BR102019007642A2

BR102019007642A2 - hybrid unmanned aerial vehicle for multi-engine operation at high altitudes - vanth-ga

Info

Publication number: BR102019007642A2
Application number: BR102019007642-9A
Authority: BR
Inventors: Luiz Marcos Garcia Gonçalves; Raimundo Carlos Silvério Freire Júnior; Alysson Nascimento De Lucena
Original assignee: Universidade Federal Do Rio Grande Do Norte
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-10-27

Abstract

A presente invenção compreende um “VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO HÍBRIDO PARA OPERAÇÃO COM MULTIROTOR EM GRANDES ALTITUDES - VANTH-GA”, autônomo ou remotamente pilotado, destinado ao uso aeroespacial com características de um módulo Veículo Lançador de Multirotor (VLM) com controle de altitude e estabilidade através do desvio do fluxo do motor por uma tubeira articulável. Agregado ao VLM, há um segundo módulo multirotor desacoplável, com braços articulados. A característica principal do presente produto é situar um multirotor a grandes altitudes e poder utilizar 100% de autonomia de tempo de voo para análise detalhada do objetivo, com voos lentos ou parados, com o pouso podendo ser executado por meio de paraquedas, apresentando também a possibilidade de decolagem e pouso sem a necessidade de pista apropriada.

The present invention comprises a “HYBRID NON-CREATED AERIAL VEHICLE FOR MULTIROTOR OPERATION IN LARGE ALTITUDES - VANTH-GA”, autonomous or remotely piloted, intended for aerospace use with the characteristics of a Multirotor Launch Vehicle (VLM) module with altitude control and stability by deflecting the flow of the motor through an articulated nozzle. Added to the VLM, there is a second detachable multirotor module, with articulated arms. The main feature of this product is to locate a multi-engine at high altitudes and to be able to use 100% of flight time autonomy for detailed analysis of the objective, with slow or stopped flights, with the landing being able to be performed by parachute, also presenting the possibility of takeoff and landing without the need for an appropriate runway.

Description

HYBRID UNIPROVED AIR VEHICLE FOR MULTIROTOR OPERATION IN GREAT ALTITUDES - VANTH-GA

FIELD OF THE INVENTION

[001] A presente invenção refere-se a um Veículo Aéreo Não Tripulado Híbrido (VANTH), autônomo ou remotamente pilotado, combinando características de um módulo Veículo Lançador de Multirotor (VLM) com controle de altitude e estabilidade através do desvio do fluxo do motor por uma tubeira articulável. Agregado ao VLM, está um segundo módulo multirotor desacoplável, com braços articulados. A característica principal é situar um multirotor a grandes altitudes e poder utilizar 100% de sua autonomia no tempo de voo, com o pouso podendo ser executado por meio de paraquedas.[001] The present invention relates to a Hybrid Unmanned Aerial Vehicle (UAV), autonomous or remotely piloted, combining characteristics of a Multi-engine Launch Vehicle (VLM) module with altitude control and stability through the deviation of the engine flow by an articulating nozzle. Added to the VLM is a second detachable multi-engine module, with articulated arms. The main characteristic is to place a multi-engine at high altitudes and to be able to use 100% of its autonomy in the flight time, with the landing being able to be performed by parachute.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[002] Entre os tipos de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) mais utilizados verifica-se que cada modelo possui características próprias que limitam suas aplicações, entre os mais populares estão os de asa fixa e os multirotores, como os tricópteros, quadricópteros, hexacópteros e seus derivados.[002] Among the types of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) most used, it appears that each model has its own characteristics that limit its applications, among the most popular are fixed-wing and multirotors, such as tricopter, quadcopter, hexacopter. and its derivatives.

