BR112021010366A2

BR112021010366A2 - Veículo aéreo com controle de arfagem aprimorado e componentes intercambiáveis

Info

Publication number: BR112021010366A2
Application number: BR112021010366-0A
Authority: BR
Inventors: Dale Arthur George
Original assignee: Sky Canoe Inc.
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-08-24
Also published as: BR112021010366B1; EP3887248A1; US10787255B2; CN113165732A; EP3887248A4; US20220041278A1; CA3119669A1; AU2019388299A1; US20200172236A1; CN113165732B; EP3887248B1; WO2020107099A1

Abstract

VEÍCULO AÉREO COM CONTROLE DE ARFAGEM APRIMORADO E COMPONENTES INTERCAMBIÁVEIS.Uma aeronave capaz de decolagem e aterrissagem vertical compreende uma fuselagem, pelo menos um processador portado pela fuselagem e um par de asas aerodinâmicas que geram sustentação se estendendo a partir da fuselagem. Uma pluralidade de rotores de vetorização é portada rotativamente pela fuselagem de maneira a ser rotativa entre uma configuração substancialmente vertical com relação à fuselagem para a decolagem e aterrissagem vertical e uma configuração substancialmente horizontal com relação à fuselagem para o voo horizontal. Os rotores de vetorização são não suportados pelo par de asas. As asas podem ser modulares e conectadas de maneira removível com a fuselagem e configuradas para serem intercambiáveis com um par alternativo de asas. Um contêiner de carga pode ser preso ao lado de baixo da fuselagem, e o contêiner de carga pode ser modular e intercambiável com um contêiner de carga alternativo.

Description

“VEÍCULO AÉREO COM CONTROLE DE ARFAGEM APRIMORADO E COMPONENTES INTERCAMBIÁVEIS” REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica a prioridade do Pedido Provisório dos Estados Unidos da América No. 62/773,513 depositado em 30 de novembro de 2018 e do Pedido de Patente dos Estados Unidos da América No. 16/686,839 depositado em 18 de novembro de 2019, os ensinamentos os quais são incorporados aqui por referência. Campo Técnico

[0002] A descrição aqui se refere a uma aeronave projetada para operar, portando cargas de transporte significativas, nos modos tanto de Decolagem quanto de Aterrissagem Vertical (“VTOL”) e voo horizontal para frente, e possui aplicação particular para um tipo de aeronave conhecida como um Veículo Aéreo não Tripulado (UAV) ou drone. Fundamentos

[0003] UAVs que costumavam portar pequenas câmeras ou transportar outras cargas menores por curtas distâncias são conhecidos, e são comumente referidos como drones. Muitos destes drones são considerados recreativos ou brinquedos, e dependendo da jurisdição, podem não ser cobertos por regulações de aviação civil. Além disso, eles operam tipicamente em frequências de rádio abertas e livres para o público, o que os tornam susceptíveis à interferência. Tais UAVs, que tendem a se assemelhar a pequenos helicópteros, algumas vezes também são referidos como multirotores ou quadricópteros. Eles são relativamente fáceis de voar, razoavelmente baratos e muitos são equipados para operações de VTOL e podem trabalhar bem para tais propósitos limitados. No entanto, tal aeronave possui algumas desvantagens e limitações significativas. Eles tendem a ser leves na construção, e de capacidade limitada em termos da distância que pode ser coberta, capacidade de elevação, e potência de transporte.

[0004] A maioria dos projetos de UAV atuais são acionados por propulsor e motor, e são principalmente limitados em termos da capacidade de transporte pelas suas razões de potência por peso. Isto ocorre principalmente uma vez que uma grande porcentagem das suas potências é direcionada para alcançar estabilidade durante a elevação e o voo para frente, enquanto provê energia suficiente para fazer isto com o controle de arfagem adequado. No caso de UAVs energizados por bateria, a adição de mais baterias significa adicionar mais peso, o que por sua vez requer motores maiores e mais pesados e resulta em qualquer evento em uma limitação para a distância que eles podem viajar e a carga adicional que eles podem portar. Por ser altamente benéfico desenvolver UAVs maiores com maior capacidade de transporte, bem como maior faixa de potencial em termos da distância. Tal UAV idealmente também pode ter características adicionais, tais como capacidades de radar do tipo “Detectar e Evitar” quando lida com outra aeronave encontrada ao longo do caminho de voo.

[0005] Existem alguns projetos de UAV que parecem aviões pelo fato de que eles possuem asas, em vez de ser drones semelhantes a helicópteros. Tais projetos de UAV semelhantes a avião em geral vão ter energia de elevação e potencial de distância superiores comparado com um drone semelhante a helicópteros, devido à vantagem adicional de elevação alcançada através do uso de asas. No entanto, projetos existentes ainda fornecem ineficiências adicionais que limitam a sua capacidade de transporte de carga e o potencial de distância. Isto ocorre parcialmente porque o projeto típico não é idealmente adequado para todas as condições de voo e condições de carga. Por exemplo, para um UAV voar por distâncias muito longas em uma velocidade relativamente mais alta transportando uma carga leve, é mais eficiente em termos de consumo de energia usar razões de aspecto mais altas e asas mais longas e mais finas no UAV, fornecendo um perfil semelhante a um planador mais aerodinâmico. Para transportar cargas mais pesadas por distâncias mais curtas em velocidades relativamente menores, as asas ideais a serem usadas podem ser muito mais largas e planas do que aquelas para uma viagem de longa distância, e podem ser equipadas com acessórios adicionais, tais como ripas na borda dianteira da asa para aprimorar o coeficiente de elevação. Ajustes similares para as dimensões dos estabilizadores de cauda podem aumentar ainda mais a eficiência de operação do UAV dependendo das condições de operação. De maneira mais ampla, as configurações ótimas de asa e cauda para uma dada aeronave dependem se o plano de voo é para um voo de curto ou longo curso, e o volume e o peso de carga a ser transportado.

[0006] No entanto, a maioria dos UAVs de projetos existentes possuem asas permanentemente presas e estabilizadores de cauda que são diretamente anexados à fuselagem, e as asas em particular são sobrecarregadas por propulsores anexados. A natureza fixa de projetos de asa existentes torna a aeronave menos adaptável a uma faixa de possíveis condições de voo e distâncias. Isto tende a comprometer o desempenho de voo da aeronave e a eficiência energética ou de combustível. Este projeto também sofre de efeitos adversos de arfagem, devido à sua localização ao longo do eixo de arfagem passando através da asa, que corresponde com o centro de gravidade.

[0007] Existe uma necessidade de desenvolver uma aeronave não tripulada que é capaz de transportar cargas mais pesadas, e voar por maiores distâncias, ou idealmente, ambos. Tais UAVs podem ser particularmente úteis para distribuir fontes de ajuda tais como fornecimentos de água, alimentos, e produtos médicos para localizações em guerra ou remotas, onde pode ser muito perigoso enviar uma aeronave tripulada. Outro caso de uso é onde opções de reabastecimento são muito limitadas tal que o voo de retorno para a base doméstica pode não ser garantido, por exemplo, devido às condições climáticas ruins. Ainda, tal UAV pode ser colocado em bom uso em outras aplicações, tal como a distribuição eficiente de cargas de bens de consumo para localizações de armazenamento, mesmo aqueles localizados em ambientes urbanos ou densamente populosos onde existe pouco espaço para a decolagem e a aterrissagem. Outro uso é para operações perigosas tal como voar em fogos florestais, e perseguição de tempestades para coletar dados climáticos em condições extremas.

Sumário

[0008] De acordo com um aspecto da presente descrição, uma aeronave é provida em que o peso da aeronave é carregado pelos motores de vetorização durante VTOL até a aeronave poder obter voo para frente significativo em que o peso é então transferido para as asas. A descrição provê uma configuração e posicionamento lateral para motores e propulsores de acompanhamento, o que serve para prover estabilidade aprimorada e controle de arfagem para a aeronave, mesmo quando está sobrecarregada com uma carga de transporte significativa, está voando em tempo inclemente, ou durante a transição a partir de voo vertical para voo horizontal. A transição a partir de voo vertical para voo horizontal é aprimorada adicionalmente pelo uso de impulso de vetorização sequencial que permite que os motores dianteiros vetorizem em uma velocidade e um ângulo diferentes do que os motores da traseira, que ainda pode estar provendo mais impulso horizontal até a aeronave poder alcançar uma velocidade acima da velocidade de estol da asa.

[0009] A aeronave, de acordo com a descrição, também pode prover maior segurança através do uso de um número de sistemas que não estão implementados atualmente na aeronave não tripulada, tal como um sistema de base de terra de terminal para terminal, Sistema de Observação Climática Automatizado (AWOS), Sistema para Evitar Colisão de Tráfego (TCAS), Transmissão de Vigilância Dependente Automatizada (ADS-B), transmissão de posição e radar de observação da frente, em que a aeronave determina a sua posição através de navegação por satélite e transmite periodicamente a sua posição permitindo que seja rastreada pelo pessoal da torre de controle e outros provedores de controle de tráfego aéreo. Estes sistemas podem se comunicar, por exemplo, por fiação rígida, com sistemas de piloto automático e controle de voo que controlam as superfícies mecânicas da aeronave.

[00010] Também são providas estruturas para intercambiar asas e estabilizadores de cauda entre voos de forma que o UAV pode estar adaptado para voar de maneira eficiente sob cargas e condições climáticas variáveis. Isto é vantajoso uma vez que em alguns casos o UAV pode ser operado em regiões muito remotas onde o acesso a partes de reposição pode ser limitado ou não existente. O UAV também pode ser equipado com motores que podem operar usando fontes híbridas de energia, e inclui baterias recarregáveis instaladas que podem ser usadas com uma plataforma de carregamento. O UAV da descrição também pode ser otimizado para operações de voo por um controlador usando software incorporado que configura o UAV e ajusta as suas operações dependendo das condições e de parâmetros que recebe para o voo desejado.

[00011] Em um aspecto, a descrição se refere a uma aeronave acionada por propulsor, por exemplo, um UAV, tendo pelo menos um par de asas, bem como um mínimo de quatro propulsores acionados por motor que servem como rotores de vetorização e são portados pela fuselagem em vez de pelas asas. Em uma modalidade preferida, existem oito propulsores arranjados em pares. Cada um de um dado par de propulsores é unido ao outro por um eixo orientado de maneira perpendicular contendo pelo menos um motor para ligar os propulsores. Dois dos pares de propulsores são presos nas extremidades de uma barra transversal rotativa que por sua vez é presa através da fuselagem, na frente de um ponto de anexação para as asas. Dois dos pares de propulsores são presos de maneira similar através de outra barra transversal rotativa que está localizada atrás de um ponto de anexação para as asas. No geral, na modalidade preferida, os quatro pares de propulsores formam os vértices de um retângulo quando vistos a partir de cima da aeronave, com o centro de gravidade residindo entre os pontos de anexação para as asas, e no centro do retângulo formado pelos pares de propulsores.

[00012] Os eixos que conectam os membros de um dado par de propulsores podem ser virados para uma posição substancialmente vertical quando o UAV está decolando ou aterrissando. Isto resulta nos propulsores anexados se tornando substancialmente horizontais, de forma que eles podem prover o UAV com a força de elevação necessária para energizar operações de VTOL. As operações de VTOL são particularmente vantajosas onde existe espaço limitado, ou em regiões remotas que não possuem infraestrutura. Durante condições de voo para frente, o eixo e os propulsores podem ser girados para uma posição que faceia para frente para auxiliar a energização eficiente do voo para frente. De maneira significativa, na configuração retangular descrita para as barras transversais e os propulsores, irá existir capacidade superior de controlar a arfagem do UAV durante as operações de VTOL, já que estes propulsores localizados atrás das asas podem auxiliar no equilíbrio balanceado de qualquer força de desestabilização resultando da operação de propulsores localizados para frente. Preferivelmente, propulsores dianteiros podem ser movidos entre uma posição horizontal e uma posição vertical independentemente do movimento dos propulsores de trás entre uma posição horizontal e uma posição vertical, para facilitar uma transição controlável e suave a partir do voo vertical para o voo horizontal para frente; este processo é referido como impulso de vetorização sequencial.

