the principle of a wingless fan.
  • the principle of a wingless fan is to use Bernoulli's theorem, which is the core principle of hydrodynamics. Bernoulli's Theorem, published by Bernoulli in 1738, is a law that defines the relationship between speed, pressure, and height for the regular flow of ideal fluid without viscosity and compressibility. It is a theory that showed.
  • the fanless fan sucks air through the suction unit 5 from the outside by the rotation of the motor 2 mounted at the lower end of the main body unit 1.
  • the sucked air enters and rotates inside the circular frame 3 coupled with the main body 1, and the air is discharged into the gap 4 formed in the frame.
  • Figure 6 shows a frame provided in the fanless fan applied to the quadrotor of the present invention. Referring to Figure 6, it shows a cross-sectional view of the frame provided on the top of the fan without wings to show the air discharge portion is discharged into the air is introduced into the frame is rotated.
  • the lower surface of the frame has a wing-shaped cross section is formed with a narrow opening (4) so that the air introduced into the frame (3) by the motor can escape out.
  • the air speed increases, and the air increases in speed as it leaves the plane wing-shaped frame surface. It is sucked in and forms a strong forward airflow.
  • the present invention uses a principle of a wingless fan as described above to move the air flow generated by moving inside the frame in the downward direction of the gas, lifting the gas in a vertical direction to manufacture a quadrotor manufactured The purpose is to provide.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the suction unit provided in the quadrotor of the present invention.
  • the suction part 13 includes an upper fan 16 disposed in an upward direction, a lower fan 14 disposed in a downward direction so as to correspond to the upper fan, and a flow disposed between the upper fan and the lower fan. It may include a throttle (15).
  • the upper fan 16 is composed of a plurality of fans bent in a curved surface
  • the lower fan 14 may also be composed of a plurality of fans bent in a spiral direction.
  • the lower fan 14 sucks air located in the lower part of the suction part 13 and moves upwards, and the lower fan 14 moves upwards by a plurality of holes provided in the flow control plate 15 located above the lower fan. Flow rate can be adjusted.
  • the air passing through the holes may move upward again according to the rotation of the upper fan to move through the suction part 13 to the compression part.
  • a driving motor is connected to the upper fan and the lower fan to determine a rotational speed for determining the flow rate of air, and each of the different motors is connected to the upper fan and the lower fan to be individually set. It may be.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the compression unit provided in the quadrotor of the present invention.
  • the compression unit 12 is configured to provide a passage through which the sucked air passes, and determines the shape by using the speed of the moving air according to the cross-sectional area of the compression unit.
  • the thickness of the compression unit 12 is differently formed as t1, t2, t3 according to the movement direction of air, and assuming that the width of the compression unit is constant in the horizontal direction, the height of t1 is higher than the point having the height of t2.
  • the branch point represents high pressure and the air flow is relatively slow. That is, a point having a height of t2 has a relatively low pressure than a point having a height of t1 and t3 and a flow of air can be formed faster.
  • the compression section of the present invention can be formed such that the cross-sectional area of the compression section is gradually reduced as the air proceeds toward the discharge section.
  • the height of the compression unit is gradually reduced in size, it is shown as an example, but this is only one example, it is possible to control the moving speed of the air by changing the cross-sectional area of the compression unit.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the air discharge unit provided in the quadrotor of the present invention. Referring to FIG. 9, specifically, a cross-sectional view taken along the line H ′ of FIG. 3H is illustrated.
  • the air exhaust 11 of the present invention may be formed by one or more walls that form the inner passage 20 and the discharge 23.
  • the air discharge part 11 may include an inner wall 21 and an outer wall 27.
  • the upper portion of the outer wall 27 is formed so that its end is folded round to the inner wall 21, the side portion may be formed to have a flat surface.
  • the upper portion of the inner wall 21 is formed in a ring or folded shape so that the end thereof is closer to the outer wall 27, and is formed to have an inclined surface that is closer to the outer wall 27 toward the downward direction. Opposite surfaces of the inner wall 21 and the upper side of the outer wall 27 are formed to be spaced apart from each other by a predetermined distance to form a discharge portion 23 that becomes a flow passage of air.
