우주정거장을 모방한 하늘정거장+왕복선+무인기의 배송/운송 특허 분석
아마존, 하늘물류센터와 무인기 활용 특허 등록

  • 2017-03-03
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 차 원 용 박사, 아스팩미래기술경영연구소 대표



아마존 테크놀로지스는 ‘아이템 배송을 위한 하늘의 거대한 비행선인 하늘물류센터와 무인기 활용’이라는 특허를 등록했다.

아마존은 2013년에 드론 배송을 계획한 이래, 미국이 그간 영공(공역, Airspace) 내에서 조종사의 시야에서 벗어나는(BLOS) 드론 비행을 금지해온(단, 미 백악관은 2016년 8월 2일 이를 허용함) 이유로 대부분의 드론 비행 시험이 해외에서 이뤄졌다. 아마존은 2016년 7월 26일 영국 정부의 허가를 받아 드론 배달 시험 비행에 나섰다. 2016년 12월 영국 캠브리지에 거주하는 고객을 대상으로 드론을 활용한 프라임 에어(Prime Air) 배송 서비스를 성공리에 마친쳤다.

반면, 구글의 모회사 알파벳이 2014년부터 추진하고 있는 프로젝트 윙(Project Wing)은 미국 본토에서 배달용 드론 시험 비행을 2016년 8월 2일 백악관으로부터 직접 허가를 받아, 미 항공청이 허가한 드론 시험장이 있는 6곳 중 하나인 버지니아 주의 버지니아 공대와 제휴를 맺고 버지니아 공과대학 학생들을 대상으로 멕시칸 푸드 체인 치폴레의 부리또를 드론으로 배달하는 실험을 시작했다. 아마존과 알파벳은 2017년에 드론을 발표하는 것을 목표로 하고 있다.

현재의 드론은 배터리 수명의 한계로 30분 이상 장거리 배송엔 부적합하다. 따라서 최근 시작한 드론 배송의 서비스 왕복거리는 10마일(16.1 km)이 한계다.

아마존의 새 아이디어는 공중에 국제우주정거장(ISS)과 같은 물류센터를 띄워 이 한계를 넘어서겠다는 것이다. 주문 급증이 예상되는 물품을 가득 실은 비행선을 특정 지역의 상공에 띄워놓은 뒤, 지상의 관제 시스템과 연결해 상시 배송 대기체제를 갖춰놓고 주문이 접수되면 드론을 통해 신속하게 목적지까지 배송한다는 아이디어다.

드론은 높은 고도의 비행선에서 하강하기 때문에 지상에서 출발할 때보다 동력이 훨씬 덜 들며, 아예 필요 없을 수도 있다. 이 하늘물류센터(Airborne Fulfillment Center, AFC)는 4만 5,000피트(약 1만 3,716m=13 km)의 상공을 순회한다. 보통 우리가 타고 다니는 항공기는 10 km 내의 고도비행이라 충돌을 피할 수 있다. 따라서 이는 하늘 고도에 떠 있는 비행선 안에 있는 물류창고임에 틀림없다.

특히, AFC에는 온도를 유지해야 하는 특정 음식들, 즉 물품을 가득 실을 수 있다. 이러한 음식들을 배송하는 데에는 드론이 적격이다. AFC에 탑재돼 있는 드론이 이러한 음식을 싣고 AFC로부터 하강해 수평으로 내비(Navigate)를 통해 사용자가 지정한 배송 위치에 정확하고 안전하게 배송하는 것이다.

예를 들어, 스포츠 이벤트를 들고 있는데, 빅게임이 열리고 있는 경기장에, 그 위에 떠 있는 아마존의 AFC에서 스낵이나 기념품을 팬들에게 배송하는 것이다. 팬들은 열광할 것이다. 또한 배송 이외에 AFC가 경기장 근처로 날아와 오디오 광고나 아웃도어 디스플레이 광고 혹은 무인기와 프로젝션을 활용한 에어쇼나 혹은 에어 디스플레이를 펼치면 관중들은 열광할 것이다. 참고로 미국의 디즈니가 이미 관련 특허 6개를 확보했다.

‘엔터테인먼트용-에어 쇼·에어 디스플레이를 위한 무인기 떼의 동조화 제어 기술’이라는 특허를 등록했다.
또한 재고, UAV, 연료 등을 실은 AFC 대신에 보다 크기가 작은 우주왕복선과 같은 셔틀을 여러 대 사용할 수도 있으며, 같은 방식으로 AFC에서 일을 하는 근로자들을 셔틀을 통해 이동시킬 수도 있다.


특허분석

그림 1은 102의 AFC를 가진 배송 환경인 100을 설명하고 있다. 104는 사용자로 106의 컴퓨터나 스마트폰의 UI를 활용해 110의 원격 컴퓨팅 자원들인 플랫폼을 통해 물품을 주문하고 배송을 요청한다. 그러면 AFC로부터 112의 UAV가 주문한 물건을 싣고 AFC로부터 기동해 사용자가 지정한 위치로 배송하는 것이다.