[00013] Em um aspecto adicional, a descrição se refere a um UAV acionado por propulsor tendo asas modulares e, opcionalmente, estabilizadores de cauda que podem ser desanexados e trocados dependendo das condições de voo. Componentes conformados de maneira diferente podem ser usados conforme for apropriado para voos de longa distância, cargas mais pesadas, ou outras variações nas condições de operação. Asas mais grossas e mais curtas em geral significam uma elevação mais pesada e velocidades mais lentas, e asas mais longas e mais finas significam velocidades mais rápidas. Usando as asas conformadas de maneira ideal e estabilizadores para um dado conjunto de condições resulta no UAV sendo capaz de voar de maneira mais eficiente por distâncias mais longas em uma única carga ou carga de combustível.

[00014] Em um aspecto adicional, o UAV da descrição pode ser energizado por uma fonte de combustível líquido convencional tal como gasolina ou hidrogênio, uma ou mais baterias recarregáveis, ou uma fonte de combustível híbrido que utiliza ambas as fontes de energia. Em uma modalidade preferida, a aeronave pode usar motores híbridos para maximizar a versatilidade e a distância que pode ser viajada em um único tanque de combustível e carga de baterias. Em uma modalidade preferida adicional, o UAV divulgado pode usar célula de combustível de hidrogênio exclusivamente ou energia elétrica limpa, que pode resultar no UAV gerando emissões de carbono zero. O UAV pode ser configurado para ser operado com um bloco de aterrissagem localizado na sua base doméstica que inclui anéis de carregamento condutores (por exemplo, metálicos), que podem, sob o peso da aeronave, entrar em contato físico com de pontos de conexão correspondentes no UAV para recarregar as baterias ao aterrissar.

[00015] Em mais um aspecto adicional, o UAV é equipado com um contêiner de transporte de carga que é preso de maneira destacável no fundo da aeronave. Este pode tomar qualquer forma, mas em uma modalidade preferida, possui uma forma aerodinâmica para reduzir o arraste no UAV já que ele engata no voo para frente. O contêiner de carga pode ser carregado pelo pessoal com bens apropriados a serem enviados para um destino, então descarregados no destino e enviados de volta vazios ou carregados com bens de retorno.

[00016] Em um aspecto adicional, o UAV é equipado com um painel de controle compreendendo pelo menos um processador e instruções de armazenamento de memória para monitorar e controlar as operações da aeronave. O painel de controle pode ser configurado adicionalmente para se comunicar com dispositivos externos localizados na aeronave (por exemplo, sensores e controles de voo). O painel de controle pode compreender componentes e executar as operações similares àquelas conhecidas a partir da aeronave convencional e serem adicionalmente customizadas em operação através das instruções armazenadas, por exemplo, para detectar condições externas e internas e controlar as operações da aeronave para voo ótimo e medidas de segurança.

Por exemplo, as instruções quando executadas pelo processador podem ser configuradas para monitorar parâmetros tais como condições climáticas, pressão do ar, velocidades do vento, e informação de localização.

As instruções quando executadas podem adicionalmente fazer com que o processador no UAV transmita dados para um controlador localizado de maneira remota (por exemplo, por uma rede de comunicação tal como uma rede de comunicação de micro-link de rádio) ou em proximidade com o terminal do UAV.

O controlador, que é operado por pessoal treinado, também compreende um processador e uma memória que armazena instruções de software.

As instruções quando executadas por um processador podem ser usadas para direcionar todos os aspectos da operação do UAV, incluindo a decolagem, a aterrissagem, o destino alvo, e a velocidade.

As instruções de software quando executadas pelo processador do controlador podem ser adicionalmente capazes de individualmente controlar os propulsores conectados com a fuselagem em termos de ângulo e velocidade rotacional.

As instruções de software quando executadas pelo processador do controlador também podem considerar se tais parâmetros de painel de controle medidos, tais como estes que indicam condições climáticas altamente desfavoráveis, podem impactar ou sobrepor instruções para prosseguir com uma dada rota a partir de uma pessoa que opera o controlador. As instruções de software quando executadas pelo processador do controlador também podem receber uma indicação a partir de um ou mais sensores da quantidade de carga sendo portada em uma dada viagem, e as instruções então são configuradas com o recebimento da dita indicação para ajustar as instruções de operação de maneira apropriada.

[00017] Em mais uma modalidade adicional, o UAV e o contêiner de carga são equipados com sensores de identidade e/ou proximidade implementados por computador, tais como escâneres de impressão digital, escâneres de retina, detectores de crachá eletrônico ou semelhantes. Dados a partir de tais sensores podem ser integrados com outros dados sendo enviados para o controlador e interpretados por software associado. Pode haver mecanismos de travamento no UAV ou no contêiner de carga que pode apenas ser destravado pelo operador ou pelo software integrado com a detecção de que um indivíduo autorizado se aproximou do UAV ou do contêiner. Esta característica provê níveis aprimorados de proteção e segurança para o UAV e para o operador.

[00018] Em um aspecto adicional, o bloco de carregamento do UAV descrito acima pode incluir um aparelho para a transferência de dados segura a partir do UAV para o controlador. Os dados sendo transferidos podem incluir detalhes sobre o último voo tomado pelo UAV, o descarregamento ou o carregamento de carga, ou as condições ambientais encontradas durante o voo. Tais dados podem ser usados para manter a gravação geral ou para outros propósitos tais como para otimizar versões futuras ou módulos do software de operação.

[00019] A presente descrição também pode prover um UAV com capacidade de transporte aumentada e faixa aumentada de distância viajável, devido em parte à operação de motores que incorporam energia a partir do combustível líquido bem como a partir de baterias recarregáveis que podem ser carregadas quando o UAV se assenta no seu bloco de carregamento de base doméstica. O UAV também pode ser otimizado de maneira aerodinâmica e, portanto, capaz de viajar distâncias mais longas em um único tanque de combustível ou uma única carga, já que as suas asas são modulares e podem ser trocadas dependendo da carga sendo transportada e a distância a ser viajada. A operação do UAV pode ser controlada pelo uso de um controlador que pode estar localizado de maneira remota ou próximo da base doméstica do UAV. O software usado com o controlador pode ser usado para direcionar e otimizar o voo através da consideração de fatores tais como múltiplas condições ambientais e climáticas, peso de carga, e distância a ser viajada. O UAV e o seu contêiner de carga associado também podem ser equipados com um aparelho para detectar a proximidade e para permitir de maneira segura que indivíduos autorizados se aproximem e acessem o UAV ou os conteúdos do contêiner.

[00020] Em um aspecto, a presente descrição está direcionada a uma aeronave capaz de decolagem e aterrissagem vertical, compreendendo uma fuselagem, uma unidade de processamento central portada pela fuselagem, um primeiro par de asas aerodinâmicas geradoras de sustentação se estendendo a partir da fuselagem e uma pluralidade de rotores de vetorização portada pela fuselagem, independentemente das asas, e configurada para ser controlada pela unidade de processamento central. O primeiro par de asas é modular e conectado de maneira removível com a fuselagem e configurado para ser intercambiável com um par alternativo de asas, e a remoção das asas a partir da fuselagem deixa os rotores de vetorização rotativamente portados pela fuselagem.

[00021] Em outro aspecto, a presente descrição está direcionada a uma aeronave capaz de decolagem e aterrissagem vertical, compreendendo uma fuselagem, pelo menos um processador portado pela fuselagem, um primeiro par de asas aerodinâmicas que geram sustentação se estendendo a partir da fuselagem e uma pluralidade de rotores de vetorização rotativamente portados pela fuselagem de maneira a serem rotativos entre uma configuração substancialmente vertical com relação à fuselagem e uma configuração substancialmente horizontal com relação à fuselagem e configurados para serem controlados por pelo menos um processador, em que os rotores de vetorização não são suportados pelo par de asas.

[00022] Os rotores de vetorização podem ser transportados pelos eixos de rotor portados pela fuselagem de maneira a serem rotativos com relação à fuselagem, e os rotores de vetorização podem estar em uma primeira posição durante o voo vertical e em uma segunda posição durante o voo horizontal. Os rotores de vetorização podem transicionar a partir da primeira posição para a segunda posição através da rotação dos eixos de rotor ao longo de um eixo rotativo com o recebimento de um sinal de controle de voo a partir da unidade de processamento central. Em algumas modalidades, a rotação dos eixos de rotor por 90 graus transiciona os rotores de vetorização entre a primeira posição e a segunda posição; a rotação dos eixos de rotor por menos do que 90 graus pode fazer com que os rotores de vetorização tomem uma posição intermediária entre a primeira posição e a segunda posição. Os eixos de rotor podem ser dispostos em pares, em que cada par de eixos de rotor gira independentemente. A rotação dos eixos de rotor pode ser acionada por um acionamento da torre. Em algumas modalidades, os rotores de vetorização são configurados em torno do centro de gravidade da aeronave.

[00023] Em algumas modalidades, a aeronave é uma aeronave não tripulada.

[00024] Em algumas modalidades, o primeiro par de asas é preso à fuselagem através da inserção de tubos de suporte de asa se estendendo a partir das extremidades da raiz do primeiro par de asas para mangas de tubo de asa montadas na fuselagem. Em outras modalidades, o primeiro par de asas é preso à fuselagem através da inserção de tubos de suporte de asa se estendendo a partir da fuselagem para mangas de tubo de asa montadas nas extremidades da raiz do primeiro par de asas. Preferivelmente, o par alternativo de asas está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o primeiro par de asas. O primeiro par de asas e o par alternativo de asas podem ter diferentes configurações aerodinâmicas.

[00025] Em algumas modalidades, pelo menos um primeiro estabilizador de cauda é preso à traseira da fuselagem. Os estabilizadores de cauda podem ser modulares e intercambiáveis com pelo menos um estabilizador de cauda alternativo, que pode ser configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda. Os primeiros estabilizadores de cauda e os estabilizadores de cauda alternativos podem ter diferentes configurações aerodinâmicas.

[00026] Em algumas modalidades, um primeiro contêiner de carga pode ser preso ao lado de baixo da fuselagem. O primeiro contêiner de carga pode ser modular e intercambiável com um contêiner de carga alternativo, que pode ser configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o primeiro contêiner de carga. O primeiro contêiner de carga e o contêiner de carga alternativo podem ter diferentes projetos.

[00027] Em algumas modalidades, a aeronave pode compreender adicionalmente um propulsor frontal. A aeronave pode ser energizada de maneira híbrida usando combustível líquido e eletricidade. Breve Descrição dos Desenhos

[00028] A FIG. 1 representa uma vista em perspectiva de uma primeira modalidade de um UAV na posição horizontal/voo para frente.

[00029] A FIG. 1A representa uma vista em perspectiva de uma segunda modalidade de um UAV mostrando impulso de vetorização sequencial.

[00030] A FIG. 1B representa uma vista lateral do UAV da FIG. 1A mostrando impulso de vetorização sequencial.

[00031] A FIG. 2 representa uma vista lateral do UAV da FIG. 1 na posição horizontal/voo para frente.

[00032] A FIG. 3A representa uma vista em perspectiva de um UAV no estilo avião típico do estado da técnica, na forma parcialmente expandida.

[00033] A FIG. 3B é uma vista esquemática lateral do UAV do estado da técnica da FIG. 3A, mostra como problemas com a arfagem da aeronave podem resultar, particularmente durante condições de decolagem.

[00034] As FIGs. 4A e 4B mostram adicionalmente o contraste em termos de problemas potenciais com a arfagem mostrando (FIG. 4A) uma vista lateral de uma modalidade do estado da técnica com propulsores únicos na asa, e (FIG. 4B) uma vista lateral do projeto de rotação dupla da descrição em que os propulsores são anexados através da fuselagem, independente das asas.

[00035] A FIG. 5 representa uma vista em perspectiva parcialmente expandida do UAV da FIG. 1 com os propulsores mostrados em uma orientação horizontal, como pode ser apropriado para operações de decolagem e aterrissagem.

