KR20180031298A - 실시간 기상 관측용 복합센서와 자체 풍향과 풍속 측정 기능을 탑재한 드론 및 이를 활용한 기상 관측 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기상관측을 위해 사용하고 있는 일회성의 라디오존데를 대체하여 비용을 절감할 수 있는 멀티콥터(드론) 기반의 기상관측 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측 기술에 대한 것이다. 특히, 비행 조건 및 멀티콥터 제작 특성에 따라 멀티콥터 각각의 프로펠러는 다르게 구동되는 만큼, 바람의 세기를 변화시켜 시험하는 풍동시험 데이터로 프로펠러 회전에 따른 난류(혹은 와류)를 보정하는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해, 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서(3Cup과 Rudder회전 타입 풍향·풍속계, 초음파 타입 풍향·풍속계) 대신 멀티콥터 진행 방향에 설치하는 경량 장축 튜브 내부에 풍속센서(풍동 형태)를 적용하면 프로펠러 회전에 의한 난류 영향을 제거할 수 있다. 본 발명은 멀티콥터의 회전비행모드(Yawing)로 회전하면서 경량 장축 튜브형 풍속센서로 측정하는 풍속이 제일 높은 방향(방위각센서)을 풍향으로 결정하는 방법이다. 이와 함께 2,500m 이상 상승하는 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시켜 하강 속도를 감소시키도록 구성한다. 이를 통하여 일회성 라디오존데를 대체할 경우, 국지적인 기상감시, 기상예보, 기상연구를 위하여 기압, 온도, 습도, 풍향 풍속, 미세먼지 등의 기상요소에 대해 보다 많은 지역(현재 국내 라디오존데는 7개 측위소에서 하루 2회 실시)에서 고도별 실시간 계측이 가능하다.

Description

실시간 기상 관측용 복합센서와 자체 풍향과 풍속 측정 기능을 탑재한 드론 및 이를 활용한 기상 관측 시스템 {The drone with the real time weather complex observation sensors such as self sensing of the direction and velocity of wind}
한국 기상청은 최근 기상 관측 장비로 멀티포인트 레이저 적설계, 비접촉식 지면상태 관측시스템, 시정현천계, 안개감지기, 파고관측부이, 표류부이, X밴드 이중편파 기상레이더, 친환경 라디오존데와 비양자동화시스템, 천리안위성 기상자료수신시스템, 지구환경 3차원 가시화 시스템, 성층권 무인기 기상탑재체, 2채널 미세먼지 계측기, 먼지 계수기, 회전식 일조계, 고정밀 습도계, 토양지온수분계, 결빙감지기, 서리이슬센서, 무게식 강수량계, 무선 IP 우량계, 구름자동관측시스템, MEMS 복합기상기후센서, 복합기상센서, 차량탑재용 복합기상센서, USN기반 통합형 자동기상관측스테이션, 온실가스 원격감시시스템, 기상조절실험용 연소탄, 지진가속도계와 건물진동 모니터링시스템, 이동식 해저지진계, 영상식 시정거리계, 스마트폰 기반 기상자료 수집 앱을 개발하였다고 발표하였다. 대기권의 층상 구조는 지표 ~고도 12km는 대류권, 고도 12 ~50km는 성층권으로 이루어져 있다. 한국 기상청은 대기 상태를 파악하기 위해 제주 등 전국 7개 관측소에서 하루에 두 번 온도,습도, 기압 센서가 달린 라디오존데(Radiosonde)를 띄운다. 라디오존데라고 불리는 풍선은 상공의 기압, 기온, 습도, 풍향, 풍속 등의 기상 정보를 감지해 지상으로 보낸다. 개당 300$ 내외의 라디오존데는 30km 상공에 도달하면 터져 한번 밖에 사용할 수 없으며, 지상에 떨어지는 라디오존데는 회수하기가 어려워 환경 오염 우려가 있다. 세계 라디오존데 시장의 90%는 핀란드의 바이살라 회사가 점유하고 있다.
드론은 무선 전파의 유도에 의해서 비행 및 조종 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 군사용 무인비행기(UAV : Unmanned aerial vehicle)의 총칭으로, 2010년대를 전후하여 군사적 용도 외 다양한 민간 분야에 활용되고 있다. 헬리콥터나 드론처럼 프로펠러의 회전에 의해 양력을 발생시키는 비행 물체의 경우, 프로펠러 회전의 반작용에 의해 본체가 프로펠러가 회전하는 반대 방향으로 회전하게 된다. 싱글로터 헬리콥터의 경우 이 문제를 해결하기 위해 테일 로터(tail rotor)가 필요하지만, 드론은 앞뒤 프로펠러의 회전을 반대로 하여 프로펠러 회전에 의해 발생하는 반작용을 상쇄시키는 원리를 기본으로 한다. 즉, 드론은 각각의 로터 프로페러 회전을 제어하여 상승비행모드(ascend), 하강비행모드(descend), 전진비행모드 (forward), 후진비행모드(backward), 우횡비행모드(roll right), 좌횡비행모드 (roll left), 좌회전비행모드(yaw left), 우회전비행모드(yaw right)가 가능하다. 드론은 상대적으로 작은 복수 개의 프로펠러를 이용하여 양력을 얻고, 각각의 프로펠러로부터 발생하는 양력을 조절하여 전진 및 후진과 방향 전환을 한다.
