KR20180134244A - 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주행 및 비행 기능을 겸비한 자동차에 관한 것으로, 상세하게는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고에 주차할 수 있는 자동차와 항공기의 기능을 겸비한 신개념의 차세대 운송수단에 관한 것이다.
본 발명은 자동차와 항공기의 단점을 보완하고 장점을 강화시켜 도로의 주행편익을 증대하고 국내 지역별 이동성과 접근성을 향상시키고 운전자가 편이하고 쾌적한 주행 및 비행을 가능하게 하는 것과 대중화를 목적으로 한다.
본 발명은 일반인들에게 친숙하게 접근할 수 있고 기존의 도로시스템에 접목하기 용이하도록 자동차 형태를 베이스로 구성되었으며, 운전자의 필요에 따라 자동차나 비행기로 변환하여 주행 및 비행구동이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 자동차와 항공기의 단점을 보완하고 장점을 강화시켜 도로의 주행편익을 증대하고 국내 지역간 이동성과 접근성을 향상시키고 운전자가 편이하고 쾌적한 주행 및 비행을 가능하게 하여 삶의 질을 높인다. 또한 도로망을 3차원으로 확대함으로서 국토를 효율적으로 사용하게 하고 SOC기반의 사업의 비용을 절감시켜 경제성을 증대시킬 뿐만 아니라 도로개발로 인한 환경파괴를 최소화한다는 점에서 유용한 발명이다.

Description

쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차{ Quadcopter based vertical take-off and landing 4-wheel driving car }

본 발명은 주행 및 비행 기능을 겸비한 자동차에 관한 것으로, 상세하게는 쿼드콥터와 같이 수직 이착륙 비행을 하고 필요에 따라 모드 변환하여 지상에서의 주행도 가능하여 즉, 비행, 도로주행, 활주 또는 차고에 주차할 수 있는 미래형 자동차에 관한 것이다. 이 발명은 자동차와 항공기의 단점을 보완하고 장점을 강화한 신개념의 차세대 운송수단에 관한 것이다.

일반적으로, 드론이라 불리는 회전익 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle Syatem, UAV)가 다양하게 개발되고 있으며, 프로펠러(로터)의 개수에 따라 듀얼콥터(2개), 트라이콥터(3개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개), 옥토콥더(8개) 등의 다양한 멀티콥터들이 존재한다. 드론은 조종사의 탑승 없이 무선전파의 유도나, GPS좌표 등에 의해 프로그램된 대로, 비행하는 비행기나 멀티콥터 모양의 비행체를 총칭한다. 초기에는 군사적 목적으로 생겨난 군사무기였지만 최근에는 항공촬영, 택배, 인명구조, 측정, 감시, 구급등 여러 가지 용도로 점차 그 활용 범위를 넓혀 가고 있다. 미래에 어느 정도까지 우리생활에 사용하게 될지도 모를 만큼 그 활용 가능성은 무궁무진하다.

드론의 비행 원리는 쿼드콥터를 기준으로 설명하자면, 2개씩 대각선으로 마주보는 프로펠러는 같은 방향으로 회전하며 인접한 것들은 반대 방향으로 회전한다. 로터의 회전으로 인해 토크(Torque)가 발생하며 반대 방향으로 회전하는 로터에서 반토크(Antitorque)로 토크를 상쇄시키고 이를 이용해 기체를 띄우거나(Throttle) 수평회전(Yaw, Rudder), 좌우(Roll, Aileron), 전후이동(Pitch, Elevator) 등의 조종이 가능하다.

드론의 위상과 다양한 분야에서의 활용 가능성의 증대로 앞으로 드론에 대한 시장은 급속하게 성장하고 있으며 국내 산업 성장을 위한 적절한 대응과 연구가 활발하게 이루어지고 있는 추세이다. 기술의 개발에 따라, 모터의 성능이 개선되고 베터리의 용량은 증대해지고 중량이 경량화 되었고 RC드론이 저렴한 가격에 구매가 가능해져서 일반인들의 진입장벽이 낮아지긴 하였으나, 아직 국내에선 드론에 관해 연구단계에 머물러 있는 실정이고 다른 분야와의 융합이 국소적이고 미흡한 상황이다.

4륜구동의 자동차는 전 세계적으로 가장 보편화된 개인 운송수단이며 운전면허 취득함으로서 누구나 손쉽게 운전이 가능하다. 그러나 국내정황상 국토가 좁고 70%가 산악지대이며, 도시집중화 현상으로 인해 도로주행기능만 있는 자동차와 같은 운송수단의 효율이 좋지 못하다. 그렇기에 국내에서 기존의 교통체제를 대체할 운송수단의 개발이 필수불가결이다. 또한 교통체증과 같은 현상이 빈번히 발생하며, 민족대명절과 같은 주요 연휴기간 때에 절정에 이른다.

몇 해 전부터 해외에서 주행 및 비행기능을 겸비한 운송수단이 개발되어 판매에 도입된 제품들이 존재하나 그 수는 미비하고 대중화되지 않았다. 그러나 2020년 우버에서 개발한 비행택시가 도입된다는 점에서 비행이 가능한 운송수단이 조만간 대중화 될 것이라 판단되며, 이러한 운송수단의 기술개발 도입이 시급하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 현재의 운송수단인 자동차와 드론을 융합한 신개념 미래형 운송수단으로, 자동차와 항공기의 단점을 보완하고 장점을 강화시켜 도로의 주행편익을 증대하고 국내 지역별 이동성과 접근성을 향상시키고 운전자가 편이하고 쾌적한 주행 및 비행을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 또한 대중들에게서 친숙하고 익숙한 외형으로 접근하여 새로운 운송수단에 대한 거부감과 낯섬을 줄여 대중화하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 일반인들에게 친숙하게 접근할 수 있고 기존의 도로시스템에 접목하기 용이하도록 자동차 형태를 베이스로 구성되어 있다는 것을 특징으로 한다.

운전자의 필요에 따라 해당 발명품을 자동차로, 혹은 비행기로 주행 및 비행이 유연하게 대처할 수 있다. 주행시: 일반차량과 유사한 모습으로 하여 피벗형식의 후륜구동을 원칙으로 하고 비행시: 쿼드콥터와 같이 수직 이착륙을 하여 선회비행 및 호버링이 가능하도록 한다.

주행에서 비행모드 변환시 휠과 프로펠러(이하 윙부분)를 들어 올려 쿼드콥터를 형성하며 각 모터의 위치가 정사각형이 되도록 하였고 이를 통해 비행 안정성을 증대시킨다.

이 때 프롭의 길이는 주행용 바퀴의 림 직경보다 작으며, 비행시 바퀴가 일종의 프롭가드의 기능을 수행할 수 있도록 한다.

비행에서 주행으로 모드 변환시 올려진 윙을 지면과 수직이 되도록 내린다.

그리고 주행 및 비행시 기체안정성을 위하여 윙이 움직이지 않도록 솔레노이드 등을 이용해 고정한다. 주행과 비행모드로 변환시에는 본체프레임의 하단에 장착되어 있는 스키드가 내려옴으로서 기체를 지상에서부터 살짝 띄어 올린 후 변환을 실시한다.

마지막으로 비행 및 주행에서의 효율을 높이기 위해 공기마찰을 최소화 하도록 유선형 구조에 전체 중량을 경량화 되도록 프레임과 카울(외형)을 통합하고 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)와 같은 신소재로 제작한다.

휠 안에 있는 4개의 로터들의 회전속도와 방향을 독립적으로 제어함으로서 양력을 발생시키고 상기 본체를 수직 이착륙 및 호버링, 선회비행을 하도록 한다.

전 방향에 위치한 네 개의 지상주행용 바퀴들의 회전방향과 속도의 편차를 통해 주행 및 조향을 조종할 수 있도록 한다. 각각의 바퀴의 회전방향과 속도를 서로 다르게 제어함으로서 힘을 상쇄 및 중첩하여 구동 및 조작하는 것을 특징으로 한다.

비행에 있어서 효율을 극대화하기 위해 주소재로 카본을 비롯한 경량화된 신소재를 사용하고 다소 충격을 받을 부분에 대하여 충격을 완화하고 흡수할 수 있도록 바퀴의 림 부분을 EPP와 같은 소재로 제작하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 자동차와 항공기의 단점을 보완하고 장점을 강화시켜 도로의 주행편익을 증대하고 국내 지역간 이동성과 접근성을 향상시켜 사회효용을 증대시키는 기여를 한다. 또한 운전자가 편이하고 쾌적한 주행 및 비행을 가능하게 하여 시간단축을 비롯한 유류비를 줄여 경제적이고 효율성뿐만 아니라 삶의 질도 높인다. 더 크고 장기적인 관점에서 도로망이 3차원으로 확대됨으로서 국토를 효율적이게 하며 지상 도로의 서비스수준이 향상되고 SOC기반의 사업의 비용을 절감시켜 경제성을 증대시킬 뿐만 아니라 도로개발로 인한 환경파괴를 최소화시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 주행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 전체 사시도이다.
도 2은 본 발명에 따른 비행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 전체 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 주행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 정면도이다.
도 4은 본 발명에 따른 주행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 측면도이다.
도 5은 본 발명에 따른 주행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 저면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 비행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 정면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 비행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 스키드가 접힌 상태의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 측면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 비행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차 평면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차의 바퀴부문 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 주행모드에서의 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차의 바퀴부문 결합 사시도이다.
도 12은 본 발명에 따른 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차의 전반적 비행 제어 알고리즘이다.
도 13은 본 발명에 따른 쿼드콥터 형태의 수직 이착륙 4륜구동 자동차의 구체적으로 세분화된 비행 알고리즘이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같으며 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1 내지는 도 2를 참조하면, 본 발명의 기체는 전체적으로 보아 본체 프레임(10), 윙 프레임(20), 바퀴(30)를 비롯하여 세부적인 장치들로 구성되어 있음을 보여주는 사시도이다.

도 4와 도 5에 의거하여 상기 본체 프레임(10)은 전 후면이 자동차형상으로 시야를 확보하기 위한 구멍이 있으며 상단부에 윙 프레임(20)의 회전을 위한 샤프트(15)가 설치되어 있으며,

하단부에 전면과 후면을 연결하는 두 개의 긴 하단 파이프(11b) 긴 하단 파이프(11b)의 좌굴을 염두하여 설치하는 짧은 하단 파이프(11a)와 긴 하단 파이프(11b) 정 중앙에 설치한 플레이트(12)와 파이프와 수직으로 직교하는 수직파이프(13) 그리고 각각의 요소들을 연결시키는 조인트(14)를 구성하고 있다.

위 도면에 의거하여 기체의 무게중심은 네 개의 비행용 모터(40) 사이 중앙에 위치한다.

지상을 주행하기 위한 바퀴(30)는, 4개로 구성되며, 이들 4개의 지상에서의 주행을 위한 바퀴(30)들은 본체(10)의 좌우의 네 가지 부분에 각각 설치된다.

해당 요소는 좌우에 쌍을 이루면서 설치되며, 이렇게 설치된 바퀴(30) 쌍들은, 본체(10)의 앞뒤방향을 향해 나란하게 설치된다.

해당 바퀴는 설치된 위치에 따라 차체의 앞에서 주행용 모터(50)에 의해 주행 구동력을 내접기어(90)를 통해 직접적으로 받는 바퀴를 전륜(30a) 후미에서 뒤따라 구동하는 바퀴를 후륜(30b)이라 한다.

한편, 상기 바퀴(30)들은 프로펠러(80)의 길이보다 직경이 넓으며 상기 발명의 기체가 비행을 할 때 프로펠러(80)를 보호하는 프롭가드(propeller guard)의 역할도 수행한다.

이는 기체가 공중에서 비행도중에 있을 공중 장애물(새, 곤충, 건물, 나무 등)로부터의 손상을 입는 것을 방지하고 비행 안전성을 증가시킨다.

따라서 상기 바퀴에 구성되는 2 ~ 8개의 바퀴살(31)은 포물선 형태를 이루고 있으며 이를 통해 프로펠러(80)가 바퀴(30)의 림 내부에 위치하도록 한다.

또한, 상기 바퀴(30)는 베어링센터(32)를 통해 주행 구동과 비행 구동이 서로 영향을 끼치지 않도록 하는 베어링(100)을 체결하도록 한다.

상기 프로펠러(80)는 비행 주행 중에 난기류를 극복해야 한다는 점에 의거하여 가장 효율적인 2엽의 프로펠러로 하며, 각각의 프로펠러의 회전 방향은 대각선으로 마주보고 있는 프로펠러끼리 같은 모양이다.

즉, 프로펠러(80a)와 프로펠러(80d)는 역방향 프로펠러이고 프로펠러(80b)와 프로펠러(80c)는 정방향 프로펠러이다.

각각의 프로펠러(80)들은 서로 다른 방향의 토크를 발생시키며 인접한 프로펠러(80)에서 이러한 토크를 서로 상쇄시킨다.

상기 기어(90)는 스프라켓(90a)와 피니언(90b)로 구성되어 있으며, 주행용 모터(50)의 출력이 효율적으로 쓰이기 위해 스파이럴 베벨기어로 한다.

스파이럴 베벨기어를 사용함으로 주행 거동이 원활하게 하고 진동과 소음이 을 줄여 1:8과 같은 큰 속도비에서도 효율이 좋으며 이의 접촉면이 크므로 기어를 작게 할 수 있고 전동력이 크고 고속운전에 적합하다.

스파이럴 베벨기어의 강도는 다음의 식으로 구한다.

피니언의 최소 잇수는 13장이며, 가급적 20장 이사의 것을 사용한다.

스파이럴 베벨기어의 림, 암, 보스 등의 계산은 다음 식을 이용한다.

림(rim)

림의 두께 a = (0.5~0.6)t

리브의 깊이 c = 0.5t

암(arm)

암의 수

암 뿌리의 폭 치수

보스

보스의 바깥지름

보스의 길이

상기 베어링(100)은 상기 발명품이 주행구동을 할 때와 비행구동을 할 때 즉 주행용 모터(50)가 작동할 때엔 바퀴(30)가 회전하고 비행용 모터(40)가 작동할 때엔 프로펠러(80)가 회전하도록 하여 원하는 주행 및 비행 구동에 대한 상대 운동이 간섭받지 않도록 한다.

베어링(100)의 바깥부분은 바퀴(30)의 베어링센터(32)와, 안쪽부분은 모터마운트(41)와 접촉하고 있으다.

베어링(100)은 상기 발명품이 비행구동을 할 때 프로펠러에 겹치는 범위가 넓으면 비행출력이 감소하므로 지름이 1.2~6.5mm 이내의 니들 롤러베어링으로 한다.

니들롤러베어링의 수명계산과 등가하중, 정적 기본부하용량의 계산은 다음과 같다.

베어링의 수명

등가하중

등가 레이디얼 하중

등가 스러스트 하중

단, X ; 레이디얼 계수 Y : 스러스트 계수 V : 회전계수

평균등가하중

정적 기본부하용량

도 6와 도 8에 의거하여 상기 두 개의 윙 프레임(20)은 원활한 비행을 위해 필요에 따라 여러 개의 구멍이 있으며 서로 대칭의 형태이다.

보강을 위한 브레이싱(23)과 상기 바퀴(30)를 비롯한 기체 구동을 위한 주행용 모터(50), 비행용 모터(40)를 비롯한 각종 기자재들이 위치할 암 파이프(21)와 이를 윙 프레임와 연결시켜주는 암 브라켓(22)을 구성한다.

윙 프레임(20)은 주행 및 비행 구동부에 대한 핵심적인 부품이 밀집되어 상기 발명품의 가장 핵심적인 부분이며 가장 큰 중량을 차지한다.

도 3과 도 4, 도 6, 도 7을 참조하여, 본 발명의 기체의 주행 및 비행 모드 변환 구동 원리를 설명하기로 한다.

상기 변환용 모터(60)는 상기 본체 프레임(10)에 속한 플레이트(12)의 윗면 중앙에 위치한 모터홀더(61)를 통해 고정되어 있다.

변환용 모터(60)는 리니어 서보모터를 채택하며 직선으로 직접 구동되는 모터로서 회전형 모터를 잘라 펼쳐놓은 것과 같은 구조로, 일렬로 배열된 자석 사이에 위치한 코일에 전류를 흐르게 함으로써 힘을 얻도록 하는 구동장치이다.

회전 운동력을 발생시켰던 기존의 일반형 모터와 비교하여 리니어 서보모터는 직선 방향으로 미는 추력을 발생 시키는 점이 다르기는 하지만 구동원리는 동일하다고 볼 수 있다.

리니어 서보모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특유의 장점이 있으므로 직선 구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 성능이 우세하다.

일반적으로 리니어 서보모터는 회전형 모터에 비해서 성능에서 최소 2배 이상의 빠른 이송속도, 10배 이상의 강한 추력 5배 이상의 정밀한 위치제어가 가능하다.

따라서 보조적인 에너지 변환장치가 전혀 필요치 않아 구조가 복잡하지 않고 에너지 손실이나 소음을 발생하지 않으며, 운전 속도에도 제한을 받지 않으므로 상기 발명품의 변환 메커니즘에 사용이 적합하다.

상기 변환용 모터(60)의 상하 직선 운동은 서보 홀더(62)로 전달되고 이와 연결되어 있는 링크(63)를 통해 전달되며 윙 프레임(20)과 결합되어 있는 링크 홀더(64)가 있는 곳에 힘이 가해지며 모멘트가 생겨 결론적으로 윙 프레임(20)을 최대 90도까지 회전시킨다.

변환용 모터(60)의 서보가 최대로 내려왔을 때, 상기 발명품은 도 3과 도4와 같은 형상을 이루고 있으나 변환용 모터(60)가 지상방향으로 직선 구동을 하여 서보가 올라가면, 지면에서 수직으로 있던 윙 프레임(20)과 바퀴(30)는 회전하게 되며, 최대로 변환되었을 때 도 6과 도 7과 같이 윙 프레임(90)과 바퀴(30)는 초기의 상태에서 90도 회전하여 지면과 수평을 이룬다.

반대로, 변환용 모터(60)가 지면방향으로 직선 구동을 하면, 지면과 수평을 이루었던 바퀴(30)가 도 3과 도 4와 같이 지면과 수평을 이룬다.