[00036] As FIGs. 6A e 6B representam uma vista em perspectiva detalhada de um primeiro mecanismo de acionamento da torre ilustrativo que é empregado com uma barra transversal tendo eixos instalados e propulsores. A FIG. 6A é mostrada com os propulsores na posição horizontal antes da decolagem e a FIG. 6B é mostrada com os propulsores em uma posição vertical para o voo para frente e em nível.

[00037] A FIG. 6C é uma vista em perspectiva do UAV mostrado na FIG. 1A com a cobertura removida para expor componentes internos.

[00038] A FIG. 7 representa uma vista de seção detalhada de componentes para prender um tubo de asa através da fuselagem do UAV mostrado na FIG. 1.

[00039] A FIG. 8 representa uma vista de seção parcialmente expandida provendo uma vista adicional da conexão entre o contorno moldado da fuselagem e as asas.

[00040] As FIGS. 9A e 9B representam diferentes formas de asa, incluindo um projeto longo e esguio (FIG. 9A) e um projeto curvado, alto e curto marcado como (FIG. 9B).

[00041] As FIGS. 10A e 10B representam vistas da seção transversal de dois diferentes projetos modulares de asa: um aerofólio de asa mais espessa (FIG. 10A) e um aerofólio de asa mais fina (FIG. 10B) para o uso com o UAV da FIG. 1.

[00042] As FIGS. 11A, 11B e 11C ilustram uma ripa opcional instalada na borda frontal do aerofólio de asa mais espessa mostrado na FIG. 10A.

[00043] A FIG. 11D mostra padrões de fluxo de ar através da superfície de uma asa sem uma ripa.

[00044] A FIG. 11E mostra os padrões de fluxo de ar em uma asa com uma ripa instalada. Vistas detalhadas da maneira de instalação da ripa também são providas.

[00045] As FIGS. 11F e 11G mostram, respectivamente, uma vista em perspectiva expandida e uma vista de seção transversal lateral de uma modalidade ilustrativa de uma asa que incorpora painéis solares.

[00046] As FIGS. 12A e 12B representam uma vista parcialmente expandida da cauda da fuselagem, incluindo estabilizadores removíveis.

[00047] A FIG. 13 representa uma vista em perspectiva de uma modalidade ilustrativa de um contêiner de carga da aeronave da FIG. 1.

[00048] A FIG. 14 representa uma vista de topo do contêiner de carga da FIG. 13.

[00049] A FIG. 15 representa uma vista lateral do contêiner de carga da FIG. 13.

[00050] A FIG. 16 representa uma vista frontal do UAV da FIG. 1 com as asas destacadas a partir da fuselagem, e um contêiner de carga instalado por baixo.

[00051] As FIGS. 16A a 16C mostram arranjos alternativos para um contêiner de carga.

[00052] A FIG. 17 representa uma vista em perspectiva do UAV (como provido na FIG. 1) posicionado em uma estação terminal de base.

[00053] A FIG. 18 representa uma vista em perspectiva de uma estação terminal de base amostral como mostrado na FIG. 17.

[00054] A FIG. 19 representa uma vista de topo da estação terminal de base da FIG. 18.

[00055] As FIGS. 19A e 19B mostram vistas planas ilustrativas de arranjos de vedação para estações terminais de base.

[00056] A FIG. 20 é um diagrama esquemático de um sistema de controle de voo para um UAV tal como aquele mostrado na FIG. 1.

[00057] A FIG. 21 é uma vista parcialmente expandida de uma fuselagem ilustrativa para um UAV de acordo com a presente descrição. Descrição detalhada

[00058] Como usado aqui, os termos “tripulado” e “não tripulado” se referem, respectivamente, à presença física ou a ausência física de um piloto humano a bordo da aeronave, e são usados por conveniência como termos convencionais do estado da técnica e não estão intencionados a especificar, necessitar ou implicar em qualquer sexo/gênero particular de qualquer piloto humano. É claro que um piloto humano pode ser de qualquer sexo/gênero.

[00059] Em uma modalidade, como ilustrado na FIG. 1, é provido um UAV de transporte de carga 100 que é adaptado tanto para voo para frente quanto para operações de VTOL. O UAV 100 inclui uma porção de corpo central referida como uma fuselagem 101, um par de asas 102 se estendendo diretamente a partir da fuselagem 101, e um par de estabilizadores de cauda 112 em uma configuração em V presa à traseira da fuselagem 101. Uma unidade de processamento central (descrita adicionalmente abaixo) é portada pela fuselagem 101, preferivelmente alojada na mesma.

O UAV 100 representado possui quatro conjuntos de rotores de vetorização 110 (isto é, propulsores de acionamento) os quais proveem energia de elevação bem como controle de estabilidade e arfagem do UAV 100 quando em trânsito, que é uma consideração particularmente importante durante a decolagem.

Os rotores de vetorização 110 são portados rotativamente pela fuselagem 101, independentemente das asas 102, e configurados para serem controlados por uma unidade de processamento central do UAV, como descrito adicionalmente abaixo.

O UAV 100 representado é adaptável e versátil já que é modular no projeto, sendo adaptável a várias condições de voo permitindo a remoção e a substituição de asas e/ou estabilizadores de cauda por componentes conformados e dimensionados de maneira ideal para as particulares condições de voo e de peso de carga em questão.

Esta versatilidade é o resultado dos rotores de vetorização 110 sendo montados na fuselagem 101 em vez de nas asas como é o caso em aeronave convencional.

As asas 102 são modulares e conectadas de maneira removível com a fuselagem 101 e configuradas para serem intercambiáveis com um par alternativo de asas.

Criticamente para certas modalidades, as asas 102 são asas aerodinâmicas que geram sustentação.

As asas 102 são destacáveis a partir da fuselagem 101, como será descrito em maiores detalhes abaixo, e esta característica permite a customização do UAV 100 para adaptar o mesmo para diferentes condições de voo. As particulares asas 102 mostradas na FIG. 1 são relativamente largas e grossas, e podem ser ainda mais úteis para voos curtos em que uma carga relativamente pesada é portada. Neste caso, as asas 102 representadas também incluem ailerons 106 para prover o controle adicional da aeronave em andamento, e ripas 104 as quais servem para prover elevação aprimorada e controle da aeronave durante a decolagem e a aterrissagem. Já que os rotores de vetorização 110 são portados rotativamente pela fuselagem 101, independentemente das asas 102, a remoção das asas 102 a partir da fuselagem 101 deixa os rotores de vetorização 110 rotativamente portados pela fuselagem 101. Em adição, através da propulsão ou impulso do UAV 100 a partir da sua fuselagem 101 em vez de por meio das suas asas levemente suportadas 102, cargas mais pesadas podem ser erguidas. Um contêiner de carga 122 é preso de maneira destacável embaixo da fuselagem 101. A FIG. 2 também mostra a modalidade da FIG. 1 em uma vista lateral.

[00060] Os estabilizadores 112 também podem ser opcionalmente removíveis de forma que o conjunto apropriado para particulares condições de voo pode ser distribuído. Em geral, as dimensões adequadas das asas 102 para particulares condições serão refletidas nos estabilizadores

112. Ou seja, se asas largas e grossas 102 são usadas, os estabilizadores de cauda 112 devem ser proporcionados de maneira similar para serem largos e grossos. Por outro lado, se asas mais finas são usadas, então os estabilizadores de cauda 112 também devem ser finos de maneira similar. Os estabilizadores de cauda 112 particulares mostrados na FIG. 1 também incluem um elevador adicional 114 que pode ajudar na provisão de controle adicional durante a arfagem do UAV 100.

[00061] No UAV 100 representado, existem um total de nove propulsores: um propulsor frontal 108, e quatro pares de rotores de vetorização 110. Cada propulsor é acionado por um motor ou maquinaria. Nesta modalidade, o propulsor frontal 108 é principalmente responsável por manter o impulso para frente do UAV 100 no voo horizontal, uma vez que o mesmo está no ar e alcançou altitude suficiente. De maneira apropriada, o motor 105 que energiza o propulsor frontal 108 está localizado próximo do dito propulsor frontal 108, e não é visível nesta vista. No entanto, um tanque de combustível 120 para o dito motor 105 é acomodado pelas protrusões visíveis formadas no casco da fuselagem

101. Em termos dos oito rotores de vetorização 110, cada um é anexado a extremidades de um eixo de rotor oco 410, que pode ser construído a partir de qualquer material de peso leve ou compósito que é adequado para partes de aeronave. Os rotores de vetorização 110 são portados pela fuselagem 101 por meio de anexação aos eixos de rotor 410, que por sua vez são montados nas barras transversais 400 presas à fuselagem 101. Assim, os rotores de vetorização 110 são portados pela fuselagem 101. Contidos dentro do eixo de rotor 410 estão motores adicionais 406 para rotores de vetorização 110; o termo “rotor de vetorização”, como usado aqui, deve ser entendido como incluindo o propulsor e o motor que aciona o mesmo. Pode existir um motor 406 por dois rotores de vetorização 110 para um total de quatro de tais motores, ou pode existir motores individuais para cada rotor de vetorização 110. Os motores são conectados através da barra transversal 400 a uma fonte de energia contida dentro da fuselagem 101. Na modalidade representada, os motores para rotores de vetorização 110 são preferivelmente motores completamente elétricos os quais são conectados cada um deles internamente a um sistema elétrico de bordo e uma ou mais baterias recarregáveis. Em contraste, a maquinaria 105 para o propulsor frontal 108 é preferivelmente um motor de posição fixa único energizado por combustível líquido, tal como hidrogênio líquido ou gasolina. Assim, nesta particular modalidade a aeronave 100 é energizada de maneira híbrida usando combustível líquido e eletricidade. Esta modalidade do UAV 100 é configurada para usar diferentes fontes de energia já que o propulsor frontal 108 deve ser energizado de maneira robusta em voo uma vez que provê a maioria do impulso para frente necessário para manter o voo na horizontal. Motores energizados por combustível atualmente tendem a prover energia maior e mais duradoura do que comparado com motores elétricos. No entanto, motores elétricos podem ser usados para todas as aplicações no UAV 100.

[00062] Em uma modalidade preferida, o propulsor frontal 108 em si é capaz de sustentar o voo na horizontal em cooperação com as asas 102. Não é necessário que os rotores de vetorização 110 sejam energizados após a decolagem vertical. Alternativamente, se forem apropriadamente configurados, os rotores de vetorização 110 podem permanecer ativos durante o voo para frente ou podem ser usados para recarregar o sistema de bateria durante o voo para frente usando energia magnética elétrica gerada pelos estatores internos e comutadores.

[00063] Em geral, o UAV 100 é configurado para transicionar a partir de operações de VTOL para voo horizontal, por exemplo, através do controle dos rotores de vetorização 110 para alcançar uma altitude desejada (através de um ou mais processadores, não mostrados) e então na altitude de voo apropriada, usar o propulsor frontal 108 (e opcionalmente os rotores de vetorização 110) para propelir o UAV 100 em um movimento de voo para frente. Os rotores de vetorização 110 são preferivelmente rotativamente portados pela fuselagem 101 de maneira a serem rotativos entre uma configuração substancialmente vertical com relação à fuselagem 101 e uma configuração substancialmente horizontal com relação à fuselagem 101. Durante a decolagem, os eixos de rotor 410 e os seus motores elétricos instalados internamente 406 estão em uma posição vertical de forma que os rotores de vetorização anexados 110 proveem impulso para cima. A maquinaria fixa para frente 105 conectada ao propulsor frontal 108 está em uma configuração de aceleração ociosa, de forma que o motor está rodando em uma RPM relativamente baixa de forma a não causar movimento frontal indevido enquanto a elevação está sendo alcançada. Uma vez que o UAV 100 está em uma altitude suficiente, um sinal elétrico é dado para a maquinaria fixa para frente 105 acelerar, de forma que gera uma RPM muito mais alta para iniciar o acionamento do UAV 100 em uma direção para frente. Como esta operação está sendo realizada, um sinal elétrico é enviado aos mecanismos anexados a barras transversais 400 para rotacionar, que por último vai resultar nos rotores de vetorização 110 sendo posicionados apropriadamente para suplementar as forças geradas pelo propulsor frontal 108 para prover o voo para frente.

