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KR102331583B1 - 다자유도 비행모드를 갖는 드론 - Google Patents

다자유도 비행모드를 갖는 드론 Download PDF

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KR102331583B1
KR102331583B1 KR1020200079379A KR20200079379A KR102331583B1 KR 102331583 B1 KR102331583 B1 KR 102331583B1 KR 1020200079379 A KR1020200079379 A KR 1020200079379A KR 20200079379 A KR20200079379 A KR 20200079379A KR 102331583 B1 KR102331583 B1 KR 102331583B1
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axis
rotor
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fuselage
rotors
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이상현
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이상현
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Publication date
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Priority to US18/003,608 priority patent/US20230234727A1/en
Priority to CN202080102552.7A priority patent/CN115734915A/zh
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Abstract

본 발명과 관련된 다자유도 비행모드를 갖는 드론은, 배터리가 장착되며, x축으로 전진방향이 설정되는 동체부; 상기 동체부의 주위에 4개 이상으로 배치되고, 각각의 회전축이 z축 방향으로 정렬되게 배치되는 복수의 로터; 상기 복수의 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 x축 틸팅기구부; 상기 복수의 로터를 y축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 y축 틸팅기구부; 및 상기 y축 틸팅기구부를 구동시키기 위한 제1 구동모터부; 상기 x축 틸팅기구부를 구공시키기 위한 제2 구동모터부; 및 상기 제1 로터, 상기 제2 로터, 상기 제3 로터, 상기 제4 로터, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2구동모터부를 제어하여 복수의 비행모드를 구현할 수 있게 형성된 제어부를 포함하고, 상기 복수의 비행모드는, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 모두 정지시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제1 비행모드; 및 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 각각 개별적으로 제어하여 작동시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제2 비행모드를 포함할 수 있다.

Description

다자유도 비행모드를 갖는 드론{DRONE HAVING MULTIPLE FLYING MODES}
본 발명은 다자유도 비행모드를 갖는 드론에 관한 것이다.
드론으로 불리는 멀티로터 또는 멀티팬 비행체는 일반적으로 3 개 이상의 로터를 갖는 헬리콥터의 한 종류이다. 전통적인 싱글로터 헬리콥터에 비해, 로터의 토크와 스피드를 변화시켜 비행하는 것이 가능하며, 유지와 조작이 용이한 장점이 있다. 이러한 장점 및 전자기술의 급속한 발전으로 인해 멀티로터 비행체의 적용 영역 또한 급격히 넓어졌다. 과거에는 주로 군사용의 크기가 큰 무인 비행체들이 주류를 이루었지만, 최근에는 소형 무인 비행체들이 민간용으로 많이 제작되고 있다. 그 활용도 또한 영상 촬영에서부터 물건 수송에 이르기까지 다양하게 확대되고 있다.
다양한 형태의 소형 무인 비행체 중에 특히 쿼드 로터라 칭해지는 멀티 로터 비행체는 다른 비행체에 비해 많은 장점을 지닌다. 가장 큰 장점은 기계적인 매커니즘이 매우 간단하다는 사실이다. 쿼드로터의 경우 비행 전 트림을 맞추어야 될 필요도 없고, 기계적인 진동도 크지 않을 뿐 아니라, 피로에 의한 부품 파손의 확률도 낮다. 그리고 쿼드로터는 간단한 형태 때문에 수학적으로 모델링하기도 쉬우므로 자동 비행에 적합하며, 비행체를 조절하기 위해 많은 시간의 훈련을 요구하는 다른 소형 비행체들과 달리, 초보자들도 쉽게 조종할 수 있다. 또한, 작은 프로펠러를 여럿 사용하기 때문에 조종이나 관리가 서툰 사람에게도 상대적으로 안전하다. 즉, 비행체에 대한 전문적인 지식이 없거나, 사전에 많은 훈련을 하지 않더라도 누구나 쿼드로터를 쉽게 조종, 유지, 보수, 관리를 할 수 있는 것이다. 이런 쿼드로터의 장점 덕분에 민간용 소형 무인 비행체 중에서 쿼드로터가 그 영향력을 점차 넓혀 가고 있다.
쿼드로터의 제어와 유도에 관해서는 이미 많은 연구자들에 의해 연구가 이루어져 왔다. 우선, 제어 분야에 있어서, 쿼드로터의 비선형적인 모델의 특성을 효과적으로 다루기 위해서 Backstepping 기법이나, Sliding Mode 기법을 이용해서 비선형 시스템을 직접 제어하는가 하면, Feedback Linearization을 이용해 쿼드로터 모델을 선형화 시킨 후 제어하려는 시도도 있었다. 또한 유도 분야에 있어서도, 쿼드로터의 동체를 한쪽 방향으로 360도 혹은 그 이상 회전시키는 Flip동작을 수행하거나, 특정한 궤도와 자세를 따라가는 급격한 기동은 물론, 공을 서로 주고 받는 등의 정교한 기동도 가능하게 되었다.
