CH708275A2

CH708275A2 - Struttura di supporto gonfiabile ermetica per veicoli aerei senza pilota.

Info

Publication number: CH708275A2
Application number: CH01213/13A
Authority: CH
Inventors: Marco Tausel
Original assignee: Marco Tausel
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-15
Also published as: WO2015000088A1

Abstract

L’invenzione concerne una struttura di supporto gonfiabile ermetica per veicoli aerei senza pilota, che viene utilizzata come supporto strutturale per i sistemi di propulsione e il sistema di controllo del veicolo volante stesso, in particolare nel campo dei veicoli ad ala rotante quali multicotteri, o simili. L’invenzione consente di minimizzare la firma radar e permette di realizzare un veicolo volante quasi invisibile. L’invenzione concerne anche un alimentatore ibrido per tali veicoli aerei comprendente batterie, supercondensatori e/o celle a combustibile.

Description

[0001] L’invenzione consiste in un supporto strutturale gonfiabile per sistemi di propulsione, sistema di controllo e alimentazione di un UAV, in particolare per droni ad ala rotante quali multicotteri o simili.

Contesto tecnologico

[0002] Droni o UAV presenti sul mercato oggi sono basati tipicamente su una struttura metallica, di fibra di carbonio o di plastica rigida. Su questa struttura sono installati i sistemi di propulsione, il cablaggio e il sistema di alimentazione. L’oggetto volante risultante è piuttosto pesante e può essere molto pericoloso in caso di caduta su persone da una certa altezza. La tecnologia usata per realizzare manufatti gonfiabili a tenuta d’aria permette, dopo il gonfiaggio, di tenere una forma stabile per un certo periodo. La tecnologia più utilizzata per unire a tenuta d’aria le parti del manufatto è quella a saldatura ad alta frequenza, oppure l’incollaggio con colle specifiche che forniscono una connessione sicura e duratura tra le parti.

[0003] I manufatti gonfiabili a tenuta d’aria utilizzano diversi tipi di materiale, che devono comunque avere le seguenti caratteristiche: resistenza sufficiente per il gonfiaggio e per l’uso generale o specifico, punto di fusione appropriato per manufatti a tenuta d’aria, buone caratteristiche di tenuta dell’aria o del gas utilizzato. Genericamente, I materiali usati sono in PVC o PVC/PU rivestito di nylon. Lo spessore parte da 0,18 mm sino a 1,00 mm o più. Gran parte dei prodotti usati ricade in questo intervallo. Per esempio il materiale usato per la maggior parte dei giochi gonfiabili ha spessori compresi tra 0,18 mm e 0,24 mm di PVC, mentre i materassini gonfiabili usano almeno 0,50 mm di PVC/PU.

[0004] I prodotti gonfiabili hanno diversi vantaggi quali la facilità di preparazione, la ridotta manutenzione, la facilità dì stoccaggio. Le limitazioni sono sulla forma che possono assumere, in quanto manufatti gonfiabili non possono avere spigoli pronunciati come i materiali rigidi e difficilmente permettono di realizzare superfici piane.

[0005] II materiale più economico con cui realizzate manufatti gonfiabili a tenuta d’aria è il PVC, o polyvinyl chloride. Questa è una forma di gomma flessibile senza alcun supporto di tessuto che è solitamente usata per realizzare barche di diverse dimensioni. La qualità del PVC senza supporto tessile varia grandemente in funzione della formulazione e dello spessore.

