CZ202589A3 - Bezpilotní letoun s vektorováním pohonu pomocí měkkého ramene - Google Patents

Abstract

Bezpilotní letoun s vektorováním pohonu pomocí měkkého ramene obsahuje nejméně dva souosé protiběžné motory (12) a nejméně dvojici vrtulí (11) umístěných nad sebou, které jsou uzpůsobeny k individuálnímu ovládání. Vrtule (11) jsou umístěny v hlavním tělese tvořeném pláštěm (1), který má v zásadě válcový vnitřní otvor (13). Pod pláštěm (1) jsou symetricky vůči sobě upevněna nejméně tři ramena (2) a ramena (2) jsou uzpůsobena k přijímání vzduchu, který je hnán vrtulemi a který vychází otvorem ve spodní části ramene (2). Otvor ramene (2) je uzpůsoben k otáčení ve směru hlavní osy ohybu. Plášť (1) v kombinaci s vrtulemi (11) funguje jako kanálový ventilátor a zvyšuje účinnost tahu a působí také jako bezpečnostní ochrana proti srážkám s okolím. Pro stabilizaci je nezbytná inerciální měřicí jednotka, která nepřetržitě snímá lineární zrychlení a úhlové rychlosti používané pro výpočet potřebných momentů a sil nezbytných pro stabilizaci.

Description

Bezpilotní letoun s vektorováním pohonu pomocí měkkého ramene

Oblast techniky

Vynález se týká bezpilotního letounu (UAV) s vektorováním pohonu pomocí měkkého ramene, který je vhodný zejména pro bezpečnou navigaci kolem překážek a předcházení vzniku škod. Toho je dosaženo pružnými rameny tohoto UAV, která jsou navržena tak, aby se při kolizi s překážkou ohnula. Ohnutí ramen tlumí náraz, čímž se snižuje pravděpodobnost poškození UAV a jeho okolí. Poddajnost ramen aktivně zpomaluje rychlost při kontaktu, čímž se snižuje síla nárazu. Jelikož je vrtule navíc umístěna ve válcovém plášti nad rameny, kde plášť funguje jako kanálový ventilátor a zvyšuje účinnost tahu a také působí jako bezpečnostní ochrana proti srážce s vnějšími objekty, je tím zabráněno kontaktu vrtule s malými dráty, větvemi, trávou nebo jinými předměty.

Dosavadní stav techniky

Bezpilotní letouny (UAV) s pevným rámem a vertikálním vzletem a přistáním (VTOU) s několika planámími vrtulemi se široce používají pro různé aplikace, včetně dálkového snímání, doručování zásilek, sledování a podobně. Tyto bezpilotní letouny jsou schopny vznášet se na jednom místě, přesně řídit svou polohu a létat s vysokou obratností v prostředí s překážkami. Jejich tuhé rámy a odkryté rychle se pohybující vrtule však představují hrozbu pro lidi v jejich blízkosti. Kromě toho kontakt s překážkou často vede k havárii, protože zastaví jeden nebo více motorů. Ochranné kryty vrtulí tomu mohou zabránit pouze v případě kontaktů při nízkých rychlostech a nejsou schopny zabránit zamotání malých drátů, větví nebo trávy do vrtulí.

Dalším běžným typem UAV jsou bezpilotní letouny s pevnými křídly. Tyto UAV jsou vhodné pro venkovní prostředí nebo velké otevřené vnitřní prostory, ale jejich manévrovací schopnosti jsou omezené a musí létat minimální rychlostí. V důsledku toho se nemohou vznášet na jednom místě. Hybridní UAV s pevnými křídly VTOU nabízejí výhody spočívající ve schopnosti vznášet se a v rychlém letu, ale také trpí problémem odkrytých vrtulí.

Projekt Ball Drone (https://hackaday.io/project/169823-the-ball-drone-project) je projekt, který využívá dron s jednou vrtulí a lopatkami s vektorováním tahu. Vrtule je stíněna základním rámem a tah vrtule je usměrňován jinými mechanickými prostředky. Tato konstrukce však nemá samostabilizující vlastnosti v případě kontaktu s překážkami jako navrhované UAV s pružnými rameny.

Podstata vynálezu

Tento vynález se týká bezpilotního letounu (UAV), který je vhodný zejména pro použití v prostředí, kde je hlavní prioritou bezpečnost a ovladatelnost.

Měkká robotická ramena bezpilotního letounu mají tlumicí účinek při nárazech, což mu umožňuje bezpečně se pohybovat kolem překážek a zabránit jejich poškození. To zvyšuje odolnost UAV a rozšiřuje jeho operační schopnosti.

Bezpilotní letoun je vybaven nejméně dvěma koaxiálními protiběžnými motory a nejméně dvojicí vrtulí umístěných nad sebou, které lze samostatně ovládat, čímž je zajištěno řízení vychýlení pomocí změny součtu vzniklých točivých momentů. Vrtule jsou umístěny v hlavním tělese představujícím plášť, který má v zásadě válcový vnitřní otvor, v ideálním případě ryze válcový otvor s minimální mezerou mezi vnitřní stěnou pláště a špičkou vrtule, čímž je zajištěn maximální tah. Plášť v kombinaci s vrtulemi funguje jako kanálový ventilátor a zvyšuje účinnost tahu a působí také jako bezpečnostní ochrana proti srážkám s okolím. Pro stabilizaci je nezbytná inerciální měřicí

- 1 CZ 2025 - 89 A3 jednotka (IMU), která nepřetržitě snímá lineární zrychlení a úhlové rychlosti používané pro výpočet potřebných momentů a sil nutných pro stabilizaci.

Plášť musí být co nejlehčí při zachování torzní tuhosti způsobené silami působícími na pohyblivé části, tj. vrtule. Přirozeně je třeba zabránit kontaktu vnitřní stěny pláště s vrtulemi.

V jednom provedení je plášť s výhodou vyroben z kombinace tuhé lehké nosné konstrukce, která je uvnitř opláštěná vrstvou lehkého materiálu.

Výhodněji je nosná konstrukce pláště vyrobena z uhlíkových trubek nebo skeletu vyrobeného 3D tiskem, zatímco plášťová vrstva je vyrobena z pružného latexového obalu.

Bezpilotní letoun podle tohoto vynálezu je dále vybaven nejméně třemi rameny uloženými symetricky vůči sobě pