KR101658019B1 - 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법 - Google Patents

Abstract

고고도용 무인기의 자동 상승 및 하강방법이 개시되어 있다.
개시된 고고도용 무인기의 자동 상승 및 하강방법은 고고도용 무인기를 상승 및 하강시키기 위한 원통형의 가상 비행영역을 설정한 후, 상기 가상 비행영역을 형성하기 위해 상하로 배열되어 있는 가상의 제1 비행반경에 제1 목표점을 설정하고, 상기 제1 비행반경의 상부 또는 하부에 순차적으로 배치되는 임의의 제2 ~ N 비행반경에 제2 ~ N 목표점을 형성하여, 상기 각 목표점을 순차적으로 연결하는 직선 경로선을 따라 상기 무인기가 승강 비행되도록 하되, 상기 무인기의 승강 중, 무인기의 측방향 바람에 의해 바람과 마주하는 방향으로 기수방향이 틀어진 경우, 이 틀어진 기수방향으로 목표점을 수정하는 것을 특징으로 한다.

Description

정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법{Flight guidance method of high-altitude pilotless plane}

본 발명은 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법에 관한 것이다.

더 상세하게는 고고도 무인기를 성층권 이상의 목적지를 향해 자동 비행시킬 때, 선회비행을 배제하는 대신, 지정된 목표점을 지향하는 직선 비행으로 개선하여, 원격조종사의 피로도를 감소시킴과 아울러 제트기류 등에 의해 무인기가 소실되지 않도록 하는 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법에 관한 것이다.

무인기는 지상통제장비를 통해 무선으로 원격 조종되며, 지상통제장비는 원격조종사가 통제한다. 기본적으로 무인기의 고도, 속도, 방위각을 원격조종사가 다이얼(노브)을 조작하여 조종할 수 있으며, 보다 자동화된 방법으로는 속도, 고도는 동일한 방법으로 조작하며, 방위각은 목적지의 좌표를 터치패널로 입력하여 자동으로 비행하게 하는 목적지 유도 방식을 사용한다. 이러한 방식의 대표적인 유도 방법을 '점항법(way point navigation)'이라고 한다. 목적지의 좌표인 목표점은 고도에 무관하게 평면상에 나타나는 특정 점(point)이다.

점항법은 속도, 고도 조작에 비해, 방위각 조작이 빈번한데, 이를 자동화하여 원격조종사의 피로를 줄이기 위한 방법이다.

점항법의 방위각 자동 유도 방식은 두 가지 기능으로 구성되는데, 첫째는 목표지점을 정하여 그 지점으로 향하는 '목적지 유도' 기능이고, 두번째는 목표점 도달 후 정점체공을 위해 일정한 원을 따라 비행하는 '선회' 기능이 있다. 선회는 일반적으로 원형으로 구현된다. 선회 중 사용자가 목표점을 다른 지점으로 이동시키면 다시 그 지점으로 향하고 도달 후 선회를 반복하는 방식이다.

한편, 고고도 장기체공 무인기의 경우, 양력의 효율을 높이기 위해 날개폭이 크기 때문에 비행속도가 시속 25km/h 내외로 매우 느리고, 전기동력의 효율을 높이기 위해 상승률 또한 2km/h로 매우 낮은 특성이 있다. 이렇게 천천히 상승하게 되므로 12km 이상의 성층권과 같은 고고도에 도달하기까지는 6시간 정도의 오랜 시간이 걸리게 된다.

그리고 성층권에 도달하기 위해서는 시속 50~100km/h의 제트기류 구간을 통과해야하고, 성층권에 도달한 후에는 장기체공 임무를 수행하기 위해 고도를 유지하며 정점체공을 수행할 필요가 있다.

이렇게 비행속도가 매우 낮은 비행체는 바람에 적절히 대응하지 않으면 비행체에 무리가 가게되어 피로 파괴로 이어질 수 있고, 비행체가 바람에 떠밀려 소실될 수 있다.

또한, 무인기는 허가된 비행공역 내에서 비행해야 하는바, 상승률이 낮은 비행체는 직선으로 상승하더라도 고도가 얼마 올라가지 않은 상태에서 공역의 가장자리에 도달하게 되는데, 이때는 무인기를 되돌려야 한다.

