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지난번 포스팅했던 ‘얼마 못가서 뚝... 짧은 드론 비행시간, 확 늘리는 기술이 있다!?(上)’편에 이은 두 번째 시간입니다~!


지난 포스팅 바로가기 클릭! -> ‘얼마 못가서 뚝... 짧은 드론 비행시간, 확 늘리는 기술이 있다!?(上)’



무선 충전 중인 스마트폰(출처: https://www.flickr.com/photos/149561324@N03/44417669252)



4차산업혁명이 다가오면서 사용자 편의성을 위한 기술들도 함께 발전하고 있습니다. 그 중 하나가 바로 ‘무선충전기술’이 아닐까 합니다. 무선충전기술은 스마트폰을 시작으로 웨어러블 디바이스, 사물인터넷 등 기기에도 빠르게 확장해 나가고 있는데요. ‘드론(Drone)’ 역시 예외는 아니지요. 따라서 이번 하(下)편에서는 선을 사용하지 않고, 일정거리에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 ‘무선충전체계’로 드론 배터리를 충전하는 방식에 대해 알아보도록 하겠습니다!



이젠 드론 배터리 충전도 무선으로! 정적 무선충전체계



<정적 무선충전체계(stationary wireless charging system)>



세 번째 기술은, 드론이 비행 중 무선충전체계가 있는 곳에 착륙하여 일정시간 동안 대기하면서 배터리를 충전하는 방식입니다. 무선충전체계는 드론의 비행 경로상에 미리 설치하게 되는데요. 이를 통해 드론의 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있답니다!


하지만 드론이 착륙 후 충전하는 동안에는, 감시 및 정찰 임무를 수행할 수 없다는 단점이 있는데요. 이러한 군사분야의 임무수행에서는 즉각적으로 배터리를 교환하는 방법이 더 좋은 대안이 될 수 있을 것 같습니다~!




착륙하지 않고 제자리 비행으로 무선 충전! ‘제자리 비행 상태에서의 무선충전체계’



<제자리 비행(Hovering) 상태에서의 무선충전시스템>



네 번째 기술은, 드론이 제자리 비행 상태에서도 무선 충전할 수 있는 방식입니다. 이것은 위 그림처럼 폴대 위에 무선충전을 위한 전선들을 설치하여 6각형 모양의 무선충전시스템을 만들고, 드론을 이 시스템의 내부공간에서 제자리 비행 시키며 배터리를 충전하는 기술이지요.




<제자리 비행 무선충전 영상>


이 기술을 활용하면 드론은 정적 무선충전체계처럼 착륙할 필요 없이, 해당 시스템이 설치된 장소의 상공에서 제자리 비행으로 빠르게 배터리를 충전할 수 있답니다. 또한, 드론의 크기를 고려하여 여러 드론들이 동시에 무선 충전을 할 수도 있지요.


하지만 이 기술 역시 무선충전시스템이 설치된 곳에 일정시간만큼 대기해야 하므로, 충전 중에는 임무수행을 지속할 수 없다는 단점이 있습니다.


그렇다면, 드론이 배터리를 충전하면서 동시에 임무수행도 가능한 기술은 과연 없는 걸까요?




충전 중에도 임무수행 가능! ‘동적 무선충전방식’


지금부터 소개해 드리는 기술은 앞서 말씀드린 방법 외에, 새롭게 제시된 방법입니다~! 먼저 동적 무선충전방식에 대해 말씀드릴게요!



<동적 무선충전방식에서의 Air gap(드론과 무선충전시스템 사이의 거리)>



동적 무선충전방식은 드론이 착륙하거나 제자리 비행을 할 필요 없이, 무선충전시스템 위로 근접비행하면서 배터리를 충전할 수 있는 기술입니다. 위 (b)의 그림처럼, 지상의 전기자동차가 무선충전시스템이 설치된 도로 위를 주행하면서 배터리를 충전하는 방식과 유사한데요!


위 (a)의 그림처럼 동적 무선충전시스템은 정찰이나 감시 등의 임무가 필요한 국경 지역 장벽(또는 철책) 위에 설치함으로써, 드론의 비행능력을 확대하고 연속적인 임무 수행을 가능하게 합니다.



무선충전방식의 끝판왕! ‘하이브리드 무선충전방식’


마지막으로, 현재까지 나온 드론 무선충전방식의 최신 기술! ‘하이브리드 무선충전방식’입니다. 사실 앞서 설명한 동적 무선충전방식은 임무 수행중에도 배터리를 충전할 수 있지만, 효율성이 떨어진다는 단점이 있는데요.


여기서 충전 효율성이 떨어지는 이유는 드론과 무선충전시스템 사이의 거리, 즉 Air gap이 일정하지 않고 계속해서 변화하기 때문입니다. 전기자동차 같은 경우는 바퀴가 있기 때문에, 무선충전시스템이 설치된 도로와의 간격은 일정하게 유지가 가능할텐데요. 하지만 드론은 자동차 바퀴와 같은 물리적인 장치가 없으므로, 비행하면서 무선충전시스템과의 간격이 계속해서 들쑥날쑥 변하게 될 것입니다. 그럼 당연히 배터리 충전도 효율적으로 이루어지지 않을 테지요.



<하이브리드 무선충전방식 개념>



따라서, 이러한 동적 무선충전체계의 단점을 보완하기위해 나온 기술이 ‘하이브리드 무선충전방식’입니다. 이 방식은 정적 무선충전체계와 동적 무선충전체계의 단점들을 상호 보완하기 위해, 이 두 방법을 동시에 활용하는 기술인데요!


쉽게 말하면 동적 무선충전체계에서 불안정한 충전 효율에 대처하기 위해 정적 무선충전체계를 활용하고, 또 정적 무선충전체계의 대기시간을 줄이기 위해 동적 무선충전체계를 활용하는 것이랍니다.


물론 하이브리드 무선충전방식이 상용화되기 위해서는 아직 더 많은 분야에 대한 연구가 필요합니다. 드론 배터리 수명저하, 비행속도 및 기온 등에 따른 무선충전효율, 압력전류나 전선 굵기 등의 요소들이 무선충전시스템 충전효율에 크게 영향을 미치기 때문이지요.






지금까지 드론이 비행시간을 늘릴 수 있는 여러 기술들에 대해 간단히 살펴보았습니다! 드론을 운용하는데 있어서 배터리 성능 향상이 매우 중요한 요소임을 잘 알 수 있었는데요~! 앞으로 드론이 보다 다양한 분야에서 적극 활용되어 효과를 극대화 할 수 있도록, 배터리 성능 향상 및 비행시간 연장 기술이 지속적으로 연구개발 되었으면 좋겠습니다!


※ 더 자세한 내용은 월간 <국방과 기술> ’19년 2월호에 게재된 ‘드론의 비행시간 연장을 위한 연구사례들'(김선진, 조용주, Gino, J.Lim, 김동환)을 통해 확인하실 수 있습니다.




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