KR20120081500A

KR20120081500A - 복수개의 회전익을 가진 비행장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20120081500A
Application number: KR1020110002863A
Authority: KR
Inventors: 유세혁; 문종원
Original assignee: 유세혁
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-07-19

Abstract

본 발명은 회전익을 이용한 비행장치에 관한 것이다. 상기 비행장치는 동일 반경으로 복수개의 회전익을 갖는 본체부, 비행 시에 상기 본체가 기울어짐에 따른 변화량을 측정하는 센서부, 및 상기 본체가 수평을 유지하도록 변화량에 따른 수평각을 산출하고, 상기 수평각에 상응하도록 각 회전익 날개의 회전속도를 제어하거나, 상기 수평각에 상응하도록 구비된 카메라의 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

복수개의 회전익을 가진 비행장치 및 그 제어방법{The aerial device having rotors and the control method}

본 발명은 복수개의 회전익을 가진 비행 장치에 관한 것으로 특성이 다른 센서를 필터에 적용하여 정확한 수평 제어를 위한 각도 산출 후 수평 제어 및 탈부착이 가능한 카메라 제어 및 사용 목적에 따라 부착되는 센서에 맞게 활용 가능한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시시각각으로 외부 요인으로 인해 변화하는 비행장치의 상태에 따른 각도를 신속하고 정확하게 제어 할 수 있도록 수평 제어 알고리즘 및 산출된 각도를 토대로 이동 평균 연산과 비례식을 이용하여 카메라에 부착된 카메라의 위치를 자동으로 제어 할 수 있다.

종래의 기술에 의한 전통적인 무인헬기는 추력을 위한 메인로터부, 메인로터부로 인한 기체의 회전력을 상쇄시키기 위한 테일로터부로 구성이 되어 있으며, 지상에서의 사용자에 의한 제어를 통해 목적을 수행한다.

그러나 상기와 같은 종래의 무인헬기는 추력 및 방향전환에 관해서는 메인로터에만 의존하고 있기 때문에 기동성면에서 크게 기대할 수 없으며, 측면에서 바람에 대한 취약성이 존재한다. 또한 사용자에 의해서만 제어가 되기 때문에 비행장치의 활용범위가 적고, 바람이나 기타 외란에 의해서 기체가 불안정해 질 수 있는 단점이 있다.

이와 같은 종래 무인헬기는 메인로터에만 의존하기 때문에 안전성 문제와 또한 기동성에서 크게 기대 할 수 없다. 또한 사용자의 시야에서만 제어가 가능하기 때문에 무인항공기로써의 역할의 범위가 제한적이다. 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수개의 회전익을 가짐으로써 기동성면과 바람 등 외부요인에 의한 취약성을 보완 및 안전성이 향상된 비행 장치를 제공하고 기존의 방식과는 다른 기술적 과제인 기동성과 안전성이 향상된 비행장치의 제어 방법 을 제시하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따라, 회전익을 이용한 비행장치는,

동일 반경으로 복수개의 회전익을 갖는 본체부;

비행 시에 상기 본체가 기울어짐에 따른 변화량을 측정하는 센서부; 및

상기 본체가 수평을 유지하도록 변화량에 따른 수평각을 산출하고, 상기 수평각에 상응하도록 각 회전익 날개의 회전속도를 제어하거나, 상기 수평각에 상응하도록 구비된 카메라의 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 본체부의 복수개의 회전익은,

시계방향으로 회전하는 시계방향 날개와, 시계 반대방향으로 회전하는 시계반대방향 날개를 구비하되, 상기 시계방향 날개와 상기 시계반대방향 날개는 각각 복수개로서 동일 개수이다.

바람직하게는,

상기 센서부는 다축 중력 가속도센서 및 다축 각속도 센서를 포함하고, 상기 제어부는 상기 다축 중력 가속도센서에 의한 데이터와 상기 다축 각속도 센서에 의한 데이터로 상기 수평각을 산출한다.

바람직하게는, 상기 비행장치는 상기 카메라모터를 제어하기 위한 카메라모터 제어부를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 비행장치는 상기 수평각에 대해 반응하도록 구비된 카메라의 각도를 제어하는 카메라 안정화부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 카메라 안정화부는,

사용자가 원하는 곳의 장소를 사용자의 위치에서 볼 수 있는 카메라;

전/후, 좌/우, 위/아래로 부착할 수 있는 카메라 연결장치; 및

카메라의 각도를 제어하는 3개의 카메라 모터를 포함한다.

