KR102010424B1 - 저속비행상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 방법 및 컴퓨터 프로그램과 수직 이착륙 비행체 - Google Patents

저속비행상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 방법 및 컴퓨터 프로그램과 수직 이착륙 비행체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 저속비행 상태에서, 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 수직 이착륙 비행체는, 비행 컨트롤러가 생성한 틸트 각도 제어 신호에 기초하여 틸트 각도가 변경되고, 상기 수직 이착륙 비행체의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 메인로터; 피치 자세각 제어 신호에 기초하여 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각 (Pitch Attitute Angle)을 변경시키는 보조로터; 및 상기 수직 이착륙 비행체의 조종 신호에 기초하여 상기 틸트 각도 제어 신호 및 상기 피치 자세각 제어 신호를 생성하는 비행 컨트롤러;를 포함하고, 상기 비행 컨트롤러는 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 상기 제1 피치 자세각을 참조하여 상기 메인로터의 틸트 각도를 결정하고, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.

Description

저속비행상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 방법 및 컴퓨터 프로그램과 수직 이착륙 비행체{A METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR CONTROLLING THE TILT ANGLE OF THE MAIN ROTOR BASED ON THE PITCH ATTITUDE CONTROL SIGNAL IN THE LOW SPEED REGION}
본 발명의 실시예들은 저속 비행상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트각도를 제어하는 방법 및 컴퓨터 프로그램과 수직 이착륙 비행에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 항공기의 대기속도계는 소정의 임계속도(가령 60km/h) 이상의 고속비행에서만 정확한 속도측정이 가능하다. 그 이하의 속도를 측정하기 위해서 헬리콥터는 일반적으로 GPS기반의 관성속도를 사용하며, 고정익 항공기는 별도의 관성속도계를 갖추지 않는 경우가 많다.
관성속도계는 정지비행과 같은 저속뿐만 아니라 고속비행에서도 속도측정이 가능하지만, 위치를 기준으로 속도를 측정하므로 바람이 있는 경우 실제 대기속도를 측정할 수 없어서 비행 특성의 파악에 사용될 수 없다. 반면 대기속도계는 앞서 서술한 바와 같이 측정이 가능한 최소속도가 제한되어있지만 실속 속도등 비행특성에 영향을 주는 동압속도를 직접적으로 측정할 수 있어서 비행 특성의 파악에 사용될 수 있다.
속도에 따라 추력을 발생시키는 메인로터의 방향을 전환할 수 있는 틸트로터 혹은 틸트덕트 수직이착륙 무인기의 경우 대기속도에 따라 메인로터의 방향을 제어하여 추력의 방향을 자동적으로 변경하도록 설계된다.
그러나, 대기속도를 측정하기 어려운 정지속도 부근의 저속구간에서는 상술한 이유로, GPS기반의 관성속도를 사용할 수밖에 없는데 바람의 세기에 따라 실제 대기속도와 관성속도는 매우 큰 차이가 발생한다.
따라서 바람이 부는 경우에 대기속도가 변화해서 비행체의 메인로터를 적절히 기울여주어야 하는데 관성속도는 바람의 속도를 반영하지 않으므로 관성속도에 따를 경우 메인로터의 틸트가 이루어지지 않는다. 따라서 바람이 부는 환경에서 운용되는 관성속도에 기반한 시스템에 있어서, 메인로터의 틸트각을 자동 제어할 수 있는 방안의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 수직 이착륙 비행체의 세로 자세 제어 신호, 특히 기수가 내려가는 방향으로 피치 자세각을 변경시키는 명령에 메인로터의 틸트 제어를 연동시켜 수직 이착륙 비행체의 안정적인 저속비행이 가능하도록 하고자 한다.
특히 본 발명은 바람이 강하게 불거나, 바람의 세기가 시간의 흐름에 따라 변하는 환경에서도 수직 이착륙 비행체가 안정적으로 호버링이 가능하도록 하고자 한다.
또한 본 발명은 바람속도를 직접 측정하기 어려운 저속 조건에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 자동적으로 메인로터의 틸트명령을 발생시킴으로써 바람에 의한 대기속도변화에 따라 메인로터의 틸트각이 능동적으로 보상될 수 있도록 하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저속비행 상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 수직 이착륙 비행체는, 비행 컨트롤러가 생성한 틸트 각도 제어 신호에 기초하여 틸트 각도가 변경되고, 상기 수직 이착륙 비행체의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 메인로터; 피치 자세각 제어 신호에 기초하여 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각 (Pitch Attitute Angle)을 변경시키는 보조로터; 및 상기 수직 이착륙 비행체의 조종 신호에 기초하여 상기 틸트 각도 제어 신호 및 상기 피치 자세각 제어 신호를 생성하는 비행 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 상기 제1 피치 자세각을 참조하여 상기 메인로터의 틸트 각도를 결정하고, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 상기 수직 이착륙 비행체의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 상기 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호에 대응하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 수직 이착륙 비행체의 헤딩(Heading) 방향과 상기 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람의 진행 방향은 서로 대향할 수 있다. 이때 상기 맞바람의 세기가 클 수록, 상기 수직 이착륙 비행체의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수록, 상기 메인로터의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 상기 메인로터를 틸트시키는 메인로터의 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각과 상기 메인로터의 틸트 각도는 선형 혹은 비선형관계일 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성할 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 상기 수직 이착륙 비행체의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 상기 수직 이착륙 비행체의 현재 속도 및 상기 메인로터의 현재 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 상기 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신할 수 있다.
상기 비행 컨트롤러는 상기 제1 피치 자세각을 참조하여 결정된 상기 메인로터의 틸트 각도 및 상기 보정각에 기초하여, 상기 메인로터의 틸트 각도를 제어할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 상기 보조로터의 회전수를 제어하는 신호 및 상기 보조로터의 콜렉티브 피치각(Collective Pitch Angle)을 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 상기 메인로터의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angle)을 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 상기 메인로터의 베인(Vane) 조종면의 각도를 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저속비행 상태에서, 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 수직 이착륙 비행체의 제어 방법은, 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득하는 단계; 상기 세로 자세 제어 신호에 기초하여 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각 (Pitch Attitude Angle)을 변경시키기 위한 피치 자세각 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제1 피치 자세각을 참조하여 메인로터의 틸트 각도를 결정하고, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 수직 이착륙 비행체의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 상기 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호에 대응하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 수직 이착륙 비행체의 헤딩(Heading) 방향과 상기 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람의 진행 방향은 서로 대향할 수 있다. 이때 상기 맞바람의 세기가 클 수록, 상기 수직 이착륙 비행체의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수 있다.
상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수록, 상기 메인로터의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 상기 메인로터를 틸트시키는 메인로터의 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각과 상기 메인로터의 틸트 각도는 선형 혹은 비선형관계일 수 있다.
상기 수직 이착륙 비행체의 제어 방법은 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계 이후에, 기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 보정신호를 생성하는 단계는 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 상기 수직 이착륙 비행체의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 상기 수직 이착륙 비행체의 현재 속도 및 상기 메인로터의 현재 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 상기 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 보정신호를 생성하는 단계는 상기 제1 피치 자세각을 참조하여 결정된 상기 메인로터의 틸트 각도 및 상기 보정각에 기초하여, 상기 메인로터의 틸트 각도를 제어할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 보조로터의 회전수를 제어하는 신호 및 상기 보조로터의 콜렉티브 피치각(Collective Pitch Angle)을 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 상기 메인로터의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angel)을 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
상기 피치 자세각 제어 신호는 상기 메인로터의 베인(Vane) 조종면의 각도를 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 수직 이착륙 비행체의 세로 자세 제어 신호, 특히 기수가 내려가는 방향으로 피치 자세각을 변경시키는 명령에 메인로터의 틸트 제어를 연동시켜 수직 이착륙 비행체의 안정적인 호버링과 저속비행이 가능하도록 할 수 있다.
또한 바람이 강하게 불거나, 시간의 흐름에 따라 바람의 세기가 변하는 환경에서도 수직 이착륙 비행체가 안정적으로 호버링이 가능하도록 할 수 있다.
또한 바람속도를 직접 측정하기 어려운 저속 조건에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 자동적으로 메인로터의 틸트명령을 발생시킴으로써 바람에 의한 대기속도변화에 따라 메인로터 틸트각이 능동적으로 보상될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체가 호버링 하는 환경의 예시이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러가 다양한 환경에서 메인로터를 틸트시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)의 예시를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러에 의해서 갱신된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)의 예시를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러에 의해 수행되는 수직 이착륙 비행체의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에서 '수직 이착륙 비행체'(10)는 지면과 수직인 방향으로 이륙 및/또는 착륙이 가능한 다양한 형태의 비행체를 의미할 수 있다. 가령 수직 이착륙 비행체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 메인로터(200R, 200L)와 보조로터(300) 그리고 이들을 제어하는 비행 컨트롤러(100)를 포함하는 비행체와 유사한 형태의 비행체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메인로터(200R, 200L)는 비행 컨트롤러(100)가 생성한 틸트 각도 제어 신호에 기초하여 틸트 각도가 변경될 수 있다. 이때 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 메인로터(200R, 200L)의 회전축 벡터(410) 방향으로 정의될 수 있다.
가령 도 1의 경우 메인로터(200R, 200L)의 회전 면은 X'-Y' 평면에 해당할 수 있고, 이에 따라 회전축 벡터(410)는 +Z' 방향이며 따라서 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 90도에 해당할 수 있다.
한편 수직 이착륙 비행체(10)가 고속으로 비행하는 경우, 메인로터(200R, 200L)의 회전 면은 Y'-Z' 평면에 해당할 수 있고, 이에 따라 회전축 벡터는 +X' 방향이며 따라서 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 0도에 해당할 수 있다.
이때 X', Y', Z' 좌표계는 상대좌표계로, 수직 이착륙 비행체(10)를 기준으로 한 좌표계 일 수 있으며, 상술한 바와 같이 회전축 벡터(410)를 기준으로 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 정의하는 것은 예시적인 것으로, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메인로터(200R, 200L)는 비행 컨트롤러(100)가 생성한 틸트 각도 제어 신호에 따른 틸트 각도의 방향으로 수직 이착륙 비행체(10)의 추력(Thrust)을 발생시킬 수 있다. 이때 '추력'은 수직 이착륙 비행체(10)를 수직 이착륙 비행체(10)가 이동하는 방향으로 밀어붙이는 힘을 의미하는 것으로, 메인로터(200R, 200L)의 회전에 의해 생기는 추진력을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메인로터(200R, 200L)는 후술하는 보조로터(300)에 갈음하여 또는 보조로터(300)와 함께 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angle) 조절부(미도시) 및 베인 조종면 각도 조절부(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 싸이클릭 피치 조절부 및 베인 조종면(미도시) 각도 조절부(미도시)는 후술하는 피치 자세각 제어신호에 기초하여 동작할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이와 같은 메인로터(200R, 200L)는 수직 이착륙 비행체(10)의 형태에 따라 두 개일수도 있고, 한 개 일수도 있고 복수개 일 수도 있다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 메인로터(200R, 200L)가 두 개인 것을 전제로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보조로터(300)는 세로 자세 제어 신호에 기초하여 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각 (Pitch Attitude Angle)을 변경시킬 수 있다.
