무인기의 충전장치 및 방법{CHARGING APPARATUS FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES AND METHOD THEREOF}

본 발명은 무인기의 충전장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무인기 내부의 수신코일의 기울기와 방향을 조절하여 충전 효율을 향상시킨 무인기의 충전장치 및 방법에 관한 것이다.

무인기(Unmanned Aerial Vehicle or Uninhabited Aerial Vehicle: UAV)란 일반적으로 조종사 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 또는 비행체 스스로 주위 환경(장애물, 항로)을 인식하여 자율 비행을 하는 비행체를 말한다.

무인기는 정찰 감시, 통신 중계, 기상 관측, 지구 관측 등의 장기 체공 임무 수행을 주로 수행한다. 이러한 무인기의 동력은 배터리에 전력을 충전하고 충전된 전력을 이용하는 방식을 이용한다.

특히, 무인기의 전력을 무선으로 충전시키는 무선 충전방식은 자속 발신 코일에 전류를 흘려 코일 주변에 자속을 유도하면 근처에 위치한 수신코일이 발생된 자속을 받고, 전류가 유도되는 방식으로 동작한다.

그러나, 상기한 자기 유도 방식은 발신코일과 수신코일 간의 위치에 따라 충전효율이 크게 달라지는 문제점이 있다.

이 문제점을 개선하기 위해 종래에는 무선 충전기의 발신 코일과 수신코일 각각에 자석을 설치하여 이들 자석 간의 자력을 통해 발신코일과 수신코일 간의 커플링을 향상시키거나, 또는 발신 코일을 복수 개 설치하여 충전시켰다.

그러나, 자석을 이용한 충전 방식은 자석의 힘이 미치는 범위 내에 수신코일이 위치해야 하며, 코일의 이동이 빈번히 발생할 경우 코일이 끊어지거나 훼손되는 문제점이 있었다.

게다가, 복수 개의 발신 코일을 이용한 충전 방식은 제작 비용이 많이 소모되며 충전 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제1194676호(2012.10.19)의 '무선원격제어형 상하·좌우의 위치제어가 가능한 무선 서보 액츄에이터'에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 무인기를 충전 스테이션으로 이동시킨 후 무인기의 수신코일의 기울기와 방향을 충전 스테이션의 발신 코일을 향해 조절하여 수신코일과 발신 코일 간의 커플링을 향상시키고 이를 통해 충전 효율을 향상시킨 무인기의 충전장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 무인기의 충전장치는 충전 스테이션에 설치되어 자기장을 발생시키는 발신코일; 상기 발신 코일의 자속 변화에 따라 유도 기전력을 발생시키는 수신코일; 상기 수신코일의 기울기와 방향 중 어느 하나 이상을 조절하는 수신코일 조절부; 및 상기 발신코일에서 발생되는 자기장에 의해 상기 수신코일에서 유도되는 유도 기전력의 크기에 따라 상기 수신코일 조절부를 제어하여 상기 수신코일의 기울기와 방향 중 어느 하나 이상을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 수신코일에서 발생되는 상기 유도 기전력의 크기가 최대가 되도록 상기 수신코일 조절부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 발신코일에서 발생되는 자속을 측정하고 측정된 자속에서 자속 패턴을 감지하는 자속 감지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 자속 감지부에 의해 감지된 자속 패턴에 따라 상기 충전 스테이션을 인식하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 상기 수신코일을 중심으로 복수 개가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 상기 수신코일을 중심으로 방사 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속의 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 착륙할 위치를 결정하여 동체를 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속 크기의 오차가 설정 범위 이내인 위치로 상기 동체를 이동시킨 후 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 동체의 하부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 무인기의 위치 좌표를 검출하는 GPS 수신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 GPS 수신부에 의해 검출된 수신된 위치 좌표와 상기 충전 스테이션의 위치 좌표를 기반으로 무인기를 상기 충전 스테이션으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 무인기의 충전장치는 충전 스테이션에 설치되어 자기장을 발생시키는 발신코일; 상기 발신 코일의 자속 변화에 따라 유도 기전력을 발생시키는 수신코일; 상기 발신코일에서 발생되는 자속을 측정하고 측정된 자속에서 자속 패턴을 감지하는 자속 감지부; 및 상기 자속 감지부에 의해 감지된 자속 패턴에 따라 상기 충전 스테이션을 인식하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 상기 수신코일을 중심으로 복수 개가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 상기 수신코일을 중심으로 방사 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속의 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 착륙할 위치를 결정하여 동체를 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속 크기의 오차가 설정 범위 이내인 위치로 상기 동체를 이동시킨 후 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자속 감지부는 동체의 하부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 무인기의 위치 좌표를 검출하는 GPS 수신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 GPS 수신부에 의해 검출된 수신된 위치 좌표와 상기 충전 스테이션의 위치 좌표를 기반으로 무인기를 상기 충전 스테이션으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 무인기의 충전방법은 자속 감지부가 충전 스테이션의 발신코일에서 발생되는 자속을 측정하고 측정된 자속에서 자속 패턴을 감지하는 단계; 제어부가 상기 자속 감지부에 의해 감지된 자속 패턴에 따라 충전 스테이션을 인식하고 구동 모듈을 통해 동체를 착륙시키는 단계; 및 수신 코일이 상기 발신코일의 자속 변화에 따라 유도 기전력을 발생시켜 배터리를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 구동 모듈을 통해 동체를 착륙시키는 단계에서, 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속의 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 착륙할 위치를 결정한 후, 상기 구동 모듈을 통해 상기 동체를 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어부는 상기 자속 감지부 각각에서 감지된 자속 크기의 오차가 설정 범위 이내인 위치로 상기 동체를 이동시킨 후 착륙시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 동체의 위치 좌표를 검출하는 GPS 수신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 GPS 수신부에 의해 검출된 위치 좌표를 기반으로 상기 구동 모듈을 통해 상기 충전 스테이션의 위치 좌표로 동체를 이동시킨 후, 상기 자속 감지부에 의해 감지된 자속 패턴에 따라 상기 충전 스테이션을 인식하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 배터리를 충전시키는 단계에서, 상기 제어부는 상기 수신코일에서 발생되는 상기 유도 기전력의 크기가 최대가 되도록 수신코일 조절부를 통해 상기 수신코일의 기울기와 방향 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 제어부가 GPS 수신부에 의해 검출된 위치 좌표를 기반으로 상기 구동 모듈을 통해 상기 충전 스테이션의 위치 좌표로 동체를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 무인기를 충전 스테이션으로 이동시킨 후 무인기의 수신코일의 기울기와 방향을 충전 스테이션의 발신 코일을 향해 조절하여 수신코일과 발신 코일 간의 커플링을 향상시킴으로써 충전 효율을 향상시킨다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 기울기 및 방향을 조절하는 예를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속 패턴을 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전방법을 도시한 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판을 도시한 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 기울기 및 방향을 조절하는 예를 도시한 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속 패턴을 도시한 도면이다.

