KR100472968B1

KR100472968B1 - 대형 무인비행선의 자동 이·착륙 비행장치

Info

Publication number: KR100472968B1
Application number: KR10-2002-0067879A
Authority: KR
Inventors: 이상종; 김태식; 이해창; 염찬홍
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2005-03-08
Also published as: KR20040039117A

Abstract

본 발명은 고도 20Km 이상까지 상승하여 운영되는 대형 무인비행선에 장치되는 시스템 구성요소 중 지상 조종사에 의한 무선조종명령 없이 길이 40m 이상인 대형비행선이 자체적인 판단아래 이륙과 착륙을 자율적으로 용이하게 할 수 있는 자동 이·착륙 비행장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 길이 40m 이상의 대형 무인비행선(101)과 대형비행선 조종을 위한 승강키(102), 방향키(103), 조종면엑추에이터(104)(107)를 수직꼬리날개(105) 및 수평꼬리날개(106)에 장치하고, 추력을 내는 프로펠러(107)와 추력방향조종을 위한 틸팅시스템(201) 및 속도측정을 위한 속도계(109), 위치 및 고도정보 획득을 위한 GPS 수신기(110), GPS 안테나(111) 및 레이져 고도계(112), 비행선의 동운동 비행값 측정을 위한 관성항법센서(113)로 구성되며, 자동이륙과 착륙을 위한 자동이착륙프로그램(210)이 곤돌라(115)내부에 장착된 비행조종컴퓨터(200)내에 설치됨으로써 이루어진다.

Description

대형 무인비행선의 자동 이·착륙 비행장치{Autonomous Take-Off and Landing System for Large-Class Unmanned Airship}

본 발명은 고도 20Km 이상까지 상승하여 운영되는 길이 40m 이상의 대형 무인비행선에 장치되는 조종시스템에 관한 것으로, 지상에서의 무선조종명령 없이 대형비행선이 자체적인 판단아래 이륙과 착륙을 자율적으로 용이하게 할 수 있는 자동 이·착륙 비행장치에 관한 것이다.

여기서 대형 무인비행선이란 비행선에 탑승하는 조종사가 없고, 지상에서 무인비행선을 무선으로 조종하는 무선조종사가 필요 없는 길이 40m 이상의 대형 비행선을 말한다.

무인 비행선에서의 자동 이·착륙 비행장치는 가장 필수적인 장치로서 현재 광고용으로 운영되는 무인 비행선이란 비행선을 조종하는 조종사가 탑승하지 않고, 지상에서 무인조종기를 사용하여 비행선을 원격 조종하는 비행선을 의미하는 것에 비하여, 대형 무인 비행선은 자체적인 비행조종 컴퓨터와 각종 센서를 구비하여 조종사 없이 자율적으로 비행하는 비행선을 말하는 것이다.

따라서 현재 운영되고 있는 광고용 무인 비행선에는 자동 이·착륙 비행장치가 설치되어 있지 않으며, 순전히 지상 조종사의 육안감시와 관찰 및 판단에 의해 무선 조종되고 운영되기 때문에 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 지상에는 무선조종기를 조종할 수 있는 조종사가 꼭 필요하며, 비행선의 안전한 이착륙을 위해서는 숙련된 기술과 경험을 갖추고 있어야 하므로 숙련된 전문 무선조종사를 훈련시키기 위한 비용과 시간이 많이 소요된다.

둘째, 고정익 항공기와 마찬가지로 비행선도 이륙과 착륙시에 가장 많은 사고가 발생하게 되나, 순전히 조종사의 판단에 의해 비행선이 조종되어지기 때문에 위험한 비상상황이 발생할 경우 이에 대처하는 조종사의 경험과 기술에 따라 위험 대처능력이 좌우된다.

셋째, 고정익 항공기와는 달리 이·착륙시에 조종해야 하는 비행선의 조종요소가 7개(방향키1개, 승강키1개, 틸팅 추력시스템 2개, 엔진제어1개, 방향제어용 추력시스템 2개)로서 조종사가 비행선을 육안으로 보며 개개의 명령을 조종기로 조작하여 명령을 내리는 일이 어려운 것이다.

넷째, 일반 광고용 무인비행선은 소형이며, 비행선 길이가 짧기 때문에 지상에서 육안으로 비행선의 상태를 보고 조종할 수 있지만 길이가 40m 이상이 되는 비행선은 이륙후에 임무를 수행하는 비행고도가 지상에서는 보이지 않는 고도 3km이상이고 임무반경이 30km 이상이기 때문에 지상에서의 육안관찰에 의한 조종은 불가능하다.