  • An end portion of the upper portion of the inner wall 21 may have a surface inclined at an angle toward the outer wall 27, and the thickness of the inner wall corresponding to the portion facing the outer wall may be thickened by a predetermined value. That is, when the part facing the inner wall and the outer wall is the inlet part 22, the inlet part 22 may be formed to extend in the horizontal direction in which the outer wall is disposed.
  • the inlet part 22 is a passage through which air escapes, and the width thereof is formed to be gradually smaller toward the discharge part 23, and the discharge part 23 is formed by a gap formed between the inner wall 38 and the outer wall 40. gaps) or gaps.
  • the distance between the inner wall and the outer wall corresponding to the inlet portion 22 and the discharge portion 23 can be appropriately changed in preparation for the size of the quadrotor or the required driving force.
  • the surface of the inner wall formed beyond the inlet 22 and adjoining the discharge 23 may comprise a Coanda surface.
  • the Coanda surface is a known type of surface that represents a convex curved surface, such as an airplane wing.
  • the air exiting through the outlet 23 exhibits a Coanda effect over this Coanda surface, which exits the surface and tends to flow close to or close to the surface.
  • the inner wall is formed like the Coanda surface, a large amount of air can be introduced through the opening outside the discharge portion by the air exiting the discharge portion.
  • the lower portion of the inner wall may include a guide portion 25.
  • the guide portion 25 may include a guide surface 26 disposed to have a predetermined angle on the inner wall for efficient transmission of air flow in the inner passage 20.
  • the guide surface 26 may be disposed parallel to the outer wall 27 and may be formed to have a cylindrical shape.
  • the output and discharge of the primary air flow is performed by a motor drive provided in the intake portion that sucks air into the quadrotor.
  • the air sucked by the suction part flows through the low pressure region formed in the compression part and gradually flows into the space provided in the discharge part.
  • the air flowing through the movement passage 20 is compressed past the inlet 22 and more compressed when passing through the outlet 23.
  • the air flow generated thereby is discharged through the discharge portion 23 while overwhelming the pressure generated by the compression.
  • the air discharged through the discharge section 23 sucks additional external air into the opening between the discharge sections, and induces high air flow through the opening.
  • the air located on the upper surface of the air discharge portion is moved downward through the opening by the flow of air passing between the discharge portion, thereby generating a propulsion force in the quadrotor, which is possible to fly the quadrotor. If the speeds of the motors arranged in the suction part of each drive unit serving as the wing of the quadrotor are set equal, the quadrotor rises in the direction perpendicular to the ground, and the speed of the motor on the line in the direction to move By varying the direction of movement of the quadrotor during flight can be varied.
  • the present embodiment is manufactured in the form of inhaling and discharging air without the propeller, which is a means for generating thrust in the conventional unmanned aerial vehicle, even when the unmanned aerial vehicle takes off or lands, contact due to immature operation of the user occurs. Can reduce the damage caused.
  • the driving method of inhaling and discharging air is applied, uniform wind can be generated during the flight, and the vibration of the gas can be reduced to improve stability during the flight.
  • the present invention relates to an unmanned aerial vehicle having a driving unit that inhales and discharges air, and prevents contact due to immaturity of a user during takeoff or landing, and improves the stability of the aircraft, thereby providing industrial applicability. It seems to be enough.

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Abstract

본 발명의 실시예는 중심에 본체부가 마련되고, 본체부의 측면에서 수평방향으로 연장 형성되어 하방향으로 추력을 발생시키며 상기 본체부를 중심으로 일정한 각도를 이루도록 결합된 복수개의 구동부로 이루어지며, 제어 모듈의 명령에 따라 비행하는 무인 비행체로서, 상기 구동부는 주변공기를 흡입하여 공기의 유동을 발생시키는 흡입부, 상기 흡입부와 연결되며 유동되는 공기의 속도를 가변시키는 압축부, 상기 압축부를 통해 유동된 공기를 방출시키는 공기배출부를 포함하고, 상기 공기배출부는 상기 압축부의 일부와 수평방향으로 결합되며 상하방향으로의 개구를 갖는 원통형의 프레임으로 형성되고, 상기 프레임의 내주면에는 상기 프레임 내부에서 유동되는 공기가 하방향으로 빠져나가는 방출구를 구비한다. 실시예는 추력을 발생시키는 수단인 프로펠러를 배제하고 공기를 흡입 및 배출하는 형태로 제작되기 때문에 무인 비행체의 이륙 또는 착륙시 사용자의 조작 미숙으로 인한 접촉이 발생하여도 신체적 상해에 의한 피해를 줄일 수 있다.

