전동 무인기의 추진부 특성 분석장치

전동 무인기의 추진부 특성 분석장치 {Inspection apparatus for motor thrust of unmanned aerial vehicles}

본 발명은 전동 무인기의 추진부 특성 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 브러시리스 직류모터와 회전축에 부착된 프로펠러로 구성된 전동 무인기의 추진부가 구동됨에 따라 발생하는 추력(thrust)과 회전속도 및 소비전류를 로드셀과 속도검출기 및 션트(shunt)저항을 이용하여 동시에 측정하고, 추력 대 회전속도, 추력 대 소비전류, 회전속도 대 소비전류 관계를 상기 측정된 데이터 집합으로부터 유도하고 도시함으로써 추진부를 구성하는 브러시리스 직류모터와 프로펠러 조합의 효율 향상과 전동 무인기 설계의 정확성을 높일 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 무인항공기(unmanned aerial vehicles; 이하, "무인기"로 약칭함)는 구조에 따라 고정익기와 회전익기로 구분되며, 이들 무인기는 기체를 부양하기 위해 추력 및 양력을 발생시키는 추진부를 포함하고 있다.

이러한 추진부는 프로펠러와 이를 회전시키는 엔진이나 전기모터로 구성되는데, 최근 전기·전자 기술의 발전에 따라 전기모터의 성능이 향상되었고, 이 중 브러시리스(brushless) 직류모터를 이용한 전동 무인기의 연구개발과 응용이 증가하고 있다.

상기 전동 무인기의 추력은 브러시리스 직류모터의 회전속도와 회전축에 부착된 프로펠러의 직경 및 피치(pitch), 공기밀도와 관계되어 발생하므로 기체를 부양할 수 있는 추진부 각 부분(브러시리스 직류모터, 프로펠러)의 선정은 설계에 앞서 수행되어야 한다. 또한, 추진부 동작에 필요한 전류는 배터리로부터 공급되며 추력과 관계되므로 이의 분석 역시 설계에 앞서 수행되어야 한다.

그러나 실제 응용에서는 추력과 회전속도, 소비전류의 관계는 다양한 변수에 의해 역학적으로 정의된 식과 부합하지 않으므로 추진부 선정 단계부터 무인기 설계에 어려움이 존재한다.

종래에는 상술한 단점을 보완하기 위해 로드 셀(load cell)이 부착된 기구부와 추진부를 결합하고 추진부 구동에 의해 로드 셀에 인가되는 인장력을 측정함으로써 추력을 계산하는 방법이 개시되어 있다. 그리고 이와 별도로 전기회로의 소비전류를 측정하기 위해 션트(shunt)저항이나 전류센서를 이용하는 일반적인 방법이 개시되어 있다.

한편, 본 발명과 관련된 종래기술문헌으로는 한국공개특허 제2010-0079806호의 추력 측정 장치 및 방법, 미국특허 제4,788,855호의 제트엔진 추력 측정장치, 미국특허 제6,418,794호의 추력 테스트 시스템, 한국공개특허 제2006-0062171호의 저출력엔진의 추력 측정을 위한 정밀 추력 측정장치 등이 개시되어 있다

그러나 종래의 추진기 특성 측정을 위한 방법은 추력과 회전속도, 소비전류를 개별적으로는 측정할 수 있지만 서로 관계된 데이터를 동시에 획득할 수 없는 문제점이 있다.

또, 개별적인 데이터는 전동 무인기 설계에 중요한 추진부 특성을 충분히 나타내기 어려우므로 이들의 관계에 대한 고려가 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 브러시리스 직류모터와 프로펠러로 구성된 전동 추진부가 동작함에 따라 발생하는 추력과 회전속도 및 소비전류를 동시에 측정하고, 추력 대 회전속도, 추력 대 소비전류, 회전속도 대 소비전류 관계를 상기 측정된 데이터 집합으로부터 유도하고 도시함으로써 결과적으로 추진부를 구성하는 브러시리스 직류모터와 프로펠러 조합의 효율성 향상과 더불어 전동 무인기 설계의 정확성을 높일 수 있는 수단을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전동 무인기의 추진부 특성 분석장치는 브러시리스 직류모터로 이루어진 추진부 및 상기 추진부의 추력을 측정하기 위한 로드 셀이 부착된 기구부와; 상기 로드 셀로부터 무게를 측정하고 상기 브러시리스 직류모터를 구동하며 상기 브러시리스 직류모터의 회전속도와 소비전류를 측정하기 위한 전자부와; 상기 전자부에서 측정된 데이터 집합으로부터 추력 대 회전속도, 추력 대 소비전류, 회전속도 대 소비전류 관계를 포함하는 추진부 특성을 유도하기 위한 분석컴퓨터;를 포함하여 이루어진다.

상술한 본 발명의 실시 예에 의한 전동 무인기 추진부 특성 분석장치에 의하면, 추진부의 동작과 관계된 추력과 회전속도 및 소비전류를 동시에 측정할 수 있고, 추력 대 회전속도, 추력 대 소비전류, 회전속도 대 소비전류의 관계를 측정 데이터 집합으로부터 유도하고 도시함으로써 최적화된 브러시리스 직류모터와 프로펠러의 조합을 통해 추진부 선정의 효율성을 높일 수 있으며, 이에 의해 결과적으로 전동 무인기 설계의 정확도를 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 무인기의 추진부 특성 분석장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 무인기의 추진부 특성 분석장치 기구부의 구성을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 무인기의 추진부 특성 분석장치 전자부의 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 무인기 추진부 특성 분석장치 분석컴퓨터의 동작과정을 도시한 플로우챠트이다.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 무인기 추진부 특성 분석장치는 로드 셀과 이에 결합되는 추진부가 부착되는 기구부(100)와, 상기 로드 셀로부터 무게를 측정하고 브러시리스 직류모터를 구동하며 회전속도와 소비전류를 측정하기 위한 전자부(200)와, 측정된 데이터 집합으로부터 추진부 특성을 유도하고 도시하기 위한 분석컴퓨터(300)를 포함하여 이루어져 있다.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 기구부(100)는 추진부의 동작에 의해 기구 균형을 유지하고, 추진부의 추력이 주변 공기 외에 다른 부분에 작용하지 않도록 로드 셀과 추진부를 부착하는 지지대(110)와 추진부에서 발생하는 추력을 인장력으로 환산하여 측정하기 위한 로드 셀과 추진부의 결합대(120)를 포함하여 이루어져 있다.