[003] Não se verifica nenhuma aeronave com as características de voo com hibridização, como pretendida pelo presente invento. Por exemplo, quando existe a necessidade de captar dados de um ponto específico da superfície, os VANTs multirotores são a melhor opção, por apresentarem processo de controle e manuseio simples e terem a capacidade de executar o voo lento ou sem deslocamento. Alguns exemplos de multirotores com essas capacidades são apresentados nos documentos USD760624S1 e USD741751S1. No tocante aos VANTs de asa fixa necessitam estar em constante movimento para manter a sustentação, necessitando de várias passagens para aquisição de dados para um ponto específico, como é o caso do Nauru 500A, produzido pela empresa brasileira XMobots Aeroespacial e Defesa. Porém, quando existe a necessidade de alcançar grandes altitudes, o consumo da matriz energética dos VANTs multirotores compromete sua autonomia de voo produtivo. Por exemplo, o Phantom 3 Advanced, produzido pela empresa chinesa Dji, tem autonomia de tempo de voo de aproximadamente 20 minutos, velocidade máxima de subida de 5 m/s e de descida de 3 m/s. Outro VANT, também fabricado pela mesma empresa, o Mavic Pro, tem autonomia de tempo de voo de aproximadamente 25 minutos, velocidade máxima de subida de 5 m/s e de descida de 3 m/s. Essas características estabelecem um teto máximo sem voo produtivo com recuperação por paraquedas de, aproximadamente, 6000 m para o Phantom 3 advanced e de, aproximadamente, 7500 m para o Mavic Pro.[003] There is no aircraft with the flight characteristics with hybridization, as intended by the present invention. For example, when there is a need to capture data from a specific point on the surface, multi-engine UAVs are the best option, as they have a simple control and handling process and have the ability to perform slow or no-fly flight. Some examples of multi-engines with these capabilities are presented in documents USD760624S1 and USD741751S1. With regard to fixed-wing UAVs, they need to be in constant motion to maintain support, requiring several passes to acquire data for a specific point, such as the Nauru 500A, produced by the Brazilian company XMobots Aerospace and Defense. However, when there is a need to reach high altitudes, the consumption of the energy matrix of the multirotor UAVs compromises their productive flight autonomy. For example, the Phantom 3 Advanced, produced by the Chinese company Dji, has a flight time range of approximately 20 minutes, a maximum ascent speed of 5 m / s and a descent of 3 m / s. Another UAV, also manufactured by the same company, the Mavic Pro, has a flight time range of approximately 25 minutes, a maximum ascent speed of 5 m / s and a descent of 3 m / s. These characteristics establish a maximum ceiling without productive flight with parachute recovery of approximately 6000 m for the Phantom 3 advanced and approximately 7500 m for the Mavic Pro.

[004] Diante desse cenário, surgem novos VANTs genéricos para uso em altitudes maiores, como o equipamento descrito pela patente US4296894A em que um Míssil-ARP estende suas asas e estabilizadores após atingir a altitude desejada, ou a patente US20120205488A1, que propõe um veículo lançador tipo foguete com um VANT de asa fixa embarcado que é liberado na altitude desejada, porém, ambos os casos diferem da presente solução, por não ser possível efetuar a análise de um ponto na superfície com voo abaixo da velocidade de estol (ausência de sustentação).[004] In view of this scenario, new generic UAVs appear for use at higher altitudes, such as the equipment described by the patent US4296894A in which an ARP Missile extends its wings and stabilizers after reaching the desired altitude, or the patent US20120205488A1, which proposes a vehicle rocket launcher with an embedded fixed-wing UAV that is released at the desired altitude, however, both cases differ from the present solution, as it is not possible to analyze a point on the surface with flight below the stall speed (absence of lift) ).

[005] O trabalho desenvolvido por Henderson et. al. (Luke Henderson, Twain Glaser e Falko Kuester; Towards bio-inspired structural design of a 3D printable, ballistically deployable, multi-rotor UAV; IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2017) apresenta um multirotor lançado como um projétil através de uma espécie de canhão, apesar de reservar a matriz energética para o voo, o referido trabalho difere da solução apresentada, pois não garante o posicionamento exato de liberação do multirotor, além de necessitar da matriz energética para o pouso.[005] The work developed by Henderson et. al. (Luke Henderson, Twain Glaser and Falko Kuester; Towards bio-inspired structural design of a 3D printable, ballistically deployable, multi-rotor UAV; IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2017) features a multi-engine launched as a projectile through a kind of cannon, despite reserving the energy matrix for the flight, the referred work differs from the solution presented, as it does not guarantee the exact positioning of the release of the multirotor, besides needing the energy matrix for landing.