Description

프로펠러 없이 비행 가능한 무인 비행체
본 발명은 쿼드로터와 같은 무인 비행체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프로펠러와 같은 회전구동수단을 제거하고, 압력차이에 의한 구동력으로 비행할 수 있는 무인 비행체에 관한 것이다.
사람이 작업하기 힘든 환경에서 무인 비행체의 필요성 및 활용도가 높아지고 있으며, 무인 비행체는 접근이 어려운 재난/재해 지역의 공중 영상 획득 및 전력선 검사 또는 전장상황에서의 적의 은닉 정보를 제공하거나, 무인기를 통한 정찰임무, 감시 임무를 수행하는 등의 임무를 수행할 수 있다.
무인 원격제어 수직이착륙 비행체의 보편적인 형태로 단일 로터형 헬리콥터와, 동축반전형 헬리콥터, 쿼드로터 등이 있다. 이 중에서 쿼드로터는 4개의 로터와 연결된 모터를 제어하며 여러가지 센서 및 신호처리를 이용하여 비교적 안정적으로 비행이 가능하다.
이러한 쿼드로터는 최근 취미, 레저의 하나로서 널리 퍼지고 있는 상태이나, 대부분이 프로펠러와 같은 구조물의 회전에 의한 구동력으로 비행하기 때문에 쿼드로터가 이륙 또는 착륙하는 시점에서 사용자의 조작 미숙 또는 오작동에 의해 회전하는 프로펠러가 사용자와 접촉하게 되는 사고가 발생 가능성이 있고 이러한 사고는 그 강도가 치명적일 가능성이 크다.
이러한 문제를 방지하기 위하여, 프로펠러 및 쿼드로터를 감싸는 안전 프레임, 프로펠러에 접촉이 발생시 자동으로 구동을 멈추는 등의 방법이 제시되었으나, 안전 프레임은 프로펠러의 위, 아래 방향에 대해서 보호하지 못하는 문제가 있으며, 자동으로 구동을 멈추는 방법에 있어서는 접촉 발생 유무를 판단하는 부분에 있어 오작동을 일으킬 여지가 있어, 사고의 발생 요인은 여전히 존재하게 된다.
또한, 프로펠러의 회전에 의한 추진력을 얻는 무인 비행체는 공기를 가르며 바람을 만들어내기 때문에 바람이 균일하지 못하며, 기체에 큰 진동을 발생시켜 기체의 안정성에도 문제가 생기게 된다.
도 1은 종래의 쿼드로터를 간략화하여 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 쿼드로터는 본체부(2)를 중심으로 연장된 프레임에 마련된 4개의 프로펠러(5)가 각각 BLDC 모터(4)와 연결되고, 상기 모터(4)의 회전에 의해 프로펠러(5)에서 발생하는 추력을 이용해 비행을 할 수 있으며, 각 모터의 회전 각속도 차이에 의해 쿼드로터의 비행시 방향을 변경할 수 있다.