많은 연구자들의 공헌으로 쿼드로터와 같은 멀티 로터 비행체를 정밀하게 제어 및 유도할 수 있게 된 현재 시점이지만, 여전히 기능적으로 개선해야 할 부분이 있다. 3차원 공간상에 있는 비행체의 정확한 위치와 자세는 6개의 변수에 의해 표현된다는 사실을 상기해 보면, 결국 멀티 로터 비행체 시스템은 입력의 차원이 출력의 차원보다 작은 Under Actuated 시스템이 된다. 이러한 사실이 멀티 로터 비행체의 제어와 유도에 제약으로 작용한다. 예컨대, 멀티 로터 비행체를 앞쪽으로 가속시키기 위해서는 그의 본체를 반드시 앞쪽으로 기울여야지, 멀티 로터 비행체를 뒤쪽으로 기울인 상태에서는 절대로 앞쪽으로의 가속도가 발생하지 않는 것이다. 즉, 멀티 로터 비행체의 자세와 가속도는 완전히 독립적일 수 없다는 것을 의미한다.
이에 따라, 멀티 로터 비행체의 본체에 카메라를 부착하여 대상물을 촬영하는 경우, 멀티 로터 비행체가 방향을 전환하게 되면 그의 본체가 함께 기울어지게 되어 카메라의 촬영 방향이 촬영 대상물로부터 벗어나게 된다. 또한, 방향 전환시에도 멀티 로터 비행체 전체의 기울어짐이 요구되므로, 응답성이 상대적으로 낮아 급격한 기동이 쉽지 않다. 이러한 이유로 동체의 각도 변화에 따라 카메라를 유지시킬 수 있는 별도의 장치가 사용되는데, 부품 및 비용상승의 원인이 되며 무게도 증가하게 되어 배터리의 사용시간을 단축시키기도 한다. 또한 이러한 카메라 연결장치는 진동에 취약하므로 별도의 흡진 수단을 장착하기도 하는데, 그만큼 장치가 복잡해지는 단점도 있다.
* 관련 선행기술
한국 공개특허 제10-2017-0061941호(2017.06.07. 공개)
한국 등록특허 제10-1692315호(2016.12.28. 등록)
본 발명의 목적은 드론이 안정적으로 다자유도를 갖도록 함으로써 다양한 비행모드를 구현할 수 있고, 카메라의 설치를 위하여 별도의 장치를 설치할 필요없이 흔들림이 없는 상태를 유지시킬 수 있도록 하는데 있다.
본 발명과 관련된 드론은, 배터리가 장착되며, x축으로 전진방향이 설정되는 동체부; 각각의 회전축이 z축방향으로 정렬되어 있으며, 상기 x축 방향으로 보았을 때 제1 위치에서 상기 동체부를 중심으로 대향되게 배치되는, 제1 로터 및 제2 로터; 각각의 회전축이 상기 z축방향으로 정렬되어 있으며, 상기 x축 방향으로 보았을 때 상기 동체부의 제2 위치에서 상기 y축방향으로 대향되게 배치되는 제3 로터 및 제 4로터; 상기 제1 위치에서 상기 y축과 평행한 y1축을 중심으로 회전 가능하게 상기 동체부에 대하여 지지되며, 양 단부에서 상기 x축과 평행한 각각의 지지축에 의하여 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 지지하는, 제1 프레임 샤프트; 상기 제2 위치에서 상기 y축과 평행한 y2축을 중심으로 회전 가능하게 상기 동체부에 대하여 지지되며, 양 단부에서 상기 x축과 평행한 각각의 지지축에 의하여 상기 제3 로터 및 상기 제4 로터를 지지하는, 제2 프레임 샤프트; 상기 제1 프레임 샤프트에 대하여 복수의 제1 로드부에 의하여 상기 z축방향으로 이격되게 배치되며, 상기 y축과 평행하게 작용하는 힘에 의하여 이동되면서 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된, 제3 프레임 샤프트; 상기 제2 프레임 샤프트에 대하여 복수의 제2 로드부에 의하여 상기 z축방향으로 이격되게 배치되며, 상기 y축과 평행하게 작용하는 힘에 의하여 이동되면서 상기 제3 로터 및 상기 제4 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된, 제4 프레임 샤프트; 제1 변환기구부를 통하여 연결되며, 상기 제3 프레임 샤프트 및 상기 제4 프레임 샤프트에 상기 y축과 평행한 방향의 힘을 제공하는 제1 구동모터부; 제2 변환기구부를 통하여 연결되며, 상기 제1 프레임 샤프트 및 상기 제2 프레임 샤프트를 상기 y1축 및 상기 y2축을 중심으로 각각 회전시키도록 힘을 제공하는 제2 구동모터부; 및 상기 제1 로터, 상기 제2 로터, 상기 제3 로터, 상기 제4 로터, 상기 제1구동 모터부 및 상기 제2구동 모터부를 제어하여 복수의 비행모드를 구현할 수 있게 형성된 제어부를 포함하고, 상기 복수의 비행모드는, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 모두 정지시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제1 비행모드; 및 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 각각 개별적으로 제어하여 작동시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제2 비행모드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1 변환기구부는 상기 제1 구동모터부의 구동력을 상기 제3 프레임 샤프트 및 상기 제4 프레임 샤프트에 동시에 전달시킬 수 있게 형성된 제1전달로드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제2 변환기구부는 상기 제2 구동모터부의 구동력을 상기 제1 프레임 샤프트 및 상기 제2 프레임 샤프트에 동시에 전달시킬 수 있게 형성된 제2전달로드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1 비행모드는, 상기 동체부를 상기 x축 방향으로 기울이거나 상기 y축 방향으로 이동시키는 제1-1 비행모드; 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 기울이거나 상기 x축 방향으로 이동시키는 제1-2 비행모드; 