이와 같이 6시간 이상 공역 및 바람에 대응하면서 원격 조종사가 목표 고도까지 일일이 조종을 하게 되면 많은 피로가 누적되게 된다.

한편, 무인기를 자동으로 승강비행 및 정점체공하는 방법으로는 기존에 사용하는 점항법 방식이 존재하지만 목표점 도달 후 선회중에는 바람이 강해질 경우 목표점이 뚜렷하지 않으므로 표류하게 될 수 있다. 즉, 정점체공 방식인 선회방법은 원의 궤적을 따르도록 구성되어 있는데, 비행체의 위치와 원의 궤적과의 법선거리를 줄이는 방식으로 되어 있으므로 원의 궤적상에 목표점이 존재하지 않는다. 따라서, 비행속도보다 큰 바람이 불게 되면 비행체는 밀리게 되고 결국, 궤적을 벗어나게 되어 특정 목표점이 없으므로 표류하게 되는 것이다.

아울러, 위의 방법은 지속적인 선회가 필요하므로 조종면 및 작동기에 부하가 누적될 수 있고, 에너지 소모가 많아지는 단점이 있다.

특허문헌 1 : 공개특허공보 제10-2015-0066223호

본 발명은 고고도 무인기를 성층권 이상으로 자동 상승시키거나 또는 성층권에서 지상으로 자동 하강시킬 때, 강한 바람에도 목표점을 잃지 않고 정해진 영역 내에서 안정적으로 승강 비행할 수 있도록 한 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법을 제공함에 있다.

상기한 목적은, 고고도용 무인기를 상승 및 하강시키기 위한 원통형의 가상 비행영역을 설정한 후, 상기 가상 비행영역을 형성하기 위해 상하로 배열되어 있는 가상의 제1 비행반경에 제1 목표점을 설정하고, 상기 제1 비행반경의 상부 또는 하부에 순차적으로 배치되는 임의의 제2 ~ N 비행반경에 제2 ~ N 목표점을 형성하여,상기 각 목표점을 순차적으로 연결하는 직선 경로선을 따라 상기 무인기가 승강 비행되도록 하되, 상기 무인기의 승강 중, 무인기의 측방향 바람에 의해 바람과 마주하는 방향으로 기수방향이 틀어진 경우, 이 틀어진 기수방향으로 목표점을 수정하는 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법에 의해 달성된다.

또한, 본 발명은 상기 경로선들 간에 소정의 평면 경사각(θ)을 가질 수 있고, 이때, 상기 평면 경사각(θ)은 0°≤θ≤90°로 제한되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 경로선들의 연결형상은 평면에서 보았을 때 직선 또는 다각형 또는 별모양 중 어느 하나 일 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

삭제

이상의 본 발명은 무인기를 성층권 이상으로 자동 상승시키거나 또는 성층권에서 지상으로 자동 하강시킬 때, 미리 설정된 비행영역 내에서 목표점을 설정하여 직선비행을 최대한 늘려서 상승 또는 하강하게 되므로 원격조종사의 피로를 줄일 수 있다.

또한, 강한 바람이 불어 무인기가 뒤로 밀릴 때 스스로 설정한 목표점을 가지고 있으므로 표류하는 것을 방지하여 무인기의 소실을 방지할 수 있다.

그리고, 직선비행을 최대한 늘려서 상승 또는 하강하게 되므로 비행거리를 효율적으로 줄일 수 있고, 이에 따라 에너지 소모량도 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고고도 무인기의 상승 및 하강시 비행 궤적도
도 2는 본 발명에 따른 고고도 무인기가 비행반경 외에 위치할 때와 비행반경 내에 위치할 때의 비행방향을 나타낸 도면
도 3a는 본 발명에 따른 고고도 무인기의 직선비행의 제1 유형도를 나타낸 사시도
도 3b는 도 3a의 평면도
도 4는 본 발명에 따른 고고도 무인기의 직선비행의 제2 유형도
도 5는 본 발명에 따른 고고도 무인기의 직선비행의 제3 유형도
도 6a 내지 6d는 비행반경을 평면에서 보았을 때 비행경로의 여러 유형을 도시한 도면
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 고고도 무인기가 바람의 영향을 받을 때의 경로 수정도

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는 "의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고고도 무인기의 상승 및 하강시 비행 궤적도를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고고도 무인기(이하, '무인기'라 약칭함)(10)의 비행영역(또는 비행반경)은 중심점과 반경으로 정해지며, 원형을 이루고 있다.

