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KR102219989B1 - 표적관측 및 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템 - Google Patents

표적관측 및 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템 Download PDF

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KR102219989B1
KR102219989B1 KR1020200101621A KR20200101621A KR102219989B1 KR 102219989 B1 KR102219989 B1 KR 102219989B1 KR 1020200101621 A KR1020200101621 A KR 1020200101621A KR 20200101621 A KR20200101621 A KR 20200101621A KR 102219989 B1 KR102219989 B1 KR 102219989B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
target
gps antenna
gps
unmanned aerial
aerial vehicle
Prior art date
Application number
KR1020200101621A
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English (en)
Inventor
김세영
천민규
정진환
홍대원
Original Assignee
(주)다츠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)다츠 filed Critical (주)다츠
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Priority to PCT/KR2020/011020 priority patent/WO2022034951A1/ko
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Abstract

본 발명은 표적 관측 및 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템에 관한 것이다.

Description

표적관측 및 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템{Apparatus for observing target and estimating location of target and operating system for suicide type unmanned vehicle comprising the same}
본 발명은 표적 관측 및 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템에 관한 것이다.
전술용 차량 또는 장갑차등 자폭무인기의 주 공격대상은 상부가 측면부보다 상대적으로 공격에 취약하기 때문에 많은 미사일이나 자폭무인기는 상부공격을 목표로 개발이 되어지나, 멀티콥터 또는 헬리콥터형태의 무인기는 빠른속도로 하강하는 비행이 어렵기 때문에 고속으로 적의 상부를 공격하기가 어렵다. 때문에 자폭무인기로서의 활용하는데 제약사항이 있어 자폭무인기로 활용되는데 한계가 있었다.
한편, 자폭무인기에 표적의 위치를 전송하기 위해서는, 표적 탐색 및 위치의 정확한 추정이 필요하다.
최근 군에서는 무인기를 이용한 작전이 많아지며 무인기를 운용하기 위한 표적의 정확한 글로벌좌표획득에 대한 요구가 많아졌다. 그러나 기존의 미사일을 위한 타겟팅(Targeting) 장비는 레이저 표적 지시기를 이용하여 지속적으로 위치를 지정해주는 방식 또는 TADS(Target Acquisition & Designation System)를 이용하여 표적을 탐색한 뒤 표적과 자신의 상대위치를 추정하는 것이 전부였다.
본 발명은 2개의 GPS안테나를 이용한 GPS시스템의 무빙 베이스라인(Moving Baseline)을 이용하여 방위각과 고각을 측정하고 레어저거리측정기(LRF)를 이용하여 표적과의 거리를 측정함으로써, 표적의 위치를 추정할 수 있는, 표적의 위치 추정 장치 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 중력방향으로 기체를 제어함으로서 기존의 회전익이 하지 못했던 고속하강공격을 할 수 있는 무인 비행체 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 표적의 위치정보를 추정하고, 위치 정보 및 임무시작 명령을 무인 비행체에 전송하며, 무인 비행체로 타격 유도 비행을 수행할 수 있는 자폭 무인기 운용 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기, 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈, GPS 모듈에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 외부 기기로 전송하도록 마련된 관측 제어부 및 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부를 포함하는 표적 관측 및 위치 추정 장치가 제공된다.
또한, GPS 모듈은 제1 GPS안테나 및 제1 GPS안테나와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나를 포함한다.
또한, GPS 모듈은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 표적 관측 및 위치 추정 장치를 구비한 총기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법으로, 제1 GPS 안테나로 표적의 위치를 측정하는 단계, 제2 GPS 안테나로 표적의 위치를 측정하는 단계, 제1 GPS 안테나 및 제2 GPS 안테나 각각의 위치를 이용하여 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ), 거리 측정기에서 측정된 표적과의 거리(D)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하는 단계를 포함하는, 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 무인 비행체 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 제공하도록 마련된 상기 표적 관측 및 위치 추정 장치를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템이 제공된다. 여기서, 표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기, 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈, GPS 모듈에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송하도록 마련된 비행 제어부 및 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부를 포함한다. 또한, GPS 모듈은 제1 GPS안테나 및 제1 GPS안테나와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나를 포함하고, GPS 모듈은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 정방향 및 역방향으로 회전 가능한 복수 개의 로터 및 로터를 제어하며, 외부 기기로부터 작동 명령을 수신하도록 마련된 비행 제어부를 포함하며, 각각의 로터는, 에어포일이 좌우 대칭 형상을 갖는 복수 개의 블레이드를 포함하는, 무인 비행체가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무인 비행체 및 무인 비행체로 표적의 위치 정보 및 작동 명령을 송신하기 위한, 표적 관측 및 위치 추정 장치를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템을 제공한다.