본 발명은 사람이 타지 않고 지상에서 조종사가 무인조종을 하지 않는 대형 무인비행선의 자동 이·착륙 비행조종장치에 관한 것으로, 대형 무인비행선 자체가 이·착륙 조건을 인식하고 자동으로 판단하여 명령을 내림으로써 안전한 이·착륙이 가능토록 하는 것이다.

이러한 본 발명은 길이 40m 이상의 대형 무인비행선과 대형비행선 조종을 위한 승강키, 방향키, 조종면엑추에이터를 수직꼬리날개 및 수평꼬리날개에 장치하고, 추력을 내는 프로펠러와 추력방향조종을 위한 틸팅시스템 및 속도측정을 위한 속도계, 위치 및 고도정보 획득을 위한 GPS 수신기, GPS 안테나 및 레이져 고도계, 비행선의 동운동 비행값 측정을 위한 관성항법센서로 구성되며, 자동 이륙과 착륙을 위한 자동이착륙프로그램이 곤돌라내부에 장착된 비행조종컴퓨터내에 설치됨으로써 이루어진다.

대형 무인비행선은 도 1 에 도시된 바와 같이 구성되며, 상기 대형 무인비행선에 장치되는 자동이착륙 비행장치는 비행선을 구성하는 하드웨어부와, 속도 와 고도 등을 센싱하여 자동 이·착륙을 위한 자료로 사용하도록 하는 센서부와, 상기 센서부의 입력과 미리 설정된 내용대로 하드웨어부를 제어하여 이륙과 착륙이 자동적으로 이루어지게 하는 소프트웨어부로 구성된다.

본 발명의 하드웨어부는 대형 무인비행선(101)의 꼬리쪽에 수직꼬리날개(105)가 수직으로 설치되는 한편 양측으로 수평꼬리날개(106)가 설치되며, 상기 수직꼬리날개(105)에는 조종면 엑추에이터(104)가 장치되어 방향키(103)와 연결되고, 좌/우 수평꼬리날개(106)에도 조종면 엑추에이터(107)가 장치되어 각각의 승강키(102)와 연결되게 설치된다.

대형 무인비행선(101)의 중앙 좌/우측에는 프로펠러로 구성되어 추진력을 낼 수 있는 추력시스템인 프로펠러(108)가 장착되며, 상기된 프로펠러(108)를 상,하로 회동시켜 추력 방향을 조절할 수 있도록 하는 틸팅시스템(201)이 설치되고, 대형 무인비행선(101)의 하부에는 곤돌라(115)가 장치된다.

대형 무인비행선(101)의 이·착륙과 비행을 위하여 각종 조건을 검출하는 센서부는 비행선 기수에 속도계(109)가 장치되며, GPS 안테나(111)는 비행선 상부에 장치되고 GPS 수신기(110)와 연결되고, 레이져 고도계(112), 관성항법센서(113) 및 비행조종컴퓨터(200)는 비행선의 곤돌라(115) 내부에 안전하게 장치된다.

상기 센서부로 부터의 입력과 사용자가 미리 설정한 이·착륙 정보를 읽어내어 자동 이·착륙이 가능하도록 하드웨어부를 콘트롤 하는 소프트웨어부는 자동 이·착륙 프로그램이 내장된 비행조종컴퓨터(200)에 의하여 이루어지게 된다.

본 발명의 자동 이·착륙 비행장치가 구비된 대형 무인비행선(101)을 도 2 의 블럭도를 참고로 하여 각 구성품의 기능을 설명한다.

속도계(109), GPS 수신기(110), 관성항법센서(113), 레이져 고도계(112)는 비행조종컴퓨터(200)와 연결되어 단방향으로 센서에서 감지된 신호를 전송 받는다.

속도계(109)는 비행선의 비행속도를 측정하며, GPS수신기(110)는 비행선의 비행위치와 지면에서의 수직 고도값을 측정하며, 레이져 고도계(112)는 지면으로부터의 실제고도를 GPS수신기(110)보다 정밀하게 측정하며, 관성항법센서(113)는 비행선의 각속도와 가속도를 측정하여 비행조종 컴퓨터(200)에 전달한다.

추력시스템(108), 틸팅시스템(201), 조종면 엑추에이터(104)(107)는 비행조종컴퓨터(200)와 연결되어 비행조종컴퓨터(200)로부터 조종명령을 전송 받아 전송명령 대로 작동하게 되며, 상기 작동 상태신호는 비행조종컴퓨터(200)로 궤환시키는 것으로, 양방향으로 신호를 전송하고 전송받게 된다.

조종면 엑추에이터(104)(107)는 비행조종컴퓨터(200)의 명령에 의해 승강키(102)와 방향키(103)를 작동시키며, 승강키(102)와 방향키(103) 및 조종면 엑추에이터(104)(107)는 각각 작동 후 그 변위 신호를 비행조종컴퓨터(200)로 궤환시켜 자동 이·착륙이 원활히 이루어지는지 검증할 수 있도록 한다.

비행조종 컴퓨터(200)에 탑재된 자동이착륙 프로그램(210)은 상기의 감지된 신호를 바탕으로 자동으로 비행선의 이륙과 착륙을 제어할 수 있는 조종명령을 생성하여 실시간으로 추력시스템(108), 틸팅시스템(201) 및 조종면 엑추에이터(104)(107)로 전송하여 자동 이·착륙이 가능하도록 한다.

이같이 자동 이·착륙이 가능하도록 제어하는 자동 이착륙 프로그램(210)을 도 3 의 흐름도에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

비행조종컴퓨터(200)에 탑재된 자동 이착륙 프로그램(210)이 가동되면 사전에 설정된 자동 이륙 및 착륙 경로를 도시되지 아니한 메모리에서 읽어오게 되며(301), 속도계(109)와 GPS수신기(110) 또는 관성항법센서(113) 및 레이져고도계(112)등의 장착센서를 초기화하고(302), 틸팅시스템(201)과 추력시스템(108)을 초기화 한 후(303) 조종면 엑추에이터(104)(107)를 초기화 한다(304).

그리고 상기된 초기화 과정에서 에러가 존재하지 않으면 다음 과정으로 넘어가며 에러가 존재하면 다시 장착센서 초기화 단계(302)로 돌아가 조종면 엑추에이터(104)(107)를 초기화시키는 과정(304)까지 재수행 하게 된다.

초기화가 진행되고 에러가 검출되지 않을 경우 고도가 100m보다 낮은가를 비교하여(306), 고도가 100m 보다 낮으면 자동 이륙모드가 가동되고(307), 그보다 높으면 자동 착륙모드가 작동하게 된다(321).

본 발명의 자동 이륙모드는 다음과 같은 순서로 가동된다.

우선 고도신호를 GPS수신기(110)와 레이져고도계(112)로부터 센싱한 후(308) 고도가 200m보다 낮은가를 비교하여(309) 고도가 200m 보다 낮으면 오차가 GPS수신기(110)보다 작은 레이져고도계(112)의 자료를 사용하고(310), 고도가 200m 보다 높으면 GPS수신기(110)에서 감지된 고도값을 사용한다(311).

이는 GPS수신기(110)의 고도 오차가 30m 정도이기 때문에 지면 가까운 고도에서는 보다 정밀한 고도자료를 사용하는 레이져고도계(112)를 사용하여 보다 정확한 자동 이륙을 수행토록 하는 것이다.

속도계(109)로부터 속도를 센싱한 후(312) 속도를 8m/s와 비교하여(313) 속도가 8m/s 보다 낮으면 틸팅시스템(201) 조종을 통하여 비행선을 조종하고(314), 반대로 높으면 승강키(102)와 방향키(103)를 사용하여 비행선을 조종하게 된다(315).

이는 속도 8m/s 아래의 저속영역에서는 승강키(102)와 방향키(103)와 같은 비행선의 공력 조종면이 실제적인 조종력을 제공하지 못하기 때문으로 틸팅시스템(201)을 사용하여 추력선 조종을 수행함으로써 효율적인 조종력을 제공토록 하기 위한 것이다.

그리고 추력시스템(108) 조종을 통해 적절한 추력을 비행선에 제공한 후(316), 관성항법센서(113)로부터 자세각과 이륙경로를 측정하여(317) 비행선 조종을 위해 입력된 상기의 조종명령들이 유효한지를 판단하게 된다(318).