이러한 주행 및 비행 모드 변환은 도 7에서 보이는 바와 같이 본체 프레임(10)의 하단 파이프(11) 아래의 스키드(110)가 지면에 세워진 후에 시행한다.

도 7과 도 8를 참조하여, 본 발명의 기체의 스키드의 구조와 구동 원리를 설명하기로 한다.

상기 스키드(110)의 구조는 다음과 같다. 상기 스키드(110)는 네 개의 수직 파이프(111)와 네 개의 수평 파이프(112) 그리고 스키드를 본체(10)의 하단 파이프(11)와 접목시켜주되 1축을 회전이 가능하게 하는 스키드 브라켓(113)과 스키드의 파이프를 연결하는데 쓰이는 스키드 조인트(114)로 구성된다.

상기 수평 파이프(112)는 상기 기체(10)의 외형에 따라 전면부와 측면부에서 보이는 파이프의 길이가 같거나 다를 수 있으며, 전면부에서 보이는 짧은 수평 파이프(112a)의 경우 상기 스키드 모터(70)와 연결되어 있고 측면부에서 보이는 두 개의 긴 수평 파이프(112b)는 상기 스키드(110)의 네 개의 수직 파이프(111)를 각각 앞뒤로 연결하여 일체 구동하게 한다.

상기 스키드 브라켓(113)과 스키드 조인트(114)를 통해 스키드 수직 파이프(111)와 측면부에서 보이는 파이프(112b)는 1단 지지 고정되어 1축 회전이 가능하다.

상기 스키드(110)의 구동원리는 다음과 같다.

상기 스키드 모터(70)는 상기 본체(10)의 플레이트(12)의 아랫면 중앙에 위치한 스키드 조인트(71)를 통해 고정되어 있다.

스키드 모터(70)는 상기 변환용 모터(60)와 마찬가지로 리니어 서보모터를 채택하여 직선 선형 운동하도록 한다.

도 7과 같은 상태에서 스키드 모터(70)의 줄어드는 상하 직선 운동을 통해 스키드 모터(70)와 연결된 수평 파이프(112a)는 스키드 모터(70)가 있는 방향으로 회전하고 수평 파이프(112a)와 스키드 조인트(114)로 연결된 수직 파이프(111)와 수평 파이프(112b)가 유기적으로 회전하며 전체적으로 스키드 모터(70)는 스키드(110)를 회전시킴으로서 도 8의 형상대로 변화시킨다.

이와 반대로 스키드 모터(70)가 작동한다면 상기 기체(10)의 바퀴(30)를 지면으로부터 띄운다.

도 10은 상기 바퀴부분에 대한 분해 사시도로, 주행구동을 위한 전륜(30a)와 비행을 위해 구동력을 주는 비행용 모터(40), 모터를 지지할 모터마운트(41), 지면에서의 주행 구동을 위한 스프라켓(90a), 주행과 비행 구동의 차단하기 위한 베어링(100)의 조립하는 모습을 표현한다.

상기 부품들에 대한 조립은 볼트체결하며, 베어링은 스냅링을 통해 조립 및 고정한다.

도 11은 상기 전륜(30a)에 대한 조립 사시도로, 도 10에서 부품들 중 모터 마운트(41)는 암 파이프(21)에 비행용 모터(40)의 회전축에 프로펠러(80)를, 스프라켓(90a)과 맞물리는 피니언(90b)을, 그리고 주행용 모터(50)의 회전축부분이 피니언(90b)에 조립한다.

상기 부품에 대한 조립은 볼트와 무드볼트를 사용하여 볼트체결 한다.

상기 바퀴(30)들 중 본 발명품의 전방에 위치한 바퀴(30)는 스프라켓(90a)이 조립되어 있는 즉, 전륜구동을 특징으로 한다.

따라서 도 11을 참조하여 본 발명의 지면에서의 주행 원리를 설명한다.

주행용 모터(50)는 주행용 모터 홀더(51)를 통해 상기 윙 프레임(20)의 암 파이프(21)에 고정되어 있으며 주행용 모터(50)의 회전축에 피니언(90b)이 결합되어 전륜(30a)의 스프라켓(90a)과 수직으로 맞물려 있다.

내접기어(90)를 통해 주행용 모터(50)의 구동력을 전륜(30a)에 직접적으로 전달하여 모터의 토크 손실을 줄여 주행 효율성을 높인다.

상기 주행용 모터(50)는 최소한 하나 이상이 작동하며, 회전하는 모터 축에 따라 피니언(90b)이 회전하고, 피니언(90b)의 회전에 따라 기어의 이가 맞물려 있는 스프라켓(90a)도 회전하고 스프라켓과 결합되어 있는 전륜(30a)가 회전하여 상기 발명품의 주행 구동을 한다.

