회전익 드론의 드론스테이션 충전베드 구조 설계 및 구현

Ⅰ. 서 론

회전익 드론(Rotary wing drone)은 정밀한 방향전환에 용이하고 수직이착륙이 가능하기 때문에 지형, 도로, 인공 구조물 등에서 비롯되는 각종 제약요소들을 극복할 수 있다. 뿐만 아니라 회전익 드론은 지정된 높이와 위치를 유지하는 호버링(Hovering)이 가능하므로 물류운송, 관측, 감시, 측량과 같은 다양한 사회 분야에 회전익 드론을 사용하려는 시도가 계속되고 있다[1]-[3]. 이처럼 드론은 공간적 제약에서 자유롭기 때문에 다양한 분야에서 사람을 대신하고 있다. 특히 산업용 드론은 컴퓨터비전, 딥러닝과 같은 소프트웨어 기술과 SoC(System on Chip), 임베디드 시스템과 같은 하드웨어 기술 등 첨단 IT 기술들을 기반으로 더욱 복잡하고 다양한 임무를 수행하기 위해 발전하고 있다[4].

사회적으로 요구되는 드론 임무 수행반경은 시, 군 단위로 점점 넓어지고 있으며, 이에 따라 더욱 오랫동안 비행할 수 있는 드론에 관심이 집중되고 있다. 하지만 드론의 임무 복잡도 역시 높아짐에 따라 고해상도 카메라, 열화상카메라, 병렬처리 기반 미션컴퓨터(Mission computer), 라이다(LiDAR, Lager imaging, Detection, and Ranging) 등 드론에 탑재되어야 할 임무 중량도 증가하고 있다[5]. 따라서 산업용 드론으로 널리 사용되고 있는 회전익 드론의 비행가능시간은 드론의 성능과 임무수행 적합도를 판단할 때 가장 중요한 지표가 된다. 회전익 드론은 전기에너지를 주로 사용하기 때문에 회전익 드론의 비행시간은 드론 전장부품들의 에너지관리능력 뿐만 아니라, 배터리팩(Battery-pack)의 경량화 기술 및 용량에 크게 영향 받는다[6]. 따라서 증가하는 드론의 총 중량과 비행시간을 고려하면 드론의 배터리 용량은 함께 증가되어야 한다. 하지만 배터리의 무게와 용량은 비례관계이며, 배터리 무게를 고려한다면 드론 비행시간과 배터리 용량은 이율배반 관계가 된다. 최근 배터리 기술은 전기자동차(Electric vehicle), UAM(Urban Air Mobility)과 같은 e-모빌리티(Electro-mobility) 산업을 중심으로 많은 발전을 이루고 있으며, 전고체 배터리, 슈퍼커패시터 등과 같은 차세대 배터리에 대한 기대도 고조되고 있다. 드론 산업에서는 이러한 배터리들을 하루빨리 안정적으로 드론에 사용할 수 있기를 기대하고 있다[7].

배터리 기술발전에 의존하는 방법 외에, 드론의 임무 수행시간을 확장할 수 있는 또 다른 방법으로는 드론스테이션(Drone station)의 자동충전을 통하여 다수의 드론을 순환 운영하는 방법이 있다[8][9]. 군집 드론 분야에서 각각의 드론에게 임무를 할당하여 운영하는 연구들은 이미 활발하게 진행되고 있다. 하지만 이러한 연구에서 다루는 임무는 드론들 각각에게 부하를 분할 할당하는 동시 다발적 분산처리 방식이기 때문에 임무 수행에 있어 드론스테이션 및 자동충전의 필요성이 매우 낮다[9]. 본 연구에서 다루는 임무의 특성은 방범, 감시, 순찰 등과 같이 시, 군 단위의 넓은 지역을 드론이 비행 가능한 기상 조건이라면 상시로 임무를 수행해야 한다는 것이다. 이러한 특성의 임무들은 드론 비행시간 및 충전시간 제약으로 인해 한 대의 드론이 수행하기에는 현실적으로 무리가 있으며, 여러 대의 드론이 드론스테이션 및 자동충전기능을 이용하여 교대근무 방식으로 임무를 수행해야 한다. 이러한 교대근무 그룹을 여러 개 운영하게 되면 넓은 지역에 대한 임무 수행이 가능해진다. 하지만 기존에 선보였던 드론스테이션은 자동충전을 위해 충전베드(Charging bed)의 충전단자와 베터리팩 결합(Docking)을 드론의 정밀착륙에 의존하였는데, 이는 정밀착륙 결과가 오차 거리에서 벗어날 경우 드론이 전복되는 등 기체 및 충전베드가 심각하게 파손되는 사고를 야기한다. 또한 복수의 드론과 충전스테이션을 이용하여 상시 임무를 수행하기 위한 드론스테이션 운영방법에 대한 연구는 부족한 실정이다[8-9]. 이에 본 논문에서는 산업용으로 널리 사용되고 있는 회전익 드론의 상시 임무수행을 지원하기 위한 드론스테이션의 충전베드 구조를 제안하고 구현한다.