이러한 기존의 쿼드로터는 4개의 프로펠러가 빠르게 회전하고 있어 사용자의 신체에 접촉할 경우 상해가 발생할 가능성이 크고, 방향 전환 이동시에 전체 기체가 이동방향으로 기울어지는 구조를 가지고 있어 안정적인 비행이 어려운 상황이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 무인 비행체에 구동력을 발생시키는 수단으로서 회전하는 프로펠러와 같은 수단을 배제하여 사용자에게 발생할 수 있는 신체적 상해 또는 재산의 손상 등을 방지할 수 있는 무인 비행체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 날개없는 선풍기의 원리를 도입하여 프로펠러 없이 구동력을 얻기 때문에 균일한 바람을 생성할 수 있고, 비행시의 진동을 감소시켜 안정성이 향상된 무인 비행체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 중심에 본체부가 마련되고, 본체부의 측면에서 수평방향으로 연장 형성되어 하방향으로 추력을 발생시키며 상기 본체부를 중심으로 일정한 각도를 이루도록 결합된 복수개의 구동부로 이루어지며, 제어 모듈의 명령에 따라 비행하는 무인 비행체로서, 상기 구동부는 주변공기를 흡입하여 공기의 유동을 발생시키는 흡입부, 상기 흡입부와 연결되며 유동되는 공기의 속도를 가변시키는 압축부, 상기 압축부를 통해 유동된 공기를 방출시키는 공기배출부를 포함하고, 상기 공기배출부는 상기 압축부의 일부와 수평방향으로 결합되며 상하방향으로의 개구를 갖는 원통형의 프레임으로 형성되고, 상기 프레임의 내주면에는 상기 프레임 내부에서 유동되는 공기가 하방향으로 빠져나가는 방출구를 구비하여 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래 무인 비행체에 추력을 발생시키는 수단인 프로펠러를 배제하고 공기를 흡입 및 배출하는 형태로 제작되기 때문에 무인 비행체의 이륙 또는 착륙시 사용자의 조작 미숙으로 인한 접촉이 발생하여도 신체적 상해에 의한 피해를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기를 흡입 및 배출하는 구동 방법을 적용한 무인 비행체는 비행시 균일한 바람을 생성하고, 기체의 진동을 감소시켜 비행시의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 쿼드로터의 구조를 간략화하여 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 쿼드로터를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 쿼드로터를 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 쿼드로터를 나타낸 측면도
도 5는 본 발명의 쿼드로터에 적용되는 날개 없는 선풍기의 구동원리를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 쿼드로터에 적용되는 날개 없는 선풍기의 프레임을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 쿼드로터에 구비된 흡입부의 단면을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 쿼드로터에 구비된 압축부의 단면을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 쿼드로터에 구비된 공기배출부의 단면을 나타낸 도면이며, 도 3의 H에서 H'를 따라 절단된 단면을 나타낸 도면
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
본 실시예는 무인 비행체 예를 들어 쿼드로터와 같이 수직방향으로 추력을 얻어 비행하는 비행체 중에서, 쿼드로터가 추력을 얻는 부분인 모터 및 프로펠러의 위치를 여러 방향으로 가변할 수 있는 쿼드로터의 구동부에 대해 제안하는 것이며, 상기 구동부 외에 다른 구성은 공지되어 있는 기술을 활용할 수 있다. 실시예의 무인 비행체에 포함된 본체부에는 배터리 모듈과 제어 모듈이 탑재될 수 있다. 제어 모듈은 원거리에서 사용자가 보내는 신호에 따라 무인 비행체에 마련된 구동부의 동작을 제어하며, 각각의 프로펠러의 위치 또는 회전속도를 제어하여 기체의 비행 상태를 조절할 수 있다.
실시예에서는 주로 프로펠러가 4개로 구성된 쿼드로터에 대해 설명하지만, 프로펠러의 개수에 상관없이 무인 비행체의 구동수단에 모두 적용될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 쿼드로터를 나타낸 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 쿼드로터(10)는 하방향으로 상승기류를 형성하여 추진력을 발생시키는 4개의 배출부(11a, 11b, 11c, 11d)와 상기 각 배출부의 측면에 결합되는 압축부(12a, 12b, 12c, 12d)와 상기 압축부의 일단에 연결되며 주변공기를 흡입하는 흡입부(13a, 13b, 13c, 13d)로 구성될 수 있다. 각 흡입부의 단부가 서로 90도를 이루면서 결합되어 고정됨으로써 추진력을 생성하는 4개의 구동수단을 포함한 쿼드로터가 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 쿼드로터를 나타낸 평면도이다. 도 3을 참조하여 본 발명의 쿼드로터 구조에 대해 설명한다.