본 발명에서 '수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각(Pitch Attitude Angle)'은 지면을 기준으로 수직 이착륙 비행체(10)가 기울어진 정도를 의미할 수 있다. 가령 피치 자세각이 0도인 경우 수직 이착륙 비행체(10)가 지면에 평행한 상태를 의미할 수 있다. 또한 피치 자세각이 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로 10도인 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 앞부분이 뒷부분 보다 낮은 상태를 의미할 수 있다. 본 발명에서 '기수'는 비행기의 앞부분을 의미할 수 있다.
한편 보조로터(300)가 빠르게 회전하는 경우, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력이 증가하고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로의 피치 자세각이 증가할 수 있다.
또한 보조로터(300)가 상대적으로 느리게 회전하는 경우, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력이 감소하고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로의 피치 자세각이 감소할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 보조로터(300)는 보조로터(300)의 콜렉티브 피치각을 조절하기 위한 콜렉티브 피치각 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 콜렉티브 피치각 조절부(미도시)는 피치 자세각 제어신호에 따라 보조로터(300)의 콜렉티브 피치각을 조절할 수 있다. 가령 보조로터(300)의 콜렉티브 피치각이 증가하는 경우, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력이 증가하고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로의 피치 자세각이 증가할 수 있다.
또한 보조로터(300)의 콜렉티브 피치각이 상대적으로 감소하는 경우, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력이 감소하고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로의 피치 자세각이 감소할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체(10)는 이와 같은 보조로터(300)에 갈음하여 또는 보조로터(300)와 함께 메인로터(200R, 200L)의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angle) 조절부(미도시) 및 메인로터(200R, 200L)의 베인 조종면 각도 조절부(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 싸이클릭 피치 조절부(미도시) 및 베인 조종면(미도시) 각도 조절부(미도시)는 전술한 보조로터(300)와 함께 또는 보조로터(300)에 갈음하여 피치 자세각 제어신호에 기초하여 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 조절할 수 있다.
다만 이하에서는 설명의 편의를 위하여 보조로터(300)에 의해 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각이 조절되는 것을 전제로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 비행을 위한 다양한 동작을 수행할 수 있다. 가령 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 위치와 기 설정된 비행 스케쥴을 비교하여, 수직 이착륙 비행체(10)가 비행 스케쥴 대로 비행할 수 있도록 제어할 수 있다. 또한 비행 컨트롤러(100)는 사용자로부터 수직 이착륙 비행체(10)의 조종 신호를 수신하고, 이에 기초하여 수직 이착륙 비행체(10)를 제어할 수 있다. 또한 비행 컨트롤러(100)는 다양한 상황에서 전술한 메인로터(200R, 200L) 및 보조로터(300)를 제어할 수 있다.
또한 본 발명이 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 헤딩(Heading) 방향과 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람(500)의 진행 방향이 서로 대향하도록 수직 이착륙 비행체(10)를 제어할 수 있다.
다만 이하에서는 설명의 편의를 위하여 수직 이착륙 비행체(10)가 저속비행 상태에서 비행 컨트롤러(100)가 전술한 메인로터(200R, 200L) 및/또는 보조로터(300)를 제어하는 내용을 중심으로 설명한다.
한편 본 발명에서 '저속비행 상태'는 이륙 및/또는 착륙을 위해 호버링(Hovering)하는 상태, 소정의 목적을 위하여 공중에 정지해 있거나 낮은 속도로 이동하는 상태를 모두 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 메모리(110), 프로세서(120), 통신 모듈(130) 그리고 입출력 인터페이스(140)를 포함할 수 있다.
메모리(110)는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체로서, RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory) 및 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치(Permanent Mass Storage Device)를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(110)에는 운영체제와 적어도 하나의 프로그램 코드가 저장될 수 있다.
프로세서(120)는 기본적인 산술, 로직 및 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(110) 또는 통신 모듈(130)에 의해 프로세서(120)로 제공될 수 있다. 예를 들어 프로세서(120)는 메모리(110)와 같은 기록 장치에 저장된 프로그램 코드에 따라 수신되는 명령을 실행하도록 구성될 수 있다.
통신 모듈(130)은 사용자 단말(미도시) 등과 같은 외부 장치와 서로 통신하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 일례로, 통신 모듈(130)은 사용자 단말(미도시)로부터 수직 이착륙 비행체(10)의 조종을 위한 신호를 수신하여 프로세서(120)에 전달할 수 있다.
입출력 인터페이스(140)는 입출력 장치와의 인터페이스를 위한 수단일 수 있다. 이때 입력 장치는 예를 들어 수직 이착륙 비행체(10)의 비행 상태를 파악하기 위한 다양한 센서를 포함할 수 있다. 가령 입력 장치는 수직 이착륙 비행체(10)의 비행 위치를 파악하기 위한 GPS센서, 고도계, 지자기 센서 등을 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하기 위해, 메인로터(200L, 200R) 및 보조로터(300)와 연결될 수 있다. 비행 컨트롤러(100)는 메인로터(200L, 200R) 및 보조로터(300) 각각을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고 이를 각각에 전달할 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 통하여, 비행 컨트롤러(100)가 호버링 상태에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터(200L, 200R) 및 보조로터(300) 각각을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 방법을 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체(10)가 호버링 하는 환경의 예시이다.