상기 무인기(10)는 상기한 비행영역 내에서 정해진 개수만큼의 목표점을 따라 직선 비행하면서 점차적으로 상승 또는 하강하게 된다. 이렇게 비행영역 내에서 직선비행을 하게 되면. 기존의 선회비행에 비해 상승 및 하강속도를 빠르게 할 수 있으므로 무인기의 조종면 피로를 줄일 수 있고, 에너지 소모량도 줄일 수 있게 된다.

또한, 비행영역 내에서 직선비행을 하게 되면, 제트기류와 같은 강한 바람에 무인기가 밀리는 경우에도 목표점을 가지고 있기 때문에 표류하지 않고 기수는 그 지점을 향한 채 상승 또는 하강을 할 수 있다. 이러한 방법으로 제트기류를 통과하고 바람의 크기가 줄어들면 다시 목표점으로 도달할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 고고도 무인기가 비행반경 외에 위치할 때와 비행반경 내에 위치할 때의 비행방향을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 무인기(10)의 운용모드가 설정된 상태에서 무인기(10)가 비행반경 내에 위치하는 경우는 무인기가 현재 기수방향을 유지하면서 반경상의 목표점을 향해 비행하는 반면, 무인기(10)가 비행반경의 외부에 위치하는 경우에는 비행반경의 중심점(O)으로 유도되므로 결국, 무인기(10)는 비행반경의 내부에 위치하게 된다.

이와 같이, 무인기(10)는 비행반경의 내부에 위치하거나 또는 외부에 위치하더라도 반경상의 목표점 또는 중심점(O)을 향해 직선 유도 비행되도록 설정되어 있으므로 기존 선회비행에 비해 비행경로를 단축할 수 있게 된다.

도 3a 내지 도 5는 본 발명에 따른 고고도 무인기의 비행반경 내 직선비행의 유형을 나타낸 것이다.

먼저, 도 3a는 본 발명에 따른 무인기의 비행반경 내 직선비행의 제1 유형을 나타낸 사시도이고, 도 3b는 이의 평면도이다.

도 3a에서와 같이, 본 발명은 원통형 비행영역을 형성하기 위해 상하로 배열되어 있는 가상의 제1 비행반경(C₁)에 제1 목표점(P₁)을 설정하고, 상기 제1 비행반경(C₁)의 상부 또는 하부에 순차적으로 배치되는 임의의 제2 ~ N 비행반경(C₂ ~ C_N)에 제2 ~ N 목표점(P₂ ~ P_N)을 형성하되, 상기 목표점들은 순차 목표점들 간에 소정의 평면 반사각(θ)을 가지도록 하여, 상기 각 목표점을 순차적으로 잇는 직선 비행경로를 따라 무인기가 상승 또는 하강되도록 한다.

도 3b를 보면, 무인기(10)가 제1 비행반경(C₁)의 내부에서 계속 전진하다가 제2 비행반경(C₂)의 반대편 반경에 도달하게 되면, 무인기(10)는 도달된 점의 접선과 수직 또는 예각으로 접점 반사하는 방향으로 기수를 돌려 직진하도록 한다. 또 다시 다른 비행반경에 도달하게 되면 같은 방식으로 방향을 돌리게 한다. 이로써 무인기는 비행반경 내에 머물면서 지그재그 형태로 직선 비행을 하게 된다.

여기서, 상기 목표점 중 제1 목표점(P₁)을 향하는 가상의 입사선(L₁)과, 상기 제1 목표점(P₁)으로부터 제2 목표점(P₂)을 향해 반사되는 반사선(L₂) 사이의 평면 사이각(θ)은 0°≤θ≤90°이 바람직하다.

만약, 상기 입사선(L₁)과 반사선(L₂) 사이의 평면 사이각(θ)이 90°보다 크면 무인기(10)의 비행궤적은 원에 가까워지므로, 앞서 설명된 종래의 문제점과 같이 조종면 및 작동기에 피로가 누적될 수 있고, 에너지 소모가 많아지는 문제점이 발생한다. 따라서, 입사각과 반사각의 합이 90°이내가 되도록 반사각을 제한하는 것이 바람직하다.

