DE102014005838A1 - Unmanned small aircraft and method for landing a small aircraft - Google Patents
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Abstract
Ein unbemanntes Kleinfluggerät mit einer Tragstruktur (10) und zumindest einer Antriebseinrichtung (20), wobei die Tragstruktur (10) mit zumindest einer Befestigungseinrichtung (3) versehen ist zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Befestigungseinrichtung (3; 3') oberhalb der Tragstruktur (10) vorgesehen und mit dieser über eine Zugkräfte aufnehmende Hängestruktur (32; 32') verbunden ist und dass die zumindest eine Befestigungseinrichtung (3; 3') zumindest eine Greifereinrichtung (30) und/oder zumindest eine Verankerungseinrichtung (40, 41, 42, 32, 44, 45, 46, 47) aufweist.An unmanned small aircraft with a support structure (10) and at least one drive device (20), wherein the support structure (10) is provided with at least one attachment device (3) is characterized in that the at least one attachment device (3; 3 ') above the Support structure (10) is provided and connected to this by a tensile forces receiving suspension structure (32, 32 ') and that the at least one fastening means (3, 3') at least one gripper device (30) and / or at least one anchoring device (40, 41, 42, 32, 44, 45, 46, 47).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein unbemanntes Kleinfluggerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Landen eines solchen unbemannten Kleinfluggeräts unterhalb einer Landestruktur.The present invention relates to an unmanned small aircraft according to the preamble of
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Unbemannte Kleinfluggeräte, zum Beispiel Drehflügel-Fluggeräte, werden bereits für die Zwecke der Aufklärung, Zielzuweisung und Zielverfolgung im Bereich der öffentlichen Sicherheit und des Militärs eingesetzt. Solche Kleinfluggeräte besitzen zumeist einen Rotorantrieb mit einer oder mehreren Rotoranordnungen, wobei zwei unterschiedliche Antriebskonfigurationen am häufigsten Verwendung finden, nämlich eine Koaxialkonfiguration mit zwei koaxial auf einer zumeist zentralen Hauptrotorachse rotierenden gegenläufigen Rotoren oder eine planare Mehrrotorenkonfiguration, bei der mehrere Rotoren, zum Beispiel vier oder sechs Rotoren, in vorzugsweise einer gemeinsamen Rotationsebene angeordnet sind. Die Rotoren mit ihrem jeweiligen Antrieb sind dabei an einer Tragstruktur vorgesehen, die auch zur Aufnahme von Nutzlasten, wie beispielsweise Kameras, dient und in der auch die Steuerelektronik, die Energieversorgung und die Sensorik für Position (GPS), Lage (IMU, Magnetfeldsensor) und Abstand (Ultraschall) seitlich und nach unten sowie Sensoren für die Beobachtung und Zielzuweisung (Tag-/Nachtsicht-Kameras) angeordnet sind. Solche Kleinfluggeräte sich hinlänglich bekannt und am Markt verfügbar.Unmanned small aircraft, such as rotary wing aircraft, are already being used for reconnaissance, targeting and tracking purposes in the public safety and military sectors. Such small aircraft usually have a rotor drive with one or more rotor assemblies, with two different drive configurations most commonly used, namely a coaxial configuration with two coaxial rotors on a mostly central main rotor axis rotating counter rotors or a planar multi-rotor configuration in which multiple rotors, for example four or six Rotors are arranged in preferably a common plane of rotation. The rotors with their respective drive are provided on a supporting structure, which also serves to accommodate payloads such as cameras, and in the control electronics, the power supply and the sensors for position (GPS), location (IMU, magnetic field sensor) and Distance (ultrasound) laterally and downwards and sensors for observation and target assignment (day / night vision cameras) are arranged. Such small aircraft are well known and available in the market.