[0006] Le tecnologie concernenti oggetti gonfiabili, più leggeri dell’aria, sono state proposte in diversi brevetti, come ad esempio nel US 6 527 223 relativo a un velivolo a piattaforma o nel US 6 837 458 B2 relativo ad un velivolo. Brevetti relativi a piattaforme volanti o sistemi robotici volanti basati su struttura rigida sono ad esempio: EP 2 599 718 (A1), WO 2 010 128 489 (A2), WO 2 007 141 795 A1, DE 20 051 014 949 e US 5 419 514 A. Un brevetto recente che descrive l’uso di tecnologie LTE (lighter than air) per acquisire immagini aeree é US 2 013 119 188. Sistemi per il controllo attivo di piattaforme aerostatiche o dirigibili sono descritti in diversi brevetti quale ad esempio US7156342 B2. Il Laboratorio di Ricerca della US Army di Aberdeen (USA) ha pubblicato nel gennaio 2012 un documento dal titolo «Lighter-Than-Air and Pressurized Structures Technology for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)» che descrive approfonditamente le diverse tecnologie esistenti per sviluppare strutture gonfiabili volanti. Metodi per ridurre l’impronta radar di un UAV sono descritti in EP 2 532 588 (A1).

Oggetto e sommario dell’invenzione

[0007] Una struttura gonfiabile a tenuta d’aria per UAV rappresenta un’innovazione della tecnica, costituita in una configurazione tipica da un opportuno strato di materiale elastico di ridotto spessore quale ad esempio PVC (cloruro di polivinile), EVA (etilene vinilacetato), TPE (elastomeri termoplastici), copolimeri, eventualmente con inserite fibre di rinforzo quali LCP (polimero a cristalli liquidi) ed altri materiali adatti allo scopo. I fogli di materiale elastico adatti ad essere gonfiati sono realizzati con sottili strati di materiale sovrapposti in modo da evitare perdite di gas attraverso i micropori del materiale. Un singolo strato è composto da due fogli sovrapposti di materiale elastico che sono saldati insieme lungo linee appropriate, che creano volumi chiusi, con valvole appropriate posizionate in ciascuno di essi al fine di permetterne il riempimento con aria, elio o altri gas più leggeri dell’aria. La struttura in una diversa forma di attuazione è costituita da un doppio strato in cui quello esterno è costituito da un rivestimento flessibile e leggero come tessuto da spinnaker e uno strato interno costituito da uno o più sacchi leggeri in materiale gonfiabile. Lo strato interno ed esterno sono saldati lungo linee appropriate, creando alcuni volumi chiusi o sacchi, con opportune valvole poste in ciascuno degli strati interni per consentire il riempimento con aria o elio o altri gas più leggeri dell’aria. Le linee di saldatura o incollaggio definiscono anche le aree in cui vengono inseriti i sistemi di propulsione e il sistema di controllo. In una tipica realizzazione monostrato il peso per 1 m<2>di un foglio di spessore di 0.2 mm di PVC è circa 280gr a un costo generalmente inferiore ad 1 euro/kg, con materiali compositi avanzati il peso per 1 m<2>può essere significativamente inferiore rendendo l’invenzione una struttura di supporto molto leggera e poco costosa. In una tipica realizzazione la forma esterna della struttura di supporto gonfiabile è circolare o poligonale con spigoli arrotondati, con opportune cavità all’interno di questa forma al fine di accogliere i sistemi di propulsione e il sistema di controllo.

[0008] Nella parte superiore della struttura di supporto gonfiabile sono presenti collegamenti specifici per dispositivi aggiuntivi, quali ali verticali gonfiabili di forma appropriata, o palloncini gonfiabili LTA (Lighter Than Air) che permettono un’ulteriore riduzione del peso totale del UAV, rendendolo una struttura NLTA (Near Lighter Than Air) o LTA. Il sistema di alimentazione è costituito da una o più sorgenti di energia elettrica, in una tipica realizzazione batterie o un sistema di alimentazione ibrido comprendente batterie, super condensatori e/o celle a combustibile. Il sistema ibrido di alimentazione è particolarmente utile quando il veicolo volante ha caratteristiche NLTA, perché permette voli di lunga data ed è un metodo per ottimizzare il funzionamento della stazione per missioni di lunga durata. Il sistema di propulsione in caso di multicottero è tipicamente fatto di eliche intubate o in generale eliche protette con strutture adeguate. In una tipica realizzazione ciascuna elica intubata può avere la propria elettronica di potenza, con un cablaggio appropriato per l’elettronica di controllo. Ogni elica intubata è inserita in una apposita cavità posizionata all’interno del cerchio interno gonfiabile. Nel centro della struttura di supporto gonfiabile ci sono una o più appropriate cavità ove inserire l’elettronica di controllo ed il sistema di alimentazione, tutti contenuti in scatole adatte connesse meccanismo appropriato per la struttura gonfiabile, e un payload opzionale come una fotocamera con o senza supporto basculante (gimbal) e/o sistemi di acquisizione. Un ulteriore vantaggio del trovato è quello di minimizzare la trasmissione delle vibrazioni dal sistema di propulsione all’elettronica e al carico utile grazie alle proprietà meccaniche della struttura di supporto gonfiabile. Per il trasporto la struttura di supporto gonfiabile può essere sgonfiata e le eliche intubate possono essere impilate insieme all’elettronica e batterie creando un cilindro compatto per uno stoccaggio efficiente. L’invenzione consente di minimizzare la firma radar del UAV per i seguenti motivi: il materiale della struttura gonfiabile può essere a bassa riflessione, le parti metalliche sono molto poche e la forma del pneumatico minimizza le riflessioni.

