DE102005022706A1

DE102005022706A1 - Hubschrauber mit einer Kamera

Info

Publication number: DE102005022706A1
Application number: DE102005022706A
Authority: DE
Original assignee: Dolch Stefan Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Dolch Stefan Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-23

Abstract

Es wird ein Hubschrauber (1) beschrieben, mit drei oder mehr Hubeinheiten (2) mit jeweils wenigstens einem den Rotor (3) und wenigstens einem Rotor antreibenden Elektromotor (4) sowie mit wenigstens einer Kamera (5), wobei wenigstens ein Rotor (3) vor der Kamera (5) angeordnet ist, dessen Rotorkreisfläche in Schwebefluglage des Hubschraubers (1) bei annähernd horizontaler Aufnahmerichtung der Kamera (5) komplett oberhalb, unterhalb oder seitlich des Öffnungsbereichs der Kamera (5) liegt und die Rotorkreisflächen aller Rotoren (3) des Hubschraubers (1) außerhalb des Öffnungsbreiches der Kamera (5) liegen. Damit sind auf dem Kamerabild keine Teile des Hubschraubers (1) zu sehen.

Description

Hintergrund der Erfindung

Hubschrauber sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen.

Kleine und leichte Hubschrauber gewinnen als fliegende Kameraträger zunehmend an Bedeutung. Es dominiert die klassische Ausführungsform mit einem Hauptrotor, vornehmlich zur Auftriebserzeugung, und einem Heckrotor für den Drehmomentausgleich.

Nachteile dieses Konzepts: Etwa 20 % der Antriebsleistung werden für den Heckrotor benötigt und stehen nicht für den Auftrieb zu Verfügung (reduzierte Energieeffizienz). Weiterhin ist die Mechanik zur Steuerung relativ aufwändig und kompliziert (kollektive u. zyklische Blattverstellung, Stabilisierungssysteme etc.). Außerdem verfügen Hubschrauber dieser Bauart über eine eher geringe Flugstabilität.

Bei der Antriebstechnik von Hubschrauber-Kameraträgern findet man Brennkraftmaschinen am häufigsten. Der elektrische Antrieb ist jedoch auf dem Vormarsch. Einige Vorteile: leise, zuverlässig, wetterunabhängiges Betriebsverhalten, feine Regelbarkeit, geringe Vibrationen. Der Trend zum Elektroantrieb wird forciert durch die stetige Fortentwicklung elektrischer Energiespeicher, hin zu immer höherer Energie- und Leistungsdichte.

Gleichwohl ist hier noch lange nicht das Niveau fossiler Brennstoffe erreicht, weswegen die energetische Effizienz bei der Entwicklung von Elektrohubschraubern stets eine große Rolle spielt, um hinreichend lange Flugzeiten und ausreichende Nutzlasten zu erzielen. Wichtig ist vor allem konsequenter Leichtbau.

Eine neuere Bauart von elektrisch angetriebenen Hubschraubern, nämlich die mit drei oder mehr Hubeinheiten (sogenannte Mehrrotorenhubschrauber) ist als fliegender Kameraträger besonders interessant. Unter Hubeinheit wird die Kombination mindestens eines Rotors mit mindestens einem den Rotor antreibenden Motor verstanden. Die Hubeinheiten können auch andere Komponenten enthalten, z. B. Getriebe oder Drehzahlsteller. Die Kombination von genau einem Rotor mit genau einem Motor ist die häufigste Ausführung einer Hubeinheit. Die Achsen der Rotoren stehen typischerweise (annähernd) senkrecht. Die Rotoren dienen vornehmlich der Auftriebserzeugung – daher der Name Hubeinheit.

Hubschrauber mit vier Hubeinheiten erlauben einer Steuerung um alle Achsen allein über die Drehzahl der vier Hubeinheiten, also ohne Mechanik außer drehenden Wellen, insbesondere ohne kollektive und zyklische Rotorblattverstellung. 4-rotorige Hubschrauber können demnach mechanisch sehr minimalistisch aufgebaut werden. Weiterer Vorteil: Der leistungsverzehrende Heckrotor kann entfallen.

In der Draufsicht sind die Hubeinheiten von 4-rotorigen Hubschraubern fast immer an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft an den Ecken eines Quadrats. Die Achsabstände sind meist so groß, dass sich die durch die Rotoren definierten Kreisflächen gerade nicht überschneiden. Damit können die Rotoren auf einer Ebene angeordnet sein, ohne sich zu berühren (Standardbauweise).

