KR102494161B1 - 에너지 하베스팅 장치를 구비한 드론 - Google Patents

에너지 하베스팅 장치를 구비한 드론 Download PDF

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Abstract

개시되는 발명은 몸체로부터 연장된 복수 개 암의 말단에 모터에 의해 구동되는 추진 프로펠러가 구비되고, 상기 모터는 상기 몸체에 내장된 2차 전지로부터 전력을 공급받는 멀티콥터형 드론에 관한 것으로서, 상기 추진 프로펠러 하부에는, 상기 추진 프로펠러에서 발생한 하강풍에 의해 회전하는 풍력 프로펠러가 구비되고, 상기 풍력 프로펠러는 상기 암에 장착된 발전기의 주축에 연결되며, 상기 풍력 프로펠러의 회전에 의해 상기 발전기에서 생산된 전력은 상기 2차 전지를 충전하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 하베스팅 장치를 구비한 드론{Drone having energy harvesting device}
본 발명은 드론에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 하베스팅 장치를 구비함으로써 비행시간을 늘릴 수 있는 드론에 관한 것이다.
드론(drone)은 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 군사용 무인항공기(UAV: unmanned aerial vehicle / uninhabited aerial vehicle)의 총칭으로서 군사적 용도로 시작되었으며, 2010년대를 전후하여 군사적 용도 외 다양한 민간 분야에도 활용되고 있다.
드론은 프로펠러의 개수에 따라 바이콥터(2개), 쿼드콥터(4개), 헥사콥터(6개), 옥토콥터(8개) 등으로 구분할 수 있다. 프로펠러 개수가 3개인 드론도 있으나 이는 바이콥터와 유사한 방식으로 공중에 뜬다. 드론에 부착되는 프로펠러가 짝수인 것은 뉴턴의 제3 법칙인 작용 반작용의 법칙을 활용하기 때문이다.
프로펠러가 4개 달려 있는 쿼트콥터를 기준으로, 마주보는 프로펠러 1쌍은 시계 방향으로 돌고 다른 1쌍은 반시계 방향으로 회전하면 작용 반작용의 원리에 의해 일정 고도를 유지하며 떠 있는 호버링(hovering)을 할 수 있게 된다.
그리고, 전후좌우 방향으로의 이동은, 이동하려는 방향(예를 들어, 앞쪽)의 반대편 프로펠러(뒤쪽)를 좀더 빠르게 회전시켜 양력을 키움으로써 이동방향을 향해 기울어지게 하여 추진력을 발생하는 방식으로 운전하게 된다.
현재 드론의 용도는 급속히 확장되고 있다. 소형의 드론은 레저용으로 사용되고 있으며, 카메라를 장착하여 일반적으로는 찍을 수 없었던 부감구도의 역동적인 영상을 구현할 수 있어 개인은 물론 방송용으로도 활용되기도 한다. 또한, 배송업계에서도 드론을 이용하여 주문상품을 수송하는 배송 메카니즘을 계획하고 시범적으로 운용하고도 있다.
그런데, 드론의 운용에 있어서, 가장 중요시 되는 것 중의 하나는 장시간 비행이 가능한지 여부이다. 현재 시중에서 사용되는 대부분의 드론은 비행시간이 몇 십분 정도로 그리 길지 않다. 복수 개의 프로펠러를 구동하여 드론을 운용해야 하는데, 프로펠러를 구동하는데 많은 전력이 소모되기 때문이다.
그렇다고 하여 비행시간을 증가시키기 위해 대형의 고용량 배터리 또는 많은 개수의 배터리를 드론에 장착하게 되면 배터리 크기와 무게로 인해 드론 전체의 크기와 무게가 증가하는데, 출력과 중량 사이의 트레이드 오프 관계로 인해 오히려 비효율적인 결과를 가져올 수 있다. 특히 중량체를 적재하는 드론, 예를 들어 배송용 드론이나 농업용 드론과 같은 경우에는 페이로드(payload) 값도 고려해야 하므로, 드론 자체의 크기와 무게를 줄이는 것은 드론 운용에 있어서 중요한 요소가 된다.
