KR102119519B1 - Quad-copter for multiple disaster environment - Google Patents

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KR102119519B1
KR102119519B1 KR1020180146413A KR20180146413A KR102119519B1 KR 102119519 B1 KR102119519 B1 KR 102119519B1 KR 1020180146413 A KR1020180146413 A KR 1020180146413A KR 20180146413 A KR20180146413 A KR 20180146413A KR 102119519 B1 KR102119519 B1 KR 102119519B1
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신주성
김무림
서갑호
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한국로봇융합연구원
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Abstract

본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼트콥터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위해, 6-자유도 매니풀레이터를 탑재하고, 지면 이동이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼트콥터는, 바디(body); 상기 바디의 적어도 일부에 구비되는 복수의 비행용 모터; 상기 복수의 비행용 모터 중 적어도 하나로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 프로펠러; 상기 바디의 상면의 적어도 일부에 구비되는 복수의 지면 이동용 모터; 상기 복수의 지면 이동용 모터 중 적어도 하나로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 지면 이동용 휠; 및 상기 바디의 하면의 적어도 일부에 구비되고, 적어도 하나의 객체를 이동시키기 위해 이용되는 매니퓰레이터;를 포함하고, 상기 복수의 비행용 모터 및 복수의 프로펠러를 이용하여 양방향의 수직이착륙 동작, 공중정지비행(Hovering) 동작 및 이동하는 동작 중 적어도 하나가 수행되고, 상기 복수의 지면 이동용 모터 및 복수의 지면 이동용 휠을 이용하여 지면 또는 벽에 밀착한 상태에서 이동하는 동작이 수행되며, 상기 매니퓰레이터를 이용하여 상기 적어도 하나의 객체를 이동시킴으로써, 미리 설정된 작업을 수행할 수 있다.The present invention relates to a quadcopter for supporting a composite disaster situation and a control method thereof. Specifically, the present invention is equipped with a 6-degree-of-freedom manipulator for supporting a composite disaster situation, and a quadcopter and control capable of ground movement It's about how. One aspect of the present invention is a quatercopter for supporting a complex disaster situation, the body (body); A plurality of flying motors provided on at least a part of the body; A plurality of propellers rotating by receiving power from at least one of the plurality of flight motors; A plurality of ground movement motors provided on at least a part of the upper surface of the body; A plurality of ground moving wheels rotating by receiving power from at least one of the plurality of ground moving motors; And a manipulator provided on at least a part of the lower surface of the body and used to move at least one object. A vertical takeoff and landing operation in both directions using the plurality of flight motors and a plurality of propellers, and aerial stop flight At least one of a (Hovering) operation and a moving operation is performed, and an operation of moving in close contact with the ground or the wall is performed using the plurality of ground movement motors and the plurality of ground movement wheels, and the manipulator is used to By moving the at least one object, a preset operation can be performed.

Description

복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터 {Quad-copter for multiple disaster environment}Quad-copter for multiple disaster environment

본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위해, 6-자유도 매니풀레이터를 탑재하고, 지면 이동이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a quadcopter for supporting a composite disaster situation and a control method thereof. Specifically, the present invention is equipped with a 6-degree-of-freedom manipulator for supporting a composite disaster situation, and a quadcopter and control capable of ground movement It's about how.

통칭되는 쿼드 콥터는 4개의 로터가 회전하는 수직이착륙 무인 비행체를 의미하며, 4차 산업혁명의 기반 기술들 중에서 중요한 기반 시스템으로, 다양한 시스템들과의 융합을 통해 그 활용 영역이 매우 광범위한 기반 기술이다.The commonly referred to as a quadcopter means an unmanned aerial vehicle in which four rotors rotate, and is an important base system among the base technologies of the 4th Industrial Revolution, and its utilization area is very broad base technology through fusion with various systems. .

공중정지비행(이하, Hovering) 및 수직이착륙이 가능하기 때문에 실내/외에서 모두 운용 가능하며, 정찰 및 감시 등의 군사적 목적 이외에도 상품 배송 환자 구조 도로 탐색 지역 안내 영상 촬영 개인 취미 등 그 활용 가능한 영역이 점차적으로 확대되고 있으며, 실제 운행에 대한 각종 법적 규제 속에서도 끊임없이 연구 및 개발되어 왔다. Since it can be used for aerial stop flight (hereinafter referred to as hovering) and vertical takeoff and landing, it can be operated both indoors and outdoors, and in addition to military purposes such as reconnaissance and surveillance, the available areas such as product delivery, patient rescue, road navigation, local guide video shooting, personal hobbies, etc. It has been expanded to and has been continuously researched and developed despite various legal regulations on actual operation.

특히, 동체에 날개가 고정되어 비행하는 고정익 비행체에 비해 날개를 회전시켜 비행하는 회전익 비행체가 가지는 Hovering 능력은 공간의 제약을 감소시켜 운용이 될 수 있고 기체의 소형화와 실내 비행을 가능하게 한다. In particular, the hovering ability of a rotorcraft flying by rotating its wings compared to a fixed-wing aircraft flying with its wings fixed on the fuselage can be operated by reducing the space constraints and enables the aircraft to be miniaturized and indoor flying.