Ⅱ. 드론스테이션 기술동향

본 논문은 드론의 연속 임무수행을 위한 핵심 기술인 드론스테이션의 자동충전에 대한 내용을 주로 다룬다. 본 장에서는 드론스테이션의 자동충전과 관련하여 종래 산업용 회전익 드론의 배터리 구조와 충전베드에 대해 설명한다.

2.1 회전익 드론의 배터리팩

회전익 드론은 모터부, 전기부, 센서부, 전파부, 처리부 등 다양한 부품들로 구성된다. 드론의 배터리는 전원장치 및 안정화 회로를 통해 모터들과 기타 전자부품에게 양질의 전기를 안정적으로 공급한다. 배터리는 리튬 기반 2차 전지를 주로 사용하며, 드론의 크기 및 중량에 따라 용량이 결정된다. 산업용 드론의 경우에는 배터리팩 여러 개를 상황에 맞게 직·병렬로 연결하여 약 20~50V, 1,500~22,000 mAh의 전원을 구성한다.

종래의 산업용 드론은 그림 1과 같이 드론 기체의 하부 혹은 상부에 배터리팩을 주로 장착한다. 산업용 드론은 임무 수행에 필요한 다양한 장비를 장착하고 비행하는데, 임무의 성격에 따라 임무장비 장착 위치가 결정된다. 따라서 배터리팩은 임무장비 장착 위치를 피하여 장착하기 때문에 대체로 기체의 하부 혹은 상부에 배터리팩을 장착하는 경우가 많다.

Fig. 1.

Example of battery packs attachment location of existing drones

2.2 충전베드 및 충전 방식

충전기와 배터리의 연결방법 측면에서 배터리 충전 방식은 크게 무선충전 방식과 접촉식 유선충전 방식으로 분류할 수 있다[4][9]-[11].

Fig. 2.

Traditional contact drone charging beds [4][9][11]

무선충전 방식은 드론과 충전베드의 충전단자 간 접점 연결이 필요 없기 때문에 드론 정밀착륙에 대한 부담이 적고 충전베드의 기구적인 복잡도 및 구현 난이도가 낮아진다. 하지만 접촉식 유선충전 방식에 비해 매우 긴 충전시간이 요구되기 때문에 통상 한 시간이 채 되지 않는 드론 비행시간을 고려한다면 드론을 순환 운영하는데 느린 충전 속도는 장애요인이 될 수 있다.

접촉식 유선 충전방식은 충전 속도는 빠르지만 충전 단자들 간 물리적 접점 연결을 위해 정밀한 드론 착륙 기술을 요구한다. 하지만 드론의 정밀 착륙은 전파·전자적인 조건이 완벽하다 할지라도 시시각각 변하는 기상 조건에 따라 오차거리가 크게 달라지기 때문에 이에 대한 보완책이 필요하다. 기존 연구들에서는 착륙오차를 고려하여 충전 단자를 여러 개 두는 방식, 로봇 팔이 드론 충전단자를 찾아서 직접 연결하는 방식, 기구 혹은 구조적으로 드론이 충전베드 중앙에 정렬되는 방식 등이 연구되었다[4][8]-[11].