상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제1-3 비행모드; 및 상기 동체부를 상기 z축 방향으로 이동시키는 제1-4 비행모드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제2 비행모드는, 상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드; 상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드; 상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제2-3 비행모드; 상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축 방향으로 이동시키는 제2-4 비행모드; 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시키는 제2-5 비행모드; 및 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시키는 제2-6 비행모드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제2-5 비행모드는, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제2-6 비행모드는, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 배터리가 장착되며, x축으로 전진방향이 설정되는 동체부; 상기 동체부의 주위에 4개 이상으로 배치되고, 각각의 회전축이 z축 방향으로 정렬되게 배치되는 복수의 로터; 상기 복수의 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 x축 틸팅기구부; 상기 복수의 로터를 y축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 y축 틸팅기구부; 및 상기 y축 틸팅기구부를 구동시키기 위한 제1 구동모터부; 상기 x축 틸팅기구부를 구공시키기 위한 제2 구동모터부; 및 상기 제1 로터, 상기 제2 로터, 상기 제3 로터, 상기 제4 로터, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2구동모터부를 제어하여 복수의 비행모드를 구현할 수 있게 형성된 제어부를 포함하고, 상기 복수의 비행모드는, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 모두 정지시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제1 비행모드; 및 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 각각 개별적으로 제어하여 작동시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제2 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론을 제시한다.
본 발명과 관련된 다자유도 비행모드를 갖는 드론에 의하면, 복수의 로터를 x축 및 y축을 중심으로 각각 독립적으로 틸팅될 수 있도록 구성한 것으로 로터의 선회 또는 자세변환이나 속도변경시에도 본체는 자세를 그대로 유지하거나 원하는 특정자세로 설정할 수 있게 되어 다양한 비행을 구현할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 복수의 로터들의 속도를 개별적으로 제어함으로써 4자유도를 갖는 제1 비행모드를 구현할 수 있고, 복수의 로터들을 x축 및 y축 방향으로 틸팅시킴으로써 6자유도를 갖는 제2 비행모드를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 드론(100)의 사시도이다.
도 2는 도 1의 드론(100)에서 하우징(111)을 분리한 상태를 보인 사시도이다.
도 3은 도 2의 드론(100)을 하부에서 본 사시도이다.
도 4는 도 2의 상태에서 복수의 로터들이 y축을 중심으로 틸팅된 모습을 보인 사시도이다.
도 5는 도 2의 상태에서 복수의 로터들이 x축을 중심으로 틸팅된 모습을 보인 사시도이다.
도 6은 도 2의 상태에서 복수의 로터들이 x축 및 y축을 중심으로 틸팅된 모습을 보인 사시도이다.
도 7 내지 도 13은 본 발명과 관련된 드론(200)의 제1 비행모드에 따른 자세들을 보인 것으로,
도 7은 호버링 상태를 보인 도면이고,
도 8 및 도 9는 드론이 전후(x축 방향) 이동 및 y축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면들이고,
도 10 및 도 11은 드론이 좌우 이동(y축 방향) 및 x축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면들이고,
도 12는 드론이 z축 방향으로 이동되는 개념을 보인 도면이며,
도 13은 드론이 z축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이다.
도 14 내지 도 17은 본 발명과 관련된 드론(200)의 제2 비행모드에 따른 자세들 중 제1 비행모드와 공통되지 않은 자세들을 보인 것으로,
도 14는 드론이 전후 이동되는 것을 보인 도면이고,
도 15는 드론이 좌우 이동되는 것을 보인 도면이고,
도 16은 동체부가 x축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이고,
도 17은 동체부가 y축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 다자유도 비행모드를 갖는 드론을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 앞의 설명을 참조하여 갈음될 수 있다.
도 1에 의하면, 본 발명과 관련된 다자유도 비행모드를 갖는 드론(100)은 가운데의 동체부(110) 및 동체부(110)의 둘레에 배치된 복수의 로터들(121, 122, 123, 124)을 구비하고 있다. 로터들(121, 122, 123, 124)을 지지하기 위해, 제1 프레임 샤프트(131), 제2 프레임 샤프트(132), 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)가 동체부(110)에 설치된다.
설명을 위하여 편의상의 좌표계를 정하면, 동체부(110)는 전후 방향인 x축 방향으로 놓여져 있고, 동체부(110)의 좌우 방향은 y축 방향이며 동체부(110)의 상하 방향은 z축 방향이 된다. 로터들(121, 122, 123, 124)은 각각의 회전축이 z축 방향으로 정렬되어 있다.
복수의 로터들은 동체부(110)를 따라(x축 방향) 복수의 위치에서 쌍으로 배치될 수 있다. 도 1은 그러한 일 예로서, 2개의 쌍이 배치된 것을 보인다. 즉, 동체부(110)의 후단쪽에 제1 로터(121) 및 제2 로터(122)가 하나의 쌍을 이루고, 동체부(110)의 전단쪽에 제3 로터(123) 및 제4 로터(124)가 하나의 쌍을 이룬다. 제1 로터(121) 및 제2 로터(122)는 제1 프레임 샤프트(131) 및 제3 프레임 샤프트(133)에 의하여 지지되고 있고, 제3 로터(123) 및 제4 로터(124)는 제2 프레임 샤프트(132) 및 제4 프레임 샤프트(134)에 의하여 지지되어 있다.
복수의 로터들(121, 122, 123, 124)은 x축과 평행한 각각의 지지축(136, 137, 138, 139)에 의하여 지지되어 있다. 지지축(136, 137, 138, 139)은 각 로터들에게 전원을 공급하는 케이블의 설치공간인 한편, 제어에 의하여 로터들(121, 122, 123, 124)을 틸팅시키는 일차적인 지지점으로도 기능한다.
동체부(110)는 하우징(111)에 의하여 내부의 부품들이 덮여진 형태일 수 있다. 동체부(110)의 전방에는 카메라(112)가 배치될 수 있다. 도 2와 같이, 카메라(112)는 기판 등에 직접 설치되어 있으며, 흔들림을 줄이기 위하여 별도의 짐벌과 같은 요소들을 사용하지 않고 있다. 이는 후술하는 바와 같이 본 발명과 관련된 드론의 구성 및 비행모드에 의하여 카메라(112)의 흔들림을 줄이고 원하는 방향으로 카메라(112)를 정확하고 용이하게 지향시킬 수 있게 한다는 점에서 기인한다.
도 2와 같이, 동체부(110)에는 부품들에 전원을 공급하기 위한 배터리(113)가 배치된다. 배터리(113)의 전원 소비를 줄이고 비행시간을 증대시킬 수 있도록, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 짐벌 및 추가적인 부품의 배치를 생략하고 그만큼 무게를 줄였다.
복수의 로터들(121, 122, 123, 124)을 지지하기 위한 복수의 프레임 샤프트(131, 132, 133, 134)는, 로터들의 '고정' 및 '틸팅'이 모두 가능한 구조가 될 수 있게 형성된다. 이를 위하여, 일 예로서, 복수의 프레임 샤프트는, 동체부(110)의 후단에서 y축과 평행한 y1축을 중심으로 회전 가능하게 동체부(110)에 대하여 지지되는 제1 프레임 샤프트(131)와, 동체부(110)의 전단에서 y축과 평행한 y2축을 중심으로 회전 가능하게 동체부(110)에 대하여 지지되는 제2 프레임 샤프트(132)와, 제1 프레임 샤프트(131)에 대하여 복수의 제1 로드부(141, 142)에 의하여 z축 방향으로 이격되게 배치되는 제3 프레임 샤프트(133)와, 제2 프레임 샤프트(132)에 대하여 복수의 제2 로드부(143, 144)에 의하여 z축 방향으로 이격되게 배치되는 제4 프레임 샤프트(134)를 구비하고 있다. 즉, 제1 프레임 샤프트(131)와 제2 프레임 샤프트(132)는 동체부(110)에 대하여 y축 방향으로는 회전될 수 있게 지지되어 있는 형태이고, 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)는 동체부(110)에 대하여 고정되어 있는 것은 아니지만 각각의 로드부(141, 142, 143, 144)에 의하여 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)에 대하여 구속된 상태에서 구동력에 의하여 이동되는 형태이다. 본 예에서 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)는 y축 방향으로 이동되며 복수의 로터들(121, 122, 123, 124)을 일차적으로 지지하는 지지축(136, 137, 138, 139)을 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시키는 역할을 한다.