드론의 비행시간을 늘리기 위해 경량의 신소재를 이용하거나 중량 대비 출력이 높은 연료전지를 동력원으로 채택하는 등의 드론의 경량화에 많은 노력을 기울이고 있다. 본 발명은 이와는 다른 방향으로서, 에너지 하베스팅 장치를 통해 드론의 비행시간을 향상시키고자 한다.
한국등록특허 제10-2130213호 (2020.06.29 등록)
본 발명은 드론의 구조적인 설계를 크게 변경하지 않으면서 에너지 하베스팅 장치를 장착함으로써 드론의 비행시간을 증대하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 몸체로부터 연장된 복수 개 암의 말단에 모터에 의해 구동되는 추진 프로펠러가 구비되고, 상기 모터는 상기 몸체에 내장된 2차 전지로부터 전력을 공급받는 멀티콥터형 드론에 있어서, 상기 추진 프로펠러 하부에는, 상기 추진 프로펠러에서 발생한 하강풍에 의해 회전하는 풍력 프로펠러가 구비되고, 상기 풍력 프로펠러는 상기 암에 장착된 발전기의 주축에 연결되며, 상기 풍력 프로펠러의 회전에 의해 상기 발전기에서 생산된 전력은 상기 2차 전지를 충전하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 풍력 프로펠러의 지름은 상기 추진 프로펠러의 지름보다 작은 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추진 프로펠러 및 상기 풍력 프로펠러는 멀티 블레이드로 이루어지고, 상기 추진 프로펠러의 블레이드 개수와 상기 풍력 프로펠러의 블레이드 개수는 서로 다를 수 있다.
여기서, 상기 풍력 프로펠러의 블레이드 개수는 상기 추진 프로펠러의 블레이드 개수보다 많고, 또한 상기 풍력 프로펠러의 블레이드 개수는 상기 추진 프로펠러의 블레이드 개수의 배수가 아닌 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발전기와 상기 발전기의 주축 사이에는 증속 기어박스가 개재될 수 있다.
그리고, 상기 추진 프로펠러와 상기 풍력 프로펠러의 회전방향은 같을 수 있으며, 나아가 상기 추진 프로펠러의 추력이 부족한 경우에 상기 발전기는 보조 모터로 작동하여 상기 2차 전지로부터 전력을 공급받아 상기 풍력 프로펠러를 구동함으로써 상기 풍력 프로펠러는 보조 추력을 발생할 수도 있다.
본 발명에 따른 드론은, 추진 프로펠러의 하강풍이 작용하는 하부 영역에 소형의 풍력발전 장치를 에너지 하베스팅 장치로 구비함으로써, 드론의 비행 중에 동력원인 2차 전지를 충전할 수 있다. 이를 통해 드론의 비행시간이 증가한다.
또한, 본 발명은 추진 프로펠러의 추력이 부족한 긴급상황에서 한시적으로 에너지 하베스팅 장치의 발전기를 보조 모터로 작동함으로써, 드론을 비상사태에서 회피시킬 수도 있다. 이를 통해, 드론의 비행 안정성을 향상하고, 드론을 운용할 수 있는 주변 환경의 허용폭이 확대된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 드론을 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 드론의 측면도.
도 3은 도 2의 "A" 부분을 확대 도시한 도면.
도 4는 도 3의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 2의 "A" 부분의 평면도를 확대 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 드론(10)을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 드론(10)의 측면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 드론(10)에 관한 것으로서, 도면에 일 실시형태로서 도시된 드론(10)은 몸체(100)로부터 연장된 복수 개 암(110)의 말단에 모터(130)에 의해 구동되는 추진 프로펠러(120)가 구비되고, 모터(130)는 몸체(100)에 내장된 2차 전지(140)로부터 전력을 공급받는 멀티콥터형 드론(10), 특히 추진 프로펠러(120)가 4개로 구성된 쿼드콥터로 나타나 있다. 물론, 추진 프로펠러(120)의 개수는 2개나 3개, 6개 등도 본 발명에서는 모두 가능하다.