도 3을 참조하면, 도 1의 전자부(200)는 상기 로드 셀 신호의 잡음을 제거하고 인장력 신호로 변환하기 위한 인장력측정기(210)와, 상기 브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 3상 인버터(220)와, 상기 브러시리스 직류모터의 단자 전압으로부터 회전속도를 검출하기 위한 속도검출기(230)와, 상기 추진부의 소비전류를 측정하기 위해 부착된 션트저항 신호의 잡음을 제거하고 전류 신호로 변환하기 위한 전류측정기(240)와, 상기 추진부의 브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 전압 신호를 발생하고 이에 따른 로드 셀 신호처리부(210)와 속도검출기(230) 및 전류측정기(240)의 신호를 획득하며 분석컴퓨터(300)와 통신을 수행하는 마이크로 프로세서(250)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 로드 셀로부터 측정된 신호는 아래 [식 1]과 같이 인장력으로 변환된다.

[식 1]

여기서, Ｔ는 인장력이고, s 는 로드 셀의 변환상수이고, V _L 는 로드 셀로부터 측정된 전압 신호이고, m은 로드 셀에 부착된 추진부의 무게이다.

션트저항으로부터 측정된 신호는 전압으로써 아래의 [식 2]와 같이 전류로 변환된다.

[식 2]

여기서, I는 소비전류이고, R은 션트저항값이며, V _R 은 션트저항으로부터 측정된 전압이다.

한편, 도 4를 참조하면, 도 1의 분석컴퓨터(300)는 전자부(200)의 마이크로 프로세서(250)와 통신을 수행하며 브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 명령을 전송한다. 이러한 명령은 브러시리스 직류모터에 공급되는 전압의 크기를 0%에서 100%까지 선형적으로 변환시키도록 전송한다. 이러한 과정에서 전자부(200)의 마이크로 프로세서(250)는 획득한 로드 셀 인장력과 회전속도, 소비전류를 동시에 분석컴퓨터로 전송한다.

상기 로드 셀의 인장력은 추진부의 추력과 같고 이는 회전속도와 아래 [식 3]과 같은 관계를 갖는다.

[식 3]

여기서, Ｔ는 로드 셀의 인장력(추진부의 추력)이고, k ₁ 은 공기밀도로 레이놀즈 상수와 관계된 공기역학상수이며, Ω는 회전속도이고, l은 프로펠러의 직경이다.

프로펠러의 직경과 회전속도는 직접 측정되지만 공기역학 상수는 다양한 변수에 의하여 정확한 값을 알 수 없다.

추진부의 추력은 아래 [식 4]와 같이 회전속도의 제곱에 비례하는 식으로 다시 쓸 수 있다.

[식 4]

여기서, 상수 a,b,c는 2차 방정식의 계수이다.

n개의 추력과 회전속도 데이터 집합으로부터 유도되는 2차 방정식은 아래 [식 5]와 같이 행렬로 표현되며, 집합의 원소가 3 이상일 경우 최소자승법에 의해 방정식의 계수를 아래 [식 6]과 같이 의사 역행렬을 이용하여 계산할 수 있다.

[식 5]

여기서, 첨자 n은 획득된 데이터 개수이다.

[식 6]

그리고 추진부의 소비전력은 아래 [식 7]과 같은 관계를 갖는다.

[식 7]

여기서, P는 추진부의 소비전력이고, k ₂ 는 소비전력과 관계된 상수이고, d는 프로펠러의 피치이다.

프로펠러의 직경과 피치, 회전속도는 직접 측정되지만 소비전력 상수는 다양한 변수에 의하여 정확한 값을 알 수 없다.

소비전력은 인가된 전압과 소비전류의 곱이므로 소비전류는 아래 [식 8]과 같이 회전속도의 제곱에 비례하는 식으로 다시 쓸 수 있다.

[식 8]

여기서, 상수 x , y , z 는 2차 방정식의 계수이다.

n개의 소비전류와 회전속도 데이터 집합으로부터 유도되는 2차 방정식은 아래의 [식 9]와 같이 행렬로 표현되며 집합의 원소가 3 이상일 경우 최소자승법에 의해 방정식의 계수를 위의 [식 6]에서와 같이 의사 역행렬을 이용하여 계산할 수 있다.

[식 9]

여기서, n은 획득된 데이터 개수이다.

이상에서와 같이 본 발명의 실시 예에 의한 추진부 특성 분석장치의 분석컴퓨터(300)는 추력 대 회전속도, 추력 대 소비전류, 회전속도 대 소비전류 관계를 수식적으로 식별할 수 있으므로 전동 무인기의 추진부를 구성하는 브러시리스 직류모터와 프로펠러 조합의 효율성과 설계의 정확성을 높일 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

100 : 기구부
110 : 지지대
120 : 결합대
200 : 전자부
210 : 인장력 측정기
220 : 3상 인버터
230 : 속도검출기
240 : 전류측정기
250 ; 마이크로 프로세서
300 : 분석컴퓨터