120(1)-120(2)-120(N)은 서버들이다. 122는 서버를 지원하는 프로세서이고, 124는 메모리이다. 메모리에는 126의 재고관리시스템이 있다. 130은 지상 베이스(Ground-Based)의 물류 핸들링 시설(Materials Handling Facility)로 고객이 주문한 실제 아이템을 확인하고 보충하는 역할을 한다. 이는 재고관리시스템에서 제어하고 수행하도록 구성돼 있다. 어떤 특정 환경에서는 130의 물류 핸들링 시설이 없을 수도 있다. 이 경우에는 130의 AFC가 그 기능을 대체할 수도 있다.

150은 셔틀로 AFC를 대체할 수 있다. 이 경우의 상황은 AFC가 재고와 UAV들을 다 사용한(Depleted) 혹은 고갈된 경우다. 이 경우 126의 재고관리시스템은 배송을 마친 UAV들로 하여금 AFC가 아닌 셔틀을 내비해 가도록 지시해 셔틀에 실린 아이템들을 배송할 수도 있다.

또한 150의 셔틀에는 재고, UAVs, 근로자, 장비 등의 인바운드 아이템들이 실려 있어 AFC와 조우해 고갈된 AFC를 보충할 수도 있다. 마찬가지로 고장 난 물품이나 장비, 일을 마친 근로자 등의 아웃바운드 아이템들을 AFC로 받아 싣고 130의 지상 베이스의 물류 핸들링 시설로 돌아올 수도 있다.

국제우주정거장에 새로운 물품이나 교체될 우주비행사를 싣고 올라가고 고장난 물품들이나 귀환하는 우주비행사를 싣고 내려오는 영락없는 우주왕복선을 그대로 모방한 특허다. 이들 AFC-셔틀-무인기들은 부착된 무선 안테나와 110의 플랫폼을 통해 상호 교신한다. 또한 110의 플랫폼 혹은 126의 재고관리시스템은 AFC-셔틀-무인기들의 GPS 데이터를 받아 이들의 위치를 추적한다.

 

그림 2는 UAV 네트워크 200을 설명하는 그림으로, 212-1~N은 무인기, 203은 배송위치들, 251은 셔틀보충위치들(Shuttle Replenishment Locations), 230은 지상의 물류 핸들링 시설들, 226은 재고관리시스템이 포함돼 있다. 이들은 상호 커뮤니케이션 한다. 커뮤니케이션 하는 방법은 고도에서는 GPS, 지상에서 30미터 접근할 때는 셀룰러, 30미터 이내에서는 Wi-Fi, 10 cm 내에서는 배송 위치에 부착된 비콘이나 LED/초음파/적외선 센서 등이 보내는 신호를 이용한다. 이외에도 날씨와 기상 정보 등을 공유한다.

 

그림 3은 302의 AFC에 탑재된 무인기인 312를 이용한 배송서비스를 설명하는 그림이다. 304는 메트로폴리탄의 어느 도시이고, 그 위의 매우 높은 고도인 13 km 이상의 고도에 AFC가 떠 있다. 이 정도면 일반 항공기가 다니는 10 km보다 높기 때문에 충돌 우려가 없다. 더욱이 312의 무인기들은 높은 고도에서 하강하기 때문에 지상에서 출발할 때보다 동력이 훨씬 덜 들며 아예 필요 없을 수도 있다.

쿼드로터인 경우 4개의 로터를 다 회전시킬 필요가 없으므로 배터리를 절약할 수 있다. 더욱이 높은 고도에서 하강함으로 304의 도시 전역을 넓게 커버하면서 배터리로 모터를 작동시킬 필요 없이 배터리를 꺼 놓은 상태로 로터들 옆을 지나가는 풍력에 의해 로터를 회전시키면서 수평으로 날아 배송 위치를 찾을 수 있다. 이렇게 하강하여 300의 UAV 네트워크에 도달하면 다른 UAV들과 교신하면서 이때부터 로터들을 작동시켜 배송 위치를 찾는 것이다.

배송을 마친 UAV는 351의 셔틀 보충 위치에 있는 350의 셔틀을 내비할 수도 있고, 330의 물류 핸들링 시설을 내비할 수도 있다. 셔틀을 타고 302의 AFC로 귀환할 수도 있고, 셔틀이나 물류 핸들링 시설에서 직접 배송에 참여할 수도 있다.