여기서, 무인 비행체는, 정방향 및 역방향으로 회전 가능한 복수 개의 로터 및 로터를 제어하며, 외부 기기로부터 작동 명령을 수신하도록 마련된 비행 제어부를 포함하며, 각각의 로터는, 에어포일이 좌우 대칭 형상을 갖는 복수 개의 블레이드를 포함한다. 또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기, 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈, GPS 모듈에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송하도록 마련된 관측 제어부 및 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부를 포함한다. 또한, GPS 모듈은 제1 GPS안테나 및 제1 GPS안테나와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나를 포함하고, GPS 모듈은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치, 무인 비행체, 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
표적 관측 및 위치 추정 장치는, EO카메라 및/또는 IR카메라를 이용하여 표적을 지정하면 2개의 GPS안테나를 이용하여 방위각(Azimuth)과 고각(Elevation) 또는 방위각(Azimuth)과 롤각(Roll)을 측정하는 GPS시스템의 무빙 베이스라인(Moving Baseline)을 이용하여 방위각과 앙각을 측정하고 레어저거리측정기(LRF)를 이용하여 표적과의 거리를 측정한 뒤 이를 이용하여 3차원 좌표를 역으로 추정하는 방법을 이용하여 표적을 위치를 추정할 수 있다.
또한, 무인 비행체는, 로터의 프로펠러를 역방향으로 회전시킴으로써, 중력을 극복하고 고속으로 표적으로 수직하강하며 정밀유도할 수 있다.
특히, 무인 비행체는 종래 회전익과 다르게 비행체가 수직 하강공격을 하는 동안에 로터의 회전방향을 반대로 전환함으로써 볼텍스링이 발생하지 않으며, 자유낙하가 아닌 하강방향으로 가속을 하기 때문에 매우 빠른 속도로 하강비행을 할 수 있고, 하강방향의 추력을 이용하여 자세와 위치를 제어하기 때문에 매우 정밀한 타격이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치가 소총에 구비된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템의 일 작동상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템의 운용방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 무인 비행체를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 무인 비행체의 일 작동상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 도 6에 도시된 무인 비행체의 로터를 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 블레이드의 측면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 선 A-A'를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 관측 및 위치 추정 장치, 무인 비행체, 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치(100')가 소총에 구비된 상태를 나타내는 사시도이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)의 위치 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템의 일 작동상태를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 일 실시예는 표적 관측 및 위치 추정 장치(100) 및 이를 포함하는 자폭 무인기 운용 시스템을 포함한다.
본 발명에서, 표적 관측 및 위치 추정 장치(이하, 'TADS'라고도 함)는 표적의 위치 정보를 측정 및 산출하여, 외부 기기로 표적의 위치 정보를 전송하도록 마련된다. 또한, 상기 외부 기기는 무인 비행체(이하, '드론(Drone)'이라고도 함)를 포함한다.
또한, 자폭 무인기 운용 시스템은, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100) 및 무인 비행체(200)를 포함한다. 상기 거리 측정기(140)는 레이저 거리 측정기를 포함한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 거리 측정기(140), GPS 모듈(120), 관측 제어부, 및 표시부(150)를 포함한다.
구체적으로, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 표적(T)과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기(140)를 포함한다. 또한, 상기 거리 측정기는 레이저 거리 측정기(140)를 포함한다.
또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈(120)을 포함한다. 본 문서에서, GPS 모듈은 무빙 베이스라인(Moving Baseline)을 이용하여 방위각과 고각 측정하는 방식으로 구성되며, 무빙 베이스라인(moving baseline) GPS라고 지칭될 수 있다.
