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KR20210137469A - 무인 항공기의 고도로부터 바람 방향 및 속도 측정을 결정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

무인 항공기의 고도로부터 바람 방향 및 속도 측정을 결정하는 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210137469A
KR20210137469A KR1020217029470A KR20217029470A KR20210137469A KR 20210137469 A KR20210137469 A KR 20210137469A KR 1020217029470 A KR1020217029470 A KR 1020217029470A KR 20217029470 A KR20217029470 A KR 20217029470A KR 20210137469 A KR20210137469 A KR 20210137469A
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KR
South Korea
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aerial vehicle
unmanned aerial
projected
roll
determining
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Application number
KR1020217029470A
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Inventor
알프레드 디. 뒤샴
로버트 토핑
Original Assignee
호버플라이 테크놀로지스 인코포레이티드
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 호버플라이 테크놀로지스 인코포레이티드 filed Critical 호버플라이 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

고도에서 UAV가 경험하는 바람 속력과 방향은 UAV에 가속도계, 자이로스코프 및 나침반을 배치하여 결정된다. UAV가 경험하는 속도의 변화는 가속도계에 의해 결정된다. UAV가 경험하는 기준 평면에 대한 배향과 각속도는 자이로스코프에 의해 결정된다. UAV의 자침 방위는 나침반으로 결정된다. UAV가 나타내는 롤과 피치는 속도, 배향 및 각속도의 변화의 함수로 결정된다. UAV의 회전 중심을 절단하는 수평 평면에 투영된 롤 및 투영된 피치 벡터들은 롤과 피치의 함수로 결정된다. UAV가 경험하는 바람의 바람 속력은 투영된 롤 벡터와 투영된 피치 벡터의 함수로 결정된다. 바람 방향은 UAV의 투영된 롤 벡터와 투영된 피치 벡터 및 자침 방위의 함수로 결정된다.

Description

무인 항공기의 고도로부터 바람 방향 및 속도 측정을 결정하는 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 2월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/806,559호에 대한 우선권을 주장하는 2020년 2월 13일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제16/789,961호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
본 발명은 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 UAV가 주행하는 바람 방향 및 속도의 함수로서 풍력을 간접적으로 결정하기 위한 구조 및 방법에 관한 것이다.
UAV는, 목적지로 비행하든 지면에 대해 고정 위치를 유지하려고 하든, 입력 비행 경로 및/또는 고정 지면 위치에 상대적인 속도와 방향을 유지해야 한다. UAV가 공중을 날고 바람과 상호 작용할 때 위치를 조종하고 유지하기 위해 집합적으로 "자세(attitude)"로 알려진 롤(roll)과 피치(pitch)를 보상해야 한다. 이를 달성하기 위해서는, 바람 속도와 방향을 결정하여 필요에 따라 원하는 위치와 방향을 유지하기 위한 교정 조치(corrective action)를 취해야 한다.
풍향계(wind vane) 또는 회전 풍속계(spinning anemometer)와 같은 기계적 센서를 사용하여 풍속을 측정하는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. 지상에서 사용되는 경우 이러한 디바이스들은 지상에서의 풍속이 고도에서 UAV가 경험하는 풍속과 동일하지 않기 때문에 고도에서의 풍속을 예측하지 못한다. 더욱이, 그러한 종래 기술의 바람 검출 디바이스는 크고 무거워서 비행 중 에너지 사용, 페이로드(payload) 요구 사항, 기동성(maneuverability) 및 기타 물리적 요인을 처리하기 위해 설계에서 무게와 공간을 보존해야 하는 UAV에 적용될 수 없다.
예측된 위치와 비교하여 알려진 거리에 걸쳐 경로 길이의 변화를 측정하기 위해 초음파 변환기(ultrasonic transducer)를 사용하는 것도 알려져 있다. 그러나 이들은 또한 무겁고, 선적 중량이 증가하고, 선적 공간을 차지한다는 단점이 있다.
따라서, 종래 기술의 단점을 극복한 바람의 방향과 속도를 간접적으로 감지하는 구조 및 방법론이 필요하다.