제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)의 구동을 위하여 제1 변환기구부가 구비되며, 제1 변환기구부는 제1 구동모터부(150)의 구동력을 전달받아 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)를 y축과 평행한 방향으로 이동시키기 위한 힘으로 변환시킨다. 다만 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)는 제1 로드부(141, 142)에 의하여 구속되어 있으므로, 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)에 대하여 상대적으로는 x축과 평행한 x1축 및 x2축을 중심으로 각각 선회하는 방향으로 이동하게 된다. 제1 변환기구부는 제1 구동모터부(150)의 구동력을 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)에 동시에 전달시킬 수 있도록 제1 전달로드(151)가 배치된다. 제1 전달로드(151)는 x축 방향으로 연장되어 있고 제1 구동모터부(150)로부터 전달된 회전력에 의하여 회전되면서 반대쪽 단부들에서 링크부재들을 회전시켜 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)를 y축 방향으로 동시에 이동시킨다.
도 3과 같이, 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)은 제2 변환기구부에 의하여 연결되어 있고, 제2 변환기구부는 제2 구동모터부(160)에 의하여 연결되어 제2 구동모터부(160)의 회전력을 전달하여 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)를 각각의 회전축(y1, y2)을 중심으로 회전시킨다. 제2 변환기구부는 제2 구동모터부(160)의 구동력을 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)에 동시에 전달시킬 수 있게 형성된 제2 전달로드(161)를 갖는다. 제2 전달로드(161)도 x축 방향으로 연장된 형태이나, 제2 구동모터부(160)의 구동력을 전달받아 x축 방향으로 이동되고, 그에 의해 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)를 회전시키는 토크를 제공한다.
이와 같은 구성에 의한 작용을 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 도 4는 제2 구동모터부(160)의 구동력에 의하여 제2 전달로드(161)가 x축 방향으로 이동하여 제1 프레임 샤프트(131) 및 제2 프레임 샤프트(132)를 회전시켜 결과적으로 제1 로터(121) 및 제2 로터(122)를 y1축을 중심으로, 제3 로터(123) 및 제4 로터(124)를 y2축을 중심으로 각각 회전시킨 것을 보인다. 이러한 복수의 로터들(121, 122, 123, 124)의 y축 방향의 틸팅은 동체부(110)에 대한 각의 변화를 초래하게 되고, 로터들(121, 122, 123, 124)이 갖는 추진력이 동체부(110)에 대하여도 y축 방향으로 기울어지게 한다.
도 5는 제1 구동모터부(150)의 구동력에 의하여 제1 전달로드(151)가 x축을 중심으로 회전되어 결과적으로 제3 프레임 샤프트(133) 및 제4 프레임 샤프트(134)를 y축 방향으로 이동시켜 결과적으로 로터들(121, 122, 123, 124)을 지지하는 지지축(136, 137, 138, 139)을 각각 x1 및 x2축 방향으로 선회시켜 로터들(121, 122, 123, 124)도 그 방향으로 함께 선회시킨 것을 보인다. 이러한 로터들(121, 122, 123, 124)의 틸팅은 동체부(110)에 대하여는 x축을 중심으로 기울어지거나(좌우로 기울어지는 것), y축 방향으로 이동(좌우로 이동)하는 것을 유도한다.
도 6은 제1 구동모터부(150) 및 제2 구동모터부(160)가 모두 작용함으로써 로터들(121, 122, 123, 124)을 각각 x축 및 y축으로 모두 틸팅시킨 결과를 보인다. 이러한 로터들(121, 122, 123, 124)의 틸팅은 결과적으로 동체부(110)를 대각선 방향으로 이동시키거나 기울어지도록 한다.
본 발명과 관련된 다자유도를 갖는 드론(100)은 로터들(121, 122, 123, 124) 및 제1 구동모터부(150)와 제2 구동모터부(160)를 제어하여 복수의 비행모드를 구현하기 위한 제어부를 갖는다. 제어부는 로터들(121, 122, 123, 124)의 속도를 제어하거나 제1 구동모터부(150) 및 제2 구동모터부(160)의 동작이나 회전각을 제어함으로써 로터들(121, 122, 123, 124)의 틸팅을 정밀하게 조절한다. 동체부(110)에는 지상의 리모컨과 통신하기 위한 무선통신모듈이 설치되며, 입력신호에 따라 제어부는 비행모드를 실현시킨다.