즉, 상기 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 2개의 GPS안테나를 장치 상에 일정거리로 떨어뜨려 배치하여, 서로 다른 2개의 GPS 데이터의 차이를 이용해 위치 추정 장치의 위치와 각도를 계산하는 무빙 베이스 라인(moving base line) 방법을 사용한다.
또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 GPS 모듈(120)에서 측정된 표적(T)의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적(T)의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 외부 기기로 전송하도록 마련된 관측 제어부를 포함한다.
또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부(150)를 포함할 수 있다. 상기 표시부(150)는 통상의 관측 장비에 사용되는 스코프일 수 있다.
한편, GPS 모듈(120)은 제1 GPS안테나(121) 및 제1 GPS안테나(121)와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나(122)를 포함한다.
상기 관측 제어부는, 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122) 에서 측정된 표적(T)의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122) 각각의 표적(T)의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 산출한다. 또한, 관측 제어부는 제1 및 제2 GPS안테나(121, 122)의 상대 위치(예를 들어, 고도 차이)에 기초하여, 표적(T)의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출한다
또한, GPS 모듈(120)은, 제1 및 제2 GPS안테나(121, 122)의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
표적의 위치 정보는 다음과 같은 일반식 1 내지 8을 통해 산출될 수 있다.
[일반식 1]
lat_coefficient = 111132.95 - 559.822 x cos(2 x lat) + 1.175 x cos(4 x lat)
[일반식 2]
lon_coefficient = 111412.88 x cos(lat) - 93.5 x cos(3 x lat) + 0.12 x cos(5 x lat)
[일반식 3]
DistN = LRF_dist x cos(pitch) x cos(MBheading)
[일반식 4]
DistE = LRF_dist x cos(pitch) x sin(MBheading)
[일반식 5]
deltaH = LRF_dist x sin(pitch)
[일반식 6]
TargetLat = DistN / lat_coefficient + lat
[일반식 7]
TargetLon = DistE / lon_coefficient + lon
[일반식 8]
TargetAlt = deltaH + height
한편, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)에서, 표적(T)과의 거리가 상대적으로 가까운 쪽에 위치한 안테나가 제1 GPS 안테나(121)이고, 표적(T)과의 거리가 상대적으로 먼 쪽에 위치한 안테나가 제2 GPS 안테나(121)이다.
또한, 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122)는 레이저 거리 측정기(140)의 레이저 조사 축과 평행한 가상의 축에 대하여 동축 상에 배치될 수 있다
상기 일반식 1 내지 일반식 8에서, lat는 표적 관측 및 위치 추정 장치(100, 이하, 'TADS'라고 지칭함)에서, 제2 GPS안테나(122)에서 측정된 위도(Latitude)를 나타내고, lon은 TADS의 제2 GPS안테나(122)에서 측정된 경도(Longitude)를 나타낸다.
또한, pitch는 TADS(100)의 Pitch 각을 나타내며, Pitch 각은 고각(θ)으로서, 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122)의 고도 차이로 결정된다.
또한 MBheading는 무빙 베이스 헤딩(Moving base heading)으로서, 북쪽 기준 방위각(Ψ)을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122)를 연결하는 가상의 축의 방위각이 [일반식 3] 및 [일반식 4]에서 무빙 베이스 헤딩(Moving base heading)으로서, 북쪽 기준 방위각(Ψ)으로 결정된다.
또한, lat_coefficient는 위도(Latitude)에 따른 지구 곡률 반영한 위도 1도 당 거리 값(단위: m)을 나타내고, lon_coefficient는 위도(Latitude)에 따른 지구 곡률 반영한 경도(Longitude) 1도 당 거리 값(단위: m)을 나타낸다.
또한, DistN은 표적(Taget)에서 TADS(100) 간의 북쪽(North) 기준 거리 차(단위: m)를 나타내고, DistE는 표적(Taget)에서 TADS(100)간의 동쪽(East) 기준 거리 차(단위: m)를 나타내며, deltaH는 표적(Taget)에서 TADS(100) 간의 고도 차(단위: m)를 나타낸다.