이하 도 4a 내지 도 6에서는 설명의 편의를 위하여 수직 이착륙 비행체(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 착륙을 위해 호버링 하고 있으며, 수직 이착륙 비행체(10)의 헤딩(Heading) 방향(+X 방향)과 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람(500)의 진행 방향(-X 방향)은 서로 대향하는 것을 전제로 설명한다. 바꾸어 말하면 X-Y 평면상에서, 수직 이착륙 비행체(10)의 기수 방향(+X 방향)과 맞바람(500)의 진행 방향(-X 방향)은 180도 차이가 있는 것을 전제로 설명한다.
한편 도 3 내지 도 4b에서 도시하는 X, Y, Z 좌표계는 지면을 기준으로 하는 절대좌표계로, 수직 이착륙 비행체(10)를 기준으로 한 X', Y', Z' 좌표계(도 1에서 설명함)와는 상이한 좌표계일 수 있다.
전술한 가정 하에, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 제1 피치 자세각을 참조하여 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 결정하고, 결정된 틸트 각도에 기초하여 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명에서 '비행체의 조종 신호'는 수직 이착륙 비행체(10)를 조종하기 위한 신호로, 사용자 단말(미도시)로부터 수신되는 것일 수도 있고, 기 설정된 비행 스케쥴에 따라 비행 컨트롤러(100)에 의해 발생되는 것일 수도 있다.
이와 같은 비행체의 조종 신호는 비행체의 가로 방향의 자세를 제어하는 신호와 세로 방향의 자세를 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
가령 가로 방향의 자세를 제어하는 신호는 가로 방향으로의 속도를 제어하는 신호, 가로 방향으로의 회전 방향을 제어하는 신호 등을 포함할 수 있다. 한편 세로 방향의 자세를 제어하는 신호는 세로 방향의 속도를 제어하는 신호, 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 변경시키는 신호 등을 포함할 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 비행체의 조종 신호는 전술한 신호 외에 다양한 신호를 더 포함하거나, 전술한 신호 중 적어도 일부를 포함하지 않을 수 있다.
한편 비행체의 조종 신호는 맞바람(500)의 세기가 클 수록, 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 크도록 하는 세로 자세 제어 신호를 포함할 수 있다.
바꾸어 말하면, 사용자 또는 비행 컨트롤러(100)는 호버링 상태의 유지를 위해서 맞바람(500)이 클 수록 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가도록, 즉 수직 이착륙 비행체(10)의 앞부분이 뒷부분 보다 낮은 상태가 되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수록, 메인로터(200R, 200L)의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 메인로터(200R, 200L)를 틸트시키는 메인로터의 제어 신호를 생성할 수 있다. 이때 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각과 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 선형 혹은 비선형 관계를 만족하도록, 메인로터(200)를 틸트시키는 제어 신호를 생성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)가 다양한 환경에서 메인로터(200R)를 틸트시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 수직 이착륙 비행체(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 착륙하기 위해 호버링 하고 있으며, 수직 이착륙 비행체(10)의 헤딩(Heading) 방향과 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람(500A, 500B)의 진행 방향은 서로 대향하는 것을 전제로 설명한다. 또한 도 4b의 맞바람(500B)이 도 4a의 맞바람(500A) 보다 강한 것을 전제로 설명한다.
전술한 가정 하에 도 4a를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 맞바람(500A)에 대항하여 호버링 상태를 유지하기 위해서 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가도록 보조로터(300)를 제어할 수 있다.
이때 비행 컨트롤러(100)는 보조로터(300)의 회전수 혹은 콜렉티브 피치각을 증가시켜, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력(310A)을 증가시키고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 피치 자세각(420A)을 갖도록 할 수 있다.
한편 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각(420A)이 클 수록, 메인로터(200R)의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록메인로터(200R)를 틸트시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 피치 자세각(420A)이 클 수록 틸트 각도(411A)가 감소 하도록 메인로터(200R)의 틸트 각도를 제어할 수 있다. 이때 틸트 각도(411A)는 도 1에서 설명한 바와 같이 X', Y', Z' 좌표계에서 메인로터(200R)의 회전 축 벡터(410A)의 방향으로 정의되는 각을 의미할 수 있다.
메인로터(200R)는 변경된 틸트 각도(411A)에 따라 추력(210RA)을 발생시켜 수직 이착륙 비행체(10)가 안정적으로 호버링 하도록 할 수 있다.
한편 도 4a와 대비하여 도 4b를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 더 강한 맞바람(500B)에 대항하여 호버링 상태를 유지하기 위해서 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 더 내려가도록 보조로터(300)를 제어할 수 있다.
이때 비행 컨트롤러(100)는 보조로터(300)의 회전수 혹은 콜렉티브 피치각을 증가시켜, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력(310B)을 도 4a의 추력(310A) 보다 증가시키고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 더 큰 피치 자세각(420B)을 갖도록 할 수 있다.
한편 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각(420B)이 클 수록, 메인로터(200R)의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록메인로터(200R)를 틸트시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 피치 자세각(420B)이 클 수록 틸트 각도(411B)가 감소 하도록 메인로터(200R)의 틸트 각도를 제어할 수 있다. 이때 틸트 각도(411B)는 도 1에서 설명한 바와 같이 X', Y', Z' 좌표계에서 메인로터(200R) 회전축 벡터(410B) 방향으로 정의되는 각을 의미할 수 있다.