[00064] Na modalidade representada, os oito rotores de vetorização 110 são orientados de forma que eles viram em um plano vertical. Estes rotores de vetorização 110 podem ajudar na provisão de impulso para frente para o UAV 100 quando o mesmo está voando horizontalmente. Como será mais bem ilustrado em conjunto com as FIGS. 6A e 6B, os eixos de rotor 410 são fixados em torno do eixo da barra transversal 400, e podem assumir uma configuração vertical sob rotação apropriada da barra transversal 400 por noventa graus, que resulta adicionalmente nos rotores de vetorização 110 anexados girando no plano horizontal. Estas orientações e condições são particularmente vantajosas durante as operações de VTOL, já que as pás dos rotores de vetorização 110 vão prover a força de elevação necessária para tornar o UAV 100 transportado pelo ar. Assim, como pode ser observado na FIG. 6C, os rotores de vetorização 110 estão em uma primeira posição durante o voo vertical e em uma segunda posição durante o voo horizontal e os rotores de vetorização 110 transicionam a partir da primeira posição para a segunda posição através da rotação de cada eixo de rotor 410 ao longo de um eixo rotativo com o recebimento de um sinal de controle de voo a partir da unidade de processamento central. A rotação dos eixos de rotor 410 por 90 graus transiciona os rotores de vetorização 110 entre a primeira posição e a segunda posição.

[00065] Não é essencial a provisão de dois rotores de vetorização 110 por eixo de rotor 410. A aeronave será operável com um único rotor de vetorização 110 anexado a cada eixo de rotor 410 para um total de quatro rotores de vetorização 110, porém as pás de tal rotor de vetorização 110 irão precisar ser maiores e mais largas de maneira significativa para prover a área de superfície necessária requerida para gerar força de elevação suficiente durante as operações de VTOL. Em contraste, quando dois rotores de vetorização 110 são usados por eixo de rotor 410, como mostrado na FIG. 1, as pás dos rotores de vetorização 110 podem ser menores do que as áreas de superfície de ambos os conjuntos de propulsores que irá prover aditivamente suficiente força de elevação. Foi observado que é mais conveniente usar um par de rotores de vetorização 110 tendo pás menores, já que elas são menos obstrutivas para o contêiner de carga anexado 122, e também produzem menos arraste durante o voo. Além disso, um arranjo em que existem oito rotores de vetorização dispostos em pares pode prover redundância e segurança aprimorada.

[00066] As FIGS. 1A e 1B mostram uma modalidade alternativa de um UAV 100A. O UAV 100A é similar ao UAV 100 representado nas FIGS. 1 e 2, com numerais de referência semelhantes que denotam funcionalidades semelhantes exceto pelo sufixo “A”. O UAV 100A representado nas FIGS. 1A e 1B difere do UAV 100 representado nas FIGS. 1 e 2 primariamente pelo fato de que o UAV 100A representado nas FIGS. 1A e 1B possui um único rotor de vetorização 110A anexado a cada eixo de rotor 410A para um total de quatro rotores de vetorização 110A em vez de oito, e omite qualquer propulsor frontal e componentes relacionados, com o impulso para frente sendo provido inteiramente pelos quatro rotores de vetorização 110A. O UAV 100A representado nas FIGS. 1A e 1B também inclui um calço de pouso 124A.

[00067] Outras variações no número e tamanho dos propulsores também são possíveis. Por exemplo, o UAV pode ser equipado com um total de três eixos de rotor com rotores de vetorização, dois sendo conectados por uma barra transversal que atravessa a fuselagem na frente do centro de gravidade (no ponto de anexo para as asas) da fuselagem, e um sendo diretamente anexado ao topo da fuselagem atrás das asas. Nesta configuração, o único propulsor atrás das asas pode precisar de pás maiores do que estes rotores de vetorização usados na estrutura frontal, de maneira a prover força de elevação equivalente aos rotores de vetorização dianteiros, tal que o UAV ainda possa manter operações de VTOL sem a arfagem se tornar um problema. Muitas de tais variações podem ser possíveis dentro do escopo das reivindicações.

[00068] Configurações alternativas para as asas 102 e rotores de vetorização 110 podem operar de maneira similar, e podem estar dentro do alcance de um técnico no assunto. Por exemplo, o UAV 100 pode ser equipado com mais do que um par de asas 102. O UAV 100 pode ter conjuntos de barras transversais 400 adicionais equipados com rotores de vetorização 110. Para razões que serão adicionalmente explicadas abaixo, desde que as barras transversais 400 e os rotores de vetorização 110 estejam localizados tanto na frente quanto atrás das asas 102 que corresponde à localização para o centro de gravidade para o UAV 100, e uma distância suficiente a partir das asas 102 tal que os rotores de vetorização 110 formam os vértices de um retângulo quando observados de cima, eles irão servir para prover estabilidade e controle de arfagem para o UAV 100. Assim, os rotores de vetorização 110 são configurados em torno do centro de gravidade da aeronave 100.

[00069] O UAV 100 pode ser construído em uma variedade de dimensões e configurações. Um UAV 100 amostral pode ter uma envergadura de 5,4 m, um comprimento de 2,6 m, e uma altura de 1,2 m. Quando for dimensionado assim, o seu peso pode estar na faixa de 200 kg, e a carga de transporte máxima pode ser de aproximadamente 100 kg. Ele pode ser energizado com uma maquinaria de cilindro duplo de gás de 300cc para o propulsor frontal 108, e um conjunto de motores elétricos AC de 20kW para os rotores de vetorização

110. Com estas dimensões e componentes, a faixa de distância máxima que pode ser esperada é de 500 km, com uma velocidade de cruzeiro de 100 km/h, uma velocidade máxima de 140 km/hora, e resistência máxima de 5,2 hours. No entanto, UAVs menores ou maiores podem ser prontamente construídos de acordo com a descrição, e com diferentes dimensões e limitações.

[00070] Uma série de sensores giroscópicos digitais e eletrônicos 118 e sensores de proximidade 116 podem ser posicionados em localizações tais como a superfície da fuselagem 101 ou o contêiner de carga 122 para detectar alterações em parâmetros e características do voo.

Vários exemplos de localizações adequadas podem ser observados na FIG. 1, com sensores amostrais indicados como as partes 118 e 116. Sensores giroscópicos 118 contêm estruturas cristalinas microscópicas montadas em pequenas placas que recebem movimento e sinais de tensão quando a aeronave se move.

Sensores de proximidade 116 podem usar sinais infravermelhos e radares para prover informação de posição da aeronave e também detectam objetos que podem estar no caminho de voo da aeronave tais como árvores, fios, postes, edificações ou pássaros.

Sensores de proximidade 116 também podem ser usados para detectar se um indivíduo que se aproxima da aeronave está autorizado a fazer isso usando a imagem de referência similar com aquela usada em protocolos de segurança existentes encontrados em dispositivos tais como telefones celulares e entradas fechadas.

Outras características adicionais podem incluir câmeras digitais de 360 graus montadas ao longo das superfícies externas da fuselagem 101, ou software de reconhecimento programável que integra tecnologia de impressão digital e escaneamento de olho.

Em um exemplo, se pessoal não autorizado é detectado, a aeronave pode comutar para um modo de bloqueio tornando desta forma o UAV 100 inoperável até a liberação da segurança ser provida, e evitando a remoção de meios de armazenamento (por exemplo, um dispositivo de armazenamento de memória de computador, tal como um cartão SD). De maneira similar, a presença de uma pessoa não autorizada também pode fazer com que o contêiner de carga 122 seja bloqueado de maneira similar e os seus conteúdos fiquem inacessíveis. Tais características de segurança aprimoram a segurança do UAV 100 e da sua carga.

[00071] Uma vez que um sensor giroscópico 118 ou um sensor de proximidade 116 detecta uma alteração na característica de voo ou em outro parâmetro relevante, a alteração é medida usando uma unidade de medição inercial (IMU) e pode ser transmitida como um sinal elétrico para uma CPU do UAV 100 onde ele é processado. Com o recebimento de um sinal elétrico a partir da CPU, atuadores mecânicos podem direcionar adicionalmente o movimento de várias superfícies de controle de voo na aeronave tais como ailerons 106 e elevadores 114, bem como outros componentes tais como as barras transversais 400 conectadas com os eixos de rotor 410 e os rotores de vetorização 110. Sinais elétricos também podem ser transmitidos aos controladores de velocidade que controlam a velocidade dos rotores de vetorização 110 e do propulsor frontal 108. Respondendo apropriadamente às várias condições de voo detectadas pelos sensores 116 e 118, o sistema de controle de voo facilita o UAV 100 em operação de maneira suave, segura e no controle.

[00072] A navegação do UAV 100 pode ser suportada usando dois sistemas de navegação diferentes. O primeiro é o Sistema de Posicionamento Global (GPS). Como o GPS pode não ser confiável sob condições de tempo inclemente ou em regiões remotas, a aeronave também é suportada por um segundo sistema de navegação que depende do posicionamento de voo vetorizado. Especificamente, este segundo sistema de navegação usa uma série de algoritmos similares aos da navegação de voo realizada antes do GPS (por exemplo, reconhecimento morto). Cálculos de computador são realizados com relação à distância, velocidade e posição relativa entre o UAV 100 e o destino que usa coordenadas de longitude e latitude. No modo de piloto automático, informação a partir de ambos os sistemas de navegação é transmitida para o sistema de controle de voo e retransmitido para servidores (não mostrados) que são conectados a superfícies de controle de voo e outros componentes móveis. O UAV 100 pode ser programado para voar a partir de qualquer localização e retornar para a mesma localização sem qualquer intervenção humana fazendo com que o UAV 100 seja completamente autônomo. O UAV 100 também pode ser navegado em tempo real por um piloto sentado em uma localização remota usando monitores visuais e atuadores operados à mão (por exemplo, joystick) que atuam para controlar o sistema de controle de voo.

[00073] Dados a partir do sistema de prevenção de colisão de tráfego (TCAS) e da estação de aconselhamento meteorológico automatizado (AWAS) podem ser integrados diretamente ao sistema de controle de voo do UAV 100. Fazendo isto, o UAV 100 pode ser direcionado ao longo de um caminho de voo que é otimizado para o menor tráfego aéreo e/ou as condições climáticas mais favoráveis. Os sistemas de TCAS e AWAS fazem a maioria deste trabalho usando radar de escaneamento dianteiro para localizar perigo potencial usando software especial que é incorporado nestes sistemas.

[00074] Quando o UAV 100 voa, ele recebe constantemente dados através de contato de rádio. Quando as condições mudam (por exemplo, dados a partir de TCAS e AWAS) e/ou informação é recebida a partir de sensores (por exemplo, sensores giroscópicos 118 e sensores de proximidade 116) no UAV 100, sinais de dados são enviados como pulsos elétricos para os processadores a bordo (isto é, CPU) executando o piloto automático para fazer alterações físicas enviando sinais de controle como pulsos elétricos para os servidores que por sua vez movem as superfícies de voo tais como lemes, elevadores e ailerons, bem como o ângulo e velocidade rotativa dos rotores de vetorização 110. Um cenário de risco ilustrativo é uma determinação pelos TCAS que se o UAV 100 continuasse no seu curso corrente, ele faria contato com outra aeronave. Sinais de dados enviados para os processadores a bordo podem resultar na execução de uma correção de curso ao enviar sinais de controle para os controles de voo em uma taxa predeterminada com base na velocidade e localização do GPS.

[00075] A comunicação com o UAV 100 pode ser mediada usando uma frequência de rádio discreta que é registrada e segurada com o corpo regulatório apropriado, tal como a Comissão de Comunicações Federais (FCC). Diferentemente da maioria das aeronaves não tripuladas existentes que usam uma frequência de rádio do tipo hobby de 2,4GHz de fonte aberta de baixa energia de ¼ watt, a aeronave divulgada aqui pode usar tanto espectro de banda quanto salto de canal que não pode ser acessado publicamente ou causar interferência. A comunicação segura com o UAV 100 protege o mesmo de ser adulterado com ou tomado, diferentemente de aeronaves não tripuladas tradicionais que são vulneráveis a tal interferência. Adicionalmente, como a frequência de rádio usada pelo UAV 100 é licenciada, o sinal de comunicação tem o potencial de ser mais poderoso permitindo, assim, maior transferência de dados sem fios. Em algumas modalidades, os sinais de comunicação podem ser criptografados.