바람직하게는,

상기 센서부는 초음파 센서를 포함하고, 상기 초음파 센서는 비행장치의 전/후, 좌/우, 위/아래의 장애물을 측정해 기체의 손상을 방지한다.

본 발명의 다른 측면에 따라 복수개의 회전익을 가진 비행장치에서의 수평 제어방법은,

비행장치의 X축, Y축, Z축의 방향성을 측정하기 위해 중력가속도와 각속도를 센싱하는 단계;

센싱된 중력가속도 및 가속도에 따라 비행장치가 기울어진 각도를 산출하는 단계; 및

산출된 기울어진 각도에 따라 비행장치가 수평을 유지하도록 각 회전익의 회전속도를 각각 제어하는 단계를 포함한다.

바람직하게는,

상기 각 회전익의 회전속도를 각각 제어하는 단계는, 상기 기울어진 각도에 상응하는 수평각을 이용하여 비례, 미분, 적분 제어기인 PID 제어기를 사용하여 각각의 회전익 구동 모터에 개별적인 제어신호를 발생시킴으로써 수행된다.

바람직하게는, 상기 방법은,

이동 평균 필터를 이용하여 카메라에 부착된 모터의 회전수를 조절하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 통하여 기존 헬기가 갖고 있는 문제점에 대한 해결 방안과 새로운 각도 산출 알고리즘을 제시하며 본 발명의 복수개의 회전익을 가진 비행 장치는 개별적인 모터 제어로 빠른 기동성 및 헬기 조종에 미숙한 이용자라 할지라도 제어부에 의한 자동제어로 인해 손쉽게 제어 할 수 있으며, 또한 상황에 맞게 GPS, 방위각 센서와 고도계 센서를 이용하여 비행체가 스스로 자동 비행이 가능 하고 부착 센서에 따라 산불감시, 군사 작전 그리고 고층 건물의 외관을 자세하게 측정 및 일정 고도에서 촬영된 사진을 토대로 건설되는 건물의 외관과 3D 형태로 건물의 형태를 파악 할 수 있고 이러한 특징들로 경제적이고 효율이 뛰어난 작업을 할 수 있다.

도 1은 복수개의 회전익을 가진 비행체의 위에서 아래로 바라 본 도면.
도 2는 복수개의 회전익을 가진 비행체의 측면도.
도 3은 비행체의 중심부에 프로세서 및 각 센서가 놓인 도면.
도 4는 비행전의 시작 단계부터 모터제어까지의 전반적인 알고리즘 도면.
도 5는 비행 시 적용되는 PID제어의 흐름도.
도 6은 비행체에 부착되는 카메라 회전을 위한 모터 장치도면.
도 7은 비행체에 부착되어 카메라를 자동 제어하는 알고리즘 도면.
도 8은 초음파 센서를 이용하여 장애물을 피하는 알고리즘 도면.

도 1은 복수개의 회전익을 가진 비행체의 위에서 아래로 바라본 도면이다. 도 1에서 도시된 바와 같이 복수개의 회전익을 갖는 비행장치는 본체부(400), 센서부(190), 제어부(180), 카메라안정화부(602)를 포함하는데, 각 요소들에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

본체부(400)는 동일 반경으로 복수개의 회전익을 갖으며, 각각의 회전익 구동 모터를 구비하며, 회전익의 회전방향에 따라 비행장치가 수평을 기준으로 회전하는 것을 반대방향의 회전익을 통해 비행장치의 회전을 상쇄시키는 반토크형식을 사용하여 비행장치의 회전을 방지한다.

이때, 상쇄시킬 회전익의 수를 맞추기 위해 비행장치에 사용되는 회전익은 짝수개로 구성되어야 한다. 이를 위해 상기 회전익 날개는 시계방향으로 회전하는 시계방향 날개와, 상기 시계방향 날개에 대응하는 개수의 시계 반대방향으로 회전하는 시계반대방향 날개를 구비하고, 상기 시계방향 날개 및 상기 시계반대방향 날개는 각각 복수개이며 같은 개수를 갖는다.

또한, 본체부(400)의 중심에 고정, 결합되는 센서부(190)와 제어부(180)는 상기 복수개의 회전익을 갖는 비행체의 수평을 유지하기 위해 사용되며, 센서부(190)는 비행장치를 중심으로 교차하는 2개의 축을 기준으로 잡아 비행체의 수평에 대한 움직임의 변화량을 측정하며, 제어부(180)의 카메라모터 제어부(150)는 센서부에서 산출된 2개의 변화량에 의해 각도를 산출하고, 모터를 제어하는 신호를 생성하게 된다.

