5kg급 고내하중 물품 배송 드론 및 2kW급 고속 무선 충전 스테이션 통합 시스템 개발
참여기관 : ㈜코일즈(무선 충전 스테이션), ㈜한울드론(배송 드론)
연구책임자
장기태 교수
01과제 배경 및 개발 목표
드론 상용화의 병목과 시장 동향
- 배터리 용량 한계로 5kg 이상 고중량 화물을 운송하는 임무용 드론의 실제 비행 가능 시간은 30분 내외에 불과하여 완전 자율 운영을 가로막는 병목으로 작용함
- 글로벌 드론 서비스 시장은 2024년 241억 2천만 달러에서 연평균 31.1% 성장해 2032년 2,138억 7천만 달러에 이를 것으로 전망됨
최종 목표 및 기술적 목표 설정
- 5kg급 하중 물품 배송이 가능한 드론과 이를 1시간 내에 완전 충전하는 2kW급 고속 무선 충전 스테이션을 통합한 상용화 수준 시스템 개발을 최종 목표로 함
- 기술적 목표는 5kg 페이로드로 20분 이상 비행하는 고신뢰성 멀티로터 플랫폼과 벽면 전원 기준 80% 이상 시스템 효율의 충전 스테이션 개발임
025kg급 고내하중 배송 드론 개발
고강성 경량 멀티로터 플랫폼 설계
- 축간거리 1,000mm급 카본 프레임과 하이-스키드 랜딩기어를 적용하고 고효율 BLDC 모터, ESC, 카본 프로펠러의 쿼드콥터 추진계를 구성함
- 6S 22,000mAh 리튬 폴리머 배터리 2팩을 직렬 구성한 12S·22Ah, 약 977Wh 전원계를 탑재하여 20분 이상 비행 목표를 충족함
정밀 착륙 제어 및 비행 성능 시험
- RTK-GNSS와 하향 비전 센서를 융합한 정밀 착륙 제어 알고리즘을 탑재하여 충전 패드 중심으로의 자율 정밀 착륙을 구현함
- 5kg 탑재 상태에서 비행시간 22분 30초, 최대 수평 비행속도 42km/h를 확보하고 풍속 10m/s에서 자세 안정 유지를 확인함
032kW급 고속 무선 충전 스테이션 개발
다중 코일 위치 자유 충전 구조
- 1,000×1,000mm 패드에 300×115mm 송신 코일 4개를 중심간 550mm 정방형으로 배치하고 LCC-S 공진 자기공명 방식을 적용함
- 착륙 오차가 발생해도 균일 자기장으로 고효율을 유지하는 위치 자유 충전 구조를 구현하여 중심 대비 ±10cm 오차에서도 효율 80% 이상을 유지함
출력 운용 설계 및 안전 기능 확보
- 송신부는 최대 2kW 전송 용량으로 설계하되 12S·22Ah, 약 977Wh 배터리 보호를 위해 실제 충전 출력은 1C 미만인 약 600W로 운용함
- 리츠 와이어와 페라이트 차폐를 적용해 누설 자기장을 최소화하고 이물질 감지 기능을 내장하여 운영 안전성을 확보함
04결합 시험 및 통합 성능 검증
1차 결합 시험과 기구 설계 보완
- 한울드론 기체와 코일즈 무선 충전 코일 모듈을 결합한 시험에서 배터리 약 80% 구간까지 CC 충전 후 CV 모드로 정상 전환됨을 확인함
- 수신 코일을 각 랜딩기어 하부에 1개씩 분할 장착하고 랜딩쿠션·구조물로 16mm 이상 이격거리를 확보하여 착륙 시 바닥 간섭을 방지함
2차 통합 성능 시험 결과 종합
- 송신 최대 출력 2.05kW와 시스템 효율 83.5%를 달성하였으며 20에서 80% SoC 충전 시간은 약 59분으로 산출되어 목표를 충족함
- 자동 정밀 착륙 50회 반복 시험과 착륙-충전-복귀 통합 시나리오 30회 연속 운용 시험을 무오류로 완료하여 자율 운영 신뢰성을 입증함
| 항목 | 목표 성능 | 측정 결과 |
|---|---|---|
| 비행 시간(5kg 탑재) | 20분 이상 | 22분 30초 |
| 최대 수평 비행 속도 | 35km/h 이상 | 42km/h(무풍, GPS 실측) |
| 송신 최대 출력(Tx) | 2kW | 2.05kW |
| 시스템 효율(Wall-to-Battery) | 80% 초과 | 83.5% |
| 자동 착륙·연속 운용 | ±5cm, 30회 무오류 | ±3.2cm, 30/30 성공 |
05결론 및 향후 계획
핵심 성능 목표 달성 성과 종합
- 설계, 시제품 제작, 단위 시험, 통합 시험의 전 단계를 계획 일정 내에 완료하고 계획서에 명시된 핵심 성능 목표 전 항목을 충족함
- 다중 코일 기반 위치 자유 충전 기술을 통해 드론 자율 운영의 핵심 병목이었던 충전 자동화 문제를 해결하고 무인 운영 기반을 확보함
단계별 상용화 및 기술 확장 계획
- 1단계로 고정형 스테이션과 드론을 패키지 솔루션화하여 도서·산간 물류 및 공공 긴급 배송 시장에 진입할 계획임
- 2단계로 개방형 패드를 도어가 자동 개폐되는 격납형 구조로 업그레이드하여 기체 보호와 24시간 무인 상시 운용성을 강화할 계획임