메인로터(200R)는 더 작은 틸트 각도(411B)에 따라 추력(210RB)을 발생시켜 수직 이착륙 비행체(10)가 강한 바람(500B)에도 안정적으로 호버링 하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 도 4a 및 도 4b에서 설명한 동작을 수행할 수 있다. 바꾸어 말하면 본 발명이 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)가 이륙, 착륙 등 비행 위치를 일정하게 유지해야 할 필요가 있는 경우, 혹은 원하는 속도로 비행할 경우, 세로 자세 제어 신호에 대응하여 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 좌측 메인로터(200L)에 대해서도 전술한 도 4a 및 도 4b에서 설명한 내용에 따른 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)에 기초하여 메인로터(200)의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성할 수 있다. 본 발명에서 '틸트 각도의 보정각'은 비행 컨트롤러(100) 전술한 과정에 의해서 산출한 틸트 각도를 보정하기 위한 각도일 수 있다. 또한 '비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터'(Mapping data)는 비행체의 각 속도에서의 메인로터(200)의 틸트 각도를 포함하는 데이터 일 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)(610A)의 예시를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 속도를 확인하고, 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)를 참조하여, 해당 속도에서의 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 확인할 수 있다. 가령 수직 이착륙 비행체(10)의 속도가 0km/h인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다.
이어서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도와 현재 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 비교하고, 양 틸트 각도 간의 차이각을 산출할 수 있다. 또한 비행 컨트롤러(100) 이러한 차이각에 기초하여 메인로터 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성할 수 있다.
가령 전술한 예시에서와 같이 수직 이착륙 비행체(10)의 속도가 0km/h인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다. 그러나 실제(현재) 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 양 각도간의 차이인 10도를 보정각으로 하는 보정신호를 생성할 수 있다. 그러나 전술한 메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람이 없는 경우의 관성속도에 해당하는 맵핑데이터 이므로, 바람이 부는 경우에는 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 적절하지 않을 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)에 의해서 갱신된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)(610B)의 예시를 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이 바람이 불지 않는 경우 수직 이착륙 비행체(10)의 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는, 바람이 있는 경우 수직 이착륙 비행체(10)는 바람의 진행방향으로의 이동을 야기시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 틸트 각도 매핑 데이터를 도 5b에 도시된 매핑 데이터(610B)와 같이 갱신할 수 있다.
가령 바람이 부는 환경에서 수직 이착륙 비행체(10)의 속도를 0km/h으로 호버링을 유지하고 있는 경우, 비행 컨트롤러(100)는 매핑 데이터(610A)를 참조하여 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다.
그러나 바람에 대항하여 호버링 위치를 유지하기 위해 피치 자세각 명령에 의해 실제(현재) 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 양 각도간의 차이인 10도를 보정각으로 하는 보정신호를 생성할 수 있다. 나아가 비행 컨트롤러(100)는 보정신호에 따라 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도가 되도록 제어할 수 있으며, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 바람에 맞서 호버링을 할 수 있다. 만약 보정신호를 생성하지 않을 경우 지면속도가 0km/h 이므로 매핑 데이터에 의해 틸트각이 90도로 복원되어 바람에 밀리게 된다.
바꾸어 말하면 전술한 메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람에 의한 대기속도를 고려하지 않은 관성속도에 의해 정의된 것이므로, 수직 이착륙 비행체(10)의 주변에 바람이 부는 경우, 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람의 세기에 따라 적절하게 조절될 필요가 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록(가령 보정각이 0도가 되도록) 틸트 각도 매핑 데이터를 매핑 데이터(610B)와 같이 갱신할수 있다.
가령 비행체의 속도가 15km/h인 경우를 살펴보면, 첫 번째 매핑 데이터(610A)에 따른 틸트 각도는 대략 90도이지만, 두 번째 매핑 데이터(610B)에 따른 틸트 각도는 대략 70도 임을 확인할 수 있다. 즉 수직 이착륙 비행체(10)의 주변에 바람이 부는 경우, 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람이 불지 않을 때의 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도 보다 작을 수 있다.
이로써 본 발명은 주변 바람 환경의 변화에 능동적으로 대처하여, 수직 이착륙 비행체(10)가 보다 안정적으로 호버링 및 저속비행을 하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)에 의해 수행되는 수직 이착륙 비행체(10)의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 도 1 내지 도 5b를 통해 설명한 내용과 중복하는 내용의 설명은 생략하되, 도 1 내지 도 5b를 함께 참조하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득할 수 있다.
본 발명에서 '비행체의 조종 신호'는 수직 이착륙 비행체(10)를 조종하기 위한 신호로, 사용자 단말(미도시)로부터 수신되는 것일 수도 있고, 기 설정된 비행 스케쥴에 따라 비행 컨트롤러(100)에 의해 발생되는 것일 수도 있다.
이와 같은 비행체의 조종 신호는 비행체의 가로 방향의 자세를 제어하는 신호와 세로 방향의 자세를 제어하는 신호를 포함할 수 있다.
가령 가로 방향의 자세를 제어하는 신호는 가로 방향으로의 속도를 제어하는 신호, 가로 방향으로의 롤 회전 방향을 제어하는 신호 등을 포함할 수 있다. 또한 비행체의 기수방위각을 바람이 부는 방향으로 변경시키기 위한 헤딩(heading) 방향을 제어하는 신호를 포함할 수 있다. 한편 세로 방향의 자세를 제어하는 신호는 세로 방향의 속도를 제어하는 신호, 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 변경시키는 신호 등을 포함할 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 비행체의 조종 신호는 전술한 신호 외에 다양한 신호를 더 포함하거나, 전술한 신호 중 적어도 일부를 포함하지 않을 수 있다.