본 발명의 쿼드로터는 하방으로 공기의 유동을 형성하며 날개의 역할을 하는 구동부(10)가 4개로 구성되며, 각 구동부는 중앙에 개구(14)가 형성된 원통형의 배출부(11), 상기 배출부의 측면에 결합되며 배출부로 이동되는 공기를 압축하는 압축부(12) 및 주변 공기를 흡입하는 흡입부(13)를 포함할 수 있다.
배출부(11)의 내부에는 압축부(12)에 의해 이동한 공기가 회전할 수 있는 공간이 마련되며, 상단부에는 공기가 배출될 수 있는 배출구가 마련되어 있다. 배출구를 통해 배출된 공기는 원형의 개구(14)를 통해 하방향으로 이동하면서 쿼드로터에 추진력을 발생시키게 되며, 이에 대한 구체적인 구성은 이후의 도면에서 살펴본다. 배출구는 배출부(11)의 내주 상단면을 따라 연속적으로 형성될 수 있으며, 배출부의 높이는 쿼드로터의 크기에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 또한, 배출부(11) 중심에 형성된 개구(14)의 직경도 쿼드로터에 필요한 추진력에 따라 가변될 수 있다.
압축부(12)는 배출부(11)와 결합되며 이를 지지하는 부분으로, 내부에 흡입된 공기가 이동하는 통로를 제공하며, 단면적이 줄어들면 공기가 빠르게 흐르는 원리를 이용하여 흡입된 공기의 속도가 빨라지도록 외면의 형상이 공기의 유입방향으로 변경되도록 제조될 수 있다. 실시예에서는 배출부(11)의 측면을 따라 소정의 길이를 가지며 내부에 이동통로가 형성된 플레이트가 결합되며, 상기 플레이트는 쿼드로터의 중심 방향으로 일정한 길이를 가지며 흡입구와 결합되는 부분에서 그 길이가 급격히 작아지는 형상으로 제조될 수 있다.
흡입부(13)는 압축부(12)의 단부와 연결된 원통형으로 형성되며, 쿼드로터의 수평면을 기준으로 압축부(12)의 하면에는 흡입구가 마련될 수 있으며, 그 내부에는 흡입구를 통해 들어온 공기를 이동시키는 모터가 마련될 수 있고, 모터에 팬이 형성되어 있어 펌프의 원리를 사용함으로써 주변 공기를 하방향에서 상방향으로 흡입하여 끌어올릴 수 있다.
도 4는 본 발명의 쿼드로터를 나타낸 측면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 쿼드로터의 구동부 중의 하나를 옆에서 바라본 형상을 나타낸 것이다. 측면에서 바라보았을 때, 배출부(11)는 원통형이며 외주면은 플랫한 표면을 갖도록 형성된다. 배출부의 내주면은 상부가 볼록하고 하부로 갈수록 오목한 굴곡 형상을 가지도록 형성되며, 볼록한 부분에 공기가 배출되는 틈이 마련될 수 있으며 구체적인 구조는 이후의 도면에서 살펴본다.
배출부(11)와 흡입부(13)를 연결하는 압축부(12)는 흡입부(13)에서 배출부(11)로 갈수록 그 폭과 직경이 작아지도록 형성될 수 있다. 즉, 압축부(11)에서 공기가 유동하는 통로는 공기와의 접촉면적이 점차 작아지도록 형성될 수 있다.
흡입부(13)는 쿼드로터의 하방향으로부터 공기를 펌핑하여 압축부로 전달하는 구성으로서, 모터의 회전속도에 따라 공기의 유량을 조절하여 배출부에서 분사되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
*도 5는 본 발명의 쿼드로터에 적용되는 날개 없는 선풍기의 구동원리를 나타낸 도면이다.
본 발명은 날개없는 쿼드로터를 구현하는 것으로서, 날개없는 선풍기의 원리를 이용하였다. 날개없는 선풍기의 원리는 유체역학의 핵심원리인 베르누이 정리를 이용한 것이다. 베르누이 정리는 1738년에 베르누이가 발표한 것으로, 점성과 압축성이 없는 이상적인 유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 대해 속력과 압력, 높이의 관계를 정의한 법칙으로, 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 일정하다는 것을 나타낸 이론이다.