Ⅲ. 제안하는 드론스테이션 접촉식 충전베드

본장에서는 본 논문에서 제안하는 드론스테이션충전베드에 대한 상세한 구조와 드론 정렬 메커니즘(Mechanism)에 대해 설명한다.

본 논문에서 제안하는 드론스테이션은 밀폐 방식이다. 따라서 드론이 충전 중이거나 임무 대기 상태에서는 덮개가 덮여진다. 밀폐 방식의 드론스테이션에서는 드론이 착륙한 후 개방되었던 덮개를 닫아야 하므로 드론 베드에 정확하게 착륙하기 위한 정밀 착륙 능력이 더욱 중요해진다. 본 논문에서 제안하는 드론 자동정렬 기능은 밀폐형 드론스테이션에서 더욱 유용하게 사용될 수 있다. 그림 3은 본 논문에서 설계한 밀폐형 드론스테이션의 3D 도안이며, 논문의 간결함을 위해 상세한 구조 및 메커니즘에 대한 설명은 생략한다.

Fig. 3.

Closed type drone station

본 논문에서 제안하는 드론 충전베드는 그림 4와 같다. 제안하는 충전베드는 드론을 정렬하기 위한 두 개의 정렬 와이어(Wire rope), 이 정렬 와이어를 양쪽으로 당기기 위한 와이어 당김 장치, 그리고 당겼던 와이어를 제자리로 돌려놓기 위한 와이어 복귀 장치로 구성된다. 또한 드론 배터리팩 충전을 위한 충전단자가 충전베드에 노출되어 있다. 충전단자는 드론의 착륙방향에 상관없이 배터리팩과 연결이 가능하도록 대칭 형태로 배치되어 있으며, 그림 4를 비롯한 관련 그림들에서는 녹색으로 표현하였다.

Fig. 4.

Proposed drone charging bed

그림 5의 (a)와 (b)는 충전베드의 정렬 와이어를 조정하는 장치들의 상세 그림이다. 그림 5의 (a)는 와이어 당김 장치로서, 드론 정렬 와이어를 양쪽으로 당기기 위한 장치이며 제안하는 충전베드에는 두 개의 와이어 당김 장치가 그림 4의 (c)와 같이 서로 마주보는 방향으로 장치되어 있다. 드론 정렬 와이어들은 드론이 착륙하기 전에는 충전베드의 테두리 위치에서 대기하다가 드론이 착륙하면 와이어 당김 장치에 의해 양쪽으로 당겨진다.

Fig. 5.

Wire pulling and returning units

본 논문에서는 두 정렬 와이어 각각을 빨간색과 파란색으로 구분하였으며, 각각의 와이어는 좌측 혹은 우측 중 하나의 와이어 당김 장치에만 연결되어 당겨진다.

드론이 충전을 마치고 다시 이륙해야 할 때 정렬을 위해 당겨졌던 와이어가 그대로 있다면 드론은 이륙을 할 수 없는 상태가 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 그림 5의 (b)와 같이 와이어 복귀 장치를 고안하였다. 와이어 복귀 장치는 와이어를 조정하기 위한 복귀 와이어를 조정하는 장치이며 본 논문에서는 녹색 와이어로 표현하였다. 와이어 복귀 장치는 그림 4의 (c)와 같이 충전베드의 각각 모서리에 총 네 개가 배치되어 있다. 와이어 복귀 장치는 드론 정렬이 완료되면 녹색 와이어를 당겨서 빨간색 와이어와 파란색 와이어를 충전베드 테두리로 위치시킨다.

와이어 당김 장치 및 와이어 복귀 장치에 의해 착륙된 드론의 다리를 와이어로 걸어 당기거나 드론이 안전하게 이륙할 수 있게 와이어를 정리할 수 있다.