이때, 상기 센서부(190)의 센서들은 다축 각속도센서(110)와 다축 중력 가속도센서(130)를 사용하며, 다축 각속도센서(110)는 물체의 이동변화량을 시간에 따른 각도의 변화량을 측정하며, 다축 중력 가속도센서(130)는 중력을 기준으로 물체의 가속도를 측정하는 센서들로서, 기준을 잡는 2개의 축은 다른 축에 사용이 가능하며, 추가적으로 센싱할 수 있으며, 복수개의 센싱값을 이용할 때 비행의 자세제어, 수평제어는 신속하게 또는 정확하게 제어될 수 있다.

도 2는 복수개의 회전익을 가진 비행체의 측면도이다. 도2에서 도시된 바와 같이 복수개의 회전익을 갖는 비행장치는 또한 카메라안정화부(602)를 포함하는데, 이 요소에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

카메라안정화부(602)는 사용자의 위치에서 사용자가 원하는 장소의 사진 혹은 영상을 볼 수 있는 복수개의 회전익에 부착된 카메라(607); 사용자가 컴퓨터 혹은 원격제어기의 원격제어를 통해 복수개의 회전익에 부착된 카메라를 제어하기 위한 3축으로 연결된 모터(603, 604, 605); 및 비행장치의 상단 혹은 하단에 부착이 가능하도록 구비된 카메라 연결장치(600)를 포함한다.

도 3은 비행체의 중심부에 프로세서 및 각 센서가 놓인 도면이다. 도3에서 도시된 바와 같이 복수개의 회전익을 갖는 비행장치에 포함된 초음파센서(120)는 송신부와 수신부로 이루어졌으며, 송신부는 초음파을 방출하고, 수신부는 방출된 초음파를 수집하여 송신부에서 전송한 초음파의 반사를 통해 물체의 위치와 거리를 측정하는 것으로 복수개의 회전익을 갖는 비행장치의 동일방경의 4방향으로 구비하여 비행체의 이동방향에 장애물의 존재를 파악하여 비행방향을 바꾸거나 정지하도록 설계되어 비행체를 보호하는 역할을 한다.

도 4는 비행전의 시작 단계부터 모터제어까지의 전반적인 알고리즘 도면이다. 도 4는 특성이 다른 복수의 축을 표현하는 중력 가속도 센서(130)와 각속도 센서(110)를 이용하여 두가지의 특성이 다른 센서의 단점을 보완하는데 상기의 두 센서를 사용하는 이유는 중력 가속도 센서(130)는 진동에 대해 취약하여 정확한 가속도의 데이터를 측정할 수 있지만 데이터가 선형적이지 못하며, 각속도 센서(110)는 데이터는 선형적으로 측정 가능하지만 카메라모터 제어부(150)의 특성상 유한한 시간에 관해서 적분을 하기 때문에 무시할 수 없는 적분 오차로 인하여 각각의 개별적인 센서로는 비행장치의 자세정보를 측정할 수 없다. 상기의 이유에 중력 가속도 센서(130)와 각속도 센서(110)의 단점을 보완하고 장점을 취득하여 센싱하는데 가장 적합한 이산 칼만 필터를 적용하여 측정치 모델로 중력 가속도 센서(130)의 데이터를 입력으로 하고, 각속도 센서(110)의 데이터를 시스템 모델로 적용하여 비행장치의 X축, Y축, Z축의 방향성을 측정하고 기체의 움직임에 대해 정확히 산출을 하며 외란의 진동 및 모터의 회전에 대한 진동으로부터 상기의 센서들의 불안정한 출력값을 필터링을 통해 보정하여 정확한 수평각 및 기울어진 각도를 산출(S181)을 하고 비행 제어에 관한 복수개의 회전익에 설치된 각각의 회전익 구동 모터를 PID 제어(S182)를 통한 개별 제어해 각 회전익 날개의 회전 속도를 각각 제어함으로써 비행장치의 수평 제어를 하며(S184) 상기의 산출된 데이터, 즉 수평각 데이터를 이용하여 이동 평균 필터를 사용(S183), 카메라 안정부에 설치된 각각의 모터에 개별 적인 제어(S185)를 해줌으로서 카메라의 각도를 제어함으로써 보다 안정적인 카메라의 화상정보를 얻을 수 있다. 또한 초음파 센서(160)에서 장애물을 인지 시 상기의 회전익에 설치된 모터에 장애물을 회피할 수 있는 보상신호를 줌으로서 보다 비행장치의 안정화를 높일 수 있다.