[006] Ainda há a patente de número BR 10 2015 032525 8, que consiste em um VANT com propulsão e sustentação híbrida e pode utilizar-se de um motor à combustão com sustentação pela asa para atingir a altitude desejada e acionar o multirotor, porém difere da presente invenção, pois o multirotor é desacoplado, dispensando todo o peso desnecessário e aumentando a autonomia de tempo do voo.[006] There is still the patent number BR 10 2015 032525 8, which consists of a UAV with propulsion and hybrid support and can use a combustion engine supported by the wing to reach the desired altitude and activate the multi-engine, however differs from the present invention, since the multirotor is decoupled, eliminating all unnecessary weight and increasing the flight time range.

[007] Assim, a presente invenção destaca uma solução que concilia as vantagens de dois tipos de aeronaves, VLM e multirotor. As qualidades pretendidas do VLM são: atingir grandes altitudes, liberando o multirotor para a missão com 100% de autonomia de tempo de voo produtivo, eliminando o consumo da matriz energética do multirotor para atingir a altitude desejada. As qualidades pretendidas da aeronave multirotor são: capacidade de deslocamento no ar em baixas velocidades (inexistência de uma velocidade de estol) e, inclusive, parar no ar, pousar verticalmente ou por paraquedas, aumentando a autonomia de voo produtivo.[007] Thus, the present invention highlights a solution that combines the advantages of two types of aircraft, VLM and multirotor. The intended qualities of the VLM are: to reach high altitudes, freeing the multirotor for the mission with 100% autonomy of productive flight time, eliminating the consumption of the energy matrix of the multirotor to reach the desired altitude. The intended qualities of the multi-engine aircraft are: ability to move in the air at low speeds (no stall speed) and even stop in the air, land vertically or by parachute, increasing the range of productive flight.

SUMMARY OF THE INVENTION

[008] Algumas características desta invenção são: estrutura do VLM fabricada em metais, compósitos, polímeros e cerâmicas; estrutura do multirotor fabricada em perfil tubular ou maciço, em metais, compósitos, polímeros, madeira ou cerâmicas; motor de propulsão do VLM por reação ou elétrico com matriz energética por combustível sólido, líquido, nuclear, gasoso ou híbrido; sistema de recuperação do VLM e do multirotor por paraquedas com tecido fabricado com polímeros, fibras naturais ou híbridas; motores para propulsão do multirotor à combustão ou elétricos, modelo Brushless ou com escova, controlados por Unidade de Controle de Velocidade (ESC); sistema de piloto automático auxiliado por bússola, giroscópios, sistema de posicionamento global (GPS), tubo de pitot, sonar e barômetro; sistema de alimentação elétrica composto por um gerador de energia acionado por motor pneumático, à combustão ou eólico; sistema de armazenamento de energia composto por baterias de Lítio, Lipo, níquel metal hidreto, níquel cádmio ou nuclear; sistema de direcionamento do VLM acionado por servomotores ou sistema pneumático; sistema de telemetria em tempo real.[008] Some characteristics of this invention are: VLM structure made of metals, composites, polymers and ceramics; multirotor structure manufactured in tubular or solid profile, in metals, composites, polymers, wood or ceramics; reaction or electric propulsion VLM engine with energy matrix for solid, liquid, nuclear, gaseous or hybrid fuel; VLM and multi-engine parachute recovery system with fabric made from polymers, natural or hybrid fibers; engines for combustion or electric multi-engine propulsion, Brushless or brushed model, controlled by Speed Control Unit (ESC); autopilot system aided by compass, gyroscopes, global positioning system (GPS), pitot tube, sonar and barometer; electric power system consisting of a power generator powered by a pneumatic, combustion or wind engine; energy storage system composed of lithium, lipo, nickel metal hydride, nickel cadmium or nuclear batteries; VLM steering system driven by servomotors or pneumatic system; real-time telemetry system.