즉, 위에서 입력된 틸팅시스템(201) 조종명령(314), 승강키(102) / 방향키(103) 조종명령(315) 및 추력시스템(108) 조종명령(316)이 비행선의 이륙 자세각과 지정된 이륙경로를 만족시키는 명령이면 다음 순서로 넘어가고 만족치 못하면 속도센싱 블록(312)으로 순환하여 조건을 만족시키는 명령을 생성토록 하는 동일한 과정을 재수행 하도록 한다.

최종적으로 자동 이륙고도의 한계고도인 고도 500m 이상으로 비행선이 이륙하면(319) 자동 이륙모드는 종료하게 되고(320), 그 이하의 고도에서는 동일한 (309)에서 (319)과정을 재수행 하며 이륙 한계고도인 500m까지 상승하도록 자동 이륙모드가 계속해서 작동하게 된다.

한편 자동 착륙모드의 경우(321)는 자동 이륙모드의 (308)에서 (318)까지의 과정을 (322)에서 (342)까지 동일한 과정으로 수행하게 한 후, 고도가 50m 보다 작은 고도까지 착륙이 진행되면(342) 추력시스템(108)을 정지시키고(343), 50m 보다 높은 고도에서는 계속적으로 (323)과정으로 순환하여 자동 착륙모드가 계속적으로 작동하게 함으로써 자동 착륙이 이루어지도록 한다.

본 발명의 자동 이·착륙 비행장치는 구성된 동일한 시스템을 바탕으로 비행조종컴퓨터(200)에 자동상승 프로그램 및 정정 체공 프로그램을 탑재하여 연계시킴으로써 대형 무인 비행선의 자동비행 기능을 구성하는데 효과적으로 이용될 수 있다.

본 발명은 고도 20Km 이상까지 상승하여 운영되는 길이 40m 이상의 대형 무인비행선에 장치되는 자동 이·착륙 비행장치로서 지상에서의 인간조종사의 무선조종명령 없이 대형 무인 비행선이 탑재한 자동 이착륙 프로그램을 통해 이륙과 착륙이 가능하게 하여 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 고성능 센서와 비행조종컴퓨터를 적용함으로써 보다 정밀하고 안전한 이착륙을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명은 첫째, 현재까지 비행선분야에서 발명되어 운영되고 있지 않은 자동 이·착륙 비행장치를 제공하고, 둘째, 비행선의 탑승하거나 지상에서 조종하는 조종사를 필요로 하지 않음으로써 숙련된 기술과 경험을 가진 조종사를 양성하기 위한 비용과 시간을 절약할 수 있는 장점을 가지며, 셋째, 고정밀의 센서와 마이크로프로세서를 장착한 비행조종컴퓨터를 사용하여 인간조종사에 의한 판단에 비해 정밀하고 신뢰성 있는 비행을 가능토록 함으로써 비행조종컴퓨터가 인간 조종사의 눈과 손을 대신할 수 있도록 비행선의 속도측정을 위한 속도계와 고도 및 위치측정을 위한 GPS 및 레이져 고도계를 장착하며, 비행선의 자세 및 각속도를 측정하는 관성항법센서를 사용함으로써 정확한 비행자료를 통해 비행선의 이착륙을 수행하며, 자동 이착륙 프로그램을 통해 위험시에 보다 효율적으로 대처할 수 있고, 넷째, 대형 비행선을 조종하기 위해 지상에서 인간 조종사가 다수의 조종입력을 모두 제어하는 불가능한 문제점을 개선하여 비행조종컴퓨터가 자동으로 다수의 조종입력을 제어함으로써 육안으로 조종이 불가능한 이·착륙 고도까지 대형 무인 비행선을 효율적으로 상승시키고 하강시킬 수 있으며, 위험시에 비행조종컴퓨터에 여러 가지 사전 대처 시나리오를 입력하여 비상상태에 대한 효율적인 대처를 할 수 있으며, 다섯째, 자동 이·착륙비행장치를 구성하게 되면 부가적으로 대형 무인비행선의 임무를 위한 정점체공 비행 및 자동비행기능 등 추가적인 확장성을 갖게 되고, 하드웨어적으로는 각종센서와 엑추에이터 및 비행조종컴퓨터 등 모든 기구를 갖추게 되므로 부가적인 기능은 비행조종컴퓨터에 이를 위한 프로그램밍만 추가하면 되므로 확장성이 우수한 효과가 있는 것이다.