[0009] Il trovato permette di realizzare un veicolo volante quasi invisibile, grazie alla possibilità di utilizzare materiale trasparente opaco per la struttura di supporto gonfiabile, eliche trasparenti o rotori e casi per l’elettronica.

Descrizione dei disegni

[0010] Segue una descrizione di una realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati. <tb>Fig. 1<SEP>è una vista generale della invenzione dal basso. <tb>Fig. 2<SEP>è una vista dall’alto e la sezione AA di questa vista. <tb>Fig. 3<SEP>è una vista in sezione BB con sistema di propulsione e dell’elettronica installata. <tb>Fig. 4<SEP>è una vista del trovato smontato per il trasporto. <tb>Fig. 5<SEP>è una visione d’insieme della invenzione con le ali gonfiabili opzionali.

[0011] Segue la descrizione di una realizzazione dell’invenzione. Fig. 1 rappresenta una forma tipica con quattro cavità per i sistemi di eliche, e una cavità centrale per l’elettronica di controllo, sistema di alimentazione e di carico utile. Altre rappresentazioni possono avere 3,6, 8 o più sistemi di eliche. Nella fig. 1 , il riferimento 10 indica l’anello gonfiabile esterno, che può essere fatto di più di uno circolare o sezione poligonale per aumentare la resilienza a danni a una sezione gonfiabile. Nella fig. 1 , il riferimento 11 indica il cerchio interno gonfiabile, che può essere fatto di più di una sezione circolare, al fine di aumentare la resistenza al danno ad una sezione gonfiabile. In questa realizzazione il sistema di propulsione è costituito da quattro eliche. Nella fig. 1 , i riferimenti 12,13,14,15 indicano le cavità in cui devono essere inseriti i sistemi di eliche, che in questa forma di realizzazione del sistema di propulsione è sempre costituito da quattro eliche. Nella fig. 1 , il riferimento 16 indica la cavità in cui deve essere inserito l’elettronica di controllo, e 17 indica la cavità in cui deve essere inserito il sistema di potenza contenuta in una scatola adatta e riferimento 20 un payload opzionale come una fotocamera con o senza giunti cardanici e/o sistemi di acquisizione. Nella fig. 1 , i riferimenti 18 e 19 indicano le valvole utilizzate per gonfiare i volumi chiusi. In questa forma di realizzazione ci sono due volumi chiusi, uno per l’anello esterno e uno per il cerchio interno. Nella fig. 2 è rappresentata una vista dall’alto di una forma tipica dell’invenzione con quattro cavità in cui devono essere inseriti i sistemi di eliche, e una cavità centrale in cui devono essere inseriti l’elettronica di controllo e il sistema di alimentazione. Nella fig. 2 è rappresentata anche la Sezione A–A di questa visione, in cui si vede una figura tipica della struttura di supporto gonfiato. L’anello esterno è tipicamente di un diametro maggiore dell’altezza delle eliche o dell’elettronica + sistema di alimentazione, il cerchio interno ha un’altezza sufficiente per mantenere saldamente in posizione i sistemi di eliche, l’elettronica di controllo, e il sistema di alimentazione. All’interno delle cavità possono essere incollati o saldati inserti plastici utilizzati per mantenere in posizione queste parti. Nella fig. 3 è rappresentata Sezione B–B di fig. 2 , dove con 10 è indicato l’anello gonfiabile esterno, che può essere fatto di più di uno circolare o sezione poligonale per aumentare la resilienza a danni a una sezione gonfiabile. Nella fig. 3 con il riferimento 11 si indica il cerchio interno gonfiabile, che può essere fatto di più di una sezione circolare, al fine di aumentare la resistenza al danno ad una sezione gonfiabile. In questa realizzazione il sistema di propulsione è costituito da quattro gruppi elica più motore, riferimenti 12,13, 14,15, connessi elettricamente con il riferimento 17. Nella fig. 3 il riferimento 16 indica il volume in cui sono posizionati uno o più sorgenti di energia elettrica, dove il sistema di alimentazione è compreso in una tipica realizzazione di batterie o di un sistema di alimentazione ibrido comprendente batterie, supercondensatori e/o celle a combustibile. Il sistema ibrido di alimentazione permette di gestire picchi di corrente elevata con i supercapacitori, avendo le batterie per uno stoccaggio efficiente dell’energia e celle a combustibile per la ricarica della batteria, ed è particolarmente utile quando il veicolo volante ha caratteristiche NLTA, perché permette voli di lunga data ed è un metodo per ottimizzare il funzionamento della stazione per missioni di lunga durata.