 

그림 4는 450의 셔틀이 402의 AFC와 도킹하는 것을 설명하는 그림이다. 이 때 AFC는 비행선으로 다양한 크기와 길이로 구성할 수 있다. 404는 공기보다 가벼운 리프팅 부분이고, 406은 물류센터(Fulfillment Center)이며, 이 물류센터에는 재고와 기동하는 UAVs, 그리고 기타 장비들이 가득 실려 있다.

 

이때 물류센터는 그림에서 보이는 리프팅 부분과 연결된 실선의 케이블을 이용해 공중에 떠 있게 된다.
408은 UAV들이 기동할 수 있는 베이(Bay)들이고, 412는 도킹을 위한 플랫폼 베이들이다. 414는 도킹을 도와주는 팔(Arm)이다. 예를 들어, 셔틀이 들어오고 나갈 때 팔이 쭉 뻗어 인바운드와 아웃바운드의 아이템들이 잘 이동(이전) 할 수 있도록 도와준다.

AFC는 조종사 혹은 원격 조종사에 의해 조종되는 매뉴얼 모드와 로봇 혹은 자동화 시스템에 의해 조종되는 자율 모드로 운영될 수 있다. 물류센터는 근로자 혹은 아마존의 13개 물류센터에 실제 투입되고 있는 키바(Kiva) 이동장치 로봇에 의해 운영될 수 있다. 혹은 근로자와 키바의 협업으로 운영될 수 있다.

만약 AFC와 물류센터를 근로자들이 운영한다면 고도에 위치하고 있으므로 압력과 온도가 제어되고, 동시에 위치에 따라 근로자들을 보호하기 위한 방사능 보호도 필요하다. 406의 물류센터에는 물류 핸들링 장비가 실려 있다. 예를 들어, 키바 모바일 이동장치(Kiva Mobile Drive Units), 지게차(Forklifts), 선반(Shelving), 용기(Bins), 운반(Totes), 카트(Carts), 박스(Boxes), 트롤리(Trolleys), 컨테이너(Containers), 테이프(Tape), 라벨(Labels), 프린터, 배터리, 패킹에 필요한 부품 등이다.

 

그림 5는 우주왕복선과 같이 보충(Replenishment)을 담당하는 셔틀인 550을 설명하는 그림이다. AFC보다 작은 비행선으로 구성된다. 크기와 길이도 다양하게 구성할 수 있다. 예를 들어, 길이는 100피트(30.48미터)이다. AFC와 같이 조종사 혹은 원격 조종사에 의해 조종되는 매뉴얼 모드와 로봇 혹은 자동화 시스템에 의해 조종되는 자율 모드로 운영될 수 있다.

502는 셔틀의 확대도로, 셔틀은 AFC에 반입할 어떠한 형태의 인바운드 아이템들을 운송할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 512는 UAV들이고, 504는 재고들, 이외에 근로자들, 전원공급장치, 연료, 물류 핸들링 장비, UAV들을 충전할 수 있는 충전기 등이다. 이때 512의 UAVs들은 고객이 주문한 물품들을 사전에 탑재하고, AFC에 도착하자마자 배송 지역으로 기동할 수도 있다.

 

그림 6은 UAV인 612를 위에서 내려다본 그림이다. UAV의 프레임(604)에는 총 8대의 프로펠러가(602-1~602.8) 공간 간격으로 위치해 있다. 무선 네트워크 액세스포인트(AP), 라이트, 스피커, 카메라, 마이크로폰 등이 탑재돼 있어 공중을 나는 동안 배송 지역 내의 정확한 위치를 내비할 수 있다.

프레임(604)에는 4개의 격자들이(Grid) 서로 연결돼 있다(605-1~605-4). 가운데 있는 610은 제어 시스템이다. 4개의 격자로부터 밖으로 뻗어 있는 606은 지원 팔(Support Arm)이다. 안전방벽(Safety Barrier, 608)과 연결돼 있다. 613은 전력 모듈(Power Modules)이다. 두 개의 전력 모듈은 UAV의 제어 시스템과 프로펠러 모터에 전력을 공급한다.

614는 재고 맞물림 메커니즘으로, 물품을 담은 컨테이너 혹은 물건(items)을 싣고 가기 위한 맞물림 기능(engage)이나 투하하기 위해 맞물림 기능을 해제하도록(disengage) 구성돼 있다.

 

그림 7은 주문배송선택과정(Order Delivery Selection Process)인 800을 설명하는 플로 차트다. 802의 블록은 사용자로부터 아이템 주문을 받는 과정이다. 804는 배송하는 데 걸리는 시간을 예측해 결정하는 과정이다. 이 과정은 AFC에 주문한 아이템이 있는지, 있다면 AFC에서 UAV를 기동해 사용자가 지정한 배송 위치까지 배송하는 데 걸리는 시간을 예측하는 것이다. 또한 AFC에 아이템이 없다면 지상의 물류 핸들링 시설에 있는지, 있다면 셔틀을 AFC에 보내 배송하는 데 걸리는 시간을 예측하고 판단하는 것이다.