최근 미국의 기상관련 학계에서는 지표면 부근 낮은 고도(대기경계층) 관측 시 일회용인 라디오존데를 대체할 목적으로 멀티콥터(드론)를 이용한 기상관측 연구를 활발하게 진행 중이다. 즉, 국지적인 기상감시, 기상예보, 기상연구 등을 위하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등의 기상 요소에 대한 고도별 실시간 관측이 필요하다. 고가의 기상 레이다, 윈드 라이다 같은 원격 기상관측장비, 기상관측탑 등 고도별 관측자료의 보정 기술도 필요하다. 안개, 미세먼지 등 기상현상 파악을 위한 영상시스템도 필요하다. 현재 고도별 기상관측은 대부분 라디오존데를 사용하고 있으나, 상공의 바람에 따라 상승이동하기 때문에 목적관측을 위해 특정 고도(대기경계층)에서 지속적이고 정확한 기상관측은 불가능하다. 이를 해결하면서, 기상관측을 위해 사용하고 있는 일회성의 라디오존데를 대체하여 비용을 절감할 수 있는 수직이착륙형 소형무인기 기반의 기상관측 복합센서가 필요하게 되었다.
본 발명은 멀티콥터(드론)형 소형무인기 기상관측 시스템 및 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측 방법 및 기상관측 시스템에 대한 것이다.
최근 들어 드론 제어 기술, 비행설계 기술 및 소재 기술, 무선통신 기술이 발달하면서 초소형 비행 물체인 드론이 만들어지고 있는데, 크기는 10cm 내외이면서 무게는 50g 정도로 충전식 배터리를 이용하여 15~30분 정도 비행하고, 프로펠러 아래에 달려있는 카메라 센서로 지면의 영상을 촬영해 무선으로 전송하므로, 무선도달거리 내에서 화면을 보면서 원격조정하도록 되어 있고, 모터를 통해 프로펠러를 움직이므로 소음이 적고 크기까지 작아 정찰용으로 사용될 가능성이 있다. 유럽 항공업체 EDAS 사의 경우 회전 날개 4개가 달린 65 x 65cm 크기의 쿼드롭터를 개발 자체 무게 550g에 추가로 50g 범위 내에서 각종 센서나 비디오카메라를 탑재하고 최대 시속 54km로 공중에 정지하면서 관찰할 수 있는 성능의 정지비행이 용이한 비행체를 2000년 초반에 개발하였다. 최근 드론 기술 발전이 급격하게 이루어져 다양한 용도의 드론이 상용화되고있으며, 택배 및 물류용의 경우 풍속 12m/s에서도 정지비행이 가능하고 페이로드가 30kg 이상의 제품이 공급되고 있다. 프로펠러의 수도 1개부터 8개까지 설치한 옥타콥터까지 만들어지고 있다. 일회용 라디오존데를 대체할 기상 관측용 멀티콥터(드론)의 경우 1kg 내외의 복합기상센서를 탑재하고, 최대운용고도 2,500m, 운용반경 1,000m 내외, 수직 수평 위치 정확도 0.5m 내외의 비행 성능을 요구하고 있다. 상용 드론의 경우 최대 상승 속도 5~10m/s, 하강속도 2~5m/s인 만큼, 기상 관측을 위해 고도 2,500m까지 상승하기 위해서는 250 ~ 500초가 소요되며 지상으로 내려오기 위해서는 500 ~ 1000초가 필요하다. 최대 상승속도로 비행하기 위해서는 전력 소모가 가장 크다.
일회용 라디오존데를 대체할 기상 관측용 멀티콥터(드론)에 탑재할 임무장비로는 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속을 측정하는 복합기상센서가 필요하다. 세계 라디오존데 시장의 90%를 점유하고 있는 핀란드 바이살라 회사의 웨더 트랜스미터(WXT520)는 높은 신뢰성과 정밀도를 가지고 있으며, 기온(정확도 ±0.3℃), 습도(정확도 ±0.3%), 풍향(정확도 ±3°), 풍속(해상도 ±0.3m/s), 기압(±0.5hPa), 강우량(정확도 5%)을 저전력으로 측정하면서 운용 환경 ­52 ~ +60℃, 무게 650g으로 제공하고 있다. 풍향과 풍속은 상단에 설치된 3개의 초음파 센서로 측정한다. 바람과 부력에 따라 상승하는 풍선의 이동 속도를 보정할 수 있다면 페이로드가 상대적으로 큰 라디오존데에 상기 웨더 트랜스미터(복합기상센서)를 적용할 수 있다. 그러나, 페이로드가 증가함에 따라 비행시간이 급격히 감소하는 멀티콥터에 탑재하기 위해서는 기본적으로 관성 속도 및 프로펠러 회전에 따른 공기 유동 보정과 함께 무게를 획기적으로 절감해야 한다.
본 발명은, 기상관측을 위해 사용하고 있는 일회성의 라디오존데를 대체하여 비용을 절감할 수 있는 멀티콥터(드론) 기반의 기상관측 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측 기술에 대한 것이다. 레윈존데 관측은 라디오존데 관측과 라디오윈드 관측(상층바람관측)을 동시에 실시하는 관측기술이다. 라디오윈드(radio wind) 관측은 전자기기를 사용하여 기구를 추적한 결과를 가지고 상층 풍향, 풍속을 결정하는 방법이다. 레윈존데는 수소가스를 주입한 기구에 매달려 300~400m/min의 속도로 상승하면서 0.5~2.5초 간격으로 상층의 기압, 기온, 습도의 측정값과 수신된 신호를 400~406MHz의 주파수(모스 부호식, 펄스시간 간격식)로 지상에 송신한다. 지상수신기에서는 수신된 신호를 해독하여 기압, 기온, 습도, 지위 고도 및 풍향, 풍속을 계산한다.