도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전장치는 GPS(Global Positioning System) 수신부(10), 구동 모듈(20), 자속 감지부(30), 수신코일 조절부(40), 수신코일(50) 충전부(60), 제어부(70), 충전 스테이션(100) 및 발신코일(110)을 포함한다.

본 실시예에서의 무인기로는 헬리콥터 형상 또는 쿼드콥트(Quadcopter) 형상의 무인기가 적용될 수 있다.

GPS 수신부(10)는 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 설정시간 주기로 수신하고 수신한 GPS 신호를 토대로 무인기의 위치 좌표를 생성한다.

구동 모듈(20)은 동체(90)의 비행 뿐만 아니라 이착륙을 수행한다. 구동 모듈(20)에는 비행에 필요한 동력을 발생시키는 엔진(미도시) 및 엔진의 동력을 이용하여 회전하는 프로펠러(미도시) 등이 포함될 수 있다. 이외에도 구동 모듈(20)에는 동체(90)의 고도를 측정하여 무인기가 설정된 고도를 유지할 수 있도록 하는 고도 센서(미도시)와, 비행경로 상의 장애물을 감지하여 장애물을 회피할 수 있도록 하는 장애물 센서(미도시), 및 동체(90)의 자세를 감지하여 동체(90)가 안정적인 비행자세를 유지할 수 있도록 하는 자이로 센서(미도시) 등이 포함된다.

수신코일(50)은 발신코일(110)에서 발생되는 자속의 변화에 따라 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 유도 기전력을 충전부(60)에 인가한다.

즉, 충전 스테이션(100)에 구비된 발신코일(110)에서 자속이 변화되면, 수신코일(50)은 전자기 유도에 의해 유도 기전력이 발생되고 이 유도 기전력이 충전부(60)에 인가되면서 무인기의 배터리(미도시)가 충전된다.

충전부(60)는 내부에 수신코일(50)에서 유도된 유도 기전력의 전압을 배터리 충전에 적절한 전압을 갖는 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시킨다.

수신코일(50)은 도 2 와 도 3 에 도시된 바와 같이 동체(90)의 하부에 구비된 기판(80)의 중심에 설치될 수 있다. 기판(80)은 그 기울기 및 방향이 조절됨으로써 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링이 향상된다.