회전익형 무인 비행체 중 대표적인 형태가 쿼드로터형 무인 비행체인 쿼드콥터이다 로터의 추가 장착이나 모터 출력의 상능을 통해 적재하중(Payload)에 대한 추가 추력 확보가 용이한 이점을 가지고 있어 다양한 시스템과의 융합이 어렵지 않게 이루어지고 있다.A representative form of the unmanned aerial vehicle is a quadrotor-type unmanned aerial vehicle, a quadcopter. It has the advantage of easy to secure additional thrust for the payload through the additional installation of the rotor or the ability of the motor output. This is not difficult.

한편, 복합 재난 환경에서 사용되는 무인 비행체는 그 환경만큼이나 다양한 임무들을 수행해야 하므로, 단순한 비행과 현장 촬영으로는 그 역할에 한계가 있어 이에 대한 해결방안이 요구되고 있는 실정이다.On the other hand, the unmanned aerial vehicle used in a complex disaster environment needs to perform various tasks as much as the environment, so there is a limit to its role in simple flight and field shooting, so a solution to this is required.

대한민국 특허청 등록번호 제 10-1587776호Korea Patent Office Registration No. 10-1587776 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2016-0093081호Korea Patent Office Application No. 10-2016-0093081 대한민국 특허청 등록번호 제 10-1857566 호Korea Patent Office Registration No. 10-1857566

본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위해, 6-자유도 매니풀레이터를 탑재하고, 지면 이동이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 제안하고자 한다.The present invention relates to a quadcopter for supporting a composite disaster situation and a control method thereof. Specifically, the present invention is equipped with a 6-degree-of-freedom manipulator for supporting a composite disaster situation, and a quadcopter and control capable of ground movement I would like to suggest a method.

복합 재난 환경에서 사용되는 무인 비행체는 그 환경만큼이나 다양한 임무들을 수행해야 하므로, 단순한 비행과 현장 촬영으로는 그 역할에 한계가 있으므로, 본 발명에서는 복합 재난 환경에서 활용되기 위한 쿼드 콥터를 제공함과 동시에 복합 재난 환경 이외에도 지면 이동이 가능하고, 자유도 매니퓰레이터가 장착되어 있기 때문에 배송 촬영 지역 안내 도로 탐색 등의 역할을 수행하는 것이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 제안하고자 한다.Since the unmanned aerial vehicle used in a complex disaster environment needs to perform various tasks as much as the environment, there is a limit to its role in simple flight and on-site shooting, and the present invention provides a quadcopter for use in a complex disaster environment and at the same time, a complex In addition to the disaster environment, we are planning to propose a quadcopter and a control method capable of carrying out a role such as navigation of a road photographing area because it is possible to move the ground and is equipped with a freedom manipulator.

다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly apparent to those skilled in the art from the following description. Will be understandable.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터는, 바디(body); 상기 바디의 적어도 일부에 구비되는 복수의 비행용 모터; 상기 복수의 비행용 모터 중 적어도 하나로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 프로펠러; 상기 바디의 상면의 적어도 일부에 구비되는 복수의 지면 이동용 모터; 상기 복수의 지면 이동용 모터 중 적어도 하나로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 지면 이동용 휠; 및 상기 바디의 하면의 적어도 일부에 구비되고, 적어도 하나의 객체를 이동시키기 위해 이용되는 매니퓰레이터;를 포함하고, 상기 복수의 비행용 모터 및 복수의 프로펠러를 이용하여 양방향의 수직이착륙 동작, 공중정지비행(Hovering) 동작 및 이동하는 동작 중 적어도 하나가 수행되고, 상기 복수의 지면 이동용 모터 및 복수의 지면 이동용 휠을 이용하여 지면 또는 벽에 밀착한 상태에서 이동하는 동작이 수행되며, 상기 매니퓰레이터를 이용하여 상기 적어도 하나의 객체를 이동시킴으로써, 미리 설정된 작업을 수행할 수 있다.Quadcopter for supporting a complex disaster situation that is an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the body (body); A plurality of flying motors provided on at least a part of the body; A plurality of propellers rotating by receiving power from at least one of the plurality of flight motors; A plurality of ground movement motors provided on at least a part of the upper surface of the body; A plurality of ground movement wheels rotating by receiving power from at least one of the plurality of ground movement motors; And a manipulator provided on at least a part of the lower surface of the body and used to move at least one object. A vertical takeoff and landing operation in both directions using the plurality of flight motors and a plurality of propellers, and aerial stop flight At least one of a (Hovering) operation and a moving operation is performed, and an operation of moving in close contact with the ground or the wall is performed using the plurality of ground movement motors and the plurality of ground movement wheels, and the manipulator is used to By moving the at least one object, a preset operation can be performed.

또한, 상기 쿼드콥터가 상기 지면 또는 벽에 밀착한 경우, 상기 복수의 프로펠러 중 상기 지면 또는 벽에 인접한 적어도 하나의 프로펠러만을 구동시켜, 상기 지면 또는 벽에 대한 밀착력을 증가시킬 수 있다.In addition, when the quadcopter is in close contact with the ground or wall, only at least one propeller adjacent to the ground or wall among the plurality of propellers may be driven to increase adhesion to the ground or wall.

또한, 상기 복수의 지면 이동용 모터는 상호 독립적으로 개별 구동이 가능하고, 상기 복수의 지면 이동용 모터의 적어도 일부 제어를 통해, 전진, 후진, 좌회전, 우회전, 제자리 회전 중 적어도 하나가 수행될 수 있다.In addition, the plurality of ground movement motors may be individually driven independently of each other, and at least one of forward, backward, left, right, and in-place rotation may be performed through at least some control of the plurality of ground movement motors.