또한, TargetLat는 표적의 위도(Latitude)(단위: degree) 를 나타내고, TargetLon은 표적의 경도(Longitude) (단위: degree)를 나타내고, TargetAlt는 표적의 고도(단위: m)를 나타내며, LRF_dist는 레이저 거리 측정기(140)에서 측정된 표적과의 거리 값(단위: m)을 나타낸다.
또한, 관측 제어부는 표적(T)과의 거리(D) 및 표적의 위치 정보를 외부 기기로 전송할 때, 외부 기기의 작동 명령을 전송하도록 마련될 수 있다. 이때, 외부 기기는 무인 비행체를 포함하고, 상기 작동 명령은 전송된 위치 정보에 기초하여, 표적을 향한 무인 비행체의 이동 명령을 포함할 수 있다.
또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 위치 정보의 갱신을 위한 관성 항법 장치(110)를 추가로 포함할 수 있다. GPS 모듈(120)을 이용하여 측정한 표적의 위치값 및 속도값 정보와 관성항법장치(100)의 자세 속도 정보를 칼만필터를 이용 결합하여 위치를 도출하는 방식으로 위치정보의 갱신율을 높여 줄 수 있다.
또한, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 표적을 선정하기 위한 EO(전자광학) 카메라 및 IR(적외선) 카메라(130) 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122)가 소정 간격으로 떨어져 장착되는 베이스부(101)를 포함할 수 있다. 또한, 베이스부(101)는 레이저 거리 측정기(140)의 레이저 조사 축과 평행한 가상의 축을 따라 연장된 형상을 가질 수 있다. 이때, 관성 항법 장치(110)는 제1 GPS안테나(121) 및 제2 GPS안테나(122) 사이에, 베이스부(101) 상에 장착될 수 있다. EO 카메라 및 IR 카메라 중 하나 이상의 카메라(130)는 관성 항법 장치(101)에 장착될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100')를 구비한 총기(150)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100')는 도 1에 도시된 베이스부(101)를 제외하고, 제1 및 제2 GPS 안테나(121, 122), 관성 항법 장치(110), EO/IR 카메라(130), 레이저 거리 측정기(140) 및 표시부(150)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법은 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법은 제1 GPS 안테나(121)로 표적의 위치를 측정하는 단계, 제2 GPS 안테나(122)로 표적의 위치를 측정하는 단계, 및 제1 GPS 안테나(121) 및 제2 GPS 안테나(122) 각각의 위치를 이용하여 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ), 및 거리 측정기에서 측정된 표적과의 거리(D)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하는 단계를 포함한다.
또한, 도 3을 참조하면, 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법은 도 3의 (b)를 참조하면, 레이저 거리측정기를 이용하여 표적과의 거리(D)를 측정하는 단계, Moving baseline GPS(120)를 이용하여 위치 추정 장치(100)와 표적(T)과의 북쪽 기준 방위각(Heading angle, Ψ) 측정하는 단계, 도 3의 (c)를 참조하면, Moving baseline GPS(120)를 이용하여 위치 추정 장치(100)와 표적(T)과의 지표면 기준 Pitch angle(θ) 측정하는 단계, 및 위치 추정 장치(100) 의 GPS정보 및 거리(D), 북쪽 기준 방위각(Heading angle, Ψ), 지표면 기준 Pitch angle(θ)을 이용하여 표적(T)의 위도, 경도, 고도를 측정하는 단계를 포함한다(일반식 1 내지 8).
또한, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템은 무인 비행체(200) 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 제공하도록 마련된 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)를 포함한다.
도 1 및 도 3을 통해 설명한 바와 같이, 표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기(140), 표적(T)의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈(120), GPS 모듈(120)에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송하도록 마련된 비행 제어부 및 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부(150)를 포함한다.
또한, GPS 모듈(120)은 제1 GPS안테나(121) 및 제1 GPS안테나(121)와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나(122)를 포함하고, GPS 모듈(120)은, 제1 및 제2 GPS안테나(121, 122)의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
전술한 바와 같이, 표적 관측 및 위치 추정장치(100)의 관측 제어부는 표적(T)과의 거리(D) 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송할 때, 무인 비행체의 작동 명령을 전송하도록 마련될 수 있다. 상기 작동 명령은 전송된 위치 정보에 기초하여, 표적을 향한 무인 비행체(200)의 이동 명령을 포함할 수 있다.