그림 6은 와이어 당김 장치가 두 정렬 와이어를 당기는 방향을 나타낸다. 두 와이어 당김 장치는 서로 마주보고 있으며 정렬 와이어를 당길 때는 서로 반대방향으로 와이어를 당긴다. 당겨지는 정렬 와이어는 충전베드에 노출되는 길이가 점점 짧아지면서 드론을 양쪽으로 잡아당기는 형태가 되며, 동일한 속도와 힘으로 당겨지는 정렬 와이어들에 의해 결국 드론은 충전베드의 중앙으로 이동하게 된다. 그림 7은 드론 정렬이 완료되었을 때의 드론 위치와 와이어 상태를 나타낸 그림이다. 드론은 충전베드의 중앙에 위치하였고 드론의 다리 각각에는 빨간 와이어 및 파란 파이어가 팽팽한 상태로 걸려있는 것을 볼 수 있다.

Fig. 6.

Operation of the wire pulling unit

Fig. 7.

Drone position and wires status after the drone position adjustment

그림 8은 그림 7의 드론 복귀 장치 및 복귀 와이어 상태를 상세하게 나타낸 그림이다. 테두리에 있던 정렬 와이어들이 중앙 수평방향으로 당겨졌음에 따라 복귀 와이어는 길게 늘어나 있는 상태이다. 드론 정렬이 완료되고 충전이 시작되면 당겨졌던 정렬 와이어는 다시 충전베드의 테두리로 돌아가야 한다. 이를 위해 충전베드 각 모서리에 위치한 네 개의 와이어 복귀 장치는 그림 9의 화살표 방향으로 녹색 복귀 와이어를 당기게 된다. 녹색 복귀 와이어는 빨간색 및 파란색 정렬 와이어를 테두리 방향으로 끌어가기 때문에 결과적으로 그림 10과 같이 정렬 와이어는 충전베드의 테두리 방향으로 복귀한다.

Fig. 8.

Drone position and wires status after adjusting drone position, (a) Left side of the charging bed, (b) Right side of the charging bed

Fig. 9.

Operation of the wire returning unit

Fig. 10.

Waiting state of the charging bed

그림 10은 충전이 필요한 드론이 충전베드에 착륙할 수 있게 준비된 상태, 혹은 충전이 완료된 드론이 이륙할 수 있는 상태를 나타낸다.

드론의 배터리팩은 본체의 하부 혹은 상부에 장착되므로 착륙상태에서 배터리 충전단자는 드론의 모양에 따라 최소 0.1~0.3 m 지상에 위치하게 된다. 이는 드론 착륙 후 충전단자와 충전기 연결을 위한 또 다른 장치들이 요구되기 때문에 자동충전장치의 복잡도를 가중시킨다.

이에 본 논문은 그림 11과 같이 배터리팩을 드론의 스키드(Skid) 역할을 함께 할 수 있는 구조로 설계하여 배터리팩 아래에 접촉단자를 위치시켰다. 스키드는 착륙 시 충격을 흡수하고 지상에서 드론을 지지하는 기구부이다. 따라서 본 논문의 드론이 충전베드에 착륙하게 되면 충전베드와 충전단자가 직접 맞닿게 된다. 본 논문에서는 논문의 간결성을 위해 충전베드 및 자동충전을 위해 요구되는 배터리팩의 구조에 대해서만 설명하며, 배터리팩의 전기·전자적인 부분에 대해서는 후속연구에서 다루기로 한다. 그림 12는 설계된 배터리팩이 장착된 드론의 실측 기반 3D 설계도이다. 그림과 같이 산업용 회전익 드론은 두 개의 다리를 가지며 스키드로 기체를 지지하는 구조가 일반적이다. 따라서 기존 스키드를 제거하고 제안하는 배터리팩을 장착했을 때 스키드 기능과 배터리팩 기능 모두를 충실하게 수행할 수 있다.

Fig. 11.

Design of the battery pack

Fig. 12.