이하, 본 발명과 관련된 다자유도를 갖는 드론(200)에 의한 비행모드를 도 7 이하를 참조로 설명한다. 이들 도면에서 로터들(221, 222, 223, 224)은 앞서 설명된 로터들(121, 122, 123, 124)에 대응하고, 이들 로터들(221, 222, 223, 224)을 지지하거나 틸팅시킬 수 있는 요소들 역시 앞서의 구성과 같다. 다만, 이해의 편의를 위하여 간소화하여 표현하였다.
본 발명과 관련된 다자유도를 갖는 드론(200)에 의한 복수의 비행모드는 4자유도 모드와 6자유도 모드를 포함할 수 있다. 이들 4자유도 모드와 6자유도 모드는 독립적으로 구현할 수 있으며 경우에 따라 동시에 구현될 수도 있다.
도 7 내지 도 13은 본 발명과 관련된 드론(200)의 제1 비행모드에 따른 자세들을 보인 것이다.
도 7은 호버링 상태를 형성하기 위한 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전 상태를 개념적으로 보인 것이다. 즉, 드론의 동체부(210)가 안정적으로 호버링을 하기 위해서는 대각선으로 마주보고 있는 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전방향이 일치해야 하며, 옆으로 나란이 위치한 로터들은 서로 반대 방향이다. 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전속도의 크기가 같다면 동체부(210)는 수평을 유지할 수 있고, 로터 회전에 의한 추진력의 크기가 드론(200) 중력의 크기와 일치될 때, 드론(200)은 공중에 정지하는 기동인 호버링을 안정적으로 할 수 있다. 호버링을 위한 본 예의 드론(200)의 로터들(221, 222, 223, 224)은 별도의 틸팅이 없이 모터의 속도로서 제어된다.
도 8 및 도 9는 드론(200)이 전후로(x방향) 이동하기 위한 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전속도의 관계를 보인 것이다. 즉, 드론(200)이 전후로 이동하기 위해서는 동체부(210)의 각도를 전후로 기울여 추력의 방향을 바꾸어주어야 한다. 이를 위하여, 전방에 있는 제3 로터(223) 및 제4 로터(224)의 회전 속도를 늦추고 후방에 있는 제1 로터(221) 및 제2 로터(222)의 속도를 높이면 드론(200)의 동체부(210)는 앞으로 기울어지고 그 결과 추력이 동체부(210)의 뒤쪽을 향하게 되므로 드론(200)은 앞으로 이동하게 된다.
도 10 및 도 11은 드론이 좌우 이동(y축 방향) 및 x축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면들이다. 즉, 드론(200)이 좌우로 이동하기 위해서는 동체부(210)의 각도를 좌우로 기울여 추력의 방향을 바꾸어주어야 한다. 이를 위하여 제2 로터(222) 및 제4 로터(224)의 속도를 늦추고 제1 로터(221) 및 제3 로터(223)의 회전속도를 높이면 드론(200)의 동체부(210)는 우측으로 기울어지고, 그 결과 추력이 동체부(210)의 좌측으로 향하게 되므로 드론(200)은 우측으로 이동하게 된다.
도 12는 드론이 z축 방향으로 이동되는 개념을 보인 도면으로서, 드론(200)의 상하 이동은 호버링의 원리와 같다. 만약, 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전속도의 크기를 모두 일치시킨 상태에서 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전 속도를 똑같이 증가시키면 추력이 커지므로 동체가 수평을 유지한 상태에서 고도가 상승하게 되고(도 12(a), 반대로 로터들(221, 222, 223, 224)의 회전 속도를 똑같이 감소시키면 추력이 줄어들게 되어 동체가 수평을 유지한 상태에서 고도가 하강하게 된다(도 12(b).
도 13은 드론이 z축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이다. 드론(200)을 z축 방향으로 회전시키기 위해서는 z축 방향으로 회전하고 있는 대각선으로 마주보고 있는 로터들의 회전속도를 일정한 비율로 낮추고, z축과 반대방향으로 회전하고 있는 나머지 로터들의 회전속도는 같은 비율만큼 증가시킨다. 뉴턴의 작용, 반작용의 법칙에 의하여 로터들(221, 222, 223, 224)의 z축 방향 회전 벡터의 총합이 0보다 크면 동체는 반작용에 의하여 z축 반대방향으로 회전하게 된다.
도 14 내지 도 17은 본 발명과 관련된 드론(200)의 제2 비행모드에 따른 자세들 중 제1 비행모드와 공통되지 않은 자세들을 보인 것이다. 6자유도 비행모드에서도 호버링, z축 회전, 상승과 하강은 앞서 설명된 4자유도 비행모드와 유사하게 구현할 수 있다. 본 예에서는 4자유도 비행모드에서 구현될 수 없는 형태를 중심으로 설명한다.
