KR20190102494A - 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치 - Google Patents

무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치 Download PDF

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KR20190102494A
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제임스모리슨
박효린
강현욱
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무인항공기가 배터리 교체 또는 충전을 위해 착륙할 경우, 자동으로 배터리 교체/충전을 위한 위치로 정렬시켜주는, 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 특정 위치에 배터리 교체/충전부를 구비하는 무인항공기 충전 스테이션 위에 무인항공기가 착륙하는 경우, 해당 배터리 교체/충전부에 정확히 맞추어 착륙하지 않아도 자동으로 신속하게 배터리 교체/충전부에 맞추어지도록 정렬시켜주는, 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치를 제공한다.

Description

무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치{UNMANNED-AERIAL-VEHICLE ALIGNMENT APPARATUS FOR UAV CHARGING STATION}
본 발명은 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무인항공기가 배터리 교체 또는 충전을 위해 착륙할 경우, 자동으로 배터리 교체/충전을 위한 위치로 정렬시켜주는, 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치에 관한 것이다.
도 1은 무인항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)의 일종인 드론(dron)(10)의 일 실시예로서의 형태를 도시한 도면이고, 도 2는 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(100)의 일 실시예로서의 형태를 도시한 도면이다.
이하에서는 드론을 포함한 모든 종류의 무인항공기를 통칭하여 '무인항공기(10)'라 칭하기로 한다. 무인항공기의 프레임과 프로펠러(12)를 보호하기 위해서는 연질의 보호장구(11)가 구비된다. 도 1(a)는 보호장구가 구비되지 않은 무인항공기이며, 도 1(b)는 보호장구(11)가 구비된 무인항공기(10)이다. 도 1(b)의 왼쪽 하단부에 도시되어 있는 바와 같이, 보호장구(11)는 손으로 잡아당겨도 늘어날 정도로 연질의 재질로 구성된다.
도 2(a)의 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(100)의 플레이트(110) 하부에는 충전부(130)가 배치되어 있다. 충전부(130)로부터 플레이트의 특정지점(이하 '충전포인트'라 한다)으로 무인항공기의 충전을 위한 전력이 전달되며, 무인항공기(10)는 플레이트(110) 위에 착륙하여 충전포인트와 접촉되도록 정렬됨으로써 충전을 받게 된다. 도 2의 실시예에서 4개로 구성된 정렬장치(120)는, 플레이트(110) 위에 착륙한 무인항공기(10)를 동시에 가운데로 밀면서 무인항공기(10)가 충전포인트와 접촉되도록 정렬시키는 역할을 수행한다.
도 2(b)는 그와 같은 양측의 한쌍의 정렬장치(120)를 손으로 가운데로 미는 방식으로 무인항공기(10)를 충전포인트와 접촉하도록 정렬시키려는 시도를 보여준다. 물론 이와 같이 정렬장치(120)를 손으로 미는 수동 방식으로 정렬시키지는 않는다. 도 2(b)에 나타나 있듯이 양측에서 연질의 보호장구(11)는 안쪽으로 힘을 가하는 정렬장치(120)에 의해 찌그러지기만 할 뿐, 회전에 의한 정렬이 이루어지기가 매우 어려운 문제점이 있다. 이는 보호장구(11)와 정렬장치(120) 간의 마찰력 때문인데, 이하에서 도 3을 참조하여 그 원리를 후술하기로 한다.
KR 10-1792555 B1
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 특정 위치에 배터리 교체/충전부를 구비하는 무인항공기 충전 스테이션 위에 무인항공기가 착륙하는 경우, 해당 배터리 교체/충전부에 정확히 맞추어 착륙하지 않아도 자동으로 신속하게 배터리 교체/충전부에 맞추어지도록 정렬시켜주는, 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무인항공기 충전 스테이션 장치는, 무인항공기가 착륙하는 플레이트(plate); 상기 플레이트 상에서, 무인항공기가 착륙할 위치 주위에 구비되어, 착륙한 무인항공기를 중앙으로 밀어 회전시킴으로써 배터리 교체위치 또는 충전위치에 정렬시키는 역할을 수행하는 정렬장치; 및, 상기 정렬장치 표면에 부착되어 무인항공기와 상기 정렬장치의 마찰력을 감소시킴으로써 상기 무인항공기의 회전이 원활하게 일어나도록 하기 위한 롤러(roller)를 포함한다.
상기 정렬장치 외측에는, 상기 정렬장치를 외측으로부터 내측으로 미는 푸쉬(push)부를 구비하고, 상기 푸쉬부는, 푸쉬 레버(lever); 및 푸쉬 탄성부를 포함할 수 있다.
상기 푸쉬 레버와 상기 정렬장치는, 힌지(hinge)에 의해 연결되어 있을 수 있다.
본 발명에 의하면, 특정 위치에 배터리 교체/충전부를 구비하는 무인항공기 충전 스테이션 위에 무인항공기가 착륙하는 경우, 해당 배터리 교체/충전부에 정확히 맞추어 착륙하지 않아도 자동으로 신속하게 배터리 교체/충전부에 맞추어지도록 정렬시켜주는, 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 무인항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)의 일종인 드론(dron)의 일 실시예로서의 형태를 도시한 도면.