멀티콥터에 탑재되는 기상관련 임무장비로는 기상관측 복합센서와 함께, 센서측정 데이터처리를 위한 제어보드 및 무선송수신장치, 영상카메라(안개 및 미세먼지 등 기상현상 파악), 멀티콥터 운용(상승/하강비행)에 따른 실시간 측정 및 자료 전송 기능이 필요하다. 임무장비 관련하여 기본적으로 정밀 풍향 및 풍속센서 기술, 센서 저온 운용 기술, 전산 해석을 통한 센서 최적위치 선정기술, 전산해석 및 풍동시험을 통한 풍향 및 풍속센서 보정기술, 멀티콥터 이동을 고려한 풍향과 풍속 데이터 산출기술이 필요할 것으로 판단된다. 기상관측용 멀티콥터 항법 및 비행제어로는 자동 이·착륙 및 지정경로 자율비행, 야간 및 안개 등 시정 난조건 상태 비행, 일시적 GPS 오동작 조건에서 비행 통제 가능, 특정시간 관제신호 상실시 설정된 안전지대 또는 이륙지점으로 자동 복귀, 특정 프로펠러 작동 불능시 멀티콥터 자세제어 기능 유지 및 비상착륙, 안전 운용을 위한 국부적 전용 비행 영역 설정 기술도 필요할 것이다. 이와 함께, 센서특성, 멀티콥터 성능, 운용시 기상상황, 운용요구도에 따라 정지비행 고도 및 시간을 포함한 임무선도 설정도 필요하다.
상기 기상관측용 멀티콥터의 필요조건 및 기술들은 기본적으로 제공되지만, 멀티콥터에는 복수 개의 프로펠러 회전에 의한 복잡한 공기 유동이 멀티콥터 전체에 걸쳐 발생한다는 문제점이 있다. 각각의 프로펠러 회전 조건에 따라 중첩되는 복잡한 공기 유동은 프로펠러 상하에 걸쳐 강한 와류 형태로 발생하기 때문에, 기존의 기상관측 복합센서로 풍향 및 풍속을 측정하고 풍동시험 결과로 보정 계산하기에는 한계가 많다. 특히, 상대적으로 기상 풍속에 비해 멀티콥터 프로펠러로 인한 풍속(Noise)이 크다는 점도 해결하여야 한다. 즉, 상공의 바람을 측정하는 것이 아니라, 프로펠러에서 발생하는 바람을 측정하게 된다. 상기 문제점을 해결하기 위해 기상관측 복합센서를 멀티콥터 중심으로부터 충분히 멀리 떨어트려 설치하는 방법이 제안될 수 있지만, 500g 내외의 기상관측 복합센서를 멀리 떨어트릴수록 모멘텀(거리x하중)이 증가하여 멀티콥터 자세 및 비행제어가 어려워진다. 센서 위에 바람 차단판을 설치하는 것은 멀티콥터를 중력방향으로 미는 역효과가 있다. 그러므로 풍향 및 풍속에 따라 상승하는 이동 궤적을 측정하여 풍향과 풍속을 계산하는 라디오존데(시간당 이동궤적)와 달리, 멀티콥터에 기상관측 복합센서를 설치하여 풍향과 풍속을 계측하기 위해서는 다음과 같은 과제를 먼저 해결하여야 한다.
첫째, 멀티콥터의 프로펠러 회전으로부터 발생하는 복잡한 공기 흐름이 풍향과 풍속을 측정하는 센싱 영역에 영향을 주지 않아야 한다. 비행 조건 및 멀티콥터 제작 특성에 따라 멀티콥터 각각의 프로펠러는 다르게 구동되는 만큼(자이로센서 기반 자세제어로 결정), 단순히 풍동 시험 데이터로 보정하는 것은 한계가 많다. 특히 기상 풍속에 비해 프로펠러 풍속이 상대적으로 비행체 주변에서는 강하기 때문에 정확한 측정이 어렵다.
둘째, 풍향 및 풍속에 따라 상승하는 이동 궤적을 측정하여 풍향과 풍속을 계산하는 라디오존데(시간당 이동궤적)와 달리, 멀티콥터에 풍향 및 풍속 센서를 설치하여 비행중 풍향과 풍속을 측정할 경우 멀티콥터 관성 속도(Ineryial Velocity) 영향을 고려해야 한다.
셋째, 최대 운용 고도 2,500m까지 비행하는 기상 관측용 멀티콥터(드론)의 경우 추락에 대한 적극적인 안전 대책이 필요하다. 2,500m 상공에서 무게 2kg 내외의 기상관측용 멀티콥터가 악천후, 배터리 및 제어장치 고장에 의해 추락하여 차량 및 사람과 부딪힐 경우 대형 참사가 발생하기 때문이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 1) 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서 대신 튜브형 풍속센서와 멀티콥터의 회전비행 모드(Yawing)를 결합하여 풍향을 측정하도록 하고, 2) 멀티콥터는 정지비행 상태에서 풍속과 풍향을 측정하도록 하여 멀티콥터의 관성속도(Inertial velocity)의 영향이 없도록 하며, 3) 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시켜 하강 속도를 감소시키도록 하여, 멀티콥터를 이용한 기상 관측 소기의 목적을 달성하도록 한다.
첫째, 비행 조건 및 멀티콥터 제작 특성에 따라 멀티콥터 각각의 프로펠러는 다르게 구동되는 만큼(자이로센서 기반 비행자세제어), 바람의 세기를 변화시켜 시험하는 풍동시험 데이터로 프로펠러 회전에 따른 난류(turbulent, vortex)를 보정하는 방식은 센서의 반복성과 신뢰성을 고려하면 적합하지 않은 방법이다. 특히 기상 풍속에 비해 프로펠러 회전 풍속이 비행체 주변(센서 설치 장소)에서는 상대적으로 강하기 때문에 정확한 측정이 어렵다. 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서(3Cup과 Rudder회전 타입 풍향풍속계, 초음파 타입 풍향풍속계) 대신 멀티콥터 진행 방향에 경량 장축 튜브와 내부의 풍속센서(풍동 형태)를 적용하면 프로펠러 회전에 의한 난류 영향을 제거할 수 있다. 경량 장축 튜브형 풍속센서로 풍속을 측정하면서 멀티콥터는 회전비행모드(Yawing)로 회전하면서 측정하는 풍속이 제일 높은 방향(방위각센서)을 풍향으로 결정한다. 경량 장축 튜브(직경 20mm x 1m 박형 튜브 기준 50g 이내)와 내부의 풍속센서(MEMS형의 경우 10g 이내 무게)를 결합하므로 총 100g 이내로 제공할 수 있어 멀티콥터의 페이로드를 낮추는 효과가 크다.