도 5를 참조하면, 날개 없는 선풍기는 본체부(1)의 하단에 장착된 모터(2)의 회전에 의해서 외부로부터 흡입부(5)를 통해 공기를 흡입한다. 이 흡입된 공기는 본체부(1)와 결합되어 있는 원형의 프레임(3) 내부로 들어가 회전하게 되며, 프레임에 형성된 틈(4)으로 공기가 배출되게 된다.
도 6은 본 발명의 쿼드로터에 적용되는 날개 없는 선풍기에 마련된 프레임을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 날개 없는 선풍기의 상단에 마련된 프레임의 단면을 나타낸 것으로 프레임 내부로 유입되어 회전하는 공기가 배출되는 공기배출부를 나타낸다.
프레임(3)의 단면을 살펴보면, 프레임의 하면은 비행기 날개 모양의 단면을 가지면서 모터에 의해 프레임(3) 내부로 유입된 공기가 밖으로 빠져 나갈 수 있도록 좁은 개구부(4)가 형성되어 있다. 이 개구부(4)를 통해 공기가 빠져나가면서 공기의 속도가 빨라지게 되고, 속도가 빨라진 공기는 비행기 날개 모양의 프레임 표면을 타고 나가면서 낮은 압력을 형성하게 되며 원형의 프레임 뒷부분에 있던 주변공기를 빨아들여 강한 전진 기류를 형성하게 된다. 본 발명은 상술한 바와 같은 날개 없는 선풍기의 원리를 이용하여 프레임 내부로 이동하여 생성되는 기류를 기체의 하방향으로 유동시키도록 하여, 기체를 수직방향으로 들어올려 비행이 가능하도록 제조한 쿼드로터를 제공하는데 목적이 있다.
도 7은 본 발명의 쿼드로터에 구비된 흡입부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 흡입부(13)는 상방향에 배치된 상부팬(16)과 상부팬과 대응되도록 하방향에 배치되는 하부팬(14), 그리고 상부팬과 하부팬 사이에 배치되는 유동조절판(15)을 포함할 수 있다.
상부팬(16)은 곡면으로 휘어진 복수개의 팬으로 이루어지며, 하부팬(14) 또한 나선방향으로 휘어진 복수개의 팬들로 이루어질 수 있다. 하부팬(14)은 흡입부(13)의 하부에 위치한 공기를 빨아들여 상방향으로 이동시키며, 하부팬의 상부에 위치한 유동조절판(15)에 마련된 복수개의 홀들에 의해 상방향으로 이동하는 공기의 유량이 조절될 수 있다. 홀들을 통과한 공기는 상부팬의 회전에 따라 다시 상방향으로 이동하여 흡입부(13)를 지나 압축부로 이동될 수 있다. 도시되지는 않았으나 상부팬 및 하부팬에는 구동모터가 연결되어 공기의 유량을 결정하기 위한 회전속도가 결정될 수 있으며, 상부팬 및 하부팬에는 각각의 서로 다른 모터가 연결되어 개별적으로 회전속도가 설정될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 쿼드로터에 구비된 압축부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 압축부(12)는 흡입된 공기가 지나가는 통로를 제공하는 구성으로, 압축부의 단면적에 따라서 이동하는 공기의 속도가 변화함을 이용하여 그 형상을 결정하였다. 공기의 이동방향에 따라 압축부(12)의 두께는 t1, t2, t3와 같이 다르게 형성되어 있으며, 압축부의 수평방향으로의 폭이 일정하다고 가정하였을 때 t2의 높이를 가지는 지점보다 t1의 높이를 가지는 지점은 고압을 나타내며 공기의 흐름은 상대적으로 저속을 나타낸다. 즉, t2의 높이를 가지는 지점은 t1, t3의 높이를 가지는 지점보다 상대적으로 저압을 나타내며 공기의 흐름이 더 빠르게 형성될 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 본 발명의 압축부는 공기가 배출부쪽으로 진행할수록 압축부의 단면적이 점차 작아지도록 형성될 수 있다.