도 14는 드론이 전후 이동되는 것을 보인 도면이다. 즉, 드론(200)을 전후로 이동시키기 위해서, 호버링을 유지하고 있는 상태에서 로터들(221, 222, 223, 224)을 앞으로 기울여준다(y축을 중심으로 회전시켜 틸팅하는 것을 말한다). 이때 동체부(210)를 수평으로 유지시키는 메커니즘은 호버링할 때와 유사하다.
도 15는 드론이 좌우 이동되는 것을 보인 도면이다. 드론(200)을 좌우로 이동시키기 위해서, 호버링을 유지하고 있는 상태에서 로터들(221, 222, 223, 224)을 좌우 방향으로 기울여준다(x축을 중심으로 회전시켜 틸팅하는 것을 말한다). 이때 동체부(210)를 수평으로 유지시키는 메커니즘은 호버링할 때와 유사하다.
도 16은 동체부가 x축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이다. 즉, 호버링을 하고 있는 상태에서 동체부(210)를 x축을 중심으로 기울이기 위해서, 우측의 제2 로터(222) 및 제4 로터(224)의 회전속도를 높이고, 좌측에 있는 제1 로터(221) 및 제3 로터(223)의 회전속도를 줄이면 드론(200)의 동체부(210)는 x축을 중심으로 회전하게 된다.
동체부(210)가 회전되면 로터들(221, 222, 223, 224)도 같은 방향으로 회전되면서 추력의 방향이 바뀌어 동체부(210)가 이동하게 되는데, 이를 보상하기 위해 동체부(210) 회전하는 방향과 반대방향으로 같은 양만큼 로터들(221, 222, 223, 224)의 각도에 대한 변경이 가해질 수 있다.
도 17은 동체부가 y축을 중심으로 회전되는 것을 보인 도면이다. 즉, 호버링을 유지하고 있는 상태에서 동체부(210)를 y축 방향으로 기울이기 위해서, 전방에 있는 제3 로터(223) 및 제4 로터(224)의 회전속도를 높이고 후방에 있는 제1 로터(221) 및 제2 로터(222)의 회전속도를 줄이면 드론(200)의 동체부(210)는 y축을 중심으로 회전하게 된다.
도 16과 마찬가지로, 동체부(210)가 회전되면 로터들(221, 222, 223, 224)도 같은 방향으로 회전하게 되면서 추력의 방향이 바뀌어 동체부(210)가 이동하게 되는데, 이를 보상하기 위해 동체부(210)가 회전하는 방향과 반대방향의 같은 양만큼 로터들(221, 222, 223, 224)의 각도에 대한 변경이 가해질 수 있다.
상기와 같이 설명된 다자유도 비행모드를 갖는 드론은 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200: 다자유도 비행모드를 갖는 드론
110, 210: 동체부 111: 하우징
112: 카메라 113: 배터리
121, 221: 제1 로터 122, 222: 제2 로터
123, 223: 제3 로터 124, 224: 제4 로터
131: 제1 프레임 샤프트 132: 제2 프레임 샤프트
133: 제3 프레임 샤프트 134: 제4 프레임 샤프트
136: 제1 지지축 137: 제2 지지축
138: 제3 지지축 139: 제4 지지축
141, 142: 제1 로드부 143, 144: 제2 로드부
150: 제1 구동모터부 151: 제1 전달로드
160: 제2 구동모터부 161: 제2 전달로드

Claims (12)

  1. 배터리가 장착되며, x축으로 전진방향이 설정되는 동체부;
    각각의 회전축이 z축방향으로 정렬되어 있으며, 상기 x축 방향으로 보았을 때 제1 위치에서 상기 동체부를 중심으로 대향되게 배치되는, 제1 로터 및 제2 로터;
    각각의 회전축이 상기 z축방향으로 정렬되어 있으며, 상기 x축 방향으로 보았을 때 상기 동체부의 제2 위치에서 y축방향으로 대향되게 배치되는 제3 로터 및 제 4로터;
    상기 제1 위치에서 상기 y축과 평행한 y1축을 중심으로 회전 가능하게 상기 동체부에 대하여 지지되며, 양 단부에서 상기 x축과 평행한 각각의 지지축에 의하여 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 지지하는, 제1 프레임 샤프트;
    상기 제2 위치에서 상기 y축과 평행한 y2축을 중심으로 회전 가능하게 상기 동체부에 대하여 지지되며, 양 단부에서 상기 x축과 평행한 각각의 지지축에 의하여 상기 제3 로터 및 상기 제4 로터를 지지하는, 제2 프레임 샤프트;
    상기 제1 프레임 샤프트에 대하여 복수의 제1 로드부에 의하여 상기 z축방향으로 이격되게 배치되며, 상기 y축과 평행하게 작용하는 힘에 의하여 이동되면서 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된, 제3 프레임 샤프트;
    상기 제2 프레임 샤프트에 대하여 복수의 제2 로드부에 의하여 상기 z축방향으로 이격되게 배치되며, 상기 y축과 평행하게 작용하는 힘에 의하여 이동되면서 상기 제3 로터 및 상기 제4 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된, 제4 프레임 샤프트;
    제1 변환기구부를 통하여 연결되며, 상기 제3 프레임 샤프트 및 상기 제4 프레임 샤프트에 상기 y축과 평행한 방향의 힘을 제공하는 제1 구동모터부;
    제2 변환기구부를 통하여 연결되며, 상기 제1 프레임 샤프트 및 상기 제2 프레임 샤프트를 상기 y1축 및 상기 y2축을 중심으로 각각 회전시키도록 힘을 제공하는 제2 구동모터부; 및
    상기 제1 로터, 상기 제2 로터, 상기 제3 로터, 상기 제4 로터, 상기 제1구동 모터부 및 상기 제2구동 모터부를 제어하여 복수의 비행모드를 구현할 수 있게 형성된 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 비행모드는,
    상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 모두 정지시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제1 비행모드; 및