[00076] Nas FIGS. 3A, 3B, 4A e 4B, são providas algumas ilustrações das vantagens da configuração retangular para os rotores de vetorização 110. As FIGS. 3A e 3B demonstram uma configuração típica do estado da técnica, com propulsores de asa 310 e os seus respectivos motores/maquinarias 306 portados nas asas 302 de uma aeronave 300, em adição a um propulsor frontal 308. As asas 302 são configuradas para rotacionar com relação à fuselagem 301 que, por conta dos propulsores 310 e dos seus respectivos motores/maquinarias 306 serem portados nas asas 302, possui o efeito de rotacionar os propulsores 310 e os seus respectivos motores/maquinarias 306 com relação à fuselagem 301. Particularmente, durante as condições de decolagem, podem ter problemas significativos com a inclinação da aeronave 300 em torno do seu centro de gravidade como mostrado na FIG. 3B. Este problema com a arfagem resulta principalmente dos propulsores de asa 310 não tendo forças opostas.

[00077] A FIG. 4A demonstra o mesmo problema com a arfagem que é observado em uma configuração de aeronave do estado da técnica, como discutido em relação à FIG. 3B, reproduzido para a comparação com a FIG. 4B. A FIG. 4B esquematicamente mostra a configuração de um UAV 100A ilustrativo de acordo com a presente descrição. Pode ser observado que os rotores de vetorização 110A são posicionados em ambos os lados do UAV 100A, tanto antes quanto após o centro de gravidade que corresponde à área da fuselagem 101A em que as asas 102A são instaladas. Os rotores de vetorização traseiros 110A irão ajudar a equilibrar as forças a partir dos rotores de vetorização dianteira 110A, reduzindo ou eliminando os problemas indesejados com a arfagem e resultando em um caminho de voo mais estável. A superioridade da configuração retangular descrita para os rotores de vetorização (propulsores), assim, fica evidente.

[00078] A FIG. 5 mostra uma vista em perspectiva parcialmente expandida de UAV 100, com as asas 102 separadas a partir da fuselagem 101. Também são mostrados na FIG. 5 os rotores de vetorização 110 na orientação horizontal, que desta forma são adequados para condições de decolagem e de aterrissagem. Nesta modalidade, cada barra transversal 400 é mostrada como duas barras separadas que podem ser instaladas na parede da fuselagem e conectadas no interior. As barras transversais 400 podem ser feitas prontamente como uma única barra configurada para cobrir a largura da fuselagem 101 ou como barras separadas que podem ser conectadas de maneira segura no seu ponto de encontro interno à fuselagem 101. Qualquer modalidade pode trabalhar bem, mas para a facilidade de montagem, pode ser mais conveniente ter duas barras separadas para fazer a barra transversal 400 unificada. Barras separadas também podem ser usadas para facilitar o controle individual do ângulo de cada rotor de vetorização 110 com relação à fuselagem

101.

[00079] As FIG. 6A e 6B mostram a barra transversal 400 e os rotores de vetorização 110 em detalhe adicional, isolados do UAV 100, com a FIG. 6A mostrando os rotores de vetorização 110 na orientação apropriada para as operações de VTOL e a FIG. 6B mostrando os rotores de vetorização 110 na orientação apropriada para as condições de voo para frente. As extremidades da barra transversal 400 são fixadas de maneira não móvel aos eixos de rotor 410. A orientação dos eixos de rotor 410 e, portanto, dos seus rotores de vetorização 110 anexos, resulta em diferentes padrões de voo para UAV 100. Pode ser observado aqui que a barra transversal 400 é acoplada a um mecanismo de acionamento de torre 412 que facilita a rotação da barra transversal 400, que por último resulta na rotação dos eixos de rotor 410 anexados e rotores de vetorização 110. Assim, a rotação dos eixos de rotor 410 é acionada por um acionamento de torre. A ativação do mecanismo de acionamento de torre 412 pode ser controlada pelos processadores mencionados anteriormente no controlador para o UAV 100 ou a sua CPU 2002 (vide a FIG. 20).

[00080] A transição entre a posição vertical e a posição horizontal, e vice-versa, requer uma rotação de 90 graus ao longo do eixo rotativo que é facilitada pelo mecanismo de acionamento de torre 412. Em operação, com o recebimento de um sinal de controle de voo a partir da CPU, localizada, por exemplo, dentro da fuselagem 101 do UAV 100 para rotacionar os rotores de vetorização 110, um motor 402 aciona uma correia 403 ou dispositivo de conexão similar acoplado com uma engrenagem 404 que faz a rotação da barra transversal 400 que por sua vez faz a rotação dos rotores de vetorização 110 que são fixados às extremidades dos eixos de rotor 410. O mecanismo de acionamento de torre 412, desta forma, provê uma transição suave entre voo horizontal e voo vertical.

Para o voo angulado da aeronave, o mecanismo de acionamento de torre 412 pode rotacionar os rotores de vetorização 110 para uma posição intermediária entre a posição horizontal e a posição vertical; a rotação dos eixos de rotor 410 por menos do que 90 graus faz com que os rotores de vetorização 110 tomem em uma posição intermediária entre a primeira posição e a segunda posição (vide a Fig. 1B). Preferivelmente, os eixos de rotor 410 são dispostos em pares (por exemplo, um par dianteiro e um par traseiro) e cada par de eixos de rotor 410 gira independentemente.

Em referência novamente às FIGS. 1A e 1B, nas modalidades preferidas os rotores de vetorização 110 dianteira podem ser movidos entre uma posição horizontal e uma posição vertical independentemente do movimento dos rotores de vetorização 110 traseiros entre uma posição horizontal e uma posição vertical, para facilitar uma transição controlável e suave a partir do voo vertical para o voo horizontal para frente; este processo é referido como impulso de vetorização sequencial. Impulso de vetorização sequencial pode ser aplicado tanto na presença quanto na ausência de um propulsor frontal. Opcionalmente, cada um dos rotores de vetorização 110 pode ser controlável independentemente do outro para prover estabilidade de guinada e lateral durante as manobras de baixa velocidade.

[00081] A FIG. 6C é uma vista em perspectiva do UAV 100A mostrado na FIG. 1A com a cobertura removida, que mostra um arranjo alternativo para um mecanismo de acionamento de torre 412A. A CPU 2002 que executa o módulo de piloto automático 2004 (FIG. 20) é acoplada a um controlador de acionamento de vetor 602 que controla motores dianteiros e traseiros 604 em que os eixos 606 fazem a rotação das respectivas barras transversais 400 através de acoplamentos mecânicos 608 para, desta forma, rotacionar os rotores de vetorização 110A que são fixados às extremidades dos eixos de rotor 410A.

[00082] As FIGS. 7 a 11 mostram detalhes adicionais das asas 102 e como elas podem ser presas de maneira liberável em ambos os lados da fuselagem 101 usando um sistema de conjunto de tubo de asa (elementos 500, 502 e fixadores mecânicos 504 mostrados nas FIGS. 7 a 9B). Em uma modalidade, mostrada na FIG. 7, o primeiro par de asas 102 é preso à fuselagem 101 através da inserção de tubos de suporte de asa 502 se estendendo a partir das extremidades de raiz do primeiro par de asas 102 para uma ou mais mangas de tubo de asa 500 montadas na fuselagem 101. Nesta modalidade, a fuselagem 101 é montada com uma manga de tubo de asa 500 que atravessa a largura da fuselagem 101 e é dimensionada de forma a aceitar a partir de ambas as extremidades um tubo de suporte de asa 502 se estendendo a partir de uma extremidade de raiz das asas esquerda e direita 102. Em outra modalidade, mostrada na FIG. 8, o primeiro par de asas 102 é preso à fuselagem 101 através da inserção de tubos de suporte de asa 502 se estendendo a partir da fuselagem 101 para mangas de tubo de asa 500 nas extremidades de raiz 506 do primeiro par de asas 102. Os tubos de suporte de asa 502 (os quais podem ser duas extremidades de um único tubo monolítico) são presos à fuselagem 101 e se estendem para fora em ambos os lados (por exemplo, um distante do outro) e para a manga de tubo de asa 500 dentro da extremidade de raiz de cada asa 102. Em ambas as modalidades, a inserção do tubo de suporte de asa 502 para a manga de tubo 500 prende a asa à fuselagem 101 e suporta o peso e as forças do UAV 100.

[00083] Os componentes do sistema de tubo de asa 500 e 502 podem ser feitos de fibra de carbono ou material similar para prover resistência superior enquanto permanecem com peso leve. As asas 102 são adicionalmente presas à fuselagem 101 através da moldagem da forma da extremidade de raiz 506 da asa 102, provendo, desta forma, aerodinâmica aprimorada do UAV 100. As asas 102 e a fuselagem 101 são presas adicionalmente usando fixadores mecânicos 504 tais como porcas e parafusos ou fixadores de porca em T. O acesso aos fixadores 504 que prendem as asas à fuselagem 101 é provido por meio de uma trava de acesso 505 que pode ser posicionada na fuselagem 101 ao longo da superfície de topo, próxima de onde as asas 102 encontram a fuselagem 101. Os tubos de suporte de asa 502 proveem o suporte principal, em que os fixadores 504 prendem adicionalmente as asas 102 à fuselagem de forma que eles não se desconectam da fuselagem 101 durante o voo.

[00084] O sistema de tubo de asa 500 e 502 e fixadores mecânicos 504 usados para prender as asas 102 à fuselagem 101 também permite que as asas 102 sejam facilmente destacadas e substituídas por projetos de asa alternativos ou, por exemplo, para o reparo de uma asa. Assim, um ou mais pares de asas alternativos podem ser configurados para serem presos à fuselagem 101 na mesma posição que o primeiro par de asas. Diferentemente de projetos existentes, já que os rotores de vetorização 110 não são presos às asas 102 da aeronave, as asas 102 podem ser prontamente trocadas já que elas estão desimpedidas. Modular no projeto, a fuselagem 101 é adaptada para aceitar diferentes formas de aerofólio de asas para diferentes tipos de dinâmicas de voo, como mostrado nas FIGS. 9A, 9B, 10A e 10B. A FIG. 9A mostra uma asa 102 sem ripa dianteira, e a FIG. 9B mostra uma asa com uma ripa dianteira 104. Por exemplo, asas longas mais finas 102 como usadas em planadores podem ser usadas para produzir voos mais rápidos por distâncias mais longas, enquanto asas curadas altas mais curtas 102 podem ser usadas para operações de elevação mais lentas e pesadas. A FIG. 10A mostra o perfil de uma asa curvada alta mais curta 102 e a FIG. 10B mostra o perfil de uma asa mais fina e longa 102. Assim, o primeiro par de asas 102 e os pares alternativos de asas 102 podem ter diferentes configurações aerodinâmicas.

[00085] Para otimizar as asas 102 para velocidades de voo ainda mais lentas, asas mais curtas e mais largas 102 com ripas de asa 104 instaladas na borda dianteira podem ser usadas, como observado nas FIGS. 9B e 11A. As FIGS. 11A e 11B mostram vistas detalhadas da borda dianteira de uma asa curvada alta mais curta 102 com uma ripa de asa instalada 104; a FIG. 11C mostra um perfil de toda a asa 102 com a ripa 104. As FIGS. 11D e 11E mostram a diferença nos padrões de fluxo de ar de superfície em uma asa 102 sem uma ripa de asa 104 (FIG. 11D) contra uma asa 102 com uma ripa de asa 104 (FIG. 11E). A ripa de asa 104 pode ser fixada à asa 102 através do uso de fixadores apropriados.

[00086] Outras configurações de asa também são possíveis. Por exemplo, se for desejado adaptar o UAV 100 para aterrissagem em água, as asas 102 providas podem ter pontões.