둘째, 풍향 및 풍속에 따라 상승하는 이동 궤적을 측정하여 풍향과 풍속을 계산하는 라디오존데(시간당 이동궤적)와 달리, 항공기에 풍속 센서를 설치하여 비행중 풍속을 측정할 경우 항공기 관성 속도(Ineryial Velocity) 영향을 고려하여 계산하고 있다. 그러나 멀티콥터를 이용하여 풍향, 풍속 등 기상 정보를 측정할 때는 정지 비행 상태에서 측정하도록 구성하므로 비행기의 풍속센서(피토튜브)와 달리 관성 속도를 고려할 필요가 없다는 장점이 있다.
셋째, 최대 운용 고도 2,500m까지 비행하는 기상 관측용 멀티콥터(드론)의 경우 추락에 대한 적극적 안전 대책으로 드론 낙하산이 필요하다. 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시켜 멀티콥터 추락 속도를 감소시키도록 구성한다. 정상동작 멀티콥터의 경우 하강속도를 3m/s으로 설계했다면, 그 이상의 하강 속도로 일정 시간 이상(일례로 3초) 하강하는 경우 비정상적인 비행 상태로 판단하고 낙하산을 자동 작동시키는 개념이다. 이 경우 지상국에는 GPS 좌표를 주기적으로 전송하여 멀티콥터가 조종 불능 상태로 추락하더라도 회수 가능하도록 한다. 낙하산 모듈에는 속도를 감지하기 위한 가속도센서 및 GPS수신기, 무선통신 모듈을 독립적으로 설치하여 멀티콥터 제어컴퓨터와 이원화시켜 작동하도록 구성할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 기상관측을 위해 사용하고 있는 일회성의 라디오존데를 대체하여 비용을 절감할 수 있는 멀티콥터(드론) 기반의 기상관측 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측 기술에 대한 것이다. 특히, 비행 조건 및 멀티콥터 제작 특성에 따라 멀티콥터 각각의 프로펠러는 다르게 구동되는 만큼, 바람의 세기를 변화시켜 시험하는 풍동시험 데이터로 프로펠러 회전에 따른 난류(혹은 와류)를 보정하는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해, 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서(3Cup과 Rudder회전 타입 풍향·풍속계, 초음파 타입 풍향·풍속계) 대신 멀티콥터 진행 방향에 설치하는 경량 장축 튜브 내부에 풍속센서(풍동 형태)를 적용하면 프로펠러 회전에 의한 난류 영향을 제거할 수 있다. 본 발명은 멀티콥터의 회전비행모드(Yawing)로 회전하면서 경량 장축 튜브형 풍속센서로 측정하는 풍속이 제일 높은 방향(방위각센서)을 풍향으로 결정하는 방법이다. 이와 함께 2,500m 이상 상승하는 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시켜 하강 속도를 감소시키도록 구성한다. 이를 통하여, 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째, 멀티콥터(드론) 기반의 기상관측 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측하는데, 프로펠러 회전에 따른 난류로 측정이 어려웠던 풍속·풍향을 측정하여 일회성 라디오존데를 대체할 수 있다.
둘째, 정지비행 상태에서 멀티콥터의 회전비행모드(Yawing)로 회전하면서 경량 장축 튜브형 풍속센서로 측정한 풍속이 제일 높은 방향(방위각센서)을 풍향으로 결정하는 방법을 적용함으로써 정확성과 함께 기상 관측 복합센서의 무게를 줄일 수 있다.
셋째, 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시키도록 구성하여, 최대 운용 고도 2,500m까지 비행하는 기상 관측용 멀티콥터(드론)의 경우 추락에 대한 적극적 안전 대책을 제공한다.
넷째, 현재 고도별 기상관측은 일회용 라디오존데를 사용하고 있으나, 상공의 바람에 따라 상승이동하기 때문에 목적관측을 위해 특정고도에서 지속적으로 기상 관측이 불가능했던 문제를 해결할 수 있다.
다섯째, 일회성 라디오존데를 대체할 경우, 국지적인 기상감시, 기상예보, 기상연구를 위한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속, 미세먼지 등의 기상요소에 대해, 보다 많은 지역(현재 국내 라디오존데는 7개 측위소에서 하루 2회 실시)에서 고도별 실시간 계측이 가능하다.
제1도는 기상관측용 일회용 라디오존데의 구성도이다.
제2도는 핀란드 바이살라 회사의 라디오존데를 원격으로 제어하고 자동으로 비양하는 고층관측장비 오토존데의 구성도이다.
제3도는 3 컵(CUP) 타입과 초음파 타입의 풍향·풍속계 이미지도이다.
제4도는 핀란드 바이살라 회사의 기온, 습도, 풍향, 풍속, 강우량, 기압을 동시에 측정하는 무게 650g의 기상관측 복합센서 이미지도이다.
제5도는 프로펠러 회전에 따른 멀티콥터(3개, 4개 프로펠러) 주변의 공기 흐름을 전산 해석한 이미지도이다.