[009] Como nota-se, através de um VLM híbrido, as possibilidades de missões aumentam consideravelmente com as novas características, podendo o VLM híbrido decolar sem a necessidade de uma pista, colocar o multirotor em operação e pousar verticalmente o VLM através de paraquedas. O multirotor é capaz de utilizar 100% da matriz energética para o voo produtivo, executando uma análise detalhada do objetivo através de voo lento ou parado, retornando ao pouso através de paraquedas.[009] As noted, through a hybrid VLM, the possibilities of missions increase considerably with the new features, and the hybrid VLM can take off without the need for a runway, put the multi-engine into operation and land the VLM vertically by parachute . The multirotor is capable of using 100% of the energy matrix for productive flight, performing a detailed analysis of the objective through slow or stopped flight, returning to landing via parachute.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[010] Para melhor compreensão da referida patente, faz-se referências descritivas às figuras apresentadas, não pretendendo, porém, limitar o alcance e proteção da patente, onde estas são relacionadas a seguir:[010] For a better understanding of said patent, descriptive references are made to the figures presented, however, it is not intended to limit the scope and protection of the patent, where they are listed below:

[011] A Figura 01 representa a vista externa do VANT, detalhando os elementos expostos:

01 - Coifa;
02 - Módulo do multirotor;
03 - Módulo do VLM;
04 - Empenas de estabilização e direcionamento;
05 - Tubeira articulável.

[011] Figure 01 represents the external view of the UAV, detailing the exposed elements:

01 - Hood;
02 - Multi-engine module;
03 - VLM module;
04 - Stabilization and targeting gables;
05 - Articulating nozzle.

[012] A Figura 02 representa a parte interna do VLM, detalhando os elementos internos:
06 - Atuadores de movimento das empenas;
07 - Motor do módulo VLM;
08 - Isolante térmico;
09 - Compartimento de carga útil;
10 - Plataforma de suporte dos componentes eletrônicos;
11 - Unidade de controle do motor;
12 - Módulo de GPS;
13 - Baterias de alimentação dos sistemas eletrônicos;
14 - Compartimento do paraquedas;
15 - Antena de comunicação da telemetria;
16 - Receptor de rádio controle;
17 - Módulo de telemetria;
18 - Sistema de piloto automático e estabilização.[012] Figure 02 represents the internal part of the VLM, detailing the internal elements:
06 - Gable movement actuators;
07 - VLM module motor;
08 - Thermal insulation;
09 - Payload compartment;
10 - Support platform for electronic components;
11 - Engine control unit;
12 - GPS module;
13 - Electronic system power batteries;
14 - Parachute compartment;
15 - Telemetry communication antenna;
16 - Radio control receiver;
17 - Telemetry module;
18 - Autopilot and stabilization system.

[013] A Figura 03 representa o módulo do multirotor, detalhando seus principais componentes:
19 - Baterias de alimentação dos sistemas eletrônicos;
20 - Módulo de GPS;
21 - Unidade de controle de velocidade dos motores elétricos (ESC);
22 - Plataforma de suporte dos componentes eletrônicos;
23 - Compartimento do paraquedas;
24 - Antena de comunicação da telemetria;
25 - Receptor de rádio controle;
26 - Módulo de telemetria;
27 - Sistema de piloto automático e estabilização;
28 - Estrutura tubular;
29 - Braços articuláveis;
30 - Conjunto motopropulsor;
31 - Carenagem dos braços articuláveis.[013] Figure 03 represents the multi-engine module, detailing its main components:
19 - Electronic system power batteries;
20 - GPS module;
21 - Electric motor speed control unit (ESC);
22 - Support platform for electronic components;
23 - Parachute compartment;
24 - Telemetry communication antenna;
25 - Radio control receiver;
26 - Telemetry module;
27 - Autopilot and stabilization system;
28 - Tubular structure;
29 - Articulating arms;
30 - Powerplant;
31 - Fairing of the articulating arms.

[014] A Figura 04 representa a vista do referido multirotor detalhando sua configuração em modo de voo com os braços carenados articuláveis (29) abertos.[014] Figure 04 represents the view of the referred multi-engine detailing its configuration in flight mode with the articulated fairing arms (29) open.

[015] A Figura 05 representa a vista da parte inferior do módulo do multirotor detalhando os atuadores de movimento dos braços articuláveis (32).[015] Figure 05 represents the view from the bottom of the multirotor module detailing the movement actuators of the articulating arms (32).