도 1 은 본 발명의 자동 이·착륙비행장치가 구비된 대형 무인비행선의 사시도

도 2 는 본 발명의 자동 이·착륙비행장치 블럭도

도 3 은 본 발명 자동 이륙·착륙 제어 흐름도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

101 : 대형 무인비행선 102 : 승강키

103 : 방향키 104,107 : 조종면 엑추에이터

105 : 수직꼬리날개 106 : 수평꼬리날개

108 : 프로펠러 109 : 속도계

110 : GPS 수신기 111 : GPS 안테나

112 : 레이져 고도계 113 : 관성항법센서

200 : 비행조종컴퓨터 210 : 자동 이착륙프로그램

Claims

길이 40m 이상의 대형 무인비행선에 있어서,

대형 무인비행선(101)의 꼬리쪽에 수직꼬리날개(105)와 수평꼬리날개(106)를 설치하고,

수직꼬리날개(105)에 방향키(103)와 연결된 조종면 엑추에이터(104)가 설치되며,

좌/우 수평꼬리날개(106)에도 승강키(102)와 연결된 조종면 엑추에이터(107)가 설치되고,

비행선(101)의 중앙 좌/우측에는 프로펠러로 구성되어 추진력을 낼 수 있는 추력시스템인 프로펠러(108)가 장착되는 한편 상기 프로펠러(108)를 상하로 회동시키는 틸팅시스템(201)이 설치되며,

비행선(101)의 하부에는 곤돌라(115)가 설치되고,

비행선 기수에는 속도계(109)를 설치하고 상부에는 GPS수신기(110)와 연결된 GPS 안테나(111)를 설치하는 한편 비행선의 곤돌라(115)에는 레이져 고도계(112)와 관성항법센서(113) 및 비행조종컴퓨터(200)를 설치하며,

각 센서 및 프로펠러(108), 틸팅시스템(201) 및 조종면 엑추에이터(104)(107)의 상태를 입력받아 비행조종 명령을 생성하여 비행선을 조종하는 자동이착륙 프로그램(210)이 탑재된 비행조종컴퓨터(200)를 설치하되,

상기 자동이착륙 프로그램(210)이,

사전에 설정한 자동 이착륙 경로를 메모리에서 읽어내고,

속도계(109), GPS수신기(110), 관성항법센서(113), 레이져고도계(112), 틸팅시스템(201), 추력시스템, 조종면 엑추에이터(104)(107)를 초기화하고,

비행선의 고도가 소정 고도 이내이면 자동이륙모드를 수행하고 그 이상이면 자동착륙모드를 수행하게 하고,

비행선의 속도를 센싱하여 그것이 소정 속도보다 낮으면 틸팅시스템(201)을 작동하고 그보다 높으면 추력시스템을 작동시키며,

관성항법센서(113)에서 자세각과 이륙 또는 착륙 경로를 센싱하여 자세각과 경로가 유지되는가를 체크하고,

자세각과 경로가 유지되고 고도가 소정 고도 이상이면 자동이륙모드를 종료하고 그 이하이면 추력시스템을 정지하여 자동착륙모드를 종료하는 것

을 특징으로 하는 대형 무인 비행선.
대형 무인비행선(101)의 비행조정 컴퓨터(200)에 탑재되는 자동이착륙 프로그램(210)에 있어서,

사전에 설정한 자동 이착륙 경로를 메모리에서 읽어내고,

속도계, GPS수신기, 관성항법센서, 레이져고도계, 틸팅시스템,추력시스템,조종면 액튜에이터를 초기화하고,

비행선의 고도가 100m 이내이면 자동이륙모드를 수행하고 그 이상이면 자동착륙모드를 수행하게 하고,

비행선의 속도를 센싱하여 8m/s보다 낮으면 틸팅시스템을 작동하고 그 보다 높으면 추력시스템을 작동시키며,

관성항법센서에서 자세각과 이륙 또는 착륙경로를 센싱하여 자세각과 경로가 유지되는 가를 체크하고,

자세각과 경로가 유지되고 고도가 500m이상이면 자동이륙모드를 종료하고 그 이하이면 추력시스템을 정지하여 자동착륙모드를 종료하는 것을 특징으로 하는 대형 무인비행선의 자동 이·착륙 비행장치.
제2항에 있어서, 자동이착륙의 고도신호 사용시 고도가 200m이내이면 레이져고도계의 출력을 사용하고, 고도가 200m이상이면 GPS수신기의 출력신호를 사용 하는 것을 특징으로 하는 대형 무인비행선의 자동 이·착륙 비행장치.