또한, 상기 복수의 비행용 모터 및 복수의 프로펠러는 각각 8개이고, 상기 복수의 지면 이동용 모터 및 복수의 지면 이동용 휠은 각각 4개일 수 있다.In addition, each of the plurality of flying motors and the plurality of propellers may be eight, and the plurality of ground moving motors and the plurality of ground moving wheels may be four respectively.

또한, 상기 매니퓰레이터는 6개의 자유도를 갖는 6-자유도 매니퓰레이터 일 수 있다.Further, the manipulator may be a 6-degree-of-freedom manipulator having six degrees of freedom.

또한, 상기 미리 설정된 작업은 상기 적어도 하나의 객체의 운송, 파편의 이동, 밸브의 개폐를 포함할 수 있다.In addition, the preset operation may include transportation of the at least one object, movement of debris, and opening and closing of a valve.

또한, 상기 매니퓰레이터를 구동하는 모듈은 SEA(Series Elastic Actuator)로 구성되고, 상기 SEA로 구성된 매니퓰레이터는, 기계적 댐퍼(damper) 역학을 수행하며, 임피던스 제어를 통해 외란에 반응하여 상기 외란이 쿼드콥터 동체의 자세에 미치는 영향을 감소시켜 자세유지를 안정화할 수 있다.In addition, the module for driving the manipulator is composed of a series elastic actuator (SEA), and the manipulator composed of the SEA performs mechanical damper dynamics and reacts to the disturbance through impedance control, thereby causing the disturbance to be a quadcopter fuselage. You can stabilize posture by reducing the effect on your posture.

또한, 상기 매니퓰레이터의 말단에는 적어도 하나의 카메라;를 더 포함하고, 상기 카메라를 통해 상기 쿼드콥터 주변의 영상을 획득하며, 상기 획득한 영상을 기초로 상기 미리 설정된 작업을 수행할 수 있다.In addition, at the end of the manipulator, at least one camera; further includes, through the camera to acquire the image around the quadcopter, it is possible to perform the preset operation based on the acquired image.

본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위해, 6-자유도 매니풀레이터를 탑재하고, 지면 이동이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 사용자에게 제공할 수 있다.The present invention relates to a quadcopter for supporting a composite disaster situation and a control method thereof. Specifically, the present invention is equipped with a 6-degree-of-freedom manipulator for supporting a composite disaster situation, and a quadcopter and control capable of ground movement The method can be provided to the user.

복합 재난 환경에서 사용되는 무인 비행체는 그 환경만큼이나 다양한 임무들을 수행해야 하므로, 단순한 비행과 현장 촬영으로는 그 역할에 한계가 있으므로, 본 발명에서는 복합 재난 환경에서 활용되기 위한 쿼드 콥터를 제공함과 동시에 복합 재난 환경 이외에도 지면 이동이 가능하고, 자유도 매니퓰레이터가 장착되어 있기 때문에 배송 촬영 지역 안내 도로 탐색 등의 역할을 수행하는 것이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 통해 종래의 문제점을 해소할 수 있다.Since the unmanned aerial vehicle used in a complex disaster environment needs to perform various tasks as much as the environment, there is a limit to its role in simple flight and on-site shooting, and the present invention provides a quadcopter for use in a complex disaster environment and at the same time, a complex In addition to the disaster environment, it is possible to solve the conventional problems through a quadcopter and a control method capable of carrying out a role such as navigation of a road photographing area because a ground movement is possible and a freedom manipulator is installed.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. Will be able to.

도 1은 본 발명이 제안하는 복합 재난 상황 지원을 위해 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고 지면 이동이 가능한 쿼드-콥터의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 센서, 매니퓰레이터 및 지면 이동용 하드웨어 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 소형 카메라 장착 위치를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, Hovering 동작의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 지면 이동 동작의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 벽면 이동의 실제 일례를 도시한 것이다.Figure 1 shows an example of a quad-copter with a 6-degrees-of-freedom manipulator and capable of ground movement to support a complex disaster situation proposed by the present invention.
2 is a view for explaining the hardware configuration for the sensor, manipulator, and ground movement in relation to the present invention.
3 is a view for explaining a small camera mounting position applied to the present invention.
4 shows an example of a hovering operation in connection with the present invention.
5 shows an example of the ground movement operation in connection with the present invention.
6 shows an actual example of wall movement in connection with the present invention.

회전익형 무인 비행체 중 대표적인 형태가 쿼드로터형 무인 비행체인 쿼드콥터이다 로터의 추가 장착이나 모터 출력의 상능을 통해 적재하중(Payload)에 대한 추가 추력 확보가 용이한 이점을 가지고 있어 다양한 시스템과의 융합이 어렵지 않게 이루어지고 있다.A representative form of the unmanned aerial vehicle is a quadrotor-type unmanned aerial vehicle, a quadcopter. It has the advantage of easy to secure additional thrust for the payload through the additional installation of the rotor or the ability of the motor output. This is not difficult.