제6도는 본 발명의 멀티콥터 회전비행(Yawing)을 이용하여 풍속·풍향을 측정하는 기상관측용 멀티콥터의 외형도이다.
제7도는 본 발명의 멀티콥터의 회전비행을 이용하여 풍속·풍향을 측정하는 기상관측용 멀티콥터의 구성도이다.
제8도는 본 발명의 멀티콥터 혹은 짐벌의 요우(YAW)축을 중심으로 풍속측정관 회전에 따른 풍향과 풍속 측정 흐름도이다.
본 발명은 기상관측을 위해 사용하고 있는 일회용 라디오존데를 대체하여 비용을 절감할 수 있는, 멀티콥터(드론) 기반의 기상관측 복합센서를 이용한 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등과 같은 기상요소의 고도별 실시간 관측 기술에 대한 것이다. 멀티콥터에는 복수 개의 프로펠러 회전에 의한 복잡한 공기 유동이 멀티콥터 전체에 걸쳐 발생한다. 각각의 프로펠러 회전 특성에 따라 발생하는 복잡한 공기 유동은 상하에 걸쳐 난류·와류 형태로 발생하기 때문에, 기존의 기상관측 복합센서를 사용하여 풍향 및 풍속을 측정하고 풍동 시험 데이터로 보정 계산하기에는 한계가 많다. 특히, 상대적으로 기상 풍속에 비해 멀티콥터 프로펠러로 인한 풍속(Noise)이 크다는 점도 해결하여야 한다. 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 1) 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서 대신 튜브형 풍속센서와 멀티콥터의 회전비행모드(Yawing)를 결합하여 풍속과 풍향을 측정하도록 하고, 2) 멀티콥터의 정지비행 상태에서 풍속과 풍향을 측정하도록 하여 멀티콥터의 관성속도(Inertial velocity)의 영향을 없도록 하며, 3) 멀티콥터에 드론 낙하산을 부착하고, 정상적인 하강 속도를 정해진 시간 이상 벗어나는 경우 낙하산을 작동시켜 추락 속도를 감소시키도록 하여, 멀티콥터를 이용한 기상 관측 소기의 목적을 달성하도록 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1도는 기상관측용 일회용 라디오존데의 구성도이다. 한국 기상청은 대기 상태를 파악하기 위해 제주 등 전국 7개 관측소에서 하루에 두 번 기상관측 센서가 달린 라디오존데(Radiosonde)를 띄운다. 라디오존데라고 불리는 풍선은 상공의 기압, 기온, 습도, 풍향, 풍속 등의 기상 정보를 감지해 지상으로 보낸다. 풍향 및 풍속은 라디오존데의 이동궤적(GPS)을 추적하여 계산한다. 제2도는 핀란드 바이살라 회사의 라디오존데를 원격으로 제어하고 자동으로 비양하는 고층관측장비 오토존데의 구성도이다. 제3도는 3 컵(CUP) 타입과 초음파 타입의 풍향·풍속계 이미지도이다. 3 컵(CUP) 타입 풍향·풍속계는 3컵(CUP)과 러더(RUDDER)의 회전을 통해 실시간으로 바람의 방향과 속도를 측정하며, 초음파 타입은 초음파의 원리를 이용하여 풍향·풍속을 측정한다. 제4도는 핀란드 바이살라 회사의 기온, 습도, 풍향, 풍속, 강우량, 기압을 동시에 측정하는 무게 650g의 기상관측 복합센서의 이미지도이다. 지상 및 선박에서 사용하는 용도로 제작되었지만, 유사 제품들의 무게가 1~2kg 과 비교하면 경량화되었다.
제5도는 프로펠러 회전에 따른 멀티콥터(3, 4개 프로펠러) 주변의 공기 흐름을 전산 해석한 이미지도이다. 일반적으로 항공기에 설치하는 유속계(Pitot tube)에서는 전산해석 및 풍동 시험을 통한 풍향 및 풍속센서 설계 및 항공기 이동(Inertial velocity)을 고려한 풍향과 풍속 데이터 보정 기술을 적용하고 있다. 그러나 그림과 같이 멀티콥터는 복수 개의 프로펠러 회전에 의한 복잡한 공기 유동이 멀티콥터 전체에 걸쳐 발생한다. 즉, 각각의 프로펠러 회전 조건에 따라 발생하는 복잡한 공기 유동은 상하에 걸쳐 난류/와류 형태로 발생하기 때문에, 항공기와 달리 기존의 기상관측 복합센서 풍향 및 풍속 측정값을 풍동시험 데이터로 보정 계산하기에는 한계가 많다. 상기 문제점을 해결하기 위해 기상관측 복합센서를 멀티콥터 중심으로부터 충분히 멀리 떨어뜨려 설치하는 방법이 제안될 수 있지만, 500g 내외의 기상관측 복합센서를 멀리 떨어뜨릴수록 모멘텀(거리x하중)이 증가하여 멀티콥터 자세 및 비행제어가 어려워진다.