표적 관측 및 위치 추정 장치(100)로부터 작동 명령이 전송되면, 무인 비행체는 이륙, 표적 위치로 접근 및 타격을 수행하게 된다.
자폭 무인기 운용 시스템의 제어 방법은, 위치 추정 장치(100, TADS)로부터 받은 표적(T)과의 상대 위치보다 높은 고도로 무인 비행체(100)가 이륙하는 단계, TADS(100)로부터 받은 표적의 위치로 무인 비행체(100)가 일정 고도를 유지하며 접근하는 단계, 및 표적(T)과 무인 비행체 사이의 거리가 일정범위 내로 진입하면 무인 비행체의 로터를 반대로 회전시켜 역추진 방식으로 표적을 향해 비행하면, 위치 제어를 수행하는 단계를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템의 운용방법을 설명하기 위한 플로우 차트이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 무인 비행체(200)를 나타내는 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 무인 비행체(200)의 일 작동상태를 설명하기 위한 개념도이다.
또한, 도 8은 도 6에 도시된 무인 비행체의 로터(210)를 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8에 도시된 블레이드의 측면도이며, 도 10은 도 8에 도시된 선 A-A'를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 무인 비행체(200)는 정방향 및 역방향으로 회전 가능한 복수 개의 로터(210) 및 상기 로터(210)를 제어하며, 외부 기기(100)로부터 작동 명령을 수신하도록 마련된 비행 제어부(202)를 포함한다. 본 문서에서, 무인 비행체(200)는 자폭 무인기로 운용될 수 있다.
상기 무인 비행체(200)는 본체(201) 및 본체(201)의 반경방향을 따라 각각 연장되고, 본체의 둘레방향을 따라 떨어져 배치된 복수 개의 지지부재(202)를 포함한다.
상기 지지부재(202)의 종단부에는 상기 로터(210)가 마련된다. 일예로, 지지부재(202)의 개수는 로터(210)의 개수와 동일할 수 있다.
도 10을 참조하면, 각각의 로터(210)는, 에어포일이 좌우 대칭 형상을 갖는 복수 개의 블레이드(211)를 포함한다.
복수 개의 로터(210)는 2개 내지 8개이며 바람직하게, 복수 개의 로터는 3개 내지 4개일 수 있다.
로터(210)는 2개 내지 4개의 블레이드를 포함할 수 있고, 바람직하게, 도 8을 참조하면, 로터는 2개의 블레이드(211, 212)를 포함할 수 있다.
상기 로터(210)는 블레이드를 회전시키기 위한 구동원을 구비한 몸체(211)를 포함하며, 미설명 부호 C는 블레이드(21, 212)의 회전 중심축을 나타낸다.
상기 블레이드(211)는 로터(210)의 몸체(211)에 장착된 고정 단부(211a) 및 고정 단부(211a)의 반대 방향의 자유단부(211b)를 갖는다. 본 문서에서, 블레이드의 고정 단부(211a)에서 자유단부(211b)로 향하는 방향을 길이방향으로 지칭할 수 있다. 이때, 블레이드(211)는 길이방향을 따라 전체 영역의 에어포일(airfoil)이 좌우 대칭 형상을 가질 수 있다.
일반적인 드론용 추진 프로펠러의 경우, 일 방향 회전 즉, 정방향 회전을 위해 에어포일(블레이드 단면)의 형상이 좌우 비대칭적으로 형성되며, 정방향의 공기 유동에 있어서 난류를 최소화하고, 볼텍스를 발생시키지 않기 위해 블레이드 전체가 정방향으로 트위스팅된 형상을 갖는다.
그 결과, 목표위치지점에서 낙하하는 시퀀스에서 기존의 정방향용 프로펠러를 역방향으로 회전시켜 낙하가속 추진을 하는 동작에서 난류와 볼텍스를 발생시키기 때문에 효율과 안정성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여, 정방향뿐만 아니라 역방향 회전상황에서도 동일한 추력 안정성과 효율을 낼 수 있는 형상, 즉, 양방향 회전을 위해 블레이드의 에어포일의 형태가 좌우대칭 형상을 갖는 프로펠러를 제공한다.