Series Elastic Actuator(이하, SEA) 구동 모듈로 작동되는 로봇팔이 수행하는 작업으로는 복합 재난 상황에서 파편을 들어서 이동시키거나 현장 구급대원에게 빠르게 구급약을 전달하거나 유해가스 밸브를 잠그는 등의 역할을 할 수 있다 하지만 일반 구동 모듈은 주변 환경과의 접촉 상황에서 외력에 반응하여 그 충격이 동체로 전달되고 그로 인해 동체의 자세 제어가 어려워져 결국 제어가능영역 밖으로 벗어나 동체의 파손으로 이어 질 수 있다. Robotic arms operated by the Series Elastic Actuator (hereinafter referred to as SEA) driving module are used to lift and move debris in a complex disaster situation, to quickly deliver an ambulance to an on-site paramedic, or to lock a hazardous gas valve. However, the general driving module reacts to external force in contact with the surrounding environment, and the impact is transmitted to the fuselage, thereby making it difficult to control the posture of the fuselage, which may lead to breakage of the fuselage out of the controllable area.

이를 방지하기 위해 유연하게 밀리도록 제어를 구현하거나 또는 충격을 흡수하는 기계적 시스템을 탑재해야 해야 하는데 SEA 구동모듈은 이 두 가지를 모두 가능하게 한다. In order to prevent this, it is necessary to implement a control to flexibly push or to mount a mechanical system that absorbs shock. The SEA drive module enables both.

임피던스 제어를 통해 유연하게 밀리도록 제어가 가능하고, SEA는 기계적 구성 상 충격을 흡수하는 댐퍼(Damper) 역할을 할 수 있기 때문에 동체에 전달되는 충격이 일반 구동 모듈로 구동되는 매니퓰레이터에 비해 현저하게 감소한다.Impedance control allows flexible push control, and SEA can act as a damper to absorb shock due to its mechanical configuration, so shock transmitted to the fuselage is significantly reduced compared to a manipulator driven by a general drive module. do.

Laser Distance Sensor(이하, LDS) 및 소형 카메라로 수집되는 정보들은 사람이 접근하기 어려운 복합 재난 상황에서 현장을 파악하고 구성하는데 도움을 준다. The information collected by the Laser Distance Sensor (hereinafter referred to as LDS) and small cameras helps to identify and organize the site in complex disaster situations that are difficult to reach.

소형카메라는 환경의 이미지 정보를 취득하고, LDS는 Point Cloud Data를 취득하여 SLAM 알고리즘을 통해 Map을 그려낸다.The compact camera acquires the image information of the environment, and the LDS acquires Point Cloud Data to draw a map through the SLAM algorithm.

한편, 복합 재난 환경에서 사용되는 무인 비행체는 그 환경만큼이나 다양한 임무들을 수행해야 하므로, 단순한 비행과 현장 촬영으로는 그 역할에 한계가 있어 이에 대한 해결방안이 요구되고 있는 실정이다.On the other hand, the unmanned aerial vehicle used in a complex disaster environment needs to perform various tasks as much as the environment, so there is a limit to its role in simple flight and field shooting, so a solution to this is required.

따라서 본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼트콥터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 상기 종래의 문제점을 해소하고자 복합 재난 상황 지원을 위해, 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고, 지면 이동이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 제안하고자 한다.Therefore, the present invention relates to a quadcopter for supporting a composite disaster situation, and a control method thereof, in order to solve the above-mentioned problems, to support the composite disaster situation, a six-degree-of-freedom manipulator is mounted and a ground-movable quadcopter and I would like to propose a control method.

즉, 복합 재난 환경에서 사용되는 무인 비행체는 그 환경만큼이나 다양한 임무들을 수행해야 하므로, 단순한 비행과 현장 촬영으로는 그 역할에 한계가 있으므로, 본 발명에서는 복합 재난 환경에서 활용되기 위한 쿼드 콥터를 제공함과 동시에 복합 재난 환경 이외에도 지면 이동이 가능하고, 자유도 매니퓰레이터가 장착되어 있기 때문에 배송 촬영 지역 안내 도로 탐색 등의 역할을 수행하는 것이 가능한 쿼드콥터 및 제어방법을 제안하고자 한다.That is, since an unmanned aerial vehicle used in a complex disaster environment needs to perform various tasks as much as the environment, there is a limit to its role in simple flight and on-site shooting, so the present invention provides a quadcopter for use in a complex disaster environment. At the same time, we intend to propose a quadcopter and a control method that can perform the role of road navigation, such as a delivery shooting area guidance because it is possible to move the ground in addition to a complex disaster environment and is equipped with a freedom manipulator.

본 발명은 복합 재난 상황 지원을 위해 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고 지면이동이 가능한 쿼드 콥터에 관한 것으로, 복합 재난 상황에서 환경 정찰 소형 밸브의 개폐 및 파편들의 정리 지면 및 벽을 따라 이동하는 상태에서 매니퓰레이터 구동을 통한 각종 재난 상황 지원 업무 수행을 하는 것에 목적을 둔다.The present invention relates to a quadcopter equipped with a 6-degrees-of-freedom manipulator to support a complex disaster situation, and capable of moving the ground, in a combined disaster situation, the environmental reconnaissance small valve is opened and closed and the debris is moved along the ground and walls. It aims to perform various disaster situation support tasks through driving a manipulator.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명이 제안하는 쿼드 콥터(10)의 구성에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a configuration of the quadcopter 10 proposed by the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.