고도에서 UAV가 경험하는 바람 속력과 방향은 UAV에 가속도계, 자이로스코프 및 나침반을 배치하여 결정된다. UAV가 경험하는 속도의 변화는 가속도계에 의해 결정된다. UAV가 경험하는 기준 평면에 대한 배향과 각속도는 자이로스코프에 의해 결정된다. UAV의 자침 방위는 나침반으로 결정된다. UAV가 나타내는 롤과 피치는 속도, 배향 및 각속도의 변화의 함수로 결정된다. UAV의 회전 중심을 절단하는 수평 평면에 투영된 롤 및 투영된 피치 벡터들은 롤과 피치의 함수로 결정된다. UAV가 경험하는 바람의 바람 속력은 투영된 롤 벡터와 투영된 피치 벡터의 함수로 결정된다. 바람 방향은 UAV의 투영된 롤 벡터와 투영된 피치 벡터 및 자침 방위의 함수로 결정된다.
본 발명의 특징 및 이점은 유사한 요소가 유사하게 표시되는 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따라 구성된 무인 항공기의 개략도이고; 그리고
도 2는 본 발명에 따라 구성된 UAV의 바람 방향 및 속도를 결정하기 위한 시스템의 개략도이고; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 바람 방향 및 속도를 결정하는 방법에 대한 흐름도이다.
일반적으로 참조번호 10으로 표시된, 본 발명에 따라 구성된 UAV가 제공되는 도 1을 먼저 참조한다. UAV(10)는 인클로저(enclosure) 형태의 플랫폼(platform)(12)을 포함한다. 당업계에 알려진 바와 같이, 로터들(20)은 플랫폼(12)으로부터 연장된다. UAV의 롤(roll) 및 피치(pitch)를 결정하기 위한 구조를 포함하는 전자 장치(electronics)(100)는 하우징(12) 내에 장착된다.
이제 전자 장치(100)를 위한 구조가 보다 구체적으로 제공되는 도 2를 참조한다. 전자 장치(100)는, 본 기술 분야에 알려진 바와 같이, 무선으로 또는 테더를 통해 지상으로 전송된 UAV(10)의 비행을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하는 비행 제어기(flight controller)(102)를 포함한다. 비행 제어기(102)는 수신된 제어 신호에 응답하여 작동하는, 당업계에 공지된 바와 같은, 로터 제어 신호를 로터(20)에 전송한다. 비행 제어기(102)는, 하나의 비제한적인 예시적인 실시 예에서, UAV(10)의 자침 방위(magnetic bearing)를 결정하기 위한 나침반(compass)(108)과 같은 디바이스를 포함한다. 비행 제어기(102)는 또한 아래에서 논의되는 바와 같이 동작하는 마이크로제어기(110)를 포함한다.
전자 장치(100)는 또한 UAV(10)의 롤 및 피치를 결정하기 위한 관성 운동 유닛(inertial motion unit, IMU)(104)을 포함한다. 3차원에서 움직임을 결정하려면, IMU(104)는 속도(속력 및 방향)의 변화를 측정하는 3차원 가속도계(112), 및 UAV(10)의 각속도 및 기준 평면에 대한 배향을 결정하기 위한 자이로스코프(114)를 포함한다. 이들은 함께 UAV(10)의 롤, 피치, 요 및 속도를 결정한다. 가속도계(112) 및 자이로스코프(114)는 MEM일 수 있고; 따라서 바람 검출 장치가 차지하는 공간과 무게를 줄인다. IMU(104)는 비행 제어기(102)에 움직임 출력(롤, 피치, 요 및 속도)을 제공하며, 이는 아래에서 논의되는 바와 같이 바람의 방향과 속도를 결정하고 이에 따라 수정하는 데 사용된다.
롤과 피치의 양은 기체 역학(aerodynamics), 질량 및 기타 요인의 함수로 다양한 UAV 설계들 사이에서 다르다. 제1 단계에서는, 알려진 바람 조건에 대한 UAV의 롤, 피치 및 자침 방위의 변화를 직접 측정하여 보정 인자(correction factor)가 결정된다. 다음으로, 알려진 바람 조건에 대한 평균 롤 및 평균 피치가 결정된다. 이것은 다음 방정식으로 전자 장치(100)를 사용하여 결정될 수 있다:
(1)
Figure pct00001
(2)
Figure pct00002
여기서 n은 샘플 수이며 샘플 속도와 평균의 원하는 기간으로 찾을 수 있다.
수평면에 투영된 벡터는 다음과 같이 결정된다:
(3)
Figure pct00003
(4)
Figure pct00004
여기서
Figure pct00005
및
Figure pct00006
는 UAV의 회전 중심을 가로지르는 수평면에 각각 투영된 롤 및 피치 벡터를 나타낸다.