Drone with the proposed battery pack

Ⅳ. 구현 및 실험

본 장에서는 3장에서 설명했던 접촉식 충전베드를 구현하여 드론 정렬 실험을 수행한 결과를 설명한다. 실험 시나리오는 드론이 충전베드 위에 착륙을 성공했지만 충전단자 간의 접촉은 실패한 상황으로 가정하였고, 드론을 충전베드 중앙으로 정렬하는 기능과 충전이 끝난 드론이 이륙할 수 있게 와이어를 복귀시키는 기능을 실험하였다. 산업용 드론에는 GPS 방위정보, 드론스테이션 인식 및 자동 착륙 알고리즘이 적용되어 있지만, 본 논문에서는 실제 드론의 착륙오차 보다 보수적으로 상황을 연출하여 드론 정렬 성능을 검증하였다. 착륙 상황을 다르게 하여 100회 반복 실험을 수행하였으며, 실험결과 100회 실험 모두 드론 정렬 및 와이어 복귀 기능이 정상으로 동작하는 것을 확인 하였다.

그림 13은 100회의 드론정렬 실험 중 일부를 발췌한 예시 사진이다. 사진은 1~9번 순서로 연속 촬영된 것이며 드론이 정렬되는 과정을 보여준다. 최초에는 드론이 충전베드 중앙을 벗어나 착륙된 상태였으나, 와이어 당김 장치가 파란색 및 빨간색 와이어를 잡아당겨서 드론이 서서히 충전베드 중앙으로 이동되어 충전단자들이 연결되었다.

Fig. 13.

Drone arranging tests on the charging bed

드론 정렬이 완료되면 와이어 복귀 장치가 동작하면서 당겨졌던 빨간색 및 파란색 와이어들을 다시 제자리로 돌려놓는다. 와이어 복귀 장치는 충전 베드와 배터리팩의 연결 상태를 능동적으로 확인하여 동작한다. 하지만 본 논문에서는 간단한 스위치를 통하여 와이어 복귀 시작 시점만을 간략히 구현하여 실험하였다.

그림 14는 와이어 복귀 장치에 의해 드론을 당기던 두 와이어들이 제자리로 돌아가는 동작을 연속 촬영하여 1~6번 순서대로 나타낸 사진이다.

Fig. 14.

Wires returning tests on the charging bed

드론 정렬을 위해 늘려졌던 녹색의 와이어 복귀 장치는 복귀 시작 신호가 감지되면 서서히 감겨지면서 파란색 및 빨간색 와이어를 당기게 되고, 두 와이어가 충전베드의 테두리에 위치하면 당김을 멈춘다. 이와 같은 시험 역시 드론정렬 시험과 함께 100회 반복 수행하였으며, 100회의 실험 모두 두 와이어가 제자리로 복귀하였다.

본 논문에서 구현한 충전베드의 드론 정렬 장치는 드론 오-착륙 정도가 90도에 가까워질수록 정렬이 어렵게 되는 단점이 있다. 이는 회전익 드론의 랜딩(Landing) 장치 구조를 고려하여 정렬 메카니즘을 설계하였기 때문이며, 오-착륙 정도가 90도가 되면 정렬 와이어가 랜딩 장치에 가하게 되는 힘의 방향이 드론을 움직일 수 없는 방향이 되어 드론 정렬이 힘들어지게 된다. 최근 산업용 드론은 딥러닝 및 임베디드 컴퓨터의 발전에 힘입어 자동 착륙 성능이 매우 고도화 되고 있을 뿐만 아니라, GPS의 방위정보를 실시간으로 참고하여 착륙 방향을 제어하기 때문에 실제 이러한 상황이 발생할 가능성은 매우 낮다.

Ⅴ. 결 론

본 논문은 방범, 순찰, 감시 등의 임무에 사용되는 드론을 위한 드론스테이션의 충전베드 및 배터리팩 구조에 대해 제안하고 구현하였다. 방범, 순찰, 감시와 같이 상시 비행이 요구되는 임무들에는 여러 대의 드론들을 순환 운영하는 순환임무수행이 효율적이며, 이를 위해 충전 속도가 빠른 접촉식 충전 방식이 선호된다. 또한 임무수행 지형 및 시간 등을 고려하면 무인 자동 충전 방식이 반드시 필요하다. 본 논문에서는 충전베드에서 드론을 정렬시키기 위한 장치들과 드론 이륙 시 정렬했던 장치들을 복귀시키는 장치들을 설계하고 구현하였다. 또한 제안하는 충전베드에 적합한 드론 스키드 구조의 새로운 드론 배터리팩을 설계하고 제안하였다. 제안하는 충전베드와 배터리팩을 통해 드론 정밀착륙능력에 의존했던 기존 접촉식 충전 방식의 문제점을 극복할 수 있음을 보였다. 또한 제안하는 방식이 밀폐형 드론스테이션 운영에 더욱 적합함을 알 수 있었다. 이러한 연구들이 도서 산간 지역의 자동 순찰 및 방범 드론 분야에 크게 기여할 수 있기를 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 ‘공공혁신조달 연계 무인이동체 및 SW 플랫폼 개발사업’의 연구비지원(21DPIW-C164947-01)에 의해 수행되었습니다.