도 1은 본 발명이 제안하는 복합 재난 상황 지원을 위해 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고 지면 이동이 가능한 쿼드-콥터의 일례를 도시한 것이다.Figure 1 shows an example of a quad-copter with a 6-degrees-of-freedom manipulator and capable of ground movement to support the complex disaster situation proposed by the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명이 제안하는 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼트콥터(10)는 바디(11), 프로펠러(12), 비행용 모터(13), 프레임(14), 지면 이동용 휠(15), 지면 이동용 모터(16), Laser Distnace Sensor(이하, LDS, 17), 제 1 Ultra-Sonic Sensor(18), 제어부, IMU 및 배터리 구조물(19), 6-자유도 매니퓰레이터(20), 제 2 Ultra-Sonic Sensor(21), 소형 카메라(22)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the quadcopter 10 for supporting a composite disaster situation proposed by the present invention includes a body 11, a propeller 12, a flying motor 13, a frame 14, and a wheel for ground movement 15 ), ground movement motor 16, Laser Distnace Sensor (hereinafter, LDS, 17), first Ultra-Sonic Sensor 18, control unit, IMU and battery structure 19, 6-degree of freedom manipulator 20, product 2 Ultra-Sonic Sensor 21, may include a small camera (22).

단, 본 발명의 구성이 도 1에 도시된 구성으로 제한되는 것은 아니고 더 많은 구성 또는 더 적은 구성을 통해 복합 재난 상황 지원을 위한 쿼드콥터(10)를 구현할 수도 있다.However, the configuration of the present invention is not limited to the configuration illustrated in FIG. 1, but a quadcopter 10 for supporting a composite disaster situation may be implemented through more or fewer configurations.

도 1을 참조하면, 쿼드 콥터(10)는 역방향의 추력을 발생시킬 수 있는 4개의 추가적인 비행용 모터(13) 및 프로펠러(12)를 장착한다.Referring to FIG. 1, the quadcopter 10 is equipped with four additional flying motors 13 and propellers 12 capable of generating thrust in the reverse direction.

본 발명에서는 이러한 4개의 비행용 모터(13) 및 프로펠러(12)를 통해, 상하 방향의 제약 없는 이착륙과 지면에 밀착할 수 있는 힘을 추가적으로 생성할 수 있다.In the present invention, through these four flying motors 13 and propellers 12, it is possible to additionally generate a force capable of closely contacting the land and take-off and landing without restrictions in the vertical direction.

또한, 도 2는 본 발명과 관련하여, 센서, 매니퓰레이터 및 지면 이동용 하드웨어 구성을 설명하는 도면이다.In addition, Figure 2 is a view for explaining the hardware configuration for the sensor, manipulator, and ground movement in relation to the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 쿼드 콥터(10)의 상부에는 지면에서 이동이 가능하도록 4개의 독립 구동형 액츄에이터(16)가 장착되어 있으며, 이 액츄에이터(16)가 휠(15)을 회전시켜 회전 방향 및 속도에 따라 전진, 후진, 좌회전, 우회전, 제자리 회전 등을 할 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, the upper portion of the quadcopter 10 according to the present invention is equipped with four independent drive actuators 16 so as to be movable on the ground, and the actuators 16 are wheels 15 Rotate) to move forward, backward, left, right, and in place depending on the direction and speed of rotation.

또한, 쿼드 콥터(10)의 하부에는 Series Elastic Actuator(이하, SEA) 기반 6-자유도 매니퓰레이터(20)가 탑재되어, 소형 밸브의 개폐, 파편의 정리, 구급품의 운송 등의 역할을 수행하는 것도 가능하다.In addition, the lower part of the quadcopter 10 is equipped with a Series Elastic Actuator (hereafter, SEA)-based 6-degrees of freedom manipulator 20, which serves to open and close small valves, clean up debris, and transport ambulances. It is possible.

또한, 본 발명에 따른 쿼드 콥터(10)는 중앙부 밀폐된 공간에 장착한 제어부, IMU 및 배터리 구조물(19) 상의 제어부, Inertia Measurement Unit(이하, IMU) 센서와 초음파 센서(18, 21)에 의해 제어되며, 상하부 대칭으로 장착된 2개의 IMU에 의해 로봇의 자세를 파악하여 제어한다.In addition, the quadcopter 10 according to the present invention is equipped with a control unit mounted on a centrally sealed space, a control unit on the IMU and the battery structure 19, an Inertia Measurement Unit (hereinafter, IMU) sensor and ultrasonic sensors 18 and 21. It is controlled and the robot's posture is grasped and controlled by two IMUs mounted symmetrically.

또한, -10 ~ 10 도 내외의 각도는 공중정지비행(이하, Hovering) 자세제어와 그 외의 각도 영역에서는 간접적으로 쿼드 콥터(10)의 벽면 이동 또는 지면 이동을 파악하는 역할도 수행한다.In addition, the angle of about -10 ~ 10 degrees also serves to control the aerial stop flight (hereinafter, Hovering) posture control and indirectly grasp the wall movement or ground movement of the quadcopter 10 in other angle regions.

