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구형 비행체 (Spherical Flight Vehicle, Flying Sphere Dron)
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Spherical flight vehicle with a single rotor type using 4 control surface can Vtol and Hovering. And it can move on the ground by rolling. In circumstance such like sudden contact or crash between other things, it won’t be break for the shape of sphere. This study deal with motion equation and new type of RPM Thrust characteristic Equation of Air vehicle with single rotor and 4 control surface, and verified experimentally. Also, not only make SAS controller using PID but design Embedded controller, structure and GCS. This Spherical flight vehicle confirm that it can stable hovering. We can expect that this Air vehicle can interior photoreconnaissance and wire monitoring etc.




TEST VIDEO

http://www.youtube.com/watch?v=55d5ppwQBQ4&feature=youtu.be








Development Process

http://www.youtube.com/watch?v=g9Y_4EVaG1M&feature=youtu.be








About Flying Ball

학부 졸업논문으로 9개월 간 제작한 기체이다. 이하 아래는 논문 초록 및 서론이다.
이를 제외한 이론 및 제어기, 설계 도면 등은 첨부하지 않는다.


  논문 초록

단일로터 방식의 구형비행체는 Vtol, Hovering이 가능하고 굴려서 착륙 및 이동할 수 있으며, 구 형상의 프레임으로 구동부가 보호되기 때문에 실내비행에 최적화된 비행체라고 할 수 있다. 본 연구에서는 단일 로터 및 4개의 조종면을 이용한 구형 비행체의 자세제어에 대하여 운동방정식을 유도하였고 새로운 형태의 RPM, Thrust 상관 관계식을 도출하고 이를 실험적으로 검증하였다. 또한 PID 제어기법을 적용하여 SAS(stability Augmentation System) 기반의 제어기를 구성하였고 Embedded Controller 및 기구부, GCS 등을 모두 설계하고 최종 비행시험을 통하여 안정적인 Hovering 및 비행이 가능함을 보였다. 본 논문에서 제시한 구형비행체는 건물 내부 탐색, 전선 모니터링 및 실내 항공 촬영 등 다양한 곳에서 응용 가능할 것으로 예상된다.

  논문 서론

최근에 실내비행의 활용성과 소형화 측면을 고려하여 일반 고정익에 비하여 기구적인 구조가 단순하고, 더욱 안정된 Hovering 기능을 갖는 다중로터 방식의 소형 비행로봇에 대한 연구가 주목 받고 있다. 최근에 급속도로 그 이용가치가 증가한 다중로터 방식의 비행로봇은 군사 분야에서는 적진지 정찰이나 지형 탐색, 민간상용분야에서는 교통상황 모니터링, 대기오염감시, 또한 산불이나 화재 등의 재해 시 구조작업을 위한 모니터링 등 다양한 곳에서 응용되어 지고 있다.
회전익 무인비행체는 공중정지(Hovering)가 가능하며, 수직이착륙(VTOL)이 가능한 장점을 지니고 있다. 하지만 다중로터 방식은 구조상, 장애물 충돌 시 파손우려가 있으며 협소한 공간에서 비행 안전상의 문제 등 고려하여야 할 변수가 많다. 또한 다중 모터 사용으로 인하여 크기, 무게, 비용 등을 경감하는데 한계를 지니고 있다. 이는 안전성과 소형화, 경량화 측면에서 다중로터 방식의 단점으로 작용한다.
본 논문에서는 이러한 단점을 보완할 새로운 방식의 단일로터 구형비행체를 제시하였으며, 구 형상으로 인하여 착륙 시 굴러서 착륙이 가능하고 덕트와 프레임이 구조를 감싸고 있는 형상으로 더욱 안전하며 단일 로터 및 모터, 변속기 사용으로 인하여 무게, 크기, 비용 등을 절감할 수 있다.
본 논문은 다음과 같은 내용으로 구성하였다. 먼저 운동방정식으로부터 구형비행체의 운동을 기술하고 전류, 전
압, RPM, 추력과의 매개변수 상관관계식을 새롭게 도출하고 검증하였다. 또한, Embedded Controller를 설계하고 자세 및 고도 제어를 위한 PID 제어기법의 적용을 다루었다. 끝으로 기구부 및 GCS 설계에 대한 결과를 간략하게 설명한 뒤, 설계된 구형비행체의 비행시험을 통하여 자세안정성을 검증하였다.



  선행 연구 개발 사례


    (1) 일본 방위성 기술 연구본부

          특이점 : 싱글 로터 + 조종면 8개  ( 제작 비용 : $1,400, 개발 기간 : 1년 6개월 )





    (2) IITB (Indian Institute of Technology Bombay)

          특이점 : 싱글 로터 Thrust Vectoring + 조종면 4개





    (3) 차별성

일본 방위성 기술연구본부(TRDI)에서는 2011년 조종면 8개를 이용한 방식의 구형비행체 개발에 성공하였으며, IITB(Indian Institute of Technology Bombay)에서는 2012년 조종면 4개와 Thrust Vectoring이 가능하도록 제작한 HAWK EYE를 선보인바 있다. 본 논문에서 제시한 구형비행체는 단일 로터와 4개의 조종면을 사용하였으며, 이는 선행 연구된 구형비행체에 비하여 기구부가 단순하고 날개를 포함한 형태로, 회전익과 고정익의 장점을 결합한 tail-sitter와 같이 hovering, VTOL, 수평비행이 모두 가능하다. 또한 AHRS를 제외한 모든 시스템을 자체 설계하여 실용화를 고려하였다.




Flying Sphere Drone













소개하고 있는 구형 비행체는 연구용으로 제작한 것으로 무게가 560g이며 제작비가 170만원이다. 이 중 AHRS가 100만원이고, 회로는 모두 손납땜으로 제작했다. 실제 상용화를 목표로 Embedded Controller를 PCB로 작고 가볍게 제작하고 구형비행체용 AHRS를 개발한다면 더욱 가볍고 적은 비용으로 구형비행체를 제작할 수 있으며 비행시간도 증가할 수 있을 것으로 예상된다.




제 1회 KSAS 학부생 논문 경진대회 최우수상
제 19회 삼성 휴먼테크 논문대상 은상 (Mechanical Engineering 부문)
2013 항공우주학회 춘계 학술대회 학술논문
항공우주 매거진 2013.4 기사게재 (수상 관련)

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