[00087] As FIGS. 11F e 11G mostram uma modalidade ilustrativa em que as asas 102 incorporam painéis solares, por exemplo, para fornecer energia para baterias que acionam os rotores de vetorização 110. Na modalidade mostrada nas FIGS. 11F e 11G, a asa 102 compreende uma estrutura interna 140 formada a partir de um material de peso leve tal como alumínio ou outro material adequado que usa uma construção de “caixa” de longarina compreendendo reforços de asa 140A tendo uma célula D dianteira 141, longarinas 140B e redes de longarina 140C. Laminação formada a partir de alumínio ou outro material adequado é realizada pela estrutura interna 140 para formar uma borda dianteira 142 e uma borda traseira 144 da asa 102, com uma lacuna 146 entre a borda dianteira 142 e a borda traseira

144. Material de painel solar 148 é aderido por um adesivo adequado 150 (por exemplo, fita adesiva oferecida sob a marca registrada VHB™ por 3M, tendo um endereço em 3M Center, St. Paul, MN 55144-1000) para a borda dianteira 142 e a borda traseira 144 para ligar a lacuna 146 e completar o perfil aerodinâmico da superfície superior da asa 102. Uma cobertura inferior 152 (FIG. 11G) é aderida de maneira similar para completar o perfil aerodinâmico da superfície inferior da asa 102.

[00088] De maneira similar às asas 102, na modalidade ilustrada os estabilizadores de cauda 112 são modulares e intercambiáveis com estabilizadores de cauda alternativos 112. Os estabilizadores de cauda alternativos 112 são configurados para serem presos à fuselagem 101 na mesma posição que os primeiros estabilizadores de cauda 112, e os primeiros estabilizadores de cauda 112 e os estabilizadores de cauda alternativos 112 podem ter diferentes configurações aerodinâmicas.

[00089] As FIGS. 12A e 12B mostram como os estabilizadores de cauda 112 podem ser presos à traseira da fuselagem 101 usando um sistema de tubo similar e fixadores mecânicos como mostrados anteriormente para as asas 102. Em uma modalidade preferida, os estabilizadores de cauda 112 são anexados de maneira liberável, tal que os estabilizadores de cauda 112 podem ser removidos e substituídos por estabilizadores de cauda alternativos 112 dependendo da natureza das condições de voo. Em uma modalidade, como mostrado, tubos de cauda de suporte 1002 são presos à traseira da fuselagem 101 e se estendem para as mangas de tubo de cauda 1000 que são montadas nas extremidades de raiz 1006 de estabilizadores de cauda da esquerda e da direita 112. Em outra modalidade, a traseira da fuselagem possui um par de mangas de tubo de cauda que são dimensionadas para aceitar tubos de cauda de suporte se estendendo a partir das extremidades de raiz dos estabilizadores de cauda. Os componentes do sistema de tubo de cauda 1000 e 1002 podem ser construídos de fibra de carbono ou material similar com os estabilizadores de cauda 112 adicionalmente presos à fuselagem 101 através da moldagem da forma da extremidade de raiz dos estabilizadores 112 para complementar a fuselagem 101 e usar fixadores mecânicos 504, tais como fixadores de porca em “T”. Em uma modalidade preferida, os estabilizadores de cauda 112 são montados na fuselagem 101 em uma configuração conformada em “V”, mas outras configurações são conhecidas no estado da técnica.

[00090] As FIGS. 13 a 16 mostram várias vistas de uma primeira modalidade ilustrativa de um contêiner de carga 122 para o uso com o UAV 100. O contêiner de carga 122 possui um compartimento de carga 1100, uma abertura 1102, e uma superfície exterior 1104, e em geral é mantido embaixo da fuselagem 101. O contêiner de carga 122 pode ser preso ao lado de baixo da fuselagem 101 através de um sistema de travas mecânicas 1700 (FIG. 16) e pode ser usado adicionalmente com uma tampa travável (não mostrada) que provê para uma vedação à prova de água. Assim, o contêiner de carga 122 pode ser vedado. Alternativamente, para evitar que água entre no compartimento de carga 1100 durante o voo, a abertura 1102 pode ter bordas que se estendem para cima e se encaixam em um molde fundido no lado de baixo do UAV 100. Tal projeto para prender o contêiner de carga 122 ao lado de baixo da fuselagem 101 também pode ter o efeito de diminuir o centro de gravidade do UAV 100 aumentando, desta forma, a sua estabilidade. Em virtude deste projeto, o contêiner de carga 122 também pode servir como uma estrutura para contactar o solo ou a área de aterrissagem com a aterrissagem do UAV 100. Este aspecto é mais bem observado na FIG. 16, onde o contêiner de carga 122 é mostrado anexado à fuselagem 101 a partir de uma vista frontal.

[00091] O contêiner de carga 122 é feito preferivelmente de um material compósito, e também é preferivelmente um projeto moldado em peça única. Em uma modalidade, o contêiner de carga 122 é naviforme, similar a uma forma de canoa, tendo um perfil lateral alongado que é afunilado na frente e atrás. Este projeto simplificado do contêiner de carga 122 permite que seja mais aerodinâmico ajudando, desta forma, a reduzir o consumo de energia do UAV 100.

[00092] Na modalidade representada, o contêiner de carga 122 pode ser separado a partir da fuselagem 101 através do destravamento de travas mecânicas 1700. Uma vez separado, uma grande abertura para o compartimento de carga 1100 é tornada acessível para o carregamento e o descarregamento de cargas. Outras modalidades são possíveis. Por exemplo, o contêiner de carga 122 pode ser equipado com portas laterais. Dependendo da carga sendo transportada, o contêiner de carga 122 pode ser destacado e trocado para um diferente projeto de carga. Por exemplo, um contêiner de carga maior pode ser desejável para um frete leve, mas volumoso, enquanto um menor contêiner de carga pode ser desejável para uma carga densa pequena.

[00093] O contêiner de carga 122 pode ser carregado por pessoal, por exemplo, uma pessoa designada conhecida como um mestre de carga, que é responsável por distribuir a carga igualmente através do contêiner de carga 122 quase da mesma maneira que é feito com aeronaves de transporte maiores. Uma vez que os bens apropriados são carregados, o UAV 100 pode ser distribuído para um destino terminal preparado, então descarregado no destino e enviado de volta, tanto vazio quanto carregado com bens de retorno. Este processo pode ser repetido em uma base regular como uma operação de terminal para terminal.

[00094] Como foi mencionado anteriormente, o contêiner de carga 122 também pode ser equipado com sensores de proximidade 116, similares àqueles instalados na fuselagem 101. Dados a partir dos sensores de proximidade 116 no contêiner de carga 122 também podem ser usados para autenticar a identidade de pessoal que se aproxima ou para detecção de localização, como foi descrito anteriormente. O contêiner de carga 122 também pode ter sensores adicionais, tais como sensores de peso, e podem ser conectados eletricamente com os circuitos do UAV 100, de forma que os dados recebidos a partir de ou em relação ao contêiner de carga 122 podem ser fatorados em instruções enviadas para o UAV 100 através da sua CPU ou a partir de um controlador remoto. Por exemplo, sensores de carga convencionais tais como células de carga podem ser montados no trem de pouso de maneira a determinar o peso da carga. Uma célula de carga é um tipo de medidor de força, compreendendo um transdutor que gera um sinal elétrico, cuja magnitude é diretamente proporcional à força sendo medida. Exemplos de tipos de célula de carga incluem medidor hidráulico, pneumático, e de deformação.

[00095] O primeiro contêiner de carga 122 é modular e intercambiável com um ou mais contêineres de carga alternativos, que é preferivelmente configurado para ser preso à fuselagem 101 na mesma posição que o primeiro contêiner de carga 122. O primeiro contêiner de carga 122 e os contêiner de carga alternativos podem ter diferentes projetos.

[00096] As FIGS. 16A a 16C mostram arranjos alternativos ilustrativos para um contêiner de carga. A FIG. 16A mostra um contêiner de carga 1622A compreendendo um corpo de topo aberto, rígido e oco 1602A definindo um volume interior 1604A e uma cobertura estanque à água 1606A que coopera com o corpo 1602A para vedar o contêiner de carga 1622A. A FIG. 16B mostra um contêiner de carga 1622B compreendendo uma estrutura tubular 1608B e uma cobertura têxtil, de tecido ou plástica 1610B. A FIG. 16C mostra uma modalidade em que um contêiner de carga 1622C toma a forma de uma estrutura para cargas penduradas.

[00097] As FIGS. 17 a 19 representam um sistema de UAV que inclui um UAV 100 e uma estação terminal de base

1401. A estação terminal de base 1401 possui uma área de superfície que serve como um bloco de aterrissagem 1400 for a aeronave. Nesta modalidade, uma série de anéis metálicos de condução 1402 são montados na superfície de topo do bloco de aterrissagem 1400. Os anéis metálicos 1402 proveem o acoplamento elétrico do UAV 100, substancialmente independentemente da sua orientação de aterrissagem final de forma que o UAV 100 vai fazer contato elétrico com os anéis metálicos 1402 desde que ele pouse dentro do bloco de aterrissagem 1400. Um localizador de GPS pode ser disposto no centro dos anéis metálicos 1402 de forma que o UAV 100 sempre vai rastrear a esta localização durante a aterrissagem. Projetos diferentes do que uma série de formações de anel podem ser contemplados tais como uma grade. Com a aterrissagem do UAV 100 no bloco de aterrissagem 1400, os anéis metálicos 1402 podem fazer contato com uma série de condutores metálicos 1702 (FIG. 16) no lado de baixo do contêiner de carga 122 (mostrado na FIG. 16). O peso do UAV 100 e o arranjo dos anéis metálicos 1402 e condutores 1702 garantem que uma conexão de baixa voltagem seja feita entre o UAV 100 e o contêiner de carga anexado 122 e a estação terminal de base 1401. O contato entre os anéis metálicos 1402 e os condutores metálicos 1702 facilita a recarga automática do sistema de bateria do UAV 100, não tendo a necessidade de um técnico e permitindo operações completamente autônomas entre os terminais. Nesta modalidade, a estação terminal de base 1401 pode necessitar adicionalmente de uma fonte de energia suplementar para prover carga para a bateria. Isto pode ser provido através de uma variedade de fontes tais como energia solar, grade elétrica, ou baterias suplementares conectadas à estação terminal de base 1401. Alternativas para direcionar o contato elétrico, por exemplo, carregamento de indução, ou conexão manual por um técnico, também são contemplados.

[00098] A estação terminal de base 1401 também pode servir como um depósito de reabastecimento, em que o UAV 100 é posicionado de forma que uma fonte de combustível líquido para o tanque de combustível líquido 120 da aeronave pode ser provida. Enquanto o reabastecimento automatizado é contemplado, em uma modalidade um técnico estará presente para realizar o reabastecimento junto com outras tarefas tais como a troca de armazenamento físico (por exemplo, um dispositivo de armazenamento de memória de computador tal como um cartão SD) e carregamento e descarregamento de carga. Para destinos particularmente remotos, múltiplas estações terminais podem estar localizadas ao longo da rota de voo determinada de maneira a energizar novamente a aeronave para voos segmentados. A capacidade de recarregar e reabastecer a aeronave ao longo de um caminho de voo de distância longa pode tornar desnecessário que a aeronave possua um sistema de bateria grande ou tanque de combustível. Desta forma, o sistema de bateria da aeronave pode ser reduzido em tamanho e peso, desta forma, permitindo que a aeronave porte uma carga mais pesada. Assim, em uma modalidade, o UAV 100 pode operar apenas de terminal para terminal, de maneira a suportar a segurança da aeronave e qualquer pessoal associado. Avisos e cartazes de segurança, luzes e semelhantes podem ser associados aos terminais.