따라서 상기 발명품은 전륜(30a)의 내접기어(90)를 통해 주행용 모터(50)로부터 추진력을 전달받아 구동하는 전륜구동을 한다.

상기 발명품의 기체의 주행 및 비행의 성능을 해석하는데 다음의 식을 이용하여 구한다.

부하관성 모멘트

토크

가속에 필요한 토크

등속에 필요한 토크

주행에 필요한 토크

도 3에 의거하여 상기 발명품의 기체의 조향에 대해 설명한다.

상기 발명품은 자동차의 걸 윙 도어처럼 양쪽 윙(20)을 올리면서 변형하여 바퀴(30)에 평행하게 달려있는 프로펠러(80)로 비행하기 때문에 일반 자동차처럼 바퀴(30)를 회전시켜 조향을 하게 되면 기체의 비행 안정성에 영향이 미친다.

따라서 전차나 장갑차와 같은 궤도차량의 조향방식으로, 좌우 전륜의 회전 속도에 차이를 주는 피벗방식(Pivot)으로 조향한다.

주행용 모터(50)의 최대 회전수는 최대 5:1까지 차이를 주며 적어도 하나 이상의 주행용 모터(50)가 작동하여 조향한다.

마지막으로 본 발명품의 기체의 비행에 대해 설명한다.

본 기체의 비행 원리는 쿼드콥터의 원리와 동일하다.

도 9를 참고하여, 각각의 프로펠러의 회전 방향은 대각선으로 마주보고 있는 프로펠러끼리 같은 방향으로 회전을 하고 바로 옆의 프로펠러와는 다른 방향으로 회전을 하는 것이 기본 원리다.

즉, 인접한 두 프로펠러의 회전에 의해서 발생되는 반토크가 상쇄되어 기체의 중량을 올릴 정도의 출력이 생기면 동체가 회전되지 않고 지면으로부터 위쪽으로 호버링(제자리 비행)한다. 이 때 네 개의 프로펠러의 출력은 동일하며, 출력에 따라 공중에서 상하로 비행이 가능하다.

도 2를 참고하여, 방향은 크게 3가지 방향으로 나눌 수 있으며, Yaw, Pitch, Roll이라고 부른다.

개개의 비행용 모터(40)의 회전수를 조정함으로써 방향을 조정할 수 있다.

Yaw축을 중심으로 왼쪽으로 회전하고자 할 때, 정방향 프롭(80a)의 출력을 높이고 역방향 프롭(80b)의 출력을 낮추고 역방향 프롭(80c)의 출력을 낮추고 정방향 프롭(80d)의 출력을 높이면 기체의 양 옆의 토크는 0으로 동일하고 전 후방의 토크는 오른쪽이 커지며 상기 기체의 선두는 기존보다 왼쪽 방향으로 향한다. 반대로, 왼쪽으로 회전하고자 할 때, 앞서 설명한 정방향 프롭(80a)와 역방향 프롭(80b)이 반대로, 역방향 프롭(80c)와 정방향 프롭(80d)이 반대로 작동하며, 기체의 양 옆의 토크는 0으로 동일하고 전 후방의 토크는 왼쪽이 커지며 상기 기체의 선두는 기존보다 오른쪽 방향으로 향한다.

Roll축을 중심으로 왼쪽으로 회전하고자 할 때, 정방향 프롭(80a)의 출력을 낮추고 역방향 프롭(80b)의 출력을 높이고 역방향 프롭(80c)의 출력을 낮추고 정방향 프롭(80d)의 출력을 높이면 기체 전방향의 토크는 0으로 동일하며, 상대적으로 정방향 프롭(80a)과 역방향 프롭(80c)의 출력이 높은 관계로 기체의 선두는 기존과 같은 방향이나 기존의 위치보다 왼쪽으로 이동한다. 반대로, 출력을 높였던 정방향 프롭(80a)과 역방향 프롭(80c)을 낮추고 낮았던 역방향 프롭(80b)과 정방향 프롭(80d)을 높이면 상기 기체의 선두는 기존과 같은 방향이나 기존의 위치보다 오른쪽으로 이동한다.

Pitch축을 중심으로 전진하고자 할 때, 정방향 프롭(80a)의 출력을 높이고 역방향 프롭(80b)의 출력을 높이고 역방향 프롭(80c)의 출력을 낮추고 정방향 프롭(80d)의 출력을 낮추면 기체 전방향의 토크는 0으로 동일하며, 상대적으로 정방향 프롭(80a)와 역방향 프롭(80b)의 출력이 높은 관계로 기체의 선두는 기존과 같은 방향이며 기존의 위치보다 앞쪽으로 이동한다. 반대로, 출력을 높았던 정방향 프롭(80a)과 역방향 프롭(80b)의 출력을 낮추고 낮았던 역방향 프롭(80c)과 정방향 프롭(80d)의 출력을 높이면 상기 기체의 선두는 기존과 같은 방향이며 기존의 위치보다 뒤쪽으로 이동한다.