추진 프로펠러(120) 하부에는, 추진 프로펠러(120)에서 발생한 하강풍에 의해 회전하는 풍력 프로펠러(210)가 구비된다. 그리고, 풍력 프로펠러(210)는 암(110)에 장착된(암의 내부에 설치될 수 있늠) 발전기의 주축(222)에 연결되며, 풍력 프로펠러(210)의 회전에 의해 발전기(220)에서는 전력이 생산된다. 발전기(220)는 2차 전지(140)와 전기적으로 연결되어 있고, 이에 따라 발전기(220)에서 생산된 전력은 2차 전지(140)를 충전하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 드론(10)은 추진 프로펠러(120)의 하강풍이 작용하는 하부 영역에 작은 사이즈의 풍력발전 장치를 구비한 것으로 요약 설명할 수 있으며, 이 소형의 풍력발전 장치는 일종의 에너지 하베스팅 장치(200)로서, 추진 프로펠러(120)의 하강풍 중의 일부를 전기 에너지 생산의 동력원으로 활용하고 있다. 따라서, 풍력 프로펠러(210)의 발전에 의해 2차 전지(140)가 충전되는 만큼 드론(10)의 비행시간은 늘어난다.
도 3은 소형의 풍력발전 장치가 나타난 2의 "A" 부분을 확대 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 5는 도 2의 "A" 부분의 평면도를 확대 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 것과 같이, 풍력 프로펠러(210)의 지름은 추진 프로펠러(120)의 지름보다 작게 설계된다. 추진 프로펠러(120)에서 생산하는 추력은 선속도가 가장 빠른 추진 프로펠러(120)의 선단에서 주로 만들어진다. 따라서, 풍력 프로펠러(210)는 추진 프로펠러(120)에서 추력을 잘 만들어내지 않는 중앙 영역의 하강풍을 이용하도록 그 지름을 더 작게 설계하고, 이로써 드론(10)의 비행성능에 미치는 영향을 최소화한다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 추진 프로펠러(120) 및 풍력 프로펠러(210)는 멀티 블레이드로 이루어짐으로써 공력 성능을 향상할 수 있다. 이때, 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수와 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수는 서로 다른 것이 바람직할 수 있으며, 특히 풍력 프로펠러(210)의 지름이 작게 설계되므로 공력 성능 향상을 위해 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수가 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수보다 많은 것이 더욱 바람직할 수 있다. 첨부된 도면에서, 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122)는 2개, 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212)는 3개인 예가 도시되어 있다.
또한, 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수와 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수를 다르게 하는 것은 공진의 위험을 줄이기 위한 목적도 있다. 추진 프로펠러(120)의 하강풍에 의해 풍력 프로펠러(210)는 피동적으로 회전하게 된다. 따라서, 풍력 프로펠러(210)는 추진 프로펠러(120)의 회전에 연동하게 되는데, 추진 프로펠러(120)의 회전수, 각 프로펠러의 블레이드(122, 212)의 개수, 바람의 속도 등에 의해 추진 프로펠러(120)와 풍력 프로펠러(210) 사이에 공진현상이 생길 수 있다.
공진현상이 발생하면 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122)가 뒤틀려서 추력 손실이 발생하고, 심할 경우 추진 프로펠러(120) 자체가 파손됨으로써 드론(10)이 추락할 위험이 높아진다. 이를 방지하기 위해, 본 발명은 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수와 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수를 다르게 하고, 나아가 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수와 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수 사이에 배수 관계가 성립하지 않도록 함으로써 공진 주파수를 높이고 있다. 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212)의 개수가 더 많다면, 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212) 개수는 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122) 개수의 배수가 되지 않도록 한다. 도시된 실시예에서, 추진 프로펠러(120)의 블레이드(122)는 2개로, 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212)는 3개로 한 것은 이러한 설계 목적을 반영한 것이다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 발전기(220)와 발전기의 주축(222) 사이에는 증속 기어박스(230)가 개재될 수 있다. 증속 기어박스(230)는 풍력 프로펠러(210)의 회전을 증속함으로써, 발전기(220)의 발전효율을 올리는데 도움을 준다.