[00099] A estação terminal de base 1401 pode incluir um ou mais processadores e uma memória, tendo instruções de software nos mesmos incluindo algoritmos de aprendizagem de máquina tais como componentes de inteligência artificial (AI). Uma vez que dados a partir da aeronave são baixados para a estação terminal de base 1401, o software, uma vez executado, pode processar os dados e confirmar que todos os sistemas estão completamente operacionais e que o UAV está seguro para operar. Usando circuitos pré-programados, uma série de verificações de segurança pode ser realizada no UAV 100 tanto sem fios através da estação terminal de base 1401 quanto por conexão por fios. Isto elimina ou reduz a necessidade por técnicos de serviço para inspecionar a aeronave antes de cada voo. Se um sistema operacional falha uma verificação de segurança, a informação pode ser retransmitida para um técnico de serviço e o UAV 100 removido da operação. A capacidade de diagnosticar de maneira autônoma o UAV 100 usando a estação terminal de base 1401 provê segurança adicionada e conveniente para a sua operação. Exemplos de verificações de segurança incluem nível de bateria e combustível, peso de carga, sensores de proximidade (por exemplo, um objeto estranho em contato com ou muito próximo do UAV 100), e verificações de sistema mecânico (por exemplo, verificação do piloto automático). Uma verificação de sistema mecânico verifica que os motores e todas as superfícies de voo móveis estão trabalhando através do uso de, por exemplo, sensores de resposta de força para detectar se os atuadores (por exemplo, servos) estão trabalhando e que as superfícies do voo estão livres e se movem na faixa apropriada sem ligação. O UAV 100 pode ser aterrado se o combustível ou o nível de bateria é insuficiente, se o UAV 100 e a carga estão acima do peso, se um sistema mecânico está funcionando mal, uma pessoa não autorizada está muito próxima, ou um animal ou outra obstrução ou fator de risco está dentro da estação terminal de base 1401.

[000100] Em uma modalidade, dados podem ser transferidos entre o UAV 100 e a estação terminal de base 1401 através de uma série de transmissores de rádio de micro-link e receptores localizados tanto dentro do UAV 100 quanto da estação terminal de base 1401. Alternativamente ou adicionalmente, o UAV 100 pode portar um registrador de dados digitais que registra dados para um meio de armazenamento não volátil (por exemplo, um dispositivo de armazenamento de memória de computador tal como um cartão SD) análogo à “caixa preta” em uma aeronave convencional. Os dados que são gravados e transferidos podem incluir detalhes sobre o último voo tomado pelo UAV 100, o descarregamento ou carregamento de carga, ou as condições ambientais encontradas durante o voo. Os meios de armazenamento podem ser removidos a partir do UAV 100 e baixados por um técnico baseado em terra para a análise. Por exemplo, os meios de armazenamento removidos a partir do UAV 100 podem ser instalados em uma porta adequada em um computador baseado em terra em que os dados podem ser acessados e usados para diagnóstico e informação de voo. Tais dados podem ser usados para manter a gravação geral ou para outros propósitos tais como para otimizar versões futuras ou módulos do software de operação. Também podem ser usados para fazer um registro de voo do UAV 100 que pode ser compartilhado com Autoridades de Aviação Civil para validar o histórico do UAV 100.

[000101] Características adicionais da estação terminal de base 1401 incluem um sistema de comunicação de rádio com antena 1404 para a comunicação com a aeronave, uma série de luzes 1406 montadas ao longo das bordas externas para auxiliar na identificação da estação terminal de base durante o tempo noturno ou condições climáticas ruins, e um dispositivo de reboque (não mostrado) com rodas 1408 para a facilidade de transporte. As luzes 1406 podem ser usadas, por exemplo, em associação com modalidades do UAV 100 que incluem sistemas de câmera e software de reconhecimento de imagem. Características de controle de acesso e segurança também podem ser incorporadas na estação terminal de base 1401, tais como teclados numéricos ou alfanuméricos, escâneres de impressão digital, escâneres de retina, detectores de crachá eletrônico (por exemplo, RFID) ou semelhantes, e a estação terminal de base 1401 pode ser cercada por uma cerca de perímetro. As características de controle de acesso e/ou segurança podem estar localizadas fora da estação terminal de base 1401 e podem usar antenas e transmissores que transmitem a informação para um receptor montado dentro do UAV 100.

[000102] As FIGS. 19A e 19B mostram vistas planas ilustrativas de arranjos de vedação, respectivamente, para uma estação terminal de base móvel 1401 e uma estação terminal de base fixa 1901. Nas modalidades ilustradas, as cercas 1902 possuem 2,1336 metros (sete pés) de altura, cobertas por arame farpado voltado para fora 1904 e forma um formato de octógono regular ou de “placa de pare” tendo um palmo S de 9,7536 metros (trinta e dois pés). A entrada para pessoal autorizado é provida por meio de um portal duplo 1906 controlado por um teclado de segurança 1908. Câmeras 1910 são dispostas em cima de postes nos vértices do hexágono, e cartazes de alerta 1912 são dispostos em intervalos adequados. Os arranjos de vedação mostrados nas FIGS. 19A e 19B são meramente ilustrativos.

[000103] A FIG. 20 é um diagrama de bloco esquemático de um sistema de computador 2000 que reside no UAV 100 da FIG. 1. O sistema de computador 2000 inclui componentes de hardware e software incluindo módulos de dados eletrônicos que podem cooperar no controle, no monitoramento e na operação do UAV 100. O UAV 100 pode incluir memória para armazenar instruções de software e pelo menos um ou mais processadores incluindo uma CPU interna 2002, que podem se comunicar com qualquer um ou com ambos dentre a estação terminal de base 1401 ou um controlador remoto (não mostrado) operado por pessoal treinado. O controlador remoto também compreende pelo menos um processador e uma memória que armazena instruções de software. As instruções, quando executadas por pelo menos um processador, podem ser usadas para direcionar todos os aspectos da operação do UAV

100, incluindo a decolagem, a aterrissagem, o destino alvo, e a velocidade. As instruções de plano de voo podem ser comunicadas a partir do controlador remoto para o UAV 100 tanto sem fios, quanto por transferência física de um dispositivo de armazenamento de memória de computador tal como um cartão SD. As instruções de software executadas pelo processador do controlador remoto também podem avaliar se certos parâmetros, tais como aqueles que indicam condições climáticas altamente desfavoráveis, podem impactar ou sobrepor as instruções para prosseguir com uma dada rota provida por uma pessoa que opera o controlador remoto. De maneira similar, se condições climáticas detectadas por uma CPU 2002 no UAV 100 indicam que condições desfavoráveis serão encontradas ao longo da rota intencionada, a CPU 2002 pode ser configurada para prover uma ordem de sobreposição similar, através das ditas uma ou mais instruções, ou uma rota alternativa pode ser proposta (para a verificação no controlador remoto) ou adotada automaticamente.

[000104] Adicionalmente, dados que se referem às medições do sensor para o contêiner de carga 122, tais como peso de carga, podem ser fatorados para a decisão dinâmica implementada por computador, fazendo com que os elementos identificados sejam incorporados. Por exemplo, em um aspecto, os sensores localizados no UAV 100 comunicam o peso de carga com o controlador remoto, e instruções de software executadas pelo processador do controlador remoto podem ajustar as instruções de operação para o UAV 100 de maneira apropriada, incluindo abortar o voo se a carga estiver mais pesada do que um limite superior pré- programado para o peso. Em outro aspecto, se os sensores localizados no UAV 100 se comunicam com a CPU 2002 do sistema 2000 que a carga é mais pesada do que um limite superior pré-programado para o peso, a CPU 2002 mostrada na FIG. 20 pode sobrepor direções para prosseguir com um voo, ou os parâmetros do voo podem ser ajustados pela CPU 2002 para levar em conta o peso da carga útil. A CPU 2002 pode executar instruções de software para distribuir um paraquedas balístico (sistema de recuperação balística ou BRS) sob um certo conjunto de condições predeterminadas. Se a CPU 2002 determina a partir do sensor ou outra entrada que o UAV 100 sofreu falha catastrófica tal como uma falha mecânica ou elétrica de sistemas cruciais de controle de voo, a CPU 2002 pode prover um sinal para acionar um paraquedas balístico para desacelerar a descida do UAV. O sinal dispara a ignição de um fuso elétrico para distribuir o paraquedas balístico.

[000105] As instruções de software executadas pela CPU 2002 incluem um módulo de piloto automático 2004 e um módulo de comunicações 2006. A CPU 2002 também recebe entrada a partir dos sensores 2008 e escreve para um gravador de dados 2010. A CPU 2002 executa o módulo de piloto automático 2004 e o módulo de comunicações 2006 para gerenciar o voo do UAV 100 a partir da sua origem até o seu destino. O módulo de piloto automático 2004 implementa um submódulo de controle de vetor 2012 para controlar a vetorização dos rotores de vetorização 110 e um submódulo de controle de motor 2014 para controlar a velocidade dos rotores de vetorização 110, bem como a velocidade do propulsor frontal 108 quando presente. O módulo de piloto automático 2004 executado pela CPU 2002 é capaz de individualmente e independentemente controlar os rotores de vetorização 110 portados pela fuselagem 101 em termos de ângulo (vetorização) e velocidade rotativa. O módulo de piloto automático 2004 implementa adicionalmente um submódulo de controle de voo para controlar superfícies de voo tais como as ripas 104, ailerons 106 e elevadores 114. O módulo de comunicações 2006 recebe a entrada a partir de uma unidade de recepção de GPS 2018 e a partir de uma unidade de recepção de Frequência Muito Alta (VHF) de Faixa Omnidirecional (VOR) 2020, e executa um submódulo de navegação 2022. O módulo de comunicações 2006 também recebe entrada a partir de sistemas de AWOS, TCAS e radar. A arquitetura mostrada na FIG. 20 é meramente ilustrativa, e outros arranjos de arquitetura adequados também são visualizados.

[000106] Em algumas modalidades, a CPU 2002 também pode incluir software de reconhecimento de voz para permitir que o UAV 100 reconheça fala humana e converta a fala em comandos apropriados para os vários controles de voo através do módulo de piloto automático 2004. O reconhecimento de voz é preferivelmente adaptado para usar fraseologia de aviação estabelecida a partir de agências tais como NAV Canada e o U.S. Federal Aviation Administration (FAA). Uma maquinaria de reconhecimento de fala executando em um sistema de computador remoto adequado (por exemplo, um controlador remoto) recebe entrada de fala através de um microfone e então executa conversão de texto para fala. O texto resultante então é analisado contra um conjunto de instruções conhecidas para identificar as instruções significadas pelo discurso, e as instruções resultantes são transmitidas através de uplink de rádio para a CPU 2002 no UAV 100. A CPU 2002 executa uma verificação “vai/não vai” (por exemplo, confirmando que as instruções não vão prejudicar a segurança do UAV 100) e, se a verificação “vai/não vai” é passada, as instruções são providas ao módulo de piloto automático 2004 para a implementação, e uma confirmação é transmitida de volta para o sistema de computador remoto. A confirmação pode tomar a forma de um sinal de texto que pode ser convertido em áudio por conversão de teste para fala, ou um sinal que corresponde a um sinal de fala pré-programado. A descrição anterior é meramente ilustrativa e não limitante, e visualiza um arranjo em que o processamento é preferencialmente realizado de maneira remota do UAV 100 para demandas de processamento minimizadas na CPU 2002 de maneira a limitar os requisitos de hardware no UAV 100 e, desta forma, limitar o peso. Em outras modalidades, aspectos adicionais do processamento podem ser delegados para a CPU 2002 no UAV 100.

[000107] Referência é feita agora à FIG. 21, que é uma vista parcialmente expandida de uma fuselagem ilustrativa 101 para um UAV 100 de acordo com a presente descrição, mostrando vários painéis de acesso 2102 removidos para expor certos compartimentos. Na modalidade ilustrada, um compartimento dianteiro 2104 contém hardware de navegação 2106. O hardware de navegação 2106 pode incluir, por exemplo, um receptor de Sistema de Satélite de Navegação Global (GNSS), tal como aqueles oferecidos por NavCom Technology, Inc., tendo um endereço em 20780 Madrona Avenue, Torrance, CA 90503 e uma unidade de vigilância dependente automática (ADS). Um compartimento central 2108 contém hardware de conscientização ambiental 2110, que pode incluir hardware de Sistema de Observação Climática Automatizado (AWOS), hardware de Sistema de Prevenção de Colisão de Tráfego (TCAS), hardware de Transmissão de Vigilância Dependente Automatizada (ADS-B) e hardware de radar. Um compartimento traseiro 2112 contém hardware de controle de voo 2114, incluindo a CPU 2002. Um ou mais dos compartimentos 2104, 2108 e 2112 podem ser blindados contra interferência de rádio. A FIG. 21 também mostra outra modalidade alternativa de um contêiner de carga 122 em que o acesso para o interior 2018 é provido por uma porta lateral articulada 2020.