도 4의 경우는, 무인기(10)가 평면 비행영역인 비행반경 접선 부분에 다다르면, 접선으로부터 수직(직각)이 되는 각도로 경로를 수정하는 방법이다. 이 경우는 무인기(10)는 비행반경 내부의 지름선을 따라 왕복하게 된다.

도 5의 경우는, 무인기(10)가 반경의 접선 부분에 다다르면 접선으로부터 직각이 되는 각도(θ₉₀)에 정해진 예각(θ_{0 ＜θ＜90})을 더하여 경로를 수정하는 방법이다.

도 6a 내지 6d는 비행반경을 평면에서 보았을 때 비행경로의 여러 유형을 도시한 것이다.

도 6a의 경우, 두 개의 목표점이 지정되면 이를 번갈아가며 왕복비행하는 유형이고, 도 6b의 경우, 5개의 목표점이 정해지면 궤적이 교차하며 별모양으로 비행하는 유형이고, 도 6c, 6d의 경우 4개 또는 그 이상의 목표점을 지정하여 이 목표점을 연결하는 직선궤적을 따라 비행하는 유형이다.

이러한 유형들은 목표점의 개수 및 위치변경에 따라 다양한 형태의 비행유형을 구현할 수 있게 된다.

이상의 방식은 바람의 변수를 고려하지 않은 기본적인 운영방법으로서, 만약 바람의 세기가 커지면 기수방향으로 경로를 수정하여 바람에 대한 경로 수정을 수행할 필요가 있다. 이에 대한 상세 내용은 다음과 같다.

도 7 내지 9는 바람에 대한 경로 수정 방법을 나타낸 개략도이다.

도 7과 같이, 바람의 크기가 커지면 무인기(10)는 원래의 경로(W₀)를 비켜나고 무인기의 기수는 수직 안정판의 영향으로 바람방향으로 자연스럽게 돌아가게 된다.

바람의 크기가 정의한 속도보다 큰 경우(예컨대, 순항속도의 50%이상) 또는 경로각 오차가 정의한 각도 보다 큰 경우(예컨대, 방위각 오차 45°이상) 또는 경로 오차거리가 정의한 거리보다 큰 경우(예컨대, 날개폭의 10배), 그 순간 목표점(P₁)은 현재 기수방향(W₁)으로 수정된다.

수정된 목표점(P₁)에 도달하면 바람이 작은 경우와는 달리 180°뒤의 지점으로 목표점(P₂)이 재설정된다. 이와 같이 바람이 거센 경우는 도 7 내지 9와 같이 목표점 1, 2, 3(P₁,P₂,P₃)을 왕복하는 비행을 수행하게 된다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 비행영역의 외부에 완충영역이 더 설정될 수 있다. 완충영역은 무인기(10)가 비행영역의 경계부위에 위치함에도 불구하고 비행영역을 벗어난 것으로 오감지되는 것을 방지하기 위해 설정된 영역이다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상을 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.

10 : 무인기

Claims (5)

1. 고고도용 무인기를 상승 및 하강시키기 위한 원통형의 가상 비행영역을 설정한 후, 상기 가상 비행영역을 형성하기 위해 상하로 배열되어 있는 가상의 제1 비행반경에 제1 목표점을 설정하고, 상기 제1 비행반경의 상부 또는 하부에 순차적으로 배치되는 임의의 제2 ~ N 비행반경에 제2 ~ N 목표점을 형성하여,
   상기 각 목표점을 순차적으로 연결하는 직선 경로선을 따라 상기 무인기가 승강 비행되도록 하되,
   상기 무인기의 승강 중, 무인기의 측방향 바람에 의해 바람과 마주하는 방향으로 기수방향이 틀어진 경우, 이 틀어진 기수방향으로 목표점을 수정하는 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 경로선들 간에는 소정의 평면 경사각(θ)을 갖는, 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 평면 경사각(θ)은 0°≤θ≤90°인, 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 경로선들의 연결형상은 평면에서 보았을 때 직선 또는 다각형 또는 별모양인, 정점체공을 위한 고고도 무인기의 비행유도방법.
   
5. 삭제

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