한편 비행체의 조종 신호는 맞바람(500)의 세기가 클 수록, 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 크도록 하는 세로 자세 제어 신호를 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 호버링 상태의 유지를 위해서 바람이 클 수록 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가도록 하기 위한 피치 자세각 제어 신호를 생성할 수 있다.
바꾸어 말하면 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 맞바람이 클 수록 수직 이착륙 비행체(10)의 앞부분이 뒷부분 보다 낮은 상태가 되도록 하는 피치 자세각 제어신호를 생성할 수 있다.
비행 컨트롤러에 의해 생성된 피치 자세각 제어 신호는 보조로터(300),로 전달되어 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각 조절에 사용될 수 있다. 이때 피치 자세각 제어 신호는 보조로터(300)의 회전수를 제어하는 신호 및 보조로터(300)의 콜렉티브 피치각(Collective Pitch Angle)을 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
선택적 실시예에서 비행 컨트롤러에 의해 생성된 피치 자세각 제어 신호는 전술한 보조로터(300) 외에 메인로터(200R, 200L)로 전달되어 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각 조절에 사용될 수 있다. 이때 피치 자세각 제어 신호는 메인로터(200R, 200L)의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angle)을 제어하는 신호 및 메인로터(200R, 200L)의 베인(Vane) 조종면의 각도를 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 전술한 제1 피치 자세각을 참조하여 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 결정하고, 결정된 틸트 각도에 기초하여 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다. 물론 생성된 메인로터의 틸트 각도 제어 신호는 메인로터(200R, 200L)로 전달되어 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도 제어에 사용될 수 있다. 이하에서는 도 4a 및 도 4b를 다시 참조하여 이를 보다 상세히 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)가 다양한 환경에서 메인로터(200R)를 틸트시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 수직 이착륙 비행체(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 착륙하기 위해 호버링 하고 있으며, 수직 이착륙 비행체(10)의 헤딩(Heading) 방향과 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람(500A, 500B)의 진행 방향은 서로 대향하는 것을 전제로 설명한다. 또한 도 4b의 맞바람(500B)이 도 4a의 맞바람(500A) 보다 강한 것을 전제로 설명한다.
전술한 가정 하에 도 4a를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 맞바람(500A)에 대항하여 호버링 상태를 유지하기 위해서 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 내려가도록 보조로터(300)를 제어할 수 있다.
이때 비행 컨트롤러(100)는 보조로터(300)의 회전수 혹은 콜렉티브 피치각을 증가시켜, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력(310A)을 증가시키고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 피치 자세각(420A)을 갖도록 할 수 있다.
한편 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각(420A)이 클 수록, 메인로터(200R)의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 메인로터(200R)를 틸트시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 피치 자세각(420A)이 클 수록 틸트 각도(411A)가 감소 하도록 메인로터(200R)의 틸트 각도를 제어할 수 있다. 이때 틸트 각도(411A)는 도 1에서 설명한 바와 같이 X', Y', Z' 좌표계에서 메인로터(200R) 회전 축 벡터(410A) 방향으로 정의되는 각을 의미할 수 있다.
메인로터(200R)는 변경된 틸트 각도(411A)에 따라 추력(210RA)을 발생시켜 수직 이착륙 비행체(10)가 안정적으로 호버링을 하도록 할 수 있다.
한편 도 4a와 대비하여 도 4b를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 더 강한 맞바람(500B)에 대항하여 호버링 상태를 유지하기 위해서 수직 이착륙 비행체(10)의 기수가 더 내려가도록 보조로터(300)를 제어할 수 있다.
이때 비행 컨트롤러(100)는 보조로터(300)의 회전수 혹은 콜렉티브 피치각을 증가시켜, 보조로터(300)에 의해 발생하는 추력(310B)을 도 4a의 추력(310A) 보다 증가시키고, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 더 큰 피치 자세각(420B)을 갖도록 할 수 있다.
한편 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각(420B)이 클 수록, 메인로터(200R)의 회전축이 지면과평형에 가깝도록 메인로터(200R)를 틸트시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 피치 자세각(420B)이 클 수록 틸트 각도(411B)가 감소 하도록 메인로터(200R)의 틸트 각도를 제어할 수 있다. 이때 틸트 각도(411B)는 도 1에서 설명한 바와 같이 X', Y', Z' 좌표계에서 메인로터(200R) 회전 축 벡터(410B) 방향으로 정의되는 각을 의미할 수 있다.
메인로터(200R)는 더 작은 틸트 각도(411B)에 따라 추력(210RB)을 발생시켜 수직 이착륙 비행체(10)가 강한 바람(500B)에도 안정적으로 호버링 하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 도 4a 및 도 4b에서 설명한 동작을 수행할 수 있다. 바꾸어 말하면 본 발명이 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)가 이륙, 착륙 등 비행 위치를 일정하게 유지해야 할 필요가 있는 경우, 혹은 원하는 속도로 비행해야 하는 경우, 세로 자세 제어 신호에 대응하여 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 좌측 메인로터(200L)에 대해서도 전술한 도 4a 및 도 4b에서 설명한 내용에 따른 제어를 수행할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)에 의해 수행되는 수직 이착륙 비행체(10)의 제어 방법은, 전술한 바와 같은 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성한 이후에 기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터에 기초하여 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성할 수 있다.