806에서 AFC에 사용자가 주문한 아이템이 있다면, AFC가 사용자가 지정한 배송 지역의 범위에 있는지를 판단하는 과정이다. 만약 배송 범위에 있다면, AFC는 UAV를 기동해 배송할 준비를 한다. 808에서 사용자는 배송 범위 내에 있는 여러 대의 AFC들 중 하나를 선택하는 과정이다. 혹은 사용자가 사전에 AFC를 선택할 수도 있다. 이 경우 사전에 선택한 지역 위에 있는 AFC는 UAV를 바로 기동하는 것이다.

810에서는 배송을 위해 선택된 AFC를 지명하고 UAV를 기동하는 것이다. 812에서는 No로 다른 배송의 옵션을 지명해 사용자에게 제공하는 것이다.

 

그림 8은 AFC에서 UAV를 기동해 배송하는 과정인 900을 설명하는 플로 차트다. 902에서 UAV는 아이템을 싣는다. 904에서 AFC는 UAV를 기동해, UAV는 고도에서 동력 없이 하강하면서 배송 지역으로 내비하며 날아간다. 906에서 UAV 네트워크에 진입했는지를 판단해, 만약 Yes이면, 909에서 동력을 가동해 배송 위치를 내비한다. 910에서 배송 위치에 도달하면 아이템을 투하하고 912에서 배송완료 신호를 보낸다.

914에서 AFC로 돌아가기 위해 근처에 셔틀이 있는지 내비하여, 만약 있으면(Yes) 셔틀로 가기 위한 경로를 따라가 셔틀에 도킹하여 AFC로 귀환한다. 914에서 만약 셔틀을 찾지 못하면, 918과 같이 다른 지명된 위치로 돌아간다.



그림 9는 AFC가 스포츠 이벤트 지역으로 내려가 광고를 하는 과정인 1000을 설명하는 플로 차트다. 1002에서 AFC가 광고를 할 수 있는 고도까지 하강하는 것을 내비하는 과정이다. 매우 높은 4만 5,000피트(약 1만 371미터=13 km)에서 내비하여 관중들이 광고를 잘 보이는 고도까지 하강하는데, 대략 2,000피트(609.60미터)까지 하강한다. 이 정도 고도이면 일반 항공기들의 고도가 아니어서 충돌을 피할 수 있다. 이 정도 고도는 관중들이 광고를 잘 볼 수 있다.

1004에서 광고를 프리젠테이션한다. 이때 광고란 소리를 낼 수도 있고 가시적인 에어쇼나 에어 디스플레이 혹은 카드나 선물을 관중에게 뿌려주는 것이다. 혹은 사전 판매 홍보물을 뿌려주어 주문을 받을 수도 있다. 광고 쇼가 끝난 후 1006에서 관중들로부터 홍보한 아이템에 대해 주문이 들어왔는지를 확인하는 것이다. 만약 주문이 들어왔다면, 900에서 그림 8과 같이 UAV가 기동해 주문 받은 아이템을 즉시 배송한다. 그리고 1008에서 얼마나 팔렸는지, 얼마나 남았는지를 업데이트한다.

만약 1006에서 주문이 없다면, 1010에서 지속적으로 홍보를 할 것인지를 판단해, Yes이면 1004로 돌아가 홍보를 계속하는 것이고, No라면 광고 위치로부터 내비하여 원래의 고도 위치로 돌아가 1014에서 임무를 완수하는 것이다.

 

그림 10은 셔틀이 AFC와 도킹하고, 인바운드 아이템들을 넘겨주고, 아웃바운드 아이템들을 받아 싣고 돌아오는 과정인 1100을 설명하는 플로 차트다. 1102에서 재고, UAVs, 연료, 근로자 등의 인바운드 아이템들을 셔틀에 싣는다. 1104에서는 AFC로 떠나고, 1105에서 AFC의 위치를 내비하는 것이다.

1106에서 AFC와 조인하여 도킹하고, 1108에서 인바운드 아이템들을 AFC로 넘겨주고, 그 대신 1110에서 AFC에 있던 고장난 장비들이나 부품들, 귀환하는 근로자 등 아웃바운드 아이템들을 확인하고, 1112에서 이들 아웃바운드 아이템들을 셔틀에 싣고, AFC를 떠나 내비하여 다음 위치로 이동하는 것이다.

 

본지 발행사인 스마트앤컴퍼니는 최근 4년간 미국 특허상표청(USPTO)에 등록된 드론 관련 특허 중 실현 가능성이 높은 특허 130를 엄선해 집중 분석한 '글로벌 드론 특허 집중분석' 보고서를 발간했다. 보고서는 디피북(www.smartn.co.kr/book을 통해 절찬 판매되고 있다.

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