본 발명자는 바람 속도가 보정 값과 UAV(10)의 회전 중심을 가로지르는 수평면에 투영된 롤과 피치 벡터(
Figure pct00007
,
Figure pct00008
)의 함수로 결정될 수 있다고 결정하였다. 보정 값은 UAV(10)의 제조업체 및 모델의 함수로서 변경되는 고정된 숫자이다. 결과적으로, 바람 속도는 다음 방정식에 따라 전자 장치(100)에 의해 결정될 수 있다:
(5)
Figure pct00009
여기서
Figure pct00010
은 각각의 고유한 UAV 설계에 대한 바람 보정 인자이며; 위에서 논의한 바와 같이 결정된다.
바람 방향은 또한 동일한 정보로부터 그리고 나침반(108)에 의해 결정되는 바와 같은 UAV(10)의 자침 방위의 함수로서 결정될 수 있다. 나침반(108)은 지면(자침 방위)에 대한 실제 배향을 제공한다. 바람 방향은 다음 방정식에 따라 결정될 수 있다:
(6)
Figure pct00011
여기서 H는 나침반(108)에 의해 결정되는 바와 같은 항공기(craft)의 자침 방위이다.
가속도계(112), 자이로스코프(114) 및 나침반(108)과 같은 온보드 경량의, 회로 기반, 전자 장치를 독창적으로 사용한 결과, 마이크로컴퓨터(110)는 UAV(10)가 경험하는 고도에서의 바람 방향 및 속도를 실시간으로 결정하고, 원하는 지상 위치 또는 비행 경로와 관련하여 비행 제어기(102)에 대한 보정 명령을 제공할 수 있게 한다. 이제 방법이 더 자세히 설명된 도 3을 참조한다.
단계(200)에서, IMU(104)에 입력을 제공하는 클록(clock)(106)은 가속도계(112) 및 자이로스코프(114)가 롤 및 피치 측정을 시작하기 위한 타이밍 기간을 시작한다. 롤 및 피치 측정값은, 30초와 같은, 시간 기간에 걸쳐 수집되어 정상적인 비행으로 인한 정상적인 자세 변화가 바람에 의한 장기간의 오프셋(offset)으로부터 구별될 수 있다. 시간 기간의 끝에서 클록(106)은 IMU(104)가 가속도계(112) 및 자이로스코프(114)에 의해 결정된 바와 같은 측정된 롤 및 피치를 마이크로제어기(110)에 출력하게 하는 신호를 출력한다. 단계(202)에서, 자침 방위는 나침반(108)에 의해 결정되고 클록(106)에 의해 결정된 시간 기간 동안 가속도계(112) 및 자이로스코프(114)의 출력과 함께 마이크로제어기(110)에 입력된다.
단계(204)에서, 마이크로제어기(110)는 방정식들 (3) 및 (4)에 따라 투영된 벡터(
Figure pct00012
,
Figure pct00013
)를 결정한다. 단계(206)에서 마이크로제어기(110)는 방정식 (5)를 이용하여 UAV(10)가 경험하는 바람 속도를 결정한다. 단계(208)에서 마이크로제어기(110)는 방정식 (6)에 따라 결정된 투영된 벡터를 이용하여 바람 방향을 결정한다. 출원인은 단계들(206 및 208)이 동시에 또는 다른 것에 대해 임의의 순서로 발생할 수 있음을 주목한다. 바람 속도 및 바람 방향은 UAV(10)에 의해 경험되는 바람을 보상하기 위해 로터(20)의 작동을 조정하기 위해 비행 제어기(102)에 대한 보정 값을 결정하는 데 사용된다. 따라서, 가속도계(112), 자이로스코프(114) 및 나침반(108)과 같은 온보드 전자 장치를 독창적으로 사용한 결과, UAV(10)은 이전에 결정된 자세 측정으로부터 고도에서 바람 속력과 방향을 결정할 수 있으며 원하는 비행 경로/위치를 다시 시작하기 위해 실시간으로 보정한다. 결과적으로 UAV 수준에서 공간, 무게 및 공기 역학이 보존된다.