[0012] Nella fig. 3 il riferimento 17 indica il volume in cui sono posizionati uno o più sottosistemi elettronici per il controllo del volo e l’elaborazione di immagini, un sensore GPS, un sensore di altitudine, accelerometri, giroscopi e bussola, e un sistema di comunicazioni radio, altri sensori per misurare la direzione del vento e velocità e altri sensori specifici. Nella fig. 3 di riferimento 20 indica il volume in cui è posizionato opzionalmente un payload opzionale come ad esempio una o più telecamere nello spettro visibile o all’infrarosso, con o senza supporto basculante (gimbal) e/o sistemi di acquisizione diversi. I riferimenti 16 e 17 sono collegati insieme con un meccanismo di ritegno ed un collegamento elettrico. I riferimenti 20 e 17 sono collegati insieme con un meccanismo di tenuta ed un collegamento elettrico. Nella fig. 4 è mostrato un metodo preferito di stoccaggio e trasporto dei riferimenti numerati 12,13,14,15,16,17,20 impilati e collegati tra loro con opportuni meccanismi di tenuta, con la struttura sgonfia, riferimento 10 e 11, avvolta intorno a loro, creando un cilindro compatto. La fig. 5 rappresenta una forma tipica dell’invenzione con due dispositivi aggiuntivi, di riferimento 21 e 22, ali verticali gonfiabili più leggere dell’aria di forma appropriata, o in diversa rappresentazione palloncini gonfiabili più leggeri dell’aria, che permettono un’ulteriore riduzione del peso totale del UAV, rendendolo una struttura NLTA. Le ali o palloncini sono collegati al UAV gonfiabile sotto di loro con collegamenti specifici. I collegamenti consentono movimenti di pitch and roll del drone gonfiabile. I dispositivi gonfiabili più leggeri dell’aria possono essere solo uno o più di due, a seconda delle caratteristiche delle operazioni ed i materiali disponibili. II peso sollevato dai dispositivi più leggeri dell’aria gonfiabili, in una tipica realizzazione è inferiore al peso del UAV gonfiabile, quando anch’esso é gonfiato con elio o altro mezzo di sollevamento. Un ulteriore vantaggio del trovato è quello di minimizzare la trasmissione di vibrazioni, di solito nella gamma 50... 400Hz, dal sistema di propulsione all’elettronica e al carico utile grazie alle proprietà meccaniche della struttura di supporto gonfiabile. L’invenzione consente di minimizzare la firma radar del veicolo volante senza pilota per i seguenti motivi: il materiale della struttura gonfiabile può essere a bassa riflessione, le parti metalliche sono molto poche, e la forma del pneumatico minimizza le riflessioni. Il trovato permette di realizzare un veicolo volante quasi invisibile, grazie alla possibilità di utilizzare materiale trasparente opaco per la struttura di supporto gonfiabile, eliche trasparenti o rotori e contenitori per l’elettronica.