제6도는 본 발명의 멀티콥터의 회전비행을 이용하여 풍속·풍향을 측정하는 기상관측용 멀티콥터의 외형도이다. 비행 조건 및 멀티콥터 제작 특성에 따라 멀티콥터 각각의 프로펠러는 다르게 구동되는 만큼(자이로센서 기반 비행자세제어), 바람의 세기를 변화시켜 시험하는 풍동시험 데이터로 프로펠러 회전에 따른 난류(turbulent)를 보정하는 방식은 센서의 반복성과 신뢰성을 고려하면 적합하지 않은 방법이다. 특히 기상 풍속에 비해 프로펠러 회전 풍속이 비행체 주변(센서 설치 장소)에서는 상대적으로 강하기 때문에 정확한 측정이 더욱 어렵다. 지상에서 사용하는 개방형 풍속·풍향 센서(3 Cup과 Rudder 회전 타입 풍향·풍속계, 초음파 타입 풍향·풍속계) 대신 멀티콥터 진행 방향에 경량 장축 튜브 내부에 풍속센서(풍동 형태)를 적용하면 프로펠러 회전에 의한 난류/와류 영향을 제거할 수 있다. 경량 장축 튜브형 풍속센서로 풍속을 측정하면서 멀티콥터의 회전비행모드(Yawing)로 회전하면서 풍속이 제일 높은 방향(방위각센서)을 풍향으로 결정한다. 경량 장축 튜브(직경 20mm x 1m 박형 튜브 50g 이내)와 내부의 풍속센서(MEMS형의 경우 10g 이내 무게)를 결합하므로 100g 이내로 제공할 수 있어 멀티콥터의 페이로드를 낮추는 효과도 있다. 풍향 및 풍속에 따라 상승하는 이동 궤적을 측정하여 풍향과 풍속을 계산하는 라디오존데(시간당 이동궤적)와 달리, 멀티콥터를 이용하여 풍향, 풍속 등 기상 정보를 측정할 때는 정지 비행 상태에서 측정하도록 구성하면 비행기의 피토튜브와 달리 관성 속도를 고려할 필요가 없다는 장점이 있다. 즉, 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서, 복수 개의 프로펠러 구동모터(6)로 각각의 프로펠러(2) 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터(1); 드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위성좌표수신기 혹은 관성센서 혹은 고도센서로 구성되는 위치측정센서(3) 수단; 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류/와류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)과 내부의 풍속측정센서(7); 풍속측정관(5)을 이동(혹은 회전)시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 방위각(방위각센서의 출력)을 찾는 수단; 온도, 기압, 고도, 습도를 측정하는 기상측정센서(4); 선택적으로, 상공 및 지상의 상태를 관찰하기 위한 카메라 센서(8) 수단; 선택적으로, 멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산(9)으로 구성한다. 즉, 풍속측정관(5)을 회전 및 이동시키면서 풍속을 측정하고, 최대 풍속 방향을 찾아 풍향을 측정하는 방법 및 기상측정용 멀티콥터에 대한 것이다. 이 경우, 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)을 각도를 달리하여 복수 개 설치하고, 여러 각도의 풍속을 동시에 설치하여, 풍속이 강한 방향으로 풍속측정관(5)을 이동시켜 풍향을 찾아내도록 구성할 수 있다. 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)은, 멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 향하도록 고정 설치한다. 이 경우, 풍속측정관(5)을 이동시키는 수단으로, 멀티콥터(1)를 요우(YAW) 회전 비행하는 방식으로 구현할 수 있다. 멀티콥터는 하단에 짐벌(Gimbal)을 설치하여 카메라를 원하는 방향으로 향하도록 3축 제어하고 있다. 풍속측정관(5)을 멀티콥터(1) 몸체에 고정하는 방식대신 짐벌에 고정시키면 세밀하게 풍향을 측정(중국 DJI 회사의 Osmo 짐벌 진동 제어 정밀도 ±0.3°)할 수 있다. 즉, 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)을, 멀티콥터(1)에 부착하는 짐벌(Gimbal)에 고정하도록 구성하여, 짐벌 자세 제어로 풍향과 풍속을 측정한다. 이 경우, 풍속측정관(5)을 이동시키는 수단으로, 짐벌을 멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전하도록 제어한다. 상기와 같은 경우에는, 1단계로 풍속측정관(5)을 멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 방위각을 찾는 수단에서, 풍속이 최대인 해당 방위각이 해당 위치와 고도에서의 풍향; 최대 풍속이 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정한다. 풍속이 최대인 해당 방위각이 해당 위치와 고도에서의 풍향; 최대 풍속이 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정한 후, 2단계로 풍속측정관(5)을 멀티콥터(1) 혹은 짐벌의 피치(PITCH) 축을 중심으로 상하로 이동시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 피치(PITCH)각을 찾는 수단으로, 3차원 풍향과 해당 풍속을 결정할 수 있다. 즉, 2차원 적인 풍향이 아닌 상하를 고려한 바람의 3차원 적인 방향을 찾을 수 있다. 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)에, 온도, 기압, 습도를 측정하는 기상측정센서(4)를 설치할 수 있다. 혹은, 멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)에, 방위각센서를 설치하여 풍향을 정확하게 측정하도록 구성할 수 있다.
멀티콥터는 정해진 방위각을 향하도록 정지비행을 할 때, 페이로드와 바람에 따라 각각의 프로펠러의 회전 특성을 다르게 제어해야 한다. 바람이 없을 경우(일레로 실내) 각각의 프로펠러 모터를 정상적으로 제어하지만, 바람이 불어오면 프로펠러 모터를 바람을 이기도록 다르게 제어해야 한다. 이러한 특성을 역으로 이용하면 정확도는 떨어지지만 풍향과 풍속을 측정할 수 있다. 즉, 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서, 복수 개의 프로펠러 구동모터(6)로 각각의 프로펠러(2) 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터(1); 드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위치측정센서(3) 수단; 특정 방위각으로 정지비행을 유지하기 위한 각각의 프로펠러의 회전 제어값으로 풍향과 풍속을 역산하는 수단으로 구성한다. 이를 통해, 멀티콥터 각각의 프로펠러 회전 제어값으로 풍향과 풍속을 측정할 수 있다.