자속 감지부(30)는 동체(90) 하부의 기판(80)에 설치되어 충전 스테이션(100)의 발신코일(110)로부터 발생되는 자속을 측정하고 측정된 자속에서 자속 패턴을 감지한다.

참고로, 본 실시예에서는 자속 감지부(30)가 기판(80)에 설치되는 것을 예시로 설명하였으나, 자속 감지부(30)는 필요에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다.

자속 감지부(30)는 도 3 에 도시된 바와 같이 기판(80)에 설치되되, 수신코일(50)을 중심으로 4개가 설치될 수 있으며, 각각이 서로 대향되는 위치에 설치되어 그 중심에 수신코일(50)이 배치된다.

자속 패턴은 무인기의 제어부(70)가 충전 스테이션(100)임을 인식할 수 있도록 해당 충전 스테이션(100)의 발신코일(110)에서 발생되는 것으로서, 도 4 에 도시된 바와 같이 자속의 강도를 특정 패턴 형태로 변화시킨 것이다.

수신코일 조절부(40)는 수신코일(50)이 발신코일(110)을 향하도록 수신코일(50)의 기울기 및 방향을 조절하여 수신코일(50)에서 유도되는 유도 기전력의 크기가 최대가 될 수 있도록 한다. 즉, 수신코일 조절부(40)는 수신코일(50)의 기울기 및 방향을 조절하여 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링을 향상시킴으로써, 충전효율이 향상될 수 있도록 한다.

발신코일(110)은 충전 스테이션(100)에 설치되어 충전 스테이션(100)에서 인가된 전력을 전자기 유도 방식으로 수신코일(50)에 전달한다. 발신코일(110)은 수신코일(50)에 유도 기전력을 발생시키기 위하여 자기장을 형성시킨다.

수신코일 조절부(40)는 도 3 의 화살표에 도시된 바와 같이 동체(90)의 하부에 설치되어 수신코일(50)의 기울기 및 방향을 조절한다. 이러한 수신코일 조절부(40)는 기울기 조절부(42) 및 방향 조절부(41)를 포함한다. 수신코일(50)은 기판(80)에 설치되는 바, 수신코일 조절부(40)는 기판(80)의 기울기와 방향을 조절함으로써 수신코일(50)의 기울기와 방향을 조절한다.

기울기 조절부(42)는 수신코일(50)의 기울기 즉, 지면과 수직한 방향으로의 수신코일(50)의 각도를 조절하고, 방향 조절부(41)는 수신코일(50)의 방향, 즉 지면과 평행한 방향으로의 수신코일(50)의 회전각도를 조절한다.

즉, 발신코일(110)의 위치에 따라, 기울기 조절부(42)가 수신코일(50)의 수직방향으로의 각도를 조절하고 방향 조절부(41)가 수신코일(50)의 수평방향으로의 회전각도를 각각 조절함으로써, 수신코일(50)이 발신코일(110)을 향하도록 한다. 이를 통해 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링이 향상되어 충전 효율이 향상된다.

제어부(70)는 GPS 수신부(10)로부터 입력되는 위치 좌표와 충전 스테이션(100)의 위치 좌표를 기반으로 구동 모듈(20)을 제어하여 동체(90)를 충전 스테이션(100)으로 이동시킨다.

충전 스테이션(100)으로 이동한 후, 제어부(70)는 자속 감지부(30)를 이용하여 자속 패턴을 검출하고, 검출한 자속 패턴을 기 저장된 설정 자속 패턴과 비교하여 해당 충전 스테이션(100)을 인식한다.

여기서, 설정 자속 패턴은 충전 스테이션(100)별로 각각 설정될 수 있으며, 해당 충전 스테이션(100)의 존재를 인식하기 위해 기준이 되는 자속 패턴이다. 따라서, 제어부(70)는 이러한 설정 자속 패턴을 기반으로 충전 스테이션(100)의 위치를 좀 더 정확하게 인식할 수 있게 된다.

한편, 제어부(70)는 각각의 자속 감지부(30)에서 감지된 자속의 크기를 비교하고 자속 크기의 오차가 기 설정된 설정 범위 이내인 위치를 검출한 후, 구동 모듈(20)을 통해 동체(90)를 해당 위치로 이동시킨 후, 착륙시킨다.

설정 범위는 자속 감지부(30) 각각에서 감지된 자속의 크기 상호 간의 오차 범위이다. 각 자속 감지부(30)에서 감지되는 자속의 크기는 각 자속 감지부(30)의 위치와 발신코일(110)과의 위치에 따라 따라 서로 다르게 감지되고, 자속 감지부(30)와 발신코일(110) 간의 거리가 서로 유사할수록 자속 각각의 크기는 유사하게 나타난다. 이에, 본 실시예에서 자속 감지부(30) 각각은 수신코일(50)을 중심으로 서로 대향되게 설치되므로, 수신코일(50)의 수직 하방에 발신코일(110)이 위치하게 될 경우가 자속 감지부(30)에서 감지된 자속 크기의 오차가 상기한 설정 범위 이내에 포함된 경우에 해당한다. 이때 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 정합성은 크게 향상될 수 있다. 그 결과, 수신 코일에서 발생되는 유도 기전력의 크기가 최대가 될 수 있다.