Claims

1. Una struttura di supporto gonfiabile ermetica per veicoli aerei senza pilota (UAV), che viene utilizzata come supporto strutturale per i sistemi di propulsione e il sistema di controllo dell’UAV, in particolare per UAV ad ala rotante quali multicotteri, o simili.

2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la struttura gonfiabile è fatto di un opportuno strato di materiale elastico di ridotto spessore quale ad esempio PVC (cloruro di polivinile), EVA (etilene vinilacetato), TPE (elastomeri termoplastici), copolimeri, eventualmente con fibre di rinforzo come LCP (polimero a cristalli liquidi), ed altri materiali adatti allo scopo. Un singolo strato è formato da due fogli sovrapposti di materiale elastico che vengono saldati tra loro lungo linee appropriate, creando alcuni volumi chiusi, con opportune valvole posizionate in ciascuno di essi per consentire il riempimento con aria o elio o altri gas più leggeri dell’aria.

3. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la struttura gonfiabile è costituita da un doppio strato in cui quello esterno è costituito da un rivestimento flessìbile e leggero come tessuto da spinnaker o altri materiali idonei e uno strato interno costituito da uno o più sacchi leggeri in materiale gonfiabile idoneo. Lo strato interno ed esterno sono saldati lungo linee appropriate, creando alcuni volumi chiusi o sacchi, con opportune valvole posizionate in ciascuno degli strati interni per consentire il riempimento con aria o elio o altri gas più leggeri dell’aria. Le linee di saldatura o incollaggio definiscono anche le aree in cui vengono inseriti i sistemi di propulsione e il sistema di controllo.

4. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la struttura gonfiabile riduce le vibrazioni all’elettronica del sistema di controllo e al carico utile

5. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la struttura gonfiabile è riempita di elio altri gas più leggeri dell’aria per ridurre il peso totale del UAV.

6. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la struttura di supporto gonfiabile ha collegamenti specifici per dispositivi aggiuntivi, come ali verticali gonfiabili più leggere dell’aria di forma appropriata, o in diversa rappresentazione palloncini gonfiabili più leggeri dell’aria, che permettono un’ulteriore riduzione del peso totale del UAV, rendendolo una struttura NLTA. I collegamenti consentono movimenti di pitch and roll del UAV gonfiabile.

7. Il metodo di connessione delle diverse componenti del UAV gonfiabile per il trasporto, ossia come la struttura di supporto può essere sgonfiata e le eliche intubate possono essere impilate insieme ad elettronica e batterie creando un cilindro compatto, attorno al quale la struttura di supporto sgonfio può essere avvolta.

8. I metodi per minimizzare la firma radar del UAV grazie alla bassa riflessione del materiale della struttura gonfiabile, la minimizzazione della presenza di parti metalliche, e la forma della struttura di supporto gonfiabile.

9. I metodi per ottenere un UAV quasi invisibile, grazie alla possibilità di utilizzare materiale trasparente opaco per la struttura di supporto gonfiabile, eliche, rotori e contenitori per l’elettronica trasparenti.

10. I metodi per realizzare un alimentatore ibrido per UAV comprendente due o più delle seguenti componenti: batterie, supercondensatori e/o celle a combustibile. Il sistema ibrido di alimentazione permette di gestire picchi di corrente elevata con supercondensatori, avendo batterie efficienti per la conservazione dell’energia e celle a combustibile per la ricarica della batteria, i suesposti metodi sono particolarmente utili quando l’UAV ha caratteristiche NLTA, perché permette voli di lunga data e sono quindi metodi per ottimizzare il funzionamento della stazione per missioni di lunga durata.