최대 운용 고도 2,500m까지 비행하는 기상 관측용 멀티콥터(드론)의 경우 추락에 대한 적극적 안전 대책이 필요하다. 2,500m 상공에서 무게 2kg 내외의 기상관측용 멀티콥터가 악천후, 배터리 및 제어장치 고장에 의해 추락, 차량 및 사람과 부딪힐 경우 대형 참사가 발생하기 때문이다. 멀티콥터(1)가 정상 하강속도를 벗어나 규정시간 이상 지속하는 경우, 멀티콥터(1) 조종불능 상태로 판단하는 수단; 드론 낙하산(9)을 작동시켜 낙하산을 펼쳐 추락속도를 낮추도록 구성한다. 드론 낙하산(9)을 작동시켜 낙하산을 펼쳐 하강속도를 낮추도록 구성하면서, 주기적으로 위성측정센서(3)의 좌표값을 지상의 조종 컴퓨터에 무선으로 전송하여 해당 멀티콥터가 지상에 도달시 회수하도록 구성한다.
제 7 도는 본 발명의 멀티콥터의 회전비행을 이용하여 풍속·풍향을 측정하는 기상관측용 멀티콥터의 구성도이다. 즉, 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서, 복수 개의 프로펠러 구동모터로 각각의 프로펠러 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터; 드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위성좌표수신기와 관성센서(19) 수단 및 비행제어컴퓨터(10) 수단; 기상 측정하는 위치 및 고도에 도달하면 정지비행 상태를 유지하는 수단; 위성좌표수신기 및 관성센서(19)와 방위각센서(20)로 풍속측정센서(13)의 위치정보를 읽어들이는 수단; 온도, 습도, 기압센서(15)의 기상정보 측정값을 읽어들이는 수단; 멀티콥터 혹은 짐벌에 설치된 풍속측정관 내의 풍속측정센서(13)를 요우(YAW) 축으로 회전시켜 풍향을 결정하는 수단; 멀티콥터의 위치정보(좌표,고도,방위)와 측정한 기상정보(온도, 습도, 기압, 풍속, 풍향)를 무선으로 지상의 조종 및 기상정보분석컴퓨터(11)에 전달하는 무선통신수단(12); 선택적으로, 상공 및 지상의 상태(일례로 미세먼지, 안개)를 관찰하기 위한 카메라 센서(11) 수단; 선택적으로, 멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산작동장치(16) 및 낙하산(17)으로 구성한다. 이 경우, 비행제어컴퓨터(10)가 동작불능 상태일 때도, 독립적으로 동작하는 위성좌표수신기 혹은 관성센서를 포함하는 드론하강속도 감지장치(18)로, 멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산작동장치(16) 및 낙하산(17)로 구성한다.
제 8 도는 본 발명의 멀티콥터 혹은 짐벌의 요우(YAW)축을 중심으로 풍속측정관 회전에 따른 풍향과 풍속을 측정하는 프로그램 흐름도이다. 즉, 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어, 위성좌표 및 고도를 측정하는 단계; 기상을 측정해야 하는 위치에서 정지비행하는 단계; 멀티콥터 혹은 짐벌에 고정된 풍속측정관을 멀티콥터 혹은 짐벌의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전시키는 단계; 풍속측정관 내의 풍속을 측정하는 단계; 방위각을 측정하는 단계; 방위각마다 풍속을 저장하는 단계; 풍속측정관을 멀티콥터의 요우(YAW) 축을 중심으로 360 회전했는지 판단하는 단계; 풍속이 최대인 해당 방위각이 해당 위치와 고도에서의 풍향으로 결정하는 단계; 최대 풍속을 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정하는 단계로 이루어진다.
이상과 같이, 멀티콥터에서 기상 정보 특히 풍속·풍향을 측정할 수 있는 기술이 구현될 경우, 일회용 라디오존데로 소모되는 비용(한국기상청의 경우 연 20억원 이상) 절감은 물론, 많은 지역(한국기상청/공군 라디오존데는 7군데에서 하루 2회 측정)에서 고도별로 기상 정보를 측정함으로써, 국지적 기상 감시 및 예보를 위한 기상 데이터 수집에 적용될 수 있다. 위험기상·재해 등으로 접근불가 지역의 기상현상 관측·감시·예보를 위한 실시간 자료를 확보하여 재난 피해 최소화 및 목적별 상공의 대기상태 연구 자료로 활용될 수 있다.