도 2는 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 일 실시예로서의 형태를 도시한 도면.
도 3은 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치 구조에서 무인항공기의 회전 정렬을 위한 조건을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 구조를 도시한 도면.
도 6은 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치가, 도 5의 상태로부터 회전 정렬이 실행 중인 일 시점에서의 형태를 도시한 도면.
도 7은 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치가, 도 6의 상태로부터 회전이 더 일어난 시점에서의 형태를 도시한 도면.
도 8은 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치에서 무인항공기의 정렬을 완료한 형태를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(100)의 구조에서 무인항공기의 회전 정렬을 위한 조건을 설명하기 위한 도면이다.
N1, N2는 수직항력, F는 무인항공기 보호장구(11)과 정렬장치(120) 표면 간의 마찰력을 의미한다. 마주보고 있는 막대들에서의 수직 항력은 서로 같으므로 모든 힘과 토크는 대칭 형태를 이룬다. 도 3에서 무인항공기(10)가 회전하여 정렬되려면 시계 방향의 회전이 일어나야 하고, 이를 위해서는 수직 항력에 의한 토크가 마찰력에 의한 토크보다 커야만 한다. 무인항공기 보호장구(11)과 정렬장치(120) 표면 간의 마찰계수를 μ라고 할 때 이러한 상황을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
수학식 1은 시계 방향 토크이고, 수학식 2는 반시계 방향 토크를 나타낸다.
Figure pat00001
Figure pat00002
수학식 1 및 수학식 2를 정리하여 비교하면, 시계 방향 토크가 반시계 방향 토크보다 크기 위해서는 최종적으로 수학식 3이 성립해야 함을 알 수 있다.
Figure pat00003
즉,
Figure pat00004
가 만족되지 않게 무인항공기(10)가 착륙하는 경우에는 회전에 의한 정렬이 실패할 것이라는 것을 추론할 수 있으며, 실제 실험을 통하여 최소 θ 값의 존재를 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(200)의 구조를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 8에서 플레이트를 별도로 도시하지는 않았으나, 무인항공기(10)의 착륙을 위해, 도시된 보호장구(11) 및 정렬장치(220,320) 아래에 당연히 구비되어 있음은 물론이다. 또한 도 4 내지 도 8의 실시예에서, 무인항공기 충전 스테이션은, 도면상으로는 하부의 충전부에서 충전을 받기 위한 스테이션을 구비하고, 이를 위해 충전위치로 무인항공기를 자동 정렬시키는 구성을 도시하였으나, 특정 하부의 충전부로부터 충전받는 것이 아닌, 스테이션 플레이트 상의 특정 위치에서 배터리 교체가 이루어지기 위해 배터리 교체 위치로 무인항공기를 자동 정렬시키는 구성이 될 수도 있으며, 이하의 설명은 그와 같은 구성들을 포괄하여 설명하는 것으로 한다.
도 4(a)의 제1 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(200)(이하 '제1 정렬장치(200)' 이라 한다)는, 정렬장치(220) 표면에 다수의 롤러(221)를 부착한 것이다. 즉, 수학식 3의 조건을 만족하기 위해서는 μ를 감소시키는 방법을 선택할 수 있는데, 제1 정렬장치(200)의 정렬장치(220) 표면에 다수의 롤러(221)를 부착한 구조는, 무인항공기 보호장구(11)와 정렬장치(220) 표면의 마찰을 현저히 줄임으로써 μ를 감소시키는 효과적인 방법인 것이다.
무인항공기(10)는 착륙 시에 기본적으로 방향을 보정하기에 θ는 보통 0보다 큰 값을 가지게 되지만 어떠한 경우라도 방향을 보정하기 위해서는 최악의 시나리오를 고려해야 한다. 기존의 방법에서 최악의 시나리오는 착륙시의 과도한 환경적 요인으로 θ가 0에 가깝게 착륙하는 것이며 이때에 회전 토크가 0에 가까워지면서 회전력이 생기지 않게 되는 경우이다. 즉 θ가 0에 가깝게 착륙하는 경우는, 무인항공기 보호장구(11)의 각 꼭지점이 각 정렬장치(220)의 중앙에 위치하는 경우이며, 도 4(b)는 그러한 상황을 보여주는 사진이다. 즉, 이와 같이 θ가 0에 가깝게 착륙하는 경우에는 롤러(221)가 부착되었다 하더라도 보호장구(11)의 회전에 의한 정렬이 발생하지 않게 될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(300)의 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(300)가, 도 5의 상태로부터 회전 정렬이 실행 중인 일 시점에서의 형태를 도시한 도면이며, 도 7은 도 6의 상태로부터 회전이 더 일어난 시점에서의 형태를 도시한 도면이고, 도 8은 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(300)에서 무인항공기(10)의 정렬을 완료한 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4를 참조하여 설명한, 무인항공기(10)가, θ가 0에 가깝게 착륙하는 경우, 즉, 무인항공기 보호장구(11)의 각 꼭지점이 각 정렬장치(320)의 중앙에 위치하도록 플레이트(미도시) 위에 착륙한 경우를 나타낸다.