또한, 제어부, IMU 및 배터리 구조물(19) 상의 IMU와 동일하게 대칭으로 설치된 초음파 센서(18, 21)는 쿼드 콥터(10)와 지면 또는 벽면의 높이 정보를 인지하여 Hovering 상태인지 벽면 또는 지면 이동 상태인지 직접적인 상태를 파악할 수 있다.In addition, the ultrasonic sensors 18 and 21 installed symmetrically in the same manner as the IMU on the control unit, the IMU, and the battery structure 19 recognize the height information of the quadcopter 10 and the ground or the wall, and are in the Hovering state or the wall or ground movement state. You can grasp the cognitive direct state.

또한, 도 2를 참조하면, 본 발명은 복합 재난 상황의 정찰을 위해, Laser Distnace Sensor(이하, LDS, 17) 및 소형 카메라(22)가 탑재되어 환경에 대한 정보를 취득할 수 있으며, 이 데이터를 기반으로 Simultaneous Localization Mapping(이하, SLAM) 알고리즘을 적용하여, 2D Map 데이터 생성과 현재 로봇의 위치를 파악할 수 있는 것을 특징으로 한다.Also, referring to FIG. 2, the present invention is equipped with a Laser Distnace Sensor (hereinafter, LDS, 17) and a small camera 22 for reconnaissance of a complex disaster situation, and can acquire information about the environment, and this data It is characterized in that it can generate 2D Map data and locate the current robot by applying the Simultaneous Localization Mapping (hereinafter, SLAM) algorithm based on.

도 2를 참조하면, 외부의 사물이나 충돌로 인한 프로펠러(12)의 손상을 방지하며, LDS(17), 초음파센서(18, 21), 6-자유도 매니퓰레이터(20), 프레임(Frame, 14)이 장착되는 바디(body, 11)와 중앙 내부에 배치된 제어부, IMU 및 배터리 구조물(19) 등이 도시된다.Referring to Figure 2, to prevent damage to the propeller 12 due to an external object or collision, LDS (17), ultrasonic sensors (18, 21), 6-degree of freedom manipulator (20), frame (Frame, 14) ) Is mounted body (11), the control unit disposed inside the center, the IMU and the battery structure 19 and the like are shown.

또한, 도 1을 참조하면, 말단에 모터(13)와 프로펠러(12)가 양면으로 장착되는 프레임(Frame, 14)과 총 8개의 프로펠러(12)와 8개의 BLDC 비행용 모터(13)로 구성되어 있다.In addition, referring to FIG. 1, the motor 13 and the propeller 12 are configured on both ends with a frame on which both sides are mounted (Frame 14) and a total of 8 propellers 12 and 8 BLDC flying motors 13 It is.

도 1에 도시된 프로펠러(12)와 비행용 모터(13)는 쿼드-콥터(10)의 수직이착륙, Hovering 및 이동을 담당한다.The propeller 12 and the flying motor 13 shown in FIG. 1 are responsible for vertical takeoff and landing, hovering, and movement of the quad-copter 10.

또한, 도 2에 도시된 총 4개의 지면 이동용 휠(15)과 4개의 지면이동용 서보 모터(16)는 지면이나 벽에서 이동을 담당한다. In addition, a total of four wheels 15 for moving the ground and four servo motors 16 for moving the ground are in charge of movement on the ground or the wall.

또한, 상부와 하부에 장착된 Ultra-Sonic Sensor(18, 21)는 총 4개로 2개씩 한쌍을 이루어 구성된다. In addition, a total of four Ultra-Sonic Sensors (18, 21) mounted on the top and bottom are composed of a pair of two.

이는 초음파 센서(18, 21) 파손 또는 센서 값이 검출되지 않는 상황에서 fail safe 역할을 할 수 있으며, 또한 센서 reference 값 이외에 추가적인 오차 보정을 하기 위함이다.This can act as a fail safe in the situation where the ultrasonic sensors 18 and 21 are damaged or the sensor values are not detected, and is also for additional error correction in addition to the sensor reference values.

또한, 상부에 장착된 LDS(17)는 360도 회전하면서 반사되는 사물을 point cloud data 형태로 취득한다. In addition, the LDS 17 mounted on the top acquires objects reflected in the form of point cloud data while rotating 360 degrees.

제어부는 4개의 지면 이동용 휠(15) 및 서보 모터(16)를 상시 검출하여 해당 위치의 고정적 거리 정보를 제어의 reference 로 사용하여 데이터를 만들어 낼 수 있다. The control unit can detect the four ground movement wheels 15 and the servo motor 16 at all times and use the fixed distance information of the corresponding location as a reference for control to generate data.

하부에 장착되어 있는 6-자유도 매니퓰레이터(20)는 총 6개의 서보 모터와 그리퍼 구동을 위한 2개의 서보 모터로 구성되어 있다The 6-degree-of-freedom manipulator 20 mounted on the lower portion is composed of a total of six servo motors and two servo motors for driving the gripper.

한편, 도 3은 본 발명에 적용되는 소형 카메라 장착 위치를 설명하는 도면이다.On the other hand, Figure 3 is a view for explaining a small camera mounting position applied to the present invention.

도 3을 참조하면, 소형카메라(22)는 6-자유도 매니퓰레이터(20)의 끝단에 설치되어 있다. Referring to FIG. 3, the small camera 22 is installed at the end of the 6-degree of freedom manipulator 20.