References

• Y. J. Kim, J. H. Oh, and C. N. Lee, "Electric Power Line Dips Measurement Using Drone-based Photogrammetric Techniques", Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 35, No. 6, pp. 453-460, Dec. 2017.
• I. Kang and T. Kim, "Accuracy Evaluation of 3D Slope Model Produced by Drone Taken Images", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 21, No. 6, pp. 13-17, Jun. 2020.
• E. H. Sun, T. H. Luat, and Y. T. Kim, "A Study on the Image-based Automatic Landing System of Mini Drone", Proceedings of KIIS Fall Conference 2015, Cheongju, Chungbuk, Korea, Vol. 25, No. 2. pp. 91-92, Dec. 2015.
• Y. K. Kim, D. Choi, S. H. Paik, S. Jung, and D. N. Kim, "Implementation of Deep Learning based Automatic Landing System for Docking on Rotary Wing Drone Contact Charging Stations", Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol. 18, No. 10, pp. 45-53, Oct. 2020. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2020.18.10.45]
• J. A. Besada, L. Bergesio, I. N. Campaña, D. Vaquero-Melchor, J. López-Araquistain, A. M. Bernardos, and J. R. Casar, "Drone Mission Definition and Implementation for Automated Infrastructure Inspection Using Airborne Sensors", Sensors, Vol. 18, No. 4, 1170, Apr. 2018. [https://doi.org/10.3390/s18041170]
• K. Choi, S. Choi, S. K. Youm, and Y. S. Cho, "Implementation of Battery Management Circuit to Improve Flight Time for Unmanned Aerial Vehicles", The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 45, No. 2, pp. 285-288, Feb. 2020. [https://doi.org/10.7840/kics.2020.45.2.285]
• H. Dai, B. Jiang, X. Hu, X. Lin, X. Wei, and M. Pecht, "Advanced battery management strategies for a sustainable energy future: Multilayer design concepts and research trends", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 138, 110480, Mar. 2021. [https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110480]
• D. N. Kim, Y. K. Kim, S. H. Paik, S. Jung, and D. Choi, "Research on a Contact-type Battery Charging Station for Continuous Mission Performance of Rotary Wing Drone", Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol. 19, No. 1, pp. 63-70, Jan. 2021. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2021.19.1.63]
• C. H. Choi, H. J. Jang, S. G. Lim, H. C. Lim, S. H. Cho, and I. Gaponov, "Automatic wireless drone charging station creating essential environment for continuous drone operation", 2016 International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS), pp. 132-136, Oct. 2016. [https://doi.org/10.1109/ICCAIS.2016.7822448]
• T. H. Kim, W. Ahn, J. I. Park, and J. G. Yook, "High-Power Wireless Power Transfer of Drones with Wide Charging Area", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 31, No. 3, pp. 225-234, Mar. 2020. [https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2020.31.3.225]
• A. Rohan, M. Rabah, M. Talha, and S. H. Kim, "Development of Intelligent Drone Battery Charging System Based on Wireless Power Transmission Using Hill Climbing Algorithm", Applied System Innovation, Vol. 1, No. 4, 44, Nov. 2018. [https://doi.org/10.3390/asi1040044]
• Thomas Waldmann, Rares-George Scurtu, Karsten Richter, and Margret Wohlfahrt-Mehrens, "18650 vs. 21700 Li-ion cells – A direct comparison of electrochemical, thermal, and geometrical properties", Journal of Power Sources, Vol. 472, 2020. [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228614]