Der Nachteil derartiger Kleinfluggeräte besteht darin, dass sie aufgrund ihrer begrenzten Nutzlast nur einen sehr begrenzten Energievorrat mit auf eine Mission nehmen können. Im Falle eines Elektroantriebs der Rotoren steigt das Gewicht des elektrischen Energiespeichers mit der Höhe der zu speichernden Energie drastisch an und senkt dadurch das Gewicht der mitnehmbaren Nutzlast. Um hier ein Optimum zwischen Nutzlast und Energiespeicher zu finden, haben sich in der Praxis realisierbare Flugbetriebszeiten im Schwebeflug von ca. 20 bis 30 Minuten als realistisch erwiesen. Diese Zeit ist für Aufklärungs- oder Beobachtungsmissionen häufig nicht ausreichend.The disadvantage of such small aircraft is that they can take only a very limited supply of energy on a mission due to their limited payload. In the case of an electric drive of the rotors, the weight of the electrical energy storage increases dramatically with the amount of energy to be stored, thereby reducing the weight of the mitnehmbaren payload. In order to find an optimum between payload and energy storage here, in practice feasible flight times in hovering of about 20 to 30 minutes have proven to be realistic. This time is often insufficient for reconnaissance or observation missions.
Im stationären Betrieb eines solchen Kleinfluggeräts, bei welchem dieses Kleinfluggerät die gespeicherte Energie nicht für die Auftriebserzeugung aufwenden muss, sondern auf ihren Landebeine bildenden Statoren steht, wird elektrische Energie nur für die Sensorik und für die entsprechenden Datenübertragungseinrichtungen benötigt, so dass in diesem Fall eine Beobachtungsdauer von ca. 3 bis 4 Stunden realisierbar ist. Allerdings ist für diesen Einsatz eine erhöhte, horizontale Fläche als Lande- und Standort für das Kleinfluggerät erforderlich. Beim Einsatz in einer natürlichen Umgebung, beispielsweise in einem ebenen Gelände oder in einem bewaldeten Gelände stehen solche Landeplätze nicht zu Verfügung. Auch im Fall eines Einsatzes in bewohntem Gebiet, beispielsweise in einem Dorf oder in einer Stadt, stehen solche erhöhten, ebenen Flächen als Landeplätze nur sehr selten zur Verfügung.In stationary operation of such a small aircraft in which this small aircraft does not have to spend the stored energy for the lift generation, but stands on their landing legs forming stators, electrical energy is needed only for the sensors and for the corresponding data transmission devices, so that in this case an observation period of about 3 to 4 hours is feasible. However, an increased, horizontal area is required as a landing and location for the small aircraft for this application. When used in a natural environment, such as in a flat terrain or in a wooded terrain such landing sites are not available. Even in the case of an employment in inhabited area, for example in a village or in a city, such elevated, flat surfaces are only very rarely available as landing sites.
Es wäre daher wünschenswert, ein gattungsgemäßes unbemanntes Kleinfluggerät bereitzustellen, das in der Lage ist, auch auf nicht horizontalen Flächen zu landen und dort zu verharren, ohne dass es dazu des Betriebs der Antriebseinrichtungen des Kleinfluggeräts bedarf.It would therefore be desirable to provide a generic unmanned small aircraft that is capable of landing on non-horizontal surfaces and remaining there without requiring the operation of the aircraft's propulsion equipment.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Es ist aus der Raumfahrttechnik bereits bekannt, ein als Landemodul ausgebildetes Tochtermodul eines Satelliten, welches mit Landebeinen versehen ist, so auszugestalten, dass es auf der unebenen Oberfläche eines Kometen landen können soll, wobei es sich mit in den Landebeinen vorgesehenen Eisschrauben in die der Oberfläche des Kometen einschrauben soll. Zur Verhinderung eines beim Aufsetzen entstehenden Stoßimpulses, der aufgrund der äußerst geringen Schwerkraft eines Kometen einen unkontrollierten Rückstart des Landemoduls bewirken würde, sind am Landemodul zusätzlich Harpunen vorgesehen, die in die Kometenoberfläche geschossen werden sollen und die das Landemodul dort zurückhalten sollen. Diesbezüglich wird verwiesen auf die Veröffentlichungen zum Landemodul ”Philae” der Raumsonde ”Rosetta”, beispielsweise auf: http://de.wikipedia.org/wiki”philae_(Sonde)”; abgerufen am 28.01.2014.It is already known from space technology, designed as a landing module daughter module of a satellite, which is provided with landing legs to design so that it can land on the uneven surface of a comet, which is provided with in the landing legs ice screws in the surface of the comet. In order to prevent a shock pulse generated during touchdown, which would cause an uncontrolled return of the landing module due to the extremely low gravity of a comet harpoon are additionally provided on the landing module, which are to be shot in the comet surface and to retain the landing module there. In this regard, reference is made to the publications on the landing module "Philae" of the spacecraft "Rosetta", for example: http://de.wikipedia.org/wiki"philae_(Sonde) "; retrieved on 28.01.2014.