이는 주변 환경의 이미지 데이터 수집뿐만 아니라 잡아서 올려야 하는 사물(구급약 파편 밸브 등)을 판별하기 위해서 설치되고, 6-자유도 매니퓰레이터(20)의 End-point 위치에 따라서 6-자유도 공간의 이미지 데이터를 수집할 수 있다.This is installed not only to collect image data of the surrounding environment, but also to determine objects (emergency drug debris valves, etc.) that need to be grasped, and the image data of the 6-degrees-of-freedom space according to the end-point position of the 6-degrees of freedom manipulator 20 is installed. Can be collected.

또한, 도 4는 본 발명과 관련하여, Hovering 동작의 일례를 도시한 것이다.In addition, Figure 4 shows an example of the Hovering operation in connection with the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에서는 비행을 위한 Hovering시에는 도 4와 같은 모습을 보이게 된다.Referring to FIG. 4, in the present invention, when hovering for flight, the appearance of FIG. 4 is shown.

또한, 도 5는 본 발명과 관련하여, 지면 이동 동작의 일례를 도시한 것이다.In addition, Figure 5 shows an example of the ground movement operation in connection with the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에서는 지면을 이동시에는 도 5와 같은 모습을 보이게 된다.Referring to FIG. 5, in the present invention, when the ground is moved, it looks like FIG. 5.

또한, 도 6은 본 발명과 관련하여, 벽면 이동의 실제 일례를 도시한 것이다.In addition, Fig. 6 shows an actual example of wall movement in relation to the present invention.

도 6을 참조하면, 벽면 이동하는 본 발명의 쿼드 콥터(10)가 도시되고, 여기서는 이동용 모터(16)와 휠(15) 쪽에 가까운 프로펠러(12)가 회전하면서 벽에 밀착할 수 있는 힘을 발생시킨다.Referring to FIG. 6, a quadcopter 10 of the present invention moving on a wall surface is shown, where the propeller 12 close to the moving motor 16 and the wheel 15 rotates to generate a force capable of adhering to the wall Order.

이때, 회전 속도가 증가함에 따라 밀착하는 힘의 크기도 증가할 수 있다.At this time, as the rotational speed increases, the size of the close contact force may also increase.

앞서 서술한 바와 같이 본 발명에 따른 복합 재난 상황 지원을 위해 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고 지면 이동이 가능한 쿼드-콥터는 6-자유도 매니퓰레이터를 탑재하고 지면 및 벽면 이동이 가능하며 공간의 제약이 적은 실내 공간에서 활용이 가능한 쿼드 콥터이다. As described above, to support the complex disaster situation according to the present invention, a six-degree-of-freedom manipulator and a ground-movable quad-copter are equipped with a six-degree-of-freedom manipulator and are capable of moving on the ground and walls, and have limited space. It is a quadcopter that can be used in small spaces.

따라서 복합 재난 상황에서의 지원 역할을 위해 일반적인 쿼드 콥터의 기능을 개선하였으며 실제 상황에서 다수의 목적(파편 이동, 밸브 조작, 구급품 운송, 환경 정보 취득 등)으로 활용될 수 있다.Therefore, the function of the general quadcopter has been improved to serve as a support in a complex disaster situation, and it can be used for a number of purposes (debris movement, valve operation, ambulance transportation, environmental information acquisition, etc.) in actual situations.

또한, 본 발명에 따른 SEA 구동 모듈로 구성된 매니퓰레이터는 외란에 의한 기계적 댐퍼(Damper) 역할 및 임피던스 제어를 활용하여 접촉시 외란에 의한 유연한 반응을 통해 동체에 적은 충격을 전달하고 이는 동체의 자세 유지에 이점을 주는 효과가 있다.In addition, the manipulator composed of the SEA drive module according to the present invention utilizes the role of a mechanical damper due to disturbances and impedance control to deliver a small shock to the fuselage through flexible reactions due to disturbances when in contact, which helps maintain the posture of the fuselage. It has the effect of giving benefits.

또한, 본 발명에 따라 6-자유도 매니퓰레이터 End point 위치에 장착된 카메라는 별도의 짐벌이 필요없이 공간상 모든 위치의 영상을 취득할 수 있으며 잡고자 하는 물건을 판별 할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the camera mounted at the 6-degree-of-freedom manipulator end point position can acquire images at any position in space without the need for a separate gimbal, and has an effect of determining an object to be grasped.

상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. The above-described embodiments of the present invention can be implemented through various means. For example, embodiments of the present invention may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.For implementation by hardware, the method according to embodiments of the present invention includes one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), Programmable Logic Devices (PLDs) , Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.In the case of implementation by firmware or software, the method according to embodiments of the present invention may be implemented in the form of a module, procedure, or function that performs the functions or operations described above. The software code can be stored in a memory unit and driven by a processor. The memory unit is located inside or outside the processor, and can exchange data with the processor by various known means.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of preferred embodiments of the present invention disclosed as described above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can use each of the configurations described in the above-described embodiments in a manner of combining with each other. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments presented herein, but to give the broadest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all respects, but should be considered illustrative. The scope of the invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention. The present invention is not intended to be limited to the embodiments presented herein, but is intended to give the broadest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, in the claims, claims that do not have an explicit citation relationship may be combined to constitute an embodiment or may be included as new claims by amendment after filing.