도면에서는 압축부의 높이가 점차 작아지다가 커지는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시이며 압축부의 단면적을 변화시킴으로써 공기의 이동속도를 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 쿼드로터에 구비된 공기배출부의 단면을 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 구체적으로 도 3의 H에서 H'를 따라 절단된 단면을 나타낸 도면이다.
*본 발명의 공기배출부(11)는 내부 통로(20)와 방출부(23)를 이루는 1개 이상의 벽에 의해 형성될 수 있다. 공기배출부(11)는 내벽(21) 및 외벽(27)을 포함할 수 있다. 외벽(27)의 상부는 그 단부가 내벽(21)쪽으로 둥글게 접히도록 형성되며, 측부는 평평한 표면을 가지도록 형성될 수 있다.
내벽(21)의 상부는 그 단부가 외벽(27)으로 가까워지도록 고리 또는 접힌 모양으로 형성되며, 하방향으로 갈수록 외벽(27)과 가까워지는 경사면을 갖도록 형성된다. 내벽(21)과 외벽(27) 상부의 대향면은 서로 일정거리만큼 이격되도록 형성되며 공기의 유동통로가 되는 방출부(23)를 형성한다.
내벽(21) 상부의 단부는 외벽(27)쪽으로 소정의 각도로 경사진 면을 가지며, 외벽과 대향하는 부분에 해당하는 내벽의 두께는 일정값만큼 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 내벽과 외벽이 대향하는 부분을 입구부(22)라 하면, 입구부(22)는 외벽이 배치된 방향인 수평방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
입구부(22)는 공기가 빠져나가게 되는 통로이며, 그 폭은 방출부(23) 쪽으로 갈수록 점차 작아지도록 형성되며, 방출부(23)는 내벽(38)과 외벽(40) 사이에 형성된 갭(gap) 또는 간격을 포함할 수 있다. 입구부(22) 및 방출부(23)에 해당되는 내벽과 외벽의 간격은 쿼드로터의 크기 또는 필요한 구동력에 대비하여 적절하게 변경될 수 있다.
입구부(22)를 지나 방출부(23)에 인접하여 형성되는 내벽의 표면은 코안다 표면(Coanda surface)을 포함할 수 있다. 코안다 표면은 공지된 유형의 표면으로서 비행기 날개와 같이 볼록한 곡면 형태를 이루는 표면을 나타낸다. 배출부(23)를 통해 빠져나온 공기는 이 코안다 표면에 걸쳐 코안다 효과를 나타내는데, 빠져나온 공기는 포면에 바싹 접근하여 거의 밀착하거나 달라붙어 표면을 흐르는 경향을 나타내게 된다. 따라서, 내벽이 코안다 표면과 같이 형성됨으로써 방출부에서 빠져나온 공기에 의해 배출부 외부에서 많은 양의 공기가 개구를 통해 유입될 수 있다.
그리고, 내벽의 하부는 가이드부(25)를 포함할 수 있다. 가이드부(25)는 내부 통로(20)에서 공기 유동의 효율적인 전달을 위해 내벽에 소정의 각도를 가지도록 배치한 가이드면(26)을 포함할 수 있다. 가이드면(26)은 외벽(27)과 평행하게 배치될 수 있고 원통형을 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명의 쿼드로터에서 공기의 유동을 통해 작동하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 1차적인 공기 유동의 출력 및 방출은 공기를 쿼드로터 내부로 빨아들이는 흡입부에 마련된 모터 구동에 의해 수행된다. 흡입부에 의해 빨려들어간 공기는 압축부에 형성된 저압 영역을 통해 이동하면서 점차 빠른 속도로 배출부에 마련된 공간으로 유입된다.
이동 통로(20)를 통해 유동되는 공기는 입구부(22)를 지나면서 압축되고, 방출부(23)를 통과할 때 더욱 압축된다. 이에 발생된 공기 유동은 압축에 의해 발생된 압력을 압도하면서 방출부(23)를 통해 배출된다. 방출부(23)를 통해 배출되는 공기는 외부의 추가적인 공기를 방출부 사이의 개구로 빨아들이게 되며, 개구를 통해 높은 공기 유동을 유도하게 된다.