본 발명에서 '틸트 각도의 보정각'은 비행 컨트롤러(100) 전술한 과정에 의해서 산출한 틸트 각도를 보정하기 위한 각도일 수 있다. 또한 '비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터'(Mapping data)는 비행체의 각 속도에서의 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 포함하는 데이터 일 수 있다. 이하에서는 도 5a 및 도 5b를 다시 참조하여 상세히 설명한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)(610A)의 예시를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 속도를 확인하고, 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)를 참조하여, 해당 속도에서의 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 확인할 수 있다. 가령 수직 이착륙 비행체(10)의 속도가 0km/h인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다.
이어서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도와 현재 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도를 비교하고, 양 틸트 각도 간의 차이각을 산출할 수 있다. 또한 비행 컨트롤러(100) 이러한 차이각에 기초하여 메인로터 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성할 수 있다.
가령 전술한 예시에서와 같이 바람이 불지 않은 경우 수직 이착륙 비행체(10)의 관성속도가 0km/h인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다. 그러나 바람이 부는 경우 호버링 위치를 유지하기위해 피치 자세각 명령에 의해 틸트명령이 발생하여 현재 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 양 각도간의 차이인 10도를 보정각으로 하는 보정신호를 생성할 수 있다. 그러나 전술한 메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 수직 이착륙 비행체(10)가 바람이 없는 경우만을 고려한 것이므로, 바람이 있는 경우 수직 이착륙 비행체(10)가 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 적절하지 않을 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 바람에 의한 영항을 상쇄하기 위해 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)에 의해서 갱신된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)(610B)의 예시를 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이 수직 이착륙 비행체(10)의 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트각도는 바람의 영향을 고려하지 않은 관성속도에 대한 것이므로 바람이 부는 경우 바람의 방향으로 비행체가 밀려 위치이동을 야기시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 틸트 각도 매핑 데이터를 도 5b에 도시된 매핑 데이터(610B)와 같이 갱신할 수 있다.
가령 바람이 부는 환경에서 수직 이착륙 비행체(10)가 호버위치를 유지하고 있는 경우, 비행 컨트롤러(100)는 매핑 데이터(610A)를 참조하여 메인로터(200R, 200L)의 적정 틸트 각도를 90도로 확인할 수 있다.
그러나 바람에 대항하여 현재 위치를 유지하기 위해 피치 자세명령을 발생시키고 이로인해 틸트각 명령이 발생하여 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도인 경우, 비행 컨트롤러(100)는 양 각도간의 차이인 10도를 보정각으로 하는 보정신호를 생성할 수 있다. 나아가 비행 컨트롤러(100)는 보정신호에 따라 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도가 80도가 되도록 유지할 수 있으며, 이에 따라 수직 이착륙 비행체(10)가 바람이 부는 환경에서도 위치를 유지하며 호버링 비행을 할 수 있다.
바꾸어 말하면 전술한 메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람의 영향을 고려하지 않은 것이므로, 수직 이착륙 비행체(10)의 주변에 바람이 부는 경우, 틸트 각도 매핑 데이터(610A)에 따른 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 보정신호에 따라 적절하게 조절될 필요가 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 컨트롤러(100)는 수직 이착륙 비행체(10)의 피치 자세각을 수직 이착륙 비행체(10)의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우, 수직 이착륙 비행체(10)의 현재 속도 및 메인로터(200R, 200L)의 현재 틸트 각도에 기초하여 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록(가령 보정각이 0도가 되도록) 틸트 각도 매핑 데이터를 매핑 데이터(610B)와 같이 갱신할수 있다.
가령 비행체의 속도가 15km/h인 경우를 살펴보면, 첫 번째 매핑 데이터(610A)에 따른 틸트 각도는 대략 90도이지만, 두 번째 매핑 데이터(610B)에 따른 틸트 각도는 대략 70도 임을 확인할 수 있다. 즉 수직 이착륙 비행체(10)의 주변에 바람이 부는 경우, 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도는 바람이 불지 않을 때의 메인로터(200R, 200L)의 틸트 각도 보다작을 수 있다.
이로써 본 발명은 바람속도를 직접 측정하기 어려운 저속 조건에서 세로 자세 제어 신호에 기초하여 자동적으로 메인로터(200R, 200L)의 틸트명령을 발생시킴으로써 바람에 의한 대기속도변화에 따라 메인로터(200R, 200L)의 틸트각이 능동적으로 보상될 수 있도록 구현할 수 있다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 저장하는 것일 수 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 비행 컨트롤러
110: 메모리
120: 프로세서
130: 통신 모듈
140: 입출력 인터페이스
200: 메인로터
200R, 200L: 메인로터
300: 보조로터

Claims (25)

  1. 비행 속도가 소정의 임계 속도 이하인 상태에서, 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 수직 이착륙 비행체에 있어서,
    비행 컨트롤러가 생성한 틸트 각도 제어 신호에 기초하여 틸트 각도가 변경되고, 상기 수직 이착륙 비행체의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 메인로터;
    피치 자세각 제어 신호에 기초하여 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각 (Pitch Attitute Angle)을 변경시키는 보조로터; 및
    상기 수직 이착륙 비행체의 조종 신호에 기초하여 상기 틸트 각도 제어 신호 및 상기 피치 자세각 제어 신호를 생성하는 비행 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 비행 컨트롤러는
    상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우,
    상기 제1 피치 자세각을 참조하여 상기 메인로터의 틸트 각도를 결정하고, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하고,
    기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성하는, 수직 이착륙 비행체.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 비행 컨트롤러는
    상기 수직 이착륙 비행체의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 상기 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호에 대응하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는, 수직 이착륙 비행체.