본 발명품의 비행 제어 알고리즘은 도 12, 도 13과 같다.

기본 제어 주기는 5ms, 200Hz의 속도로 동작한다.

송수신기의 조종 명령을 받아 저장하고, sensor의 데이터를 각도로 변환 후 필터링을 거쳐 position data를 얻는다.

조종 명령 값과 drone의 position data를 PID 제어를 거치고 이를 각 모터 출력 분배하여 드움직임을 제어한다.

추가적으로 통신 data를 parsing 하는 부분은 10ms 주기로 동작하도록 하고 드론의 각 data를 출력하는 부분은 50ms 주기로 동작하도록 한다.

도 13은 알고리즘을 좀 더 구체적으로 세분화하여 나타낸 것이다.

드론에 시동을 거는 것에 arming이라는 용어가 사용되는데, 이 기능을 추가한다.

송수신기의 조종명령은 interrupt를 통해 받게 되어 알고리즘에 나타내지 않았다.

PID control과 각 모터에 출력을 분배하는 기능은 Flight Control 함수에 포함되어 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아니며 다양한 적용이 가능하다는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구 범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

10 : 본체 프레임 11 : 하단 파이프
11a : 긴 하단 파이프 11b : 짧은 하단 파이프
12 : 플레이트 13 : 수직 파이프
14 : 조인트 15 : 샤프트
20 : 윙 프레임 21 : 암 파이프
22 : 암 브라켓 23 : 브레이싱
30 : 바퀴 31 : 바퀴 살
32 : 베어링 센터 30a : 전륜
30b : 후륜 40 : 비행용 모터
41 : 모터 마운트 50 : 주행용 모터
51 : 주행용 모터 홀더 60 : 변환용 모터
61 : 링크 홀더 62 : 링크
63 : 서보 홀더 64 : 변환용 모터 홀더
70 : 스키드 모터 71 : 스키드 모터 조인트
80 : 프로펠러 80a, 80d : 정방향 프롭
80b, 80c : 역방향 프롭 90 : 내접기어
90a : 스프라켓 90b : 피니언
100 : 베어링 110 : 스키드
111 : 수직 파이프 112 : 수평 파이프
112a : 짧은 수평 파이프 112b : 긴 수평 파이프
113 : 스키드 브라켓 114 : 스키드 조인트

Claims (12)