이후, 제어부(70)는 수신코일(50)에서 유도되는 유도 기전력의 크기를 측정하고, 측정한 유도 기전력의 크기가 최대가 되도록 수신코일 조절부(40)를 제어한다. 이 경우, 제어부(70)는 기울기 조절부(42)를 통해 수신코일(50)의 수직방향으로의 각도를 조절하고, 방향 조절부(41)를 통해 수신코일(50)의 수평방향으로의 회전각도를 조절함으로써, 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링을 향상시킨다.

이에 따라, 수신코일(50)에는 유도 기전력이 크게 상승하게 되고, 이때 충전부(60)는 수신코일(50)에서 유도된 유도 기전력을 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시킨다.

이하 본 발명의 일 실시에에 따른 무인기의 충전방법을 도 5 를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인기의 충전방법을 도시한 순서도이다.

도 5 를 참조하면, 제어부(70)는 GPS 수신부(10)로부터 위치 좌표가 입력되면 이 위치 좌표와 충전 스테이션(100)의 위치 좌표를 기반으로 구동 모듈(20)을 제어하여 동체(90)를 충전 스테이션(100)으로 이동시킨다(S10). 이 경우 제어부(70)는 고도 센서와 장애물 센서 및 자이로 센서 등을 이용하여 동체(90)의 고도와 자세를 제어하고 이때 비행경로 상의 장애물을 회피하여 동체(90)가 충전 스테이션(100)으로 안정적으로 이동할 수 있도록 한다.

충전 스테이션(100)의 위치 좌표를 기반으로 동체(90)를 충전 스테이션(100)으로 이동시킨 후에는, 제어부(70)는 자속 감지부(30)를 통해 자속을 감지하고 이 자속에서 자속 패턴을 검출한다. 이어 제어부(70)는 검출한 자속 패턴을 기 저장된 설정 자속 패턴과 비교하여 일치 여부에 따라 충전 스테이션(100)을 인식한다(S20). 이를 통해 충전 스테이션(100)의 위치 좌표와 무인기의 위치 좌표만을 이용한 경우에서의 위치오차를 최소화시킨다.

다음으로, 제어부(70)는 각각의 자속 감지부(30)에서 감지된 자속의 크기를 비교하고 자속 크기의 오차가 기 설정된 설정 범위 이내인 위치를 검출하여 구동 모듈(20)을 통해 해당 위치로 동체(90)를 이동시킨 후, 착륙시킨다(S30).

각 자속 감지부(30)와 발신코일(110) 간의 거리가 유사할수록 자속 각각의 크기도 유사하게 나타난다. 따라서, 자속의 크기가 상기한 설정 범위 이내에 포함되면, 수신코일(50)의 수직 하방에 발신코일(110)이 위치하는 것으로 볼 수 있다. 이때 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링은 크게 향상될 수 있다.

이후, 제어부(70)는 수신코일(50)에서 유도되는 유도 기전력의 크기를 측정한다(S40).

제어부(70)는 측정한 유도 기전력의 크기가 최대가 되도록 수신코일(50)의 기울기와 방향을 조절한다(S50). 즉, 제어부(70)는 기울기 조절부(42)를 통해 수신코일(50)의 수직방향으로의 각도를 조절하고, 방향 조절부(41)를 통해 수신코일(50)의 수평방향으로의 회전각도를 조절한다. 이를 통해 수신코일(50)에 유도되는 유도 기전력은 크게 상승하게 된다.

이 과정에서, 충전부(60)는 수신코일(50)에서 유도된 유도 기전력을 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시킨다(S60).

이와 같이 본 실시예는 무인기를 충전 스테이션으로 이동시킨 후 무인기의 수신코일(50)의 기울기와 방향을 충전 스테이션(1000의 발신 코일(110)을 향해 조절하여 수신코일(50)과 발신코일(110) 간의 커플링을 향상시킴으로써 충전 효율을 향상시킨다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

10: GPS 수신부
20: 구동 모듈
30: 자속 감지부
40: 수신코일 조절부
42: 기울기 조절부
41: 방향 조절부
50: 수신코일
60: 충전부
70: 제어부
80: 기판
90: 동체
100: 충전 스테이션
110: 발신코일