전자 장치(100)와 관련하여 위에서 논의된 동작은 또한 마이크로제어기 레벨에서 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 마이크로제어기(110)는 IMU(104)에 대한 필요 없이 롤 및 피치를 결정하기 위해 가속도계 및 자이로스코프를 통합할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 특정 실시 예로 제한되지 않는다는 것을 더 인식해야 한다. 따라서, 본 발명의 사상 및 본원에 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 많은 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 고도(altitude)에서 무인 항공기(unmanned aerial vehicle)가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법으로서,
    상기 무인 항공기에 가속도계(accelerometer), 자이로스코프(gyroscope) 및 나침반(compass)을 배치하는 단계;
    상기 가속도계로 상기 무인 항공기가 경험하는 속도의 변화를 결정하는 단계;
    상기 자이로스코프로 상기 무인 항공기가 경험하는 각속도 및 기준 평면에 대한 상기 무인 항공기의 배향을 결정하는 단계;
    상기 나침반으로 상기 무인 항공기의 자침 방위(magnetic bearing)를 결정하는 단계;
    알려진 바람 조건(wind conditions)에 응답하여 상기 무인 항공기의 롤(roll) 및 피치(pitch)의 함수로서 상기 무인 항공기의 회전의 중심을 절단하는 수평 평면 상에 투영된 롤 벡터 및 투영된 피치 벡터를 결정하는 단계;
    상기 투영된 롤 벡터 및 상기 투영된 피치 벡터의 함수로서 상기 무인 항공기가 경험하는 바람의 바람 속력을 결정하는 단계; 및
    상기 무인 항공기의 투영된 롤 벡터, 투영된 피치 벡터 및 자침 베어링의 함수로서 바람 방향을 결정하는 단계를 포함하는, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가속도계는 3차원 가속도계인, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 알려진 바람 조건에 응답하여 상기 무인 항공기의 롤, 피치 및 자침 베어링의 변화를 측정하는 함수로서 보정 값(correction value)을 결정하는 단계를 더 포함하고; 상기 바람 속도는 부분적으로 상기 보정 값의 함수로 결정되는, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보정 값은 각각의 무인 항공기의 제조사 및 모델에 특정한 무인 항공기에 할당된 고정 값인, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 미리 결정된 시간 기간을 결정하고 상기 미리 결정된 시간 기간 동안의 상기 롤 및 상기 피치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하는 방법.
  6. 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하기 위한 시스템으로서,
    상기 무인 항공기에 배치되어 상기 무인 항공기가 경험하는 속도의 변화를 측정하는 가속도계;
    상기 무인 항공기에 배치되어 기준 평면에 대한 상기 무인 항공기의 배향 및 상기 무인 항공기가 경험하는 각속도를 결정하는 자이로스코프;
    상기 무인 항공기에 배치되어 상기 무인 항공기의 자침 방위를 결정하는 나침반;
    상기 나침반, 상기 자이로스코프 및 상기 가속도계와 통신하는 비행 제어기(flight controller)를 포함하고; 상기 비행 제어기는 상기 자침 방위를 수신하고, 롤 및 피치의 함수로서 상기 무인 항공기의 회전의 중심을 절단하는 수평 평면 상에 투영된 롤 벡터 및 투영된 피치 벡터를 각각 결정하고; 상기 투영된 롤 벡터 및 상기 투영된 피치 벡터의 함수로서 상기 무인 항공기가 경험하는 바람의 바람 속력을 결정하고; 그리고 상기 무인 항공기의 상기 투영된 롤 벡터, 투영된 피치 벡터 및 자침 방위의 함수로서 바람 방향을 결정하는, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하기 위한 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로제어기(microcontroller)는 알려진 바람 조건에 응답하여 상기 무인 항공기의 상기 롤, 피치 및 자침 방위의 측정된 변화의 함수로서 보정 값을 사용하여 상기 바람 속력 및 바람 방향을 결정하고; 상기 보정 값은 각각의 무인 항공기의 제조사 및 모델에 특정한 무인 항공기에 할당된 고정 값인, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하기 위한 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 클록(clock)을 더 포함하고; 상기 클록은 미리 결정된 시간 기간 동안 타이밍 신호(timing signal)를 출력하고, 상기 가속도계 및 자이로스코프는 상기 미리 결정된 시간 기간 동안에만 상기 비행 제어기에 출력을 제공하는, 고도에서 무인 항공기가 경험하는 바람 속력 및 바람 방향을 결정하기 위한 시스템.
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