도 5는 비행 시 적용되는 PID제어의 흐름도 도면이다. 도5는 각도 정보(S181)를 토대로 비례, 미분, 적분 제어기인 PID제어를 적용 하는 방법으로서 X, Y, Z 총 3개 방향성에 측정값을 입력으로 PID 제어를 하며 목표로 한 기준각도와 현재의 산출된 비행장치의 각도와의 연산을 통해 현재의 오차율을 계산 후 보정한 값을 더하는 단계(S186)를 거치며 적분 제어는 오차에 대한 범위를 제한(S187)하는 안티와인드업 PID제어를 적용 시켜 순간적으로 적분 제어기에서의 오차가 급격하게 증가 및 감소하는 문제를 막는데 사용을 한다. 또한, 오차에 대한 보정(S190)을 지속적으로 해가며 PID제어로부터 산출된 보정 값을 통해 개별적인 모터제어(S191)와 동시에 다음 각도와의 오차에 적용(S189)을 시키는 과정이다. 이로서, 자동으로 수평을 제어 하면서 추가적으로 지상의 사용자의 원격제어기를 통한 사용자의 제어신호를 PID 제어 신호와 수치를 연산함으로서 비행장치의 자동 수평 제어와 사용자에 의한 움직임을 또한 제어할 수 있다.

도 6은 비행체에 부착되는 카메라 회전을 위한 모터 장치도면이다. 산출된 각도에 따라 항상 일정한 지점을 바라보게 만든 카메라에 부착된 모터에 있어서, X축으로 카메라를 회전시키는 모터(605), Y축으로 카메라를 회전시키는 모터(604), Z축 방향으로 카메라를 회전시키는 모터(606)를 장착하여 개별적으로 제어하여 사용자가 원하는 위치의 영상을 촬영할 수 있으며, 사용자의 목적에 따라 고공비행으로 건물 및 외형 지물을 촬영할 때 비행체의 아래 부분에 장착(602)이 가능 하고, 저공비행으로 건물의 외관 및 그 외 저공 촬영을 할 때는 비행체의 윗부분에 장착(601)을 하여 비행체의 정면을 보는 용도로 사용이 가능하며 카메라가 부착되는 부분은 크기를 조절 할 수 있는 부분(606)을 만들어 크기가 다른 여러 카메라를 탈부착이 가능 하도록 하는 장치이다.

도 7은 비행체에 부착되어 카메라를 자동 제어하는 알고리즘이다. 카메라에 대한 위치 제어는 도 7과 같은 흐름으로 제어하며 두 센서와 이산 칼만 필터를 적용 하여 비행장치의 움직임에 관련없이 사용자가 원하는 위치를 바라보게 제어 하여 바람과 같은 외란에 의해 움직이는 비행체의 움직임과 관계없이 항상 일정한 위치를 바라 볼 수 있도록 만드는데 산출된 각도X, Y, Z(S181)를 일정 시간동안 값을 더한 후 더한 샘플에 맞춰 나누는 이동 평균 필터를 사용하여(S182) 움직임이 있는 각도에 대한 평균값을 산출 하고, 시스템 및 사용 용도에 적합한 비례식을 적용(S184)함으로서 카메라의 위치를 자동으로 변화 시킬 수 있으며 사용 용도에 따라 사용자가 직접적인 카메라를 제어하기 위한 신호(S183)를 비례식에 적용하여 사용자가 카메라의 이동을 위해 보내오는 위치 정보를 수치화 하여 부착된 모터를 회전(S185) 시킬 수 있다.

도 8은 초음파 센서를 이용하여 장애물을 피하는 알고리즘이다. 도8은 비행체에 부착된 6개의 초음파 센서를 이용하여 예상치 못한 장애물을 관측하는 용도로 사용하며 비행체의 측정 부분에 있어서 전, 후, 좌, 우에 부착된 초음파 센서에 장애물이 관측이 되면 장애물이 관측된 위치의 모터의 출력 값을 증가시킴으로서 장애물을 피하는 알고리즘을 제시 한 것으로 앞서 설명한 PID 제어에 따른 각각의 모터 제어 값에 장애물에 관측에 따른 출력 값을 더해 주어 비행체는 순간적으로 장애물에 대한 충돌을 막을 수 있으며(S163) 윗면에 장애물이 관측이 되면 건물 및 어떤 물체 밑에서 비행을 한다는 것을 의미 하므로 모터의 출력을 각 모터의 PID 값과 특정 값의 차를 두어 충돌을 피할 수 있고(S165) 아래 부분의 초음파 센서의 장애물 신호가 들어오면 착륙을 한다는 신호 이므로, 사용자에게 착륙에 대한 정보를 전송해 주고(S166) 비행체의 착륙이므로 고도에 따라 순간적인 출력 감소를 제한함(S167)으로서 급강하로 인한 기체의 파손을 막는 방법을 포함하고 있다.