Die nicht vorveröffentlichte
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes unbemanntes Kleinfluggerät bereitzustellen, das in der Lage ist, auch unterhalb von geeigneten Strukturen zu landen und dort für eine vorgegebene Zeit auftriebslos zu verharren.Object of the present invention is to provide a generic unmanned small aircraft, which is able to land below suitable structures and remain there for a predetermined time without buoyancy.
Diese Aufgabe wird durch das unbemannte Kleinfluggerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the unmanned small aircraft with the features of
Dabei ist zumindest eine Befestigungseinrichtung oberhalb der Tragstruktur vorgesehen und mit dieser über eine Zugkräfte aufnehmende Hängestruktur mit der Tragstruktur verbunden und die zumindest eine Befestigungseinrichtung weist zumindest eine Greifereinrichtung und/oder zumindest eine Verankerungseinrichtung auf. In this case, at least one fastening device is provided above the support structure and connected to this by a tensile forces receiving hanger structure with the support structure and the at least one fastening device has at least one gripper device and / or at least one anchoring device.
VORTEILEADVANTAGES
Ein solchermaßen ausgestaltetes Kleinfluggerät kann auch außerhalb von bebautem Gelände in der freien Natur eingesetzt und geparkt werden, indem es sich beispielsweise an einem Ast eines Baumes mit der Greifereinrichtung oder der Verankerungseinrichtung fixiert. Auch kann sich dieses erfindungsgemäße Kleinfluggerät in einem Tunnel unter der Tunneldecke oder unter einer Brücke mittels der Verankerungseinrichtung fixieren.Such a configured small aircraft can also be used and parked outside of built-up terrain in the wild, for example, by fixing itself to a branch of a tree with the gripper device or the anchoring device. This small aircraft according to the invention can also be fixed in a tunnel under the tunnel ceiling or under a bridge by means of the anchoring device.
Das unbemannte Kleinfluggerät ist in einer vorteilhaften Weiterbildung so ausgeführt, dass die Antriebseinrichtung zumindest einen Auftriebsrotor oder Auftriebspropeller aufweist, der in einer Rotationsebene rotiert, die im Schwebeflug des Kleinfluggeräts im Wesentlichen horizontal verläuft.The unmanned small aircraft is designed in an advantageous development that the drive device has at least one buoyancy rotor or buoyancy propeller, which rotates in a plane of rotation, which runs in the hovering flight of the small aircraft substantially horizontally.
Vorzugsweise weist die zumindest eine Greifereinrichtung zumindest ein an einem mit der Hängestruktur verbundenen Greiferhalter angebrachtes Greifermittel auf, das ausgebildet ist, um ein Element einer Landestruktur zu greifen und sich dort festzuhalten und um im festgehaltenen Zustand in Verbindung mit dem Greiferhalter zu bleiben. Diese Variante ist besonders für den Einsatz in der freien Natur geeignet, wo sich das Greifmittel einen Ast eines Baumes als Landestrukturelement greifen kann. Das Greifmittel kann von einer Greifzange gebildet sein, die zumindest eine elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, magnetisch oder mit Federkraft angetriebene Greifbacke aufweist.Preferably, the at least one gripping device comprises at least one gripping means attached to a gripper holder connected to the hanging structure, which is designed to grasp and to hold an element of a landing structure and to remain in the locked state in connection with the gripper holder. This variant is particularly suitable for use in the wild, where the gripping means can grip a branch of a tree as a landing structure element. The gripping means may be formed by a gripping tongs, which has at least one electrically, pneumatically, hydraulically, magnetically or by spring force gripping jaw.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Verankerungseinrichtung vorgesehen sein, die zumindest ein aus einem mit der Tragstruktur verbundenen Verankerungsträger in einer ersten Richtung ausstoßbares Ankermittel aufweist, das ausgebildet ist, um in ein Landestrukturelement einzudringen, sich dort zu verankern und um im verankerten Zustand in Verbindung mit dem Verankerungsträger zu bleiben. Dadurch fixiert das in den Landeuntergrund eingedrungene Ankermittel aufgrund seiner noch im verankerten Zustand bestehenden Verbindung mit dem Verankerungsträger die Tragstruktur zuverlässig in hängender Weise unter der Landestruktur. Diese Verankerungseinrichtungen sind vorzugsweise durch Bolzenschubgeräte oder Bolzenschussgeräte gebildet.Alternatively or additionally, an anchoring device may be provided, which comprises at least one of an anchoring support connected to the support structure in a first direction ejectable anchor means which is adapted to penetrate into a landing structure element, to anchor there and in the anchored state in connection with the Anchorage to stay. As a result, the anchoring means which has penetrated into the landing ground reliably fixes the supporting structure in a suspended manner under the landing structure on account of its connection with the anchoring support, which is still in the anchored state. These anchoring devices are preferably formed by bolt thrusters or bolt guns.