[000108] A tabela abaixo define certas especificações ilustrativas não limitantes para uma modalidade ilustrativa de um UAV 100 incluindo um propulsor frontal 108 de acordo com a presente descrição: Envergadura da 5,4 m (asas podem ser trocadas por asa missão pendente) Comprimento 2,6 m Altura 1,2 m Carga de 100 kg (limpar asa de elevação pesada) transporte máxima Peso de rampa 220 kg máximo Peso de decolagem 200 kg máximo Sistema de Cilindro duplo de dois tempos a gás potência 300cc dianteiro Capacidade de 40 litros combustível Sistema de 4 X motores do tipo outrunner, elétricos potência de VTOL AC, 1.000 watt Energia de 4 X 4.000 amp hora (total de 16.000 amp bateria hora), aproximadamente 25.000 watts Faixa máxima 500 km Resistência 5,2 horas máxima Faixa de -20°C / +50°C Temperatura Limites de 25 km de vento cruzado durante VTOL rajadas de vento Limites 60 km de vento sustentado (sem climáticos precipitação) Raio operacional 400 km Velocidade de 100 km/h cruzeiro Velocidade 140 km/h máxima, Vno Nunca exceder, Vne 185 km/h Comprimento de 2 m decolagem máximo

Teto máximo 500 m Tempo antes de uma grande 2000 horas revisão Combinação de materiais de fibra de vidro e fibra de carbono.

Algumas seções usam placa de formato Materiais da favo de mel (por exemplo, reforçando Fuselagem anteparos e áreas de alta tensão). Fuselagem é predominantemente uma estrutura oca onde uma estrutura de alumínio de aeronave é alojada.

Laminação de alumínio e tubulação ao longo de alguns formatos de estoque de barra.

Materiais da asa Reforços de asa são espuma de alta densidade.

Cobertura (além da solar) é filme plástico.

Laminação de alumínio e reforços de Materiais do espuma de alta densidade com tubulação grupo da cauda de alumínio Materiais de Similar à fuselagem cápsula de carga Frequência da Licenciada 900 MHz estação de terra Piloto automático baseado em terra por Controle de terra GPS Garmin® G1000® (pode prover sistema a prova de falhas a partir do sistema de bordo) Downlink de vídeo 5,8 GHz Modelo de navegação de UAV AP04 com um Piloto automático datalink de 900 MHz embutido Controlador de CPU de 64 bit com 256 MB RAM (mínimo) voo (CPU) Adacel Systems Inc. VAC usando Serviço Voz da cabine do de Reconhecimento de Fala incorporado piloto (eSRS) Gravador de dados Honeywell Connected Recorder (HCR) de voo modelo HFR5-D Reconhecimento de Microsoft 360 modelo YI / Nokia 360 voo

[000109] Exemplos de carga incluem, mas não estão limitados a partes automotivas, documentos especiais, suprimentos de emergência, suprimentos médicos, partes de UAV ou partes de aeronave, alimentos, itens de mala direta (incluindo pedidos por telefone ou online), ou qualquer coisa que caiba no contêiner e esteja dentro dos parâmetros de peso.

[000110] A descrição, portanto, provê uma nova configuração e funcionalidades para aeronave de carga não tripulada com funcionalidades de segurança aprimoradas junto com controle de arfagem aumentado, versatilidade nas fontes de energia, e eficiência e adaptabilidade aumentadas para várias condições de voo devido à sua natureza modular. Como uma estrutura de asa equipada com propulsores orientáveis, ela desfruta dos benefícios de maior capacidade de carga combinada com capacidades de VTOL. Com os seus sensores integrados adicionais e funcionalidades computadorizadas, o VTOL oferece benefícios significativos sobre aeronave não tripulada existente. Enquanto a presente descrição possui particulares vantagens na aplicação para aeronave não tripulada, um técnico no assunto, agora informado pela presente descrição, vai perceber que os aspectos da descrição também são aplicáveis para aeronave tripulada operada por um piloto humano fisicamente localizado dentro da aeronave.

[000111] Certas modalidades ilustrativas foram descritas por meio de exemplo não limitante. Será aparente para os técnicos no assunto que um número de variações e de modificações pode ser feito sem fugir do escopo das reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aeronave capaz de decolagem e aterrissagem vertical caracterizada pelo fato de que compreende: uma fuselagem; uma unidade de processamento central portada pela fuselagem; um primeiro par de asas aerodinâmicas geradoras de sustentação se estendendo a partir da fuselagem; uma pluralidade de rotores de vetorização portada pela fuselagem, independentemente das asas, e configurada para ser controlada pela unidade de processamento central; em que o primeiro par de asas é modular e conectado de maneira removível à fuselagem e configurado para ser intercambiável com um par alternativo de asas; e a remoção das asas a partir da fuselagem deixa os rotores de vetorização rotativamente portados pela fuselagem; em que cada um dos rotores de vetorização é controlável independentemente um do outro para prover estabilidade lateral e de guinada durante manobras de baixa velocidade; em que a transição do voo vertical para o voo horizontal é aprimorada usando impulso de vetorização sequencial, em que aqueles dianteiros em relação aos rotores de vetorização são vetorizados em uma velocidade e ângulo diferente daqueles traseiros em relação aos rotores de vetorização; por meio do qual um dos dianteiros em relação aos rotores de vetorização e os traseiros em relação aos rotores de vetorização fornecem mais impulso horizontal do que o outro dentre os dianteiros em relação aos rotores de vetorização e os traseiros em relação aos rotores de vetorização até que a aeronave atinja uma velocidade acima de uma velocidade de estol do primeiro par de asas.

2. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: os rotores de vetorização são portados pelos eixos de rotor portados pela fuselagem de maneira a serem rotativos com relação à fuselagem; os rotores de vetorização estão em uma primeira posição durante o voo vertical e em uma segunda posição durante o voo horizontal; e em que a transição dos rotores de vetorização a partir da primeira posição para a segunda posição ocorre através da rotação dos eixos de rotor ao longo de um eixo rotativo com o recebimento de um sinal de controle de voo a partir da unidade de processamento central.

3. Aeronave, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a rotação dos eixos de rotor é acionada por um mecanismo de acionamento da torre.

4. Aeronave, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a rotação dos eixos de rotor por 90 graus transiciona os rotores de vetorização entre a primeira posição e a segunda posição.

5. Aeronave, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a rotação dos eixos de rotor por menos do que 90 graus faz com que os rotores de vetorização tomem uma posição intermediária entre a primeira posição e a segunda posição.

6. Aeronave, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que os eixos de rotor são dispostos em pares.

7. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a aeronave é uma aeronave não tripulada.

8. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de rotores de vetorização é configurada em torno do centro de gravidade da aeronave.

9. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro par de asas é preso à fuselagem através da inserção de tubos de suporte de asa se estendendo a partir das extremidades de raiz do primeiro par de asas para mangas de tubo de asa montadas na fuselagem.

10. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro par de asas é preso à fuselagem através da inserção de tubos de suporte de asa se estendendo a partir da fuselagem para mangas de tubo de asa montadas nas extremidades de raiz do primeiro par de asas.

11. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o par alternativo de asas está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o primeiro par de asas.

12. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro par de asas e o par alternativo de asas possuem diferentes configurações aerodinâmicas.

13. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um primeiro estabilizador de cauda preso à traseira da fuselagem.

14. Aeronave, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda é modular e intercambiável com pelo menos um estabilizador de cauda alternativo.

15. Aeronave, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um estabilizador de cauda alternativo está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda.

16. Aeronave, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda e o pelo menos um estabilizador de cauda alternativo possuem diferentes configurações aerodinâmicas.

17. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um primeiro contêiner de carga preso a um lado de baixo da fuselagem.

18. Aeronave, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o primeiro contêiner de carga é modular e intercambiável com um contêiner de carga alternativo.

19. Aeronave, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que o contêiner de carga alternativo está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o primeiro contêiner de carga.

20. Aeronave, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que o primeiro contêiner de carga e o contêiner de carga alternativo possuem diferentes projetos.

21. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um propulsor frontal.

22. Aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a aeronave é energizada de maneira híbrida usando combustível líquido e eletricidade.

23. Aeronave capaz de decolagem e aterrissagem vertical caracterizada pelo fato de que compreende: uma fuselagem; pelo menos um processador portado pela fuselagem; um primeiro par de asas aerodinâmicas que geram sustentação se estendendo a partir da fuselagem; uma pluralidade de rotores de vetorização rotativamente portados pela fuselagem de maneira a serem rotativos entre uma configuração substancialmente vertical com relação à fuselagem e uma configuração substancialmente horizontal com relação à fuselagem e configurada para ser controlada por pelo menos um processador;

em que os rotores de vetorização não são suportados pelo par de asas; em que cada um dos rotores de vetorização é controlável independentemente um do outro para prover estabilidade lateral e de guinada durante manobras de baixa velocidade; em que a transição do voo vertical para o voo horizontal é aprimorada usando impulso de vetorização sequencial, em que aqueles dianteiros em relação aos rotores de vetorização são vetorizados em uma velocidade e ângulo diferente daqueles traseiros em relação aos rotores de vetorização; por meio do qual um dos dianteiros em relação aos rotores de vetorização e dos traseiros em relação aos rotores de vetorização fornecem mais impulso horizontal do que o outro dentre os dianteiros em relação aos rotores de vetorização e os traseiros em relação aos rotores de vetorização até que a aeronave atinja uma velocidade acima de uma velocidade de estol do primeiro par de asas.

24. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que: os rotores de vetorização são portados pelos eixos de rotor portados pela fuselagem; os rotores de vetorização estão em uma primeira posição durante o voo vertical e em uma segunda posição durante o voo horizontal; e em que a transição dos rotores de vetorização a partir da primeira posição para a segunda posição ocorre através da rotação dos eixos de rotor ao longo de um eixo rotativo com o recebimento de um sinal de controle de voo a partir da unidade de processamento central.

25. Aeronave, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada pelo fato de que a rotação dos eixos de rotor por 90 graus transiciona os rotores de vetorização entre a primeira posição e a segunda posição.

26. Aeronave, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada pelo fato de que a rotação dos eixos de rotor por menos do que 90 graus faz com que os rotores de vetorização tomem uma posição intermediária entre a primeira posição e a segunda posição.

27. Aeronave, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada pelo fato de que os eixos de rotor são dispostos em pares.

28. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de rotores de vetorização é configurada em torno do centro de gravidade da aeronave.

29. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que a aeronave é uma aeronave não tripulada.

30. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um propulsor frontal.

31. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que o primeiro par de asas é modular e conectado de maneira removível à fuselagem e configurado para ser intercambiável com um par alternativo de asas.

32. Aeronave, de acordo com a reivindicação 31, caracterizada pelo fato de que o primeiro par de asas e o par alternativo de asas possuem diferentes configurações aerodinâmicas.

33. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um primeiro estabilizador de cauda preso à traseira da fuselagem.

34. Aeronave, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda é modular e intercambiável com pelo menos um estabilizador de cauda alternativo.

35. Aeronave, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um estabilizador de cauda alternativo está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda.

36. Aeronave, de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um primeiro estabilizador de cauda e o pelo menos um estabilizador de cauda alternativo possuem diferentes configurações aerodinâmicas.

37. Aeronave, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um primeiro contêiner de carga preso a um lado de baixo da fuselagem.

38. Aeronave, de acordo com a reivindicação 37, caracterizada pelo fato de que o primeiro contêiner de carga é modular e intercambiável com um contêiner de carga alternativo.

39. Aeronave, de acordo com a reivindicação 38, caracterizada pelo fato de que o contêiner de carga alternativo está configurado para ser preso à fuselagem na mesma posição que o primeiro contêiner de carga.

40. Aeronave, de acordo com a reivindicação 38, caracterizada pelo fato de que o primeiro contêiner de carga e o contêiner de carga alternativo possuem diferentes projetos.