1. 로터를 회전시킴으로써 양력을 받아 기체를 공중에 띄우는 수직 이착륙 비행을 하고 필요에 따라 모드 변환하여 지상에서의 주행이 가능한 신개념의 차세대 운송수단 미래형 자동차에 있어서,
   상기 기체를 구성하는 본체 프레임(10)과 정면에서 본 본체 프레임의 양 옆에 설치된 두 개의 윙 프레임(20)과;
   상기 기체를 주행하도록 하는 복수의 주행용 모터(50)와 모터설치를 위한 모터홀더(51), 내접기어(90) 그리고 지상에서의 주행이 가능하도록 4륜구동 이상의 바퀴(30)들과 바퀴에 설치되는 베어링(100)과;
   상기 기체를 비행하도록 하는 바퀴와 동일한 개수의 비행용 모터(40)와 프로펠러(80) 이외의 비행용 모터(40)를 지지해주는 모터 마운트(41)와;
   상기 기체의 주행과 비행구동에서의 모드 변환을 위한 변환용 모터(60)와 서보홀더(62), 링크(63)와;
   상기 기체의 원활한 변환을 위한 스키드(110)와 스키드 모터(70), 이외의 스키드(110)와 스키드 모터(70)를 상기 기체에 연결하는 스키드 브라켓(113)과 스키드 모터 조인트(71)로 구성된 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 본체 프레임(10)은 전 후면이 자동차형상으로 시야확보를 위한 구멍이 있으며 상단부에 윙 프레임(20)의 회전을 위한 샤프트(15)가 설치되어 있으며,
   하단부에 전면과 후면을 연결하는 긴 하단 파이프(11a), 짧은 하단 파이프(11b)와 파이프 정 중앙에 설치한 플레이트(12)와 파이프와 수직으로 직교하는 수직파이프(13) 그리고 각각의 요소들을 연결시키는 조인트(14)를 구성하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 두 개의 윙 프레임(20)은 원활한 비행을 위해 여러 개의 구멍이 있으며 서로 대칭의 형태로 보강을 위한 브레이싱(23)과 상기 바퀴(30)를 비롯한 기체 구동을 위한 주행용 모터(50), 비행용 모터(40)를 비롯한 모터마운트(41), 주행용 모터홀더(51), 내접기어(90), 프로펠러(80), 베어링(100) 등의 기자재들을 지탱할 암 파이프(21)와 이를 윙 프레임(20)과 연결시켜주는 암 브라켓(22)을 구성하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 바퀴(30)는 2~8개의 바퀴살(31)과 주행용 모터(50)가 작동할 때엔 바퀴(30)가 회전하고 비행용 모터(40)가 작동할 때엔 프로펠러(80)가 회전하도록 하는 베어링(100)을 설치할 수 있도록 하는 베어링 센터(32)로 구성하며
   주행용 모터(50)로부터 구동힘을 받아 회전하는 전륜(30a)과 뒤따라 회전하는 후륜(30b)으로 나뉘는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
5. 제 1항에 있어서,
   주행용 모터(50)는 상기 윙 프레임(20)의 암 파이프(21)에 모터홀더(51)를 통해 고정되어 있으며,
   내접기어(90)를 통해 상기 전륜(30a)과 연결되며 모터의 토크를 전달하여 주행하며 개수는 복수로 하여 개개의 모터의 속도차를 제어함으로서 조향하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
6. 제 1항에 있어서,
   비행용 모터(40)는 상기 본체(10)의 좌, 우 쌍을 이루어 바퀴와 같은 수로 설치되며 하단에 암 파이프(21)와 연결되어 있는 모터 마운트 (41)가 지지해주고 있으며,
   비행용 모터(40)의 회전축에 프로펠러(80)가 있으며 모터를 제어하기 위한 모터와 같은 수의 ESC(Electric Speed Controller)를 구성하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
7. 제 1항에 있어서,
   변환용 모터(60)는 상기 본체(10)의 플레이트(12)의 윗면 중앙에 위치한 변환용 모터홀더(64)를 통해 고정되어 있으며,
   상하 직선 운동을 하고 링크(62), 번환용 모터(60)와 링크(62)를 연결하는 서보 홀더(63), 윙 프레임(20)과 링크(62)를 연결하는 링크 홀더(61)를 통해 상기 제 3항에서 언급된 부속품들을 윙 프레임(20)과 함께 90도 회전시키는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
8. 제 1항에 있어서,
   스키드 모터(70)는 상기 본체(10)의 플레이트(12)의 아랫면 중앙에 위치한 스키드 모터조인트(71)를 통해 1단 지지 고정되어 있으며,
   스키드 조인트(114)를 통해 스키드(110)의 수평 파이프(112)에도 연결되어 있으며 상기 모터의 상하 직선 운동을 통해 스키드(110)를 회전시킴으로서 상기 기체(10)의 바퀴(30)를 지면으로부터 미소하게 띄우는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
9. 제 1항에 있어서,
   스키드(110)는 스키드를 구성하고 있는 수직 파이프(111)와 짧은 수평 파이프(112a), 긴 수평 파이프(112b)와 스키드를 본체(10)의 하단 파이프(11)와 접목시켜주되 1축을 회전이 가능하게 하는 스키드 브라켓(113)과 스키드 파이프들을 연결하는데 쓰이는 조인트(114)를 구성하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
10. 제 4항에 있어서,
    베어링(100)은 주행용 모터(50)가 작동할 때엔 바퀴(30)가 회전하고 비행용 모터(40)가 작동할 때엔 프로펠러(80)가 회전하도록 즉 원하는 구동에 대한 상대 운동이 간섭받지 않도록 하며,
    베어링(100)의 바깥부분은 바퀴(30)의 베어링센터(32)와, 안쪽부분은 모터마운트(41)와 접촉하고 있으며,
    니들베어링과 유사한 직경이 얇고 경량화 된 베어링으로 구성하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
11. 제 1항에 있어서
    상기 본체 프레임(10)과 윙 프레임(20)을 구성하는 프레임 및 파이프는 카본과 같은 가볍고 강성이 강한 재질로 구성되며, 일부 취약점에 한해서 브레이싱(23)과 같은 보강재를 도입하거나 강한 강도를 가진 신소재로 보강하거나 하는 것을 특징으로 하는 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 내접기어(90)는 상기 주행용 모터(50)의 출력축에 접합된 피니언(90b)과, 구동력을 상기전륜(30a)에 전달하는 스프라켓(90a)로 구성된 비행, 도로주행, 활주 또는 차고 주차가 가능한 미래형 자동차.

Images