Vorzugsweise sind die Greifereinrichtung beziehungsweise die Verankerungseinrichtung oder zumindest ein Teil davon von der Tragstruktur lösbar ausgebildet. Diese Lösbarkeit erlaubt einen schnellen Start aus der hängenden Parkposition heraus, ohne dass Energie aufgewendet werden muss, um die Befestigungseinrichtung von der Landestruktur zu lösen, beispielsweise um die Backen der Greifereinrichtung wieder zu öffnen. Auch kann beispielsweise ein auf diese Weise am Landeuntergrund verankertes Kleinfluggerät wieder starten, indem die mit dem Landeuntergrund fest verbundene Verankerungseinrichtung beziehungsweise der mit dem Landeuntergrund fest verbundene Teil einer jeweiligen Verankerungseinrichtung von der Tragstruktur abgekoppelt wird.Preferably, the gripper device or the anchoring device or at least a part thereof are detachably formed by the support structure. This solvability allows a quick start from the parked position without the need to expend energy to release the fastener from the landing structure, for example, to reopen the jaws of the gripper. It is also possible, for example, to restart a small aircraft anchored in this way on the ground by decoupling the anchoring device or the part of a respective anchoring device firmly connected to the landing ground from the supporting structure.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses erfindungsgemäßen Kleinfluggeräts zeichnet sich dadurch aus, dass das jeweilige Ankermittel über ein aus dem jeweiligen Verankerungsträger ausfahrbares Verbindungsmittel mit dem zugeordneten Verankerungsträger verbunden ist und dass das Verbindungsmittel derart antreibbar ist, dass der Abstand zwischen dem Ankermittel und dem zugeordneten Verankerungsträger nach erfolgter Verankerung verringerbar ist. Diese Variante besitzt den Vorteil, dass das Ankermittel aus der Distanz in ein Element der Landestruktur eingebracht, beispielsweise eingeschossen, werden kann, wobei es über das Verbindungsmittel mit dem zugeordneten Verankerungsträger verbunden bleibt. Ein solches Verbindungsmittel kann beispielsweise ein dünnes Zugseil sein, an welchem sich das unbemannte Kleinfluggerät mittels eines Antriebs für das Verbindungsmittel, beispielsweise einer Miniatur-Seilwinde, zu der Landestruktur hochzieht. Diese Variante ist dann von Vorteil, wenn ein allzu dichtes Heranmanövrieren des Kleinfluggeräts an die Landestruktur, beispielsweise aufgrund von Windböen, die Gefahr mit sich bringt, dass die Auftriebsrotoren des Kleinfluggeräts mit der Landestruktur in Kontakt geraten.An advantageous development of this small aircraft according to the invention is characterized in that the respective anchor means is connected via an extendable from the respective anchor carrier connecting means with the associated anchor carrier and that the connecting means is driven such that the distance between the anchor means and the associated anchor carrier after anchoring is reducible. This variant has the advantage that the anchor means can be introduced, for example injected, from the distance into an element of the landing structure, whereby it remains connected to the associated anchoring carrier via the connecting means. Such a connection means may be, for example, a thin pull rope on which the unmanned small aircraft pulls up by means of a drive for the connecting means, such as a miniature winch, to the landing structure. This variant is advantageous when too close Heranmanövrieren the small aircraft to the landing structure, for example due to gusts of wind, brings with it the danger that the buoyancy rotors of the small aircraft come into contact with the landing structure.