Claims (8)

내부공간을 갖고 정사각형의 단면을 갖는 바디(body);
상기 바디의 상부면 일측에 구비된 LDS(Laser Distnace Sensor);
상기 바디의 내부공간에서 4개의 모서리 각각에 연장 구비된 프레임;
상기 프레임 각각의 단부에 구비된 복수의 비행용 모터;
상기 비행용 모터로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 프로펠러;
상기 바디의 상면의 적어도 일부에 구비되는 복수의 지면 이동용 모터;
상기 복수의 지면 이동용 모터 중 적어도 하나로부터 동력을 전달받아 회전하는 복수의 지면 이동용 휠; 및
상기 바디의 하면의 적어도 일부에 구비되고, 적어도 하나의 객체를 이동시키기 위해 이용되는 매니퓰레이터;를 포함하고,
상기 바디는 상기 프로펠러에 대응하는 부분을 개구하며,
상기 비행용 모터 및 상기 프로펠러를 이용하여 양방향의 수직이착륙 동작, 공중정지비행(Hovering) 동작 및 이동하는 동작 중 적어도 하나가 수행되고,
상기 복수의 지면 이동용 모터 및 복수의 지면 이동용 휠을 이용하여 지면 또는 벽에 밀착한 상태에서 이동하는 동작이 수행되며,
상기 매니퓰레이터를 이용하여 상기 적어도 하나의 객체를 이동시킴으로써, 미리 설정된 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.
A body having an internal space and a square cross section;
A LDS (Laser Distnace Sensor) provided on one side of the upper surface of the body;
A frame provided at each of the four corners in the interior space of the body;
A plurality of flying motors provided at each end of the frame;
A plurality of propellers rotating by receiving power from the flight motor;
A plurality of ground movement motors provided on at least a part of the upper surface of the body;
A plurality of ground moving wheels rotating by receiving power from at least one of the plurality of ground moving motors; And
And a manipulator provided on at least a part of the lower surface of the body and used to move at least one object.
The body opens a portion corresponding to the propeller,
At least one of a bidirectional vertical take-off and landing operation, a hovering operation, and a moving operation is performed using the flight motor and the propeller,
An operation of moving in close contact with the ground or the wall is performed using the plurality of ground moving motors and the plurality of ground moving wheels,
A quadcopter characterized by performing a preset operation by moving the at least one object using the manipulator.
제 1항에 있어서,
상기 쿼드콥터가 상기 지면 또는 벽에 밀착한 경우,
상기 복수의 프로펠러 중 상기 지면 또는 벽에 인접한 적어도 하나의 프로펠러만을 구동시켜, 상기 지면 또는 벽에 대한 밀착력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
When the quadcopter is in close contact with the ground or wall,
Quadcopter, characterized in that by driving only at least one propeller adjacent to the ground or the wall of the plurality of propellers, to increase the adhesion to the ground or the wall. 제 1항에 있어서,
상기 복수의 지면 이동용 모터는 상호 독립적으로 개별 구동이 가능하고,
상기 복수의 지면 이동용 모터의 적어도 일부 제어를 통해, 전진, 후진, 좌회전, 우회전, 제자리 회전 중 적어도 하나가 수행되는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터According to claim 1,
The plurality of ground movement motors can be individually driven independently of each other,
Quadcopter characterized in that at least one of the forward, backward, left, right, and in-place rotations is performed through at least partial control of the plurality of ground movement motors. 제 1항에 있어서,
상기 복수의 비행용 모터 및 복수의 프로펠러는 각각 8개이고,
상기 복수의 지면 이동용 모터 및 복수의 지면 이동용 휠은 각각 4개인 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
The plurality of flight motors and a plurality of propellers are each 8,
The plurality of ground movement motors and the plurality of ground movement wheels are four quadcopters, respectively. 제 1항에 있어서,
상기 매니퓰레이터는 6개의 자유도를 갖는 6-자유도 매니퓰레이터인 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
The manipulator is a six-degree-of-freedom manipulator with six degrees of freedom. 제 1항에 있어서,
상기 미리 설정된 작업은 상기 적어도 하나의 객체의 운송, 파편의 이동, 밸브의 개폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
The preset operation comprises the transport of the at least one object, the movement of debris, the opening and closing of the valve, a quadcopter. 제 1항에 있어서,
상기 매니퓰레이터를 구동하는 모듈은 SEA(Series Elastic Actuator)로 구성되고,
상기 SEA로 구성된 매니퓰레이터는,
기계적 댐퍼(damper) 역학을 수행하며,
임피던스 제어를 통해 외란에 반응하여 상기 외란이 쿼드콥터 동체의 자세에 미치는 영향을 감소시켜 자세유지를 안정화하는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
The module for driving the manipulator is composed of SEA (Series Elastic Actuator),
The manipulator composed of the SEA,
Performs mechanical damper dynamics,
Quadcopter characterized in that to stabilize the posture by reducing the effect of the disturbance on the posture of the quadcopter body in response to the disturbance through impedance control. 제 1항에 있어서,
상기 매니퓰레이터의 말단에는 적어도 하나의 카메라;를 더 포함하고,
상기 카메라를 통해 상기 쿼드콥터 주변의 영상을 획득하며,
상기 획득한 영상을 기초로 상기 미리 설정된 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 쿼드콥터.According to claim 1,
The end of the manipulator further includes at least one camera;
Acquiring the image around the quadcopter through the camera,
Quadcopter, characterized in that to perform the preset operation based on the acquired image.
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