본 발명에서, 4축 회전익을 가진 비행체의 안정적인 수평유지 방법 및 사용 방안은 기존의 헬기의 단점을 보완한 기체를 이용하여 안정적인 수평유지와 빠른 선회 비행 및 카메라 안정화부에 의한 정확한 화상정보를 획득할 수 있고 사용자가 원하는 곳에 장착이 가능하여 원하는 위치의 영상정보를 획득할 수 있다. 또한 자동 수평제어에 의해 기존의 일반 헬기보다 쉬운 조작성을 가지고 있으며, 초음파 센서로 인한 비행시 장애물을 측정해 안전성을 향상시키고 제어부에 각종 센서를 추가적으로 장착함으로서 범용성 및 확장성을 높일 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태 일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

회전익을 이용한 비행장치에 있어서,
동일 반경으로 복수개의 회전익을 갖는 본체부;
비행 시에 상기 본체가 기울어짐에 따른 변화량을 측정하는 센서부; 및
상기 본체가 수평을 유지하도록 변화량에 따른 수평각을 산출하고, 상기 수평각에 상응하도록 각 회전익 날개의 회전속도를 제어하거나, 상기 수평각에 상응하도록 구비된 카메라의 각도를 제어하는 제어부를 포함하는 비행장치.
청구항 1에 있어서, 상기 본체부의 복수개의 회전익은,
시계방향으로 회전하는 시계방향 날개와, 시계 반대방향으로 회전하는 시계반대방향 날개를 구비하되, 상기 시계방향 날개와 상기 시계반대방향 날개는 각각 복수개로서 동일 개수인 비행장치.
청구항 1에 있어서,
상기 센서부는 다축 중력 가속도센서 및 다축 각속도 센서를 포함하고, 상기 제어부는 상기 다축 중력 가속도센서에 의한 데이터와 상기 다축 각속도 센서에 의한 데이터로 상기 수평각을 산출하는 비행장치.
청구항 1에 있어서,
상기 카메라모터를 제어하기 위한 카메라모터 제어부를 더 포함하는 비행장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수평각에 대해 반응하도록 구비된 카메라의 각도를 제어하는 카메라 안정화부를 포함하는 비행장치.
청구항 5에 있어서, 상기 카메라 안정화부는,
사용자가 원하는 곳의 장소를 사용자의 위치에서 볼 수 있는 카메라;
전/후, 좌/우, 위/아래로 부착할 수 있는 카메라 연결장치; 및
카메라의 각도를 제어하는 3개의 카메라 모터를 포함하는 비행장치.
제 1항에 있어서,
상기 센서부는 초음파 센서를 포함하고, 상기 초음파 센서는 비행장치의 전/후, 좌/우, 위/아래의 장애물을 측정해 기체의 손상을 방지하는 비행장치.
복수개의 회전익을 가진 비행장치에서의 수평 제어방법에 있어서,
비행장치의 X축, Y축, Z축의 방향성을 측정하기 위해 중력가속도와 각속도를 센싱하는 단계;
센싱된 중력가속도 및 가속도에 따라 비행장치가 기울어진 각도를 산출하는 단계; 및
산출된 기울어진 각도에 따라 비행장치가 수평을 유지하도록 각 회전익의 회전속도를 각각 제어하는 단계를 포함하는 비행장치에서의 수평 제어 방법.
제 8항에 있어서,
상기 각 회전익의 회전속도를 각각 제어하는 단계는, 상기 기울어진 각도에 상응하는 수평각을 이용하여 비례, 미분, 적분 제어기인 PID 제어기를 사용하여 각각의 회전익 구동 모터에 개별적인 제어신호를 발생시킴으로써 수행되는 비행장치에서의 수평 제어 방법.
제 8항에 있어서,
이동 평균 필터를 이용하여 카메라에 부착된 모터의 회전수를 조절하는 단계를 더 포함하는 비행장치에서의 수평 제어 방법.