    상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 각각 개별적으로 제어하여 작동시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제2 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변환기구부는 상기 제1 구동모터부의 구동력을 상기 제3 프레임 샤프트 및 상기 제4 프레임 샤프트에 동시에 전달시킬 수 있게 형성된 제1전달로드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변환기구부는 상기 제2 구동모터부의 구동력을 상기 제1 프레임 샤프트 및 상기 제2 프레임 샤프트에 동시에 전달시킬 수 있게 형성된 제2전달로드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비행모드는,
    상기 동체부를 상기 x축 방향으로 기울이거나 상기 y축 방향으로 이동시키는 제1-1 비행모드;
    상기 동체부를 상기 y축 방향으로 기울이거나 상기 x축 방향으로 이동시키는 제1-2 비행모드;
    상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제1-3 비행모드; 및
    상기 동체부를 상기 z축 방향으로 이동시키는 제1-4 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 비행모드는,
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제2-3 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축 방향으로 이동시키는 제2-4 비행모드;
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시키는 제2-5 비행모드; 및
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시키는 제2-6 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2-5 비행모드는,
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2-6 비행모드는,
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  8. 배터리가 장착되며, x축으로 전진방향이 설정되는 동체부;
    상기 동체부의 주위에 배치되고, 각각의 회전축이 z축 방향으로 정렬되게 배치되는, 제1 로터, 제2 로터, 제3 로터 및 제4 로터;
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 x축 틸팅기구부;
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 y축과 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있게 형성된 y축 틸팅기구부;
    상기 y축 틸팅기구부를 구동시키기 위한 제1 구동모터부;
    상기 x축 틸팅기구부를 구공시키기 위한 제2 구동모터부; 및
    상기 제1 로터, 상기 제2 로터, 상기 제3 로터, 상기 제4 로터, 상기 제1 구동모터부 및 상기 제2구동모터부를 제어하여 복수의 비행모드를 구현할 수 있게 형성된 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 비행모드는,
    상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 모두 정지시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제1 비행모드; 및
    상기 제1 구동모터부 및 상기 제2 구동모터부를 각각 개별적으로 제어하여 작동시키고, 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하는 제2 비행모드를 포함하고,
    상기 제2 비행모드는,
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 y축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 틸팅시켜 상기 동체부를 상기 x축 방향으로 이동시키는 제2-1 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제2-3 비행모드;
    상기 동체부를 수평으로 유지시키고 상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 속도를 개별적으로 제어하여 상기 동체부를 상기 z축 방향으로 이동시키는 제2-4 비행모드;
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 x축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시키는 제2-5 비행모드; 및
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터를 상기 y축에 평행한 각각의 축을 중심으로 회전시켜 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시키는 제2-6 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 비행모드는,
    상기 동체부를 상기 x축 방향으로 기울이거나 상기 y축 방향으로 이동시키는 제1-1 비행모드;
    상기 동체부를 상기 y축 방향으로 기울이거나 상기 x축 방향으로 이동시키는 제1-2 비행모드;
    상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 회전시키는 제1-3 비행모드; 및
    상기 동체부를 상기 z축을 중심으로 이동시키는 제1-4 비행모드를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2-5 비행모드는,
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 x축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2-6 비행모드는,
    상기 제1 로터 내지 상기 제4 로터의 각각의 회전축을 상기 z축과 평행하게 하고, 상기 동체부를 상기 y축에 대하여 회전시켜 지면에 대하여 기울어진 상태를 유지시키는 자세를 포함하는, 다자유도 비행모드를 갖는 드론.
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