Vorteilhafterweise ist, insbesondere bei der vorstehenden Variante des Kleinfluggeräts, das jeweilige Ankermittel nach erfolgter Verankerung im zugeordneten Verankerungsträger verriegelbar. Dadurch wird die Zuverlässigkeit eines sicheren Halts am Landeuntergrund deutlich erhöht.Advantageously, in particular in the above variant of the small aircraft, the respective anchor means after anchoring in the associated anchor carrier can be locked. This significantly increases the reliability of a secure landing on the ground.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Landen eines unbemannten Kleinfluggeräts nach der Erfindung unter einer Landestruktur wird mit den nachstehend aufgeführten Schritten durchgeführt:
- a) Annähern des Kleinfluggeräts von unten an die Landestruktur;
- b1) Greifen eines Elements der Landestruktur mittels des Greifermittels und Arretieren des Greifermittels; und/oder
- b2) Verankern von zumindest einem Ankermittel der zumindest einen Verankerungseinrichtung in einem Element der Landestruktur.
- a) approaching the small aircraft from below to the landing structure;
- b1) gripping an element of the landing structure by means of the gripper means and locking the gripper means; and or
- b2) anchoring of at least one anchoring means of the at least one anchoring device in an element of the landing structure.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELENPRESENTATION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigt:The invention will now be described by way of example with reference to the drawings. In this shows:
Die Elektromotoren
Im Nutzlastbereich
Wie in
Im unteren Abschnitt des Nutzlastbereichs
Entlang ihres Umfangs ist die Tragstruktur
Die Tragstruktur weist weiterhin im Bereich ihrer Mitte eine Befestigungseinrichtung
Die Befestigungseinrichtung
Das unbemannte Kleinfluggerät
Die Greiferbacken
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäße Kleinfluggeräts ist in den
Am Schutzrahmen
Die jeweiligen Verankerungseinrichtungen
Die zweiten Verankerungseinrichtungen
Sobald zumindest drei der Verankerungseinrichtungen
Hat das Kleinfluggerät
Das durch den Piloten ferngesteuerte Ablegen des Kleinfluggeräts
- – Der Pilot aktiviert den automatischen Lösevorgang oder eine Coming-Home-Funktion wird automatisch ausgelöst, wenn der Energievorrat der Batterie zur Neige geht.
- – Die Rotoren werden so angesteuert, dass das Kleinfluggerät in den Schwebeflug versetzt wird.
- – Die Greifmittel werden geöffnet und/oder die Verbindung der Verankerungseinrichtungen zur Struktur des Kleinfluggeräts
1 werden mittels eines jeweiligen Ver-/Entriegelungs-Mechnismus' gelöst. - –
Das Kleinfluggerät 1 ,1' entfernt sich in waagrechter Lage von der Landestruktur L, L', die Steuerung des Kleinfluggeräts1 ,1' übernimmt nun wieder der Pilot.
- - The pilot activates the automatic release process or a coming home function is triggered automatically when the energy supply of the battery is running out.
- - The rotors are controlled so that the small aircraft is put into hovering.
- - The gripping means are opened and / or the connection of the anchoring means to the structure of the
small aircraft 1 are solved by means of a respective locking / unlocking mechanism. - - The
small aircraft 1 .1' moves away in a horizontal position from the landing structure L, L ', the control of thesmall aircraft 1 .1' The pilot takes over again.
Für die abgesprengten oder anderweitig von der Tragstruktur abgelösten Verankerungseinrichtungen können im Rahmen einer Wartung des Kleinfluggeräts neue Verankerungseinrichtungen angebracht werden, so dass das Kleinfluggerät wieder für einen neuen Einsatz bereit ist.For anchoring devices detached or otherwise detached from the supporting structure, new anchoring devices can be installed as part of a maintenance of the small aircraft, so that the small aircraft is ready for a new deployment.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.Reference signs in the claims, the description and the drawings are only for the better understanding of the invention and are not intended to limit the scope.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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