  3. 제1 항에 있어서
    상기 수직 이착륙 비행체의 헤딩(Heading) 방향과 상기 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람의 진행 방향은 서로 대향하는, 수직 이착륙 비행체.
  4. 제3 항에 있어서
    상기 맞바람의 세기가 클 수록, 상기 수직 이착륙 비행체의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 큰, 수직 이착륙 비행체.
  5. 제4 항에 있어서
    상기 비행 컨트롤러는
    상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수록, 상기 메인로터의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 상기 메인로터를 틸트시키는 메인로터의 제어 신호를 생성하는, 수직 이착륙 비행체.
  6. 제4 항에 있어서
    상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각과 상기 메인로터의 틸트 각도는 선형 혹은 비선형관계인, 수직 이착륙 비행체.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서
    상기 비행 컨트롤러는
    상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 상기 수직 이착륙 비행체의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우,
    상기 수직 이착륙 비행체의 현재 속도 및 상기 메인로터의 현재 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 상기 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신하는, 수직 이착륙 비행체.
  9. 제1 항에 있어서
    상기 비행 컨트롤러는
    상기 제1 피치 자세각을 참조하여 결정된 상기 메인로터의 틸트 각도 및 상기 보정각에 기초하여, 상기 메인로터의 틸트 각도를 제어하는, 수직 이착륙 비행체.
  10. 제1 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    상기 보조로터의 회전수를 제어하는 신호 및 상기 보조로터의 콜렉티브 피치각(Collective Pitch Angle)을 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함하는, 수직 이착륙 비행체
  11. 제1 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    상기 메인로터의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angle)을 제어하는 신호를 포함하는, 수직 이착륙 비행체.
  12. 제1 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    상기 메인로터의 베인(Vane) 조종면의 각도를 제어하는 신호를 포함하는, 수직 이착륙 비행체.
  13. 비행 속도가 소정의 임계 속도 이하인 상태에서, 세로 자세 제어 신호에 기초하여 메인로터의 틸트 각도를 제어하는 수직 이착륙 비행체의 제어 방법에 있어서,
    상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호를 포함하는 비행체의 조종 신호를 획득하는 단계;
    상기 세로 자세 제어 신호에 기초하여 상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각 (Pitch Attitude Angle)을 변경시키기 위한 피치 자세각 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 피치 자세각을 참조하여 메인로터의 틸트 각도를 결정하고, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    기 설정된 비행체 속도-메인로터 틸트 각도 매핑 데이터(Mapping data)에 기초하여 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각을 포함하는 보정신호를 생성하는 단계;를 포함하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  14. 제13 항에 있어서
    상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 수직 이착륙 비행체의 속도가 소정의 임계 속도 이하인 경우에만 상기 피치 자세각을 제1 피치 자세각만큼 변경시키는 세로 자세 제어 신호에 대응하여 상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  15. 제13 항에 있어서
    상기 수직 이착륙 비행체의 헤딩(Heading) 방향과 상기 수직 이착륙 비행체에 대한 맞바람의 진행 방향은 서로 대향하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  16. 제15 항에 있어서
    상기 맞바람의 세기가 클 수록, 상기 수직 이착륙 비행체의 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 큰, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  17. 제16 항에 있어서
    상기 메인로터의 틸트 각도 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각이 클 수록, 상기 메인로터의 회전축이 지면과 평행에 가깝도록 상기 메인로터를 틸트시키는 메인로터의 제어 신호를 생성하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  18. 제16 항에 있어서
    상기 기수가 내려가는 방향으로 변경되는 피치 자세각과 상기 메인로터의 틸트 각도는 선형 혹은 비선형관계인, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  19. 삭제
  20. 제13 항에 있어서
    상기 보정신호를 생성하는 단계는
    상기 수직 이착륙 비행체의 피치 자세각을 상기 수직 이착륙 비행체의 기수를 내리는 방향으로 제2 피치 자세각만큼 변경시키는 비행체의 조종 신호를 획득한 경우,
    상기 수직 이착륙 비행체의 현재 속도 및 상기 메인로터의 현재 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트 각도의 보정신호에 따라 보정되는 상기 메인로터의 틸트 각도의 보정각이 감소하도록 상기 틸트 각도 매핑 데이터를 갱신하는 단계;를 포함하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  21. 제13 항에 있어서
    상기 보정신호를 생성하는 단계는
    상기 제1 피치 자세각을 참조하여 결정된 상기 메인로터의 틸트 각도 및 상기 보정각에 기초하여, 상기 메인로터의 틸트 각도를 제어하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  22. 제13 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    보조로터의 회전수를 제어하는 신호 및 상기 보조로터의 콜렉티브 피치각(Collective Pitch Angle)을 제어하는 신호 중 적어도 하나를 포함하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  23. 제13 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    상기 메인로터의 싸이클릭 피치각(Cyclic Pitch Angel)을 제어하는 신호를 포함하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  24. 제13 항에 있어서
    상기 피치 자세각 제어 신호는
    상기 메인로터의 베인(Vane) 조종면의 각도를 제어하는 신호를 포함하는, 수직 이착륙 비행체의 제어 방법.
  25. 컴퓨터를 이용하여 제13 항 내지 제18항 및 제20항 내지 제24 항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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