도 5의 제2 실시예로서의 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치(300)(이하 '제2 정렬장치(300)' 이라 한다)는, 제2 정렬장치(300)의 각 정렬장치(320)를 미는 푸쉬(push)부(330)가 비대칭 형태로 형성되어 있다는 것이다. 이를 이하에서는 '비대칭 푸쉬부(330)'라 칭하기로 한다. 도 5를 참조하면, 비대칭 푸쉬부(330)는 한쌍의 푸쉬 수단에서, 하나는 푸쉬 레버(lever)(331), 다른 하나는 푸쉬 탄성부(332)와 같이 비대칭적 형태로 구성되어 있다. 푸쉬 탄성부(332)는 일 실시예로서 용수철 등으로 구성될 수 있다. 또한 푸쉬 레버(331)와 정렬장치(320)의 접점에는, 도 6 내지 도 8에 도시되어 있듯이 정렬장치(320)가 그 접점을 중심으로 회전할 수 있도록 힌지(hinge)(331.1)가 구비된다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 제2 정렬장치(300)의 동작을 도 5 내지 도 8을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 5에서 각 정렬장치(320)가 보호장구(11)를 안쪽으로 미는 것을 나타내는 화살표가 도시되어 있다. 이와 같은 힘에 의해 각 정렬장치(320)의 수직항력이 푸쉬 탄성부(332)에 가해지기 시작하고, 도 6을 참조하면 이와 같이 푸쉬 탄성부(332)가 눌리면서 θ가 크게 증가하였고, 이에 따라 보호장구(11)에 회전력이 발생한다.
도 7을 참조하면, 보호장구(11)의 회전이 더욱 진행되어 θ가 더 크게 증가하였으며, 보호장구(11)는 충전포인트에 접촉하도록 정렬되어가고 있는 모습을 보여주며, 이와 같이 진행하여 도 8에서와 같이 무인항공기(10)의 충전부분이 본 발명의 제2 정렬장치(300)의 충전포인트(미도시)에 접촉하도록 무인항공기(10)의 보호장구(11)가 제2 정렬장치(300)의 플레이트(미도시) 위에서 완전히 정렬된 상태가 된 것을 보여준다. 즉, 본 발명의 제2 정렬장치(300)에 의하면, 무인항공기(10)가 플레이트 위에 어느 각도로 착륙하더라도, 각 정렬장치(320)가 안쪽으로 미는 동작에 의해 자동으로, 용이하고 신속하게 제2 정렬장치(300)의 충전포인트에 접촉되도록 회전하여 정렬되게 된다.
무인항공기(10)의 착륙 후 정렬장치(320)의 동작은, 관리자가 리모컨이나 스위치 등에 의해 동작시키는 방식을 취할 수도 있고, 또는 제1 정렬장치(200) 및 제2 정렬장치(300)에, 무인항공기(10)가 플레이트 위에 착륙했음을 감지하는 센서를 구비할 수 있다. 또한 제1 정렬장치(200) 및 제2 정렬장치(300)는, 이와 같이 센서에 의해 무인항공기(10)가 플레이트 위에 착륙했음이 감지된 경우 상기 정렬장치(220,320)를 동작시키는 정렬장치 제어부를 더 구비할 수도 있으며, 이러한 정렬장치 제어부에 의해 정렬장치를 자동으로 작동시키도록 할 수도 있다.
10: 무인항공기
11: 무인항공기 보호장구
12: 프로펠러
100: 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치
110: 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 플레이트
120: 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 정렬장치
130: 종래 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 충전부
200: 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치
220: 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 정렬장치
221: 정렬장치 롤러(roller)
300: 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치
320: 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치의 정렬장치
321: 정렬장치 롤러
330: 비대칭 푸쉬(push)부
331: 푸쉬 레버(lever)
331.1: 힌지(hinge)
332: 푸쉬 탄성부

Claims (3)

  1. 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치로서,
    무인항공기가 착륙하는 플레이트(plate);
    상기 플레이트 상에서, 무인항공기가 착륙할 위치 주위에 구비되어, 착륙한 무인항공기를 중앙으로 밀어 회전시킴으로써 배터리 교체위치 또는 충전위치에 정렬시키는 역할을 수행하는 정렬장치; 및,
    상기 정렬장치 표면에 부착되어 무인항공기와 상기 정렬장치의 마찰력을 감소시킴으로써 상기 무인항공기의 회전이 원활하게 일어나도록 하기 위한 롤러(roller)
    를 포함하는 무인항공기 충전 스테이션을 위한 무인항공기 정렬 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정렬장치 외측에는,
    상기 정렬장치를 외측으로부터 내측으로 미는 푸쉬(push)부
    를 구비하고,
    상기 푸쉬부는,
    푸쉬 레버(lever); 및
    푸쉬 탄성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 충전 스테이션 장치
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 푸쉬 레버와 상기 정렬장치는,
    힌지(hinge)에 의해 연결되어 있는 것
    을 특징으로 하는 무인항공기 충전 스테이션 장치.
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