즉, 공기배출부의 상면에 위치하는 공기들은 방출부 사이를 통과하는 공기의 흐름에 의해 개구를 통해 하방향으로 이동함으로써, 쿼드로터에 추진력을 생성하게 되며 이에 쿼드로터의 비행이 가능한 상태가 된다. 쿼드로터의 날개 역할을 하는 각 구동부의 흡입부에 배치된 모터의 속도를 동일하게 설정하면, 쿼드로터는 지면에 대해 수직한 방향으로 상승하게 되며, 이동하고자 하는 방향의 선상에 있는 모터의 속도를 가변시킴에 의해서 쿼드로터의 비행시 이동방향을 가변시킬 수 있다.
본 실시예는 종래 무인 비행체에 추력을 발생시키는 수단인 프로펠러를 배제하고 공기를 흡입 및 배출하는 형태로 제작되기 때문에 무인 비행체의 이륙 또는 착륙시 사용자의 조작 미숙으로 인한 접촉이 발생하여도 신체적 상해에 의한 피해를 줄일 수 있다. 또한, 공기를 흡입 및 배출하는 구동 방법을 적용하였기에 비행시 균일한 바람을 생성하고, 기체의 진동을 감소시켜 비행시의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 공기를 흡입 및 배출하는 형태의 구동부를 구비한 무인 비행체에관한 것으로, 이륙 또는 착륙시 사용자의 조작 미숙으로 인한 접촉이 발생하는 것을 방지하며 기체의 안정성을 향상시킬 수 있으므로 산업적 이용가능성이 충분하다고 보여진다.

Claims (8)

  1. 중심에 본체부가 마련되고, 본체부의 측면에서 수평방향으로 연장 형성되어 하방향으로 추력을 발생시키며 상기 본체부를 중심으로 일정한 각도를 이루도록 결합된 복수개의 구동부로 이루어지며, 제어 모듈의 명령에 따라 비행하는 무인 비행체로서,
    상기 구동부는
    주변공기를 흡입하여 공기의 유동을 발생시키는 흡입부,
    상기 흡입부와 연결되며 유동되는 공기의 속도를 가변시키는 압축부,
    상기 압축부를 통해 유동된 공기를 방출시키는 공기배출부를 포함하고,
    상기 공기배출부는 상기 압축부의 일부와 수평방향으로 결합되며 상하방향으로의 개구를 갖는 원통형의 프레임으로 형성되고,
    상기 프레임의 내주면에는 상기 프레임 내부에서 유동되는 공기가 하방향으로 빠져나가는 방출부를 구비하는 무인 비행체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압축부는 상기 흡입부의 단부에 연결되어 공기가 유동하는 통로를 제공하며, 상기 흡입부로부터 상기 공기배출부로 갈수록 단면적이 작아지도록 형성되는 무인 비행체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프레임은 외주면을 이루는 외벽과 내주면을 이루는 내벽으로 이루어지며, 상기 외벽과 내벽의 상단부는 서로 이격되며 대향하는 면을 갖도록 형성되는 무인 비행체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 외벽의 상측부는 내벽 방향으로 둥글게 휘어진 형상이고, 상기 내벽의 상측 단부는 상기 외벽의 단부와 대향하는 부분으로부터 일정거리 이격되면서 상기 외벽을 향해 수평방향으로 연장형성되는 무인 비행체.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 외벽의 측면은 지면에 대해 수직한 방향으로 연장형성되어 상기 프레임의 외주면을 형성하는 무인 비행체.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 내벽은 상기 외벽의 단부와 이격되어 형성되는 방출부를 지나 하방향으로 연장형성되며, 프레임의 중심부쪽으로 볼록한 표면을 가지면서, 최하단부가 상기 외벽과 만나도록 제조되는 무인 비행체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입부의 내부에는 소정의 속도로 회전하면서 공기 유동을 발생시키는 모터를 포함하는 무인 비행체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 압축부를 통해 프레임 내부로 유동된 공기는 상기 방출부를 통과하면서 상기 프레임의 상부에 위치한 주변 공기를 상기 개구의 상방향에서 하방향으로 이동시켜 상기 본체부를 지면에서 상승시키는 추력을 발생시키는 무인 비행체.
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