[016] A Figura 06 representa a tubeira articulada do VLM detalhando seus principais componentes:
33 - Atuadores para movimento das aletas;
34 - Aletas para desvio do fluxo dos gases do motor do VLM.[016] Figure 06 represents the articulated nozzle of the VLM detailing its main components:
33 - Actuators for the movement of the fins;
34 - Fins for diverting the gas flow from the VLM engine.

[017] A Figura 07 representa os estágios de acionamento da tubeira articulada, detalhando em corte o sistema de desvio do fluxo do motor do VLM, no instante (35) o bocal está aberto com fluxo total no sentido vertical, no instante (36) os atuadores iniciam o movimento das aletas direcionando parte do fluxo para as laterais, no instante (37) os atuadores completam o movimento das aletas direcionando todo o fluxo para as laterais, anulando o empuxo no sentido vertical.[017] Figure 07 represents the activation stages of the articulated nozzle, detailing in section the VLM motor flow deviation system, at instant (35) the nozzle is open with full flow in the vertical direction, at instant (36) the actuators start the movement of the fins by directing part of the flow towards the sides, at the instant (37) the actuators complete the movement of the fins by directing all the flow towards the sides, canceling the thrust in the vertical direction.

[018] A Figura 08 representa os estágios de voo do referido VLM híbrido, no instante (38) o VLM é lançado até alcançar a altitude pretendida, no instante (39) o bocal do VLM desvia o fluxo para as laterais e os braços do multirotor são abertos para auxiliar a estabilização do VLM, no instante (40) o módulo do multirotor é desacoplado do VLM, no instante (41) o VLM é liberado para o pouso com paraquedas e o multirotor começa a executar a missão (42). Após executar a missão o multirotor executa o pouso através do voo, se houver disponibilidade da matriz energética, ou por paraquedas (43).[018] Figure 08 represents the flight stages of said hybrid VLM, at instant (38) the VLM is launched until reaching the desired altitude, at instant (39) the VLM nozzle diverts the flow to the sides and arms of the multirotor are opened to help stabilize the VLM, at instant (40) the multirotor module is decoupled from the VLM, at instant (41) the VLM is released for landing with parachutes and the multirotor begins to execute the mission (42). After executing the mission, the multi-engine performs the landing via flight, if the energy matrix is available, or by parachute (43).

[019] Portanto, a invenção trata de um novo VANT, capaz de aumentar as possibilidades de missões, com as novas características, podendo a aeronave decolar e pousar verticalmente, percorrer grandes altitudes, fazer análise detalhada do objetivo com voos lentos ou parados.[019] Therefore, the invention deals with a new UAV, capable of increasing the possibilities of missions, with the new characteristics, with the aircraft being able to take off and land vertically, to travel at high altitudes, to make a detailed analysis of the objective with slow or stopped flights.

Claims

"HYBRID UNIPROVED AERIAL VEHICLE FOR MULTIROTOR OPERATION IN LARGE ALTITUDES - VANTH-GA", characterized by a Hybrid Unmanned Aerial Vehicle composed of two modules, a Multirotor Launch Vehicle (3) and a multi-engine (2), in addition to the two modules, the external part of the hybrid aircraft consists of a hood (1), articulated gables for stabilization and direction (4) actuated by actuators (6), and the internal part of the Multirotor Launch Vehicle is composed of an engine (7) , a nozzle (5) with articulating fins for total or partial flow diversion (34) individually activated by independent actuators (33), a payload compartment (9) protected by thermal insulation (8), support platform (10 ) for installing the Engine Control Unit (11), GPS module (12), power batteries (13), parachute compartment (14), telemetry module (17), telemetry communication antenna (15), radio control receiver (16).

“HYBRID NON-CREATED AERIAL VEHICLE FOR OPERATION WITH MULTIROTOR IN LARGE ALTITUDES - VANTH-GA”, according to claim 1, characterized by a multi-engine module composed of tubular structure (28), articulated arms (29) with actuated (31) by movement actuator mechanisms (32), powertrain assemblies installed at the ends of the articulating arms (30), support platform (22) for installing the GPS module (20), speed control unit for electric motors (21), compartment parachute (23), telemetry module (26), telemetry communication antenna (24), radio control receiver (25), autopilot and stabilization system (27).