Diese Hubschrauberbauart wurde verschiedentlich schon mit Kameras ausgerüstet. Nachteilig an bisherigen Lösungen ist, dass bei horizontaler Kameraausrichtung Teile des Hubschraubers im Kamerabild zu sehen sind. Das stört z. B. bei ästhetischer Fotografie von Landschaften und Gebäuden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugunde, einen effizienten, kompakten Mehrrotorenhubschrauber mit einer Kamera bereitzustellen, bei dem bei näherungsweise horizontaler Kamerarichtung im Schwebeflug keine Teile des Hubschraubers im Kamerabild zu sehen sind, insbesondere auch keine Rotorblätter.

Kurzer Abriss der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit einem Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens einem den Rotor antreibenden Elektromotor, sowie mit wenigstens einer Kamera, wobei wenigstens ein Rotor vor der Kamera angeordnet ist, dessen Rotorkreisfläche in Schwebefluglage des Hubschraubers bei annähernd horizontaler Aufnahmerichtung der Kamera komplett oberhalb, unterhalb oder seitlich des Öffnungsbereichs der Kamera liegt und die Rotorkreisflächen aller Rotoren des Hubschraubers außerhalb des Öffnungsbereichs der Kamera liegen. Damit wird gewährleistet, dass keine Teile des Hubschraubers im Kamerabild zu sehen sind, auch keine Rotorblätter.

Die Schwebefluglage ist die Fluglage, die der Hubschrauber im Schwebeflug in ruhiger Luft einnimmt. Die Aufnahmerichtung wird durch die optische Achse des Objektivs der Kamera definiert. Unter "annähernd horizontal" ist zu verstehen, dass die Winkelabweichung zur Horizontalen maximal ungefähr 5 Grad beträgt. Der Öffnungsbereich der Kamera ist ein Raumsegment vor der Kamera; er wird durch die Öffnungswinkel von Bildrand zu Bildrand begrenzt. Es gibt zwei Öffnungswinkel: einen vertikalen von Bildoberkante bis Bildunterkante und einen horizontalen von der rechten bis zur linken Bildkante. Die Winkelhalbierende eines Öffnungswinkels liegt typischerweise auf der optischen Achse.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann ein Rotor vor der Kamera angeordnet sein, der in Schwebefluglage um wenigstens ungefähr 20 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren oberhalb eines anderen Rotors liegt. Es können auch zwei Rotoren vor der Kamera angeordnet sein, die in Schwebefluglage um wenigstens ungefähr 20 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren oberhalb eines anderen Rotors liegen.

Zwei Rotoren können vor der Kamera angeordnet sein, deren Rotorkreisflächen rechts und links des Öffnungsbereichs der Kamera liegen, also eine rechts und eine links.

Die Masse der Kamera kann mehr als ungefähr 20 % der Abflugmasse des Hubschraubers betragen. Die Kamera kann einen Öffnungswinkel zwischen ungefähr 20 Grad und ungefähr 45 Grad realisieren, horizontal und/oder vertikal. Sie kann ferner mit Einichtungen zur Speicherung von Bildern versehen sein.

Der Schwerpunkt der Kamera kann um weniger als ungefähr 50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren vom Schwerpunkt des kompletten Hubschraubers entfernt liegen. Er kann außerdem um weniger als ungefähr 50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren vom Auftriebsmittelpunkt des Hubschraubers entfernt sein.

Der Hubschrauber kann eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5 kg aufweisen, bevorzugt weniger als ungefähr 1 kg. Die Gesamtabmessungen des Hubschraubers können unter ungefähr 2 m liegen, bevorzugt unter ungefähr 1,2 m.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.
1 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einer Kamera nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung (Beispiel 1);
2 zeigt eine Längsansicht des Hubschraubers nach 1;
3 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einer Kamera nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (Beispiel 2);
4 zeigt eine Längsansicht des Hubschraubers nach 3;
5 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einer Kamera nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung (Beispiel 3);
6 zeigt eine Längsansicht des Hubschraubers nach 5;
7 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einer Kamera nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung (Beispiel 4); und
8 zeigt eine Längsansicht des Hubschraubers nach 7.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Zunächst zum Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 (Beispiel 1). Die Abbildungen zeigen einen ferngesteuerten 4-rotorigen Hubschrauber 1, der für Luftaufnahmen geeignet ist. Der Hubschrauber 1 umfasst insgesamt vier Hubeinheiten 2. Die Hubeinheiten 2 besitzen jeweils einen Rotor 3 mit jeweils zwei Rotorblättern 7 sowie einen den Rotor antreibenden Elektromotor 4. Die Hubeinheiten 2 sind an einem Traggerüst 8 befestigt und durch dieses miteinander verbunden. Die vier Hubeinheiten 2 sind mit Ausnahme der Drehrichtung baugleich. Zwei drehen links herum und zwei rechts herum.
Das Traggerüst 8 trägt ferner ein Kamera 5 mit Speichermöglichkeit der Kamerabilder sowie eine zentrale Steuereinheit 10. In der Steuereinheit 10 integriert sind ein Sender zur Funkübertragung der Kamerabilder zum Boden, ein Empfänger zum Empfang der Fernsteuersignale vom Boden, Elektronik zur Stabilisierung der Fluglage und zur Ansteuerung der Hubeinheiten sowie die zentrale Energieversorgung (Akku).
Der Hubschrauber 1 wird manuell nach Kamerabild ferngesteuert. Er kann aber auch mit einer automatischen Flugführung ausgerüstet sein. Die Kamera 5 wird ferngesteuert ausgelöst.
Die technischen Daten des Hubschraubers 1 sind wie folgt:

Rotordurchmesser: 380 mm

Rotordrehzahl: 900 1/min

Leistungsbedarf (Schwebeflug): 25 W

Flugzeit: 20 min

Abflugmasse: 350 g

Gesamtabmessungen (Länge, Breite): 800 mm
Die Aufnahmerichtung der Kamera 5 im Schwebeflug des Hubschraubers ist in horizontaler Richtung orientiert, und zwar nach vorne. Die optische Achse des Kameraobjektivs verläuft in Richtung der Längsachse des Hubschraubers 1. Optional kann die Kamera auch schwenkbar am Traggerüst 8 angebracht sein.
Breite und Höhe des rechteckigen Kamerabildes von Kamera 5 stehen im Verhältnis 4:3. Der horizontale Öffnungswinkel von Kamera 5 beträgt im Ausführungsbeispiel 40 Grad, der vertikale 30 Grad. Die Winkel sind in den 1 und 2 eingezeichnet. Der Öffnungswinkel kann in weiten Grenzen variieren oder auch verstellbar ausgeführt sein (Zoomfunktion).
Der Schwerpunkt des Hubschraubers 1 und der Schwerpunkt der Kamera 5 liegen nahe beieinander, mit einen horizontalen Abstand von rund 20 mm (ca. 5 % des Rotordurchmessers d). Gleiches gilt für den Abstand des Kameraschwerpunkts zum Auftriebsmittelpunkt (Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft). Der Auftriebsmittelpunkt liegt in der Draufsicht in der geometrischen Mitte der vier Hubeinheiten und in der Seitenansicht auf der mittleren Höhe der Rotoren. Die Masse der Kamera 5 beträgt im Ausführungsbeispiel rund 30 % der Abflugmasse des Hubschraubers.
Zwei Hubeinheiten 2 sind vor der Kamera 5 angeordnet, die beiden anderen dahinter. Die Kreisflächen der Rotoren 3 der vor der Kamera liegenden Hubeinheiten 2 liegen oberhalb des Öffnungsbereichs der Kamera 5, wie in 2 zu erkennen. Die beiden vorderen Rotoren 3 liegen um ein Maß h höher als die beiden hinteren Rotoren 3. Das Maß h beträgt rund 40 % des Rotordurchmessers d. Mit dieser Rotoranordnung kann eine freie, horizontale Kamerasicht erreicht werden, unter den beiden vorderen Rotoren hindurch.
Hubschrauber 1 ist sehr kompakt gebaut, um ihn auch auf engstem Raum, z. B. im Innern von Gebäuden, einsetzen zu können. Die Achsabstände der Hubeinheiten sind gerade so groß, dass sich die Rotorblattspitzen in der Draufsicht nicht berühren. So wird bei kleinen Außenabmessungen viel Rotorfläche untergebracht. Die niedrige Kreisflächenbelastung (Masse pro Rotorfläche) trägt wesentlich zur hohen energetischen Effizienz des Hubschraubers bei.
Bei der Kamera 5 handelt es sich um eine handelsübliche Digitalkamera. Sie ist mit rund 100 g Gewicht absolut gesehen zwar relativ leicht, bringt aber doch einen Großteil des Abfluggewichts mit. (Die Einrichtungen zur Bildspeicherung tragen zum Kameragewicht bei. Alternativ können die per Funk übertragenen Bilder am Boden gespeichert werden. Die Speicherung in der Kamera hat jedoch den Vorteil, dass die Bildqualität nicht von der Funkstrecke abhängt.)
Das Konzept des vorgestellten Hubschraubers 1 mit Kamera 5 bietet auch flugdynamische Vorteile:

• Die Hubeinheiten werden gleichmäßig belastet Durch die mittige Platzierung der Kamera liegt auch der Gesamtschwerpunkt des Hubschraubers dort. Jede Hubeinheit trägt daher zu gleichen Teilen am Gesamtaufrieb bei. Die Leistungsreserve der Hubeinheiten ist gleich hoch.
• Keine störenden Roll- und Nickmomente beim horizontalen Beschleunigen des Hubschraubers Auftriebsmittelpunkt (Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft) und Schwerpunkt (Angriffspunkt der resultierenden Massenkraft) liegen näherungsweise in einer Höhenebene. Daraus resultiert ein neutrales Flugverhalten. Bei einem größeren, vertikalen Abstand dieser Punkte zueinander (z. B. wegen einer sehr tief montierten, relativ schweren Kamera) würden beim horizontalen Beschleunigen oder Verzögern des Hubschraubers Roll- bzw. Nickmomente auftreten, die beträchtliche Unruhe in das Fluggerät bringen können und es im Extremfall unbeherrschbar machen.
• Geringe Massenträgheit durch Massenkonzentration im Zentrum Damit werden die Flugstabilität und die Agilität des Hubschraubers erhöht. Auch die kompakten Abmessungen tragen dazu bei.

Die 3 bis 8 zeigen Varianten des vorgestellten Hubschraubers. In den Beispielen 2 und 3 liegen die Rotoren auf Längs- und Querachse des Hubschraubers, bei den Beispielen 1 und 4 zwischen den Achsen. Die vorderen Rotoren 3 sind in den Beispielen 1 bis 3 oberhalb des Öffnungsbereichs der Kamera 5 angeordnet (Höhenstaffelung der Rotoren), im Beispiel 4 rechts und links davon (größerer seitlicher Abstand der Rotoren). Gemeinsam ist allen Beispielen die freie Kamerasicht ohne störende Hubschrauberkomponenten im Bild bei schwerpunktnaher Unterbringung der Kamera nahe am Auftriebsmittelpunkt (Abstand kleiner 10 % von d).
Fallweise können die Abmessungen der vorgestellten Hubschrauber noch weiter verkleinert werden. In Beispiel 3 (5 und 6) können z. B. die Achsabstände der jeweils gegenüber liegenden Rotoren weiter deutlich reduziert werden, ohne dass benachbarte Rotoren miteinander kollidieren. Der Höhenversatz macht es möglich.

1: Hubschrauber
2: Hubeinheit
3: Rotor
4: Elektromotor
5: Kamera
7: Rotorblatt
8: Traggerüst
10: Steuereinheit

Claims

Hubschrauber (1) mit drei oder mehr Hubeinheiten (2) mit jeweils wenigstens einem Rotor (3) und wenigstens einem den Rotor (3) antreibenden Elektromotor (4), sowie mit wenigstens einer Kamera (5), wobei wenigstens ein Rotor (3) vor der Kamera (5) angeordnet ist, dessen Rotorkreisfläche in Schwebefluglage des Hubschraubers (1) bei annähernd horizontaler Aufnahmerichtung der Kamera (5) komplett oberhalb, unterhalb oder seitlich des Öffnungsbereichs der Kamera (5) liegt und die Rotorkreisflächen aller Rotoren (3) des Hubschraubers (1) außerhalb des Öffnungsbereichs der Kamera (5) liegen.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (3) vor der Kamera (5) angeordnet ist, der in Schwebefluglage um wenigstens ungefähr 20 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren (3) oberhalb eines anderen Rotors (3) liegt.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rotoren (3) vor der Kamera (5) angeordnet sind, die in Schwebefluglage um wenigstens ungefähr 20 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren (3) oberhalb eines anderen Rotors (3) liegen.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rotoren (3) vor der Kamera (5) angeordnet sind, deren Rotorkreisflächen rechts und links des Öffnungsbereichs der Kamera (5) liegen.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der Kamera (5) mehr als ungefähr 20 % der Abflugmasse des Hubschraubers (1) beträgt.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5) einen Öffnungswinkel zwischen ungefähr 20 Grad und ungefähr 45 Grad aufweist.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5) mit Einichtungen zur Speicherung von Bildern versehen ist.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der Kamera (5) um weniger als ungefähr 50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren (3) vom Schwerpunkt des kompletten Hubschraubers (1) entfernt liegt.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der Kamera (5) um weniger als ungefähr 50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren (3) vom Auftriebsmittelpunkt des Hubschraubers (1) entfernt liegt.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubschrauber (1) eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5 kg aufweist, bevorzugt weniger als ungefähr 1 kg.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtabmessungen des Hubschraubers (1) unter ungefähr 2 m liegen, bevorzugt unter ungefähr 1,2 m.