한편, 추진 프로펠러(120)와 풍력 프로펠러(210)의 회전방향은 같도록 풍력 프로펠러(210)의 블레이드(212)를 설계할 수 있다. 풍력 프로펠러(210)도 하강풍을 만들도록 하면, 추진 프로펠러(120)의 하강풍을 상쇄하지 않아 드론(10)의 비행성능을 크게 약화하지 않는다. 더 나아가, 추진 프로펠러(120)의 추력이 부족한 긴급상황, 예를 들어 돌개바람이 불거나 일부 모터(130)가 고장이 나는 등의 비정상적인 상황에서 에너지 하베스팅 장치(200)의 발전기(220)는 보조 모터로 작동할 수 있다. 즉, 발전기(220)는 2차 전지(140)로부터 전력을 공급받아 회전을 하는 보조 모터로 기능을 하며, 보조 모터인 발전기(220)는 풍력 프로펠러(210)를 구동함으로써 풍력 프로펠러(210)가 보조 추력을 발생할 수도 있다.
에너지 하베스팅 장치(200)의 발전기(220)가 보조 모터로 작동하는 것은 아주 예외적인 긴급상황에서만 적용하는 것이 바람직하며, 어디까지나 에너지 하베스팅 장치(200)는 2차 전지(140)의 충전을 담당함으로써 드론(10)의 비행시간을 늘리는 것이 본연의 기능이라 할 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 드론 100: 몸체
110: 암 120: 추진 프로펠러
122: 블레이드 130: 모터
140: 2차 전지 200: 에너지 하베스팅 장치
210: 풍력 프로펠러 212: 풍력 블레이드
220: 발전기 222: 발전기의 주축
230: 증속 기어박스

Claims (7)

  1. 몸체로부터 연장된 복수 개 암의 말단에 모터에 의해 구동되는 추진 프로펠러가 구비되고, 상기 모터는 상기 몸체에 내장된 2차 전지로부터 전력을 공급받는 멀티콥터형 드론에 있어서,
    상기 추진 프로펠러 하부에는, 상기 추진 프로펠러에서 발생한 하강풍에 의해 회전하는 풍력 프로펠러가 구비되고,
    상기 풍력 프로펠러는 상기 암에 장착된 발전기의 주축에 연결되며,
    상기 풍력 프로펠러의 회전에 의해 상기 발전기에서 생산된 전력은 상기 2차 전지를 충전하고,
    상기 추진 프로펠러 및 상기 풍력 프로펠러는 멀티 블레이드로 이루어지고, 상기 풍력 프로펠러의 블레이드 개수는 상기 추진 프로펠러의 블레이드 개수보다 많으며, 상기 풍력 프로펠러의 블레이드 개수는 상기 추진 프로펠러의 블레이드 개수의 배수가 아닌 것을 특징으로 하는 드론.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍력 프로펠러의 지름은 상기 추진 프로펠러의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 드론.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발전기와 상기 발전기의 주축 사이에는 증속 기어박스가 개재되는 것을 특징으로 하는 드론.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 추진 프로펠러와 상기 풍력 프로펠러의 회전방향은 같은 것을 특징으로 하는 드론.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 추진 프로펠러의 추력이 부족한 경우에,
    상기 발전기는 보조 모터로 작동하여 상기 2차 전지로부터 전력을 공급받아 상기 풍력 프로펠러를 구동하고, 상기 풍력 프로펠러는 보조 추력을 발생하는 것을 특징으로 하는 드론.
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