또한, 도 8을 참조하면, 정, 역회전시 양쪽 방향 회전에서 최적 추력을 확보하기 위해 블레이드(211)가 대칭적 구조로 설계되며, 회전시 공기흐름이 와류를 발생시키지 않기 위해 블레이드(211)의 루트 부분이 상대적으로 넓고 팁 부분이 좁은 세이지 잎(Sage)형태로 설계된다.
본 문서에서, 도 7의 (a)를 참조하면, 로터가 정방향으로 회전할 때, 무인 비행체(200)는 이륙 및 표적(T) 위치로 비행하며 접근하는 동작을 수행할 수 있다. 이와는 다르게, 도 7의 (b)를 참조하면, 로터가 역방향으로 회전할 때, 무인 비행체(200)는 중력방향을 따라 표적(T)으로 하강하며 표적(T)을 타격하는 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 무인 비행체(200)는 하나 이상의 탄(230)을 포함할 수 있다.
즉, 비행 제어부(220)는 외부 기기(표적 관측 및 위치 추정 장치)로부터 표적의 위치정보를 수신하면, 로터(210)를 정방향으로 회전시켜 표적 측으로 이동(이륙 및 접근)하고, 수신된 표적의 위치로 접근 시, 로터(210)를 역방향으로 회전시키도록 마련된다.
또한, 비행 제어부(220)는 수신된 위치에서, 표적의 상부에서 비행이 이루어지도록 제어할 수 있다.
또한, 비행 제어부(220)는, 수신된 위치에서, 표적과의 거리가 소정 거리 이하일 때, 로터(210)를 역방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 자폭 무인기 운용 시스템은 도 6을 통해 설명한 무인 비행체(200) 및 무인 비행체(200)로 표적의 위치 정보 및 작동 명령을 송신하기 위한, 표적 관측 및 위치 추정 장치를 포함한다.
표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 도 1을 통해 설명한 바와 같다. 구체적으로, 표적 관측 및 위치 추정 장치(100)는 표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기(140), 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈(120), GPS 모듈(120)에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송하도록 마련된 관측 제어부 및 표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부(150)를 포함한다.
또한, 전술하나 바와 같이, GPS 모듈(120)은 제1 GPS안테나(121) 및 제1 GPS안테나(121)와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나(122)를 포함한다. 또한, GPS 모듈(120)은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된다.
또한, 자폭 무인기 운용 시스템의 제어방법은 다음과 같다.
상기 제어방법은, 위치 추정 장치(100)에서 표적의 위치 정보를 측정 및 산출하고, 표적의 위치 정보 및 작동 명령을 무인 비행체(100)로 송신하는 단계 및 무인 비행체(100)에서 작동 명령에 따라 임무를 수행하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 제어방법은, 위치 추정 장치(100)에서, 표적 과의 거리 값(), 북쪽 기준 방위각(Heading angle, Ψ), 고각(Pitch angle, θ) 측정하는 단계(S101), 측정한, Ψ, θ를 이용하여 표적의 위도, 경도, 고도(Latitude, Longitude, Altitude)를 계산하는 단계(S102), 계산한 위도, 경도, 고도 정보를 무인 비행체로 송신 및 무인 비행체의 임무시작 명령을 송신하는 단계(S103, S104)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어방법은, 무인 비행체(200)에서, TADS(100)로부터 받은 표적의 위도, 경도, 고도 정보 수신하는 단계(S201), TADS(100)에서 임무시작 명령 수신하는 단계(S202)를 포함한다. 이때, 임무시작 명령을 수신하지 않은 상태에서, 안전 모드 상태를 유지(S204)하게 된다.