1 : 멀티콥터 2 : 프로펠러
3 : 위치측정센서 4 : 기상측정센서
5 : 풍속측정관 6 : 모터
7 : 풍속측정센서 8 : 카메라센서
9 : 드론 낙하산 10 : 비행제어컴퓨터
11 : 카메라센서 12 : 무선통신수단
13 : 풍속측정센서 14 : 조종 및 기상정보분석 컴퓨터
15 : 온도, 습도, 기압센서 16 : 드론 낙하산 작동장치
17 : 낙하산 18 : 드론하강속도 감지장치
19 : 위성좌표수신기 및 관성센서 20 : 방위각센서

Claims (16)

  1. 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서,
    복수 개의 프로펠러 구동모터(6)로 각각의 프로펠러(2) 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터(1);
    드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위치측정센서(3) 수단;
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5) 및 내부의 풍속측정센서(7);
    풍속측정관(5)을 이동(혹은 회전)시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 방위각(방위각센서 출력)을 찾는 수단;
    온도, 기압, 고도, 습도를 측정하는 기상측정센서(4)
    선택적으로, 상공 및 지상의 상태를 관찰하기 위한 카메라 센서(8) 수단;
    선택적으로, 멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산(9)으로 구성함을 특징으로 하는 풍속측정관으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  2. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)을 각도를 달리하여 복수 개 설치하여,
    여러 각도의 풍속을 동시에 설치하여
    풍속이 강한 방향으로 풍속측정관(5)을 이동시켜 풍향을 찾아내도록 구성함을 특징으로 하는 풍속측정관으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  3. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)을
    멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 향하여 설치함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  4. 제 3 항에 있어서,
    풍속측정관(5)을 이동시키는 수단으로
    멀티콥터(1)를 요우(YAW) 회전 비행함을 특징으로 하는 멀티콥터 요우 회전으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  5. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)을
    멀티콥터(1)에 부착하는 짐벌(Gimbal)에 고정함을 특징으로 하는 짐벌 자세제어로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  6. 제 5 항에 있어서,
    풍속측정관(5)을 이동시키는 수단으로
    짐벌을 멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전하도록 제어함을 특징으로 하는 짐벌 요우 회전으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  7. 제 1 항에 있어서,
    풍속측정관(5)을 멀티콥터(1)의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 방위각을 찾는 수단에서
    풍속이 최대인 해당 방위각이, 해당 위치와 고도에서의 풍향;
    최대 풍속이, 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  8. 제 7 항에 있어서,
    풍속이 최대인 해당 방위각이, 해당 위치와 고도에서의 풍향;
    최대 풍속이, 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정한 후
    풍속측정관(5)을 멀티콥터(1) 혹은 짐벌의 피치(PITCH) 축을 중심으로 상하로 이동시키면서 풍속측정센서(7)의 풍속이 최대인 피치(PITCH)각을 찾는 수단에서
    해당 피치(PITCH) 각으로 3차원 풍향과 해당 풍속을 결정함을 특징으로 하는 풍속측정관 피치 방향 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  9. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)에
    온도, 기압, 습도를 측정하는 기상측정센서(4)를 설치함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  10. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1) 프로펠러(2) 회전으로 인한 난류 영향이 없는 지역에 설치하는 풍속측정관(5)에
    방위각센서를 설치함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  11. 제 1 항에 있어서,
    멀티콥터(1)가 정상 하강속도를 벗어나 규정시간 이상 지속하는 경우
    멀티콥터(1) 조종불능 상태로 판단하는 수단;
    드론 낙하산(9)을 작동시켜 낙하산을 펼쳐 하강속도를 낮추도록 구성함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  12. 제 11 항에 있어서,
    드론 낙하산(9)을 작동시켜 낙하산을 펼쳐 하강속도를 낮추도록 구성하면서
    주기적으로 위성측정센서(3)의 좌표값을 지상의 조종 컴퓨터에 무선으로 전송하여 지상에 도달시 회수하도록 구성함을 특징으로 하는 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  13. 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서,
    복수 개의 프로펠러 구동모터(6)로 각각의 프로펠러(2) 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터(1);
    드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위치측정센서(3) 수단;
    특정 방위각으로 정지비행을 유지하기 위한 각각의 프로펠러 회전 제어값으로 풍향과 풍속을 역산하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 멀티콥터 프로펠러 회전 제어값으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 풍속·풍향 측정 방법
  14. 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서,
    복수 개의 프로펠러 구동모터로 각각의 프로펠러 회전을 제어하여 원하는 위치로 비행 혹은 정지 비행(호버링 포함)하는 기능을 갖는 멀티콥터;
    드론의 비행 경로 및 자세를 제어하기 위한 위성좌표수신기와 관성센서(19) 수단 및 비행제어컴퓨터(10) 수단;
    기상 측정하는 위치 및 고도에 도달하면 정지비행 상태를 유지하는 수단;
    위성좌표수신기 및 관성센서(19)와 방위각센서(20)로 풍속측정센서(13)의 위치정보를 읽어들이는 수단;
    온도, 습도, 기압센서(15)의 기상정보 측정값을 읽어들이는 수단;
    멀티콥터 혹은 짐벌에 설치된 풍속측정관 내의 풍속측정센서(13)를 요우(YAW) 축으로 회전시켜 풍향을 결정하는 수단;
    멀티콥터의 위치정보(좌표,고도,방위)와 측정한 기상정보(온도, 습도, 기압, 풍속, 풍향)를 무선으로 지상의 조종 및 기상정보분석컴퓨터(11)에 전달하는 무선통신수단(12);
    선택적으로, 상공 및 지상의 상태(일례로 미세먼지, 안개)를 관찰하기 위한 카메라 센서(11) 수단;
    선택적으로, 멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산작동장치(16) 및 낙하산(17)으로 구성함을 특징으로 하는 풍속측정센서 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 측정 방법
  15. 제 14 항에 있어서,
    비행제어컴퓨터(10)가 동작불능 상태일 때도
    독립적으로 동작하는 드론하강속도 감지장치(18)로
    멀티콥터(1)의 하강 속도에 이상이 있을 경우 작동시키는 드론 낙하산작동장치(16) 및 낙하산(17)로 구성함을 특징으로 하는 풍속측정센서 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상측정용 멀티콥터 및 측정 방법
  16. 기상측정센서를 탑재한 멀티콥터에 있어서,
    위성좌표 및 고도를 측정하는 단계;
    기상을 측정해야 하는 위치에서 정지비행하는 단계;
    멀티콥터 혹은 짐벌에 고정된 풍속측정관을 멀티콥터 혹은 짐벌의 요우(YAW) 축을 중심으로 회전시키는 단계;
    방위각 측정 및 풍속측정관 내의 풍속을 측정하는 단계;
    방위각마다 풍속을 저장하는 단계;
    풍속측정관을 멀티콥터의 요우(YAW) 축을 중심으로 360 회전했는지 판단하는 단계;
    풍속이 최대인 해당 방위각이, 해당 위치와 고도에서의 풍향으로 결정하는 단계;
    최대 풍속이, 해당 위치와 고도에서의 풍속으로 결정함을 특징으로 하는 멀티콥터에서 풍속측정관 이동으로 풍향과 풍속을 측정하는 방법

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