또한, 임무시작 명령을 수신한 경우, 임무시작 명령을 수신 받은 위치에서 제자리 이륙을 진행하는 단계(S203), 지표면 기준 고도가 소정 높이(예, 150m) 보다 높게 이륙 하는 단계(S205), 표적 위치로 비행 시작 단계(S206), 표적과의 거리가 소정 거리(예, 3m) 내로 접근하는 단계(S207), 무인 비행체의 정지비행 상태를 확인하는 단계(S208) 및 표적 위치로 무인 비행체의 로터 역추진 진행 및 위치, 속도, 자세 제어를 통한 정밀 타격 유도 비행 시작하는 단계(S209)를 포함한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 표적 관측 및 위치 추정 장치
200: 무인 비행체

Claims (10)

  1. 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기;
    표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈;
    GPS 모듈에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 외부 기기로 전송하도록 마련된 관측 제어부;
    표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부; 및
    위치 정보의 갱신을 위한 관성 항법 장치를 포함하며,
    GPS 모듈은 제1 GPS안테나 및 제1 GPS안테나와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나를 포함하고,
    GPS 모듈은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련되며,
    표적을 선정하기 위한 EO 카메라 및 IR 카메라 중 하나 이상을 추가로 포함하고,
    제1 GPS안테나 및 제2 GPS안테나가 소정 간격으로 떨어져 장착되는 베이스부를 추가로 포함하며,
    관성 항법 장치는 제1 GPS안테나 및 제2 GPS안테나 사이에 베이스부 상에 장착되고,
    EO 카메라 및 IR 카메라 중 하나 이상의 카메라는 관성 항법 장치에 장착된, 표적 관측 및 위치 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    거리 측정기는 레이저 거리 측정기를 포함하며,
    제1 GPS안테나 및 제2 GPS안테나는 레이저 거리 측정기의 레이저 조사 축과 평행한 가상의 축에 대하여 동축 상에 배치된, 표적 관측 및 위치 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    관측 제어부는 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 외부 기기로 전송할 때, 외부 기기의 작동 명령을 전송하도록 마련된 표적 관측 및 위치 추정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    외부 기기는 무인 비행체를 포함하고,
    작동 명령은 전송된 위치 정보에 기초하여, 표적을 향한 무인 비행체의 이동 명령을 포함하는, 표적 관측 및 위치 추정 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 따른 표적 관측 및 위치 추정 장치를 구비한 총기.
  9. 제 1 항에 따른 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법으로,
    제1 GPS 안테나로 표적의 위치를 측정하는 단계;
    제2 GPS 안테나로 표적의 위치를 측정하는 단계;
    제1 GPS 안테나 및 제2 GPS 안테나 각각의 위치를 이용하여 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ), 거리 측정기에서 측정된 표적과의 거리(D)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하는 단계를 포함하는 표적 관측 및 위치 추정 장치의 제어방법.
  10. 무인 비행체; 및
    표적의 위치 정보를 무인 비행체로 제공하도록 마련된 표적 관측 및 위치 추정 장치를 포함하며,
    표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적과의 거리(D)를 측정하기 위한 거리 측정기;
    표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련된 GPS 모듈;
    GPS 모듈에서 측정된 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)에 기초하여, 표적의 위도(latitude), 경도(longitude) 및 고도(altitude)를 포함하는 표적의 위치정보를 산출하고, 표적과의 거리 및 표적의 위치 정보를 무인 비행체로 전송하도록 마련된 비행 제어부;
    표적의 영상 정보 및 위치 정보를 표시하도록 마련된 표시부; 및
    위치 정보의 갱신을 위한 관성 항법 장치를 포함하며,
    GPS 모듈은 제1 GPS안테나 및 제1 GPS안테나와 소정 간격(d) 떨어져 위치하는 제2 GPS안테나를 포함하고,
    GPS 모듈은, 제1 및 제2 GPS안테나의 상대 위치에 기초하여 표적의 북쪽 기준 방위각(Ψ) 및 고각(θ)을 측정하도록 마련되며,
    표적 관측 및 위치 추정 장치는, 표적을 선정하기 위한 EO 카메라 및 IR 카메라 중 하나 이상을 추가로 포함하고,
    제1 GPS안테나 및 제2 GPS안테나가 소정 간격으로 떨어져 장착되는 베이스부를 추가로 포함하며,
    관성 항법 장치는 제1 GPS안테나 및 제2 GPS안테나 사이에 베이스부 상에 장착되고,
    EO 카메라 및 IR 카메라 중 하나 이상의 카메라는 관성 항법 장치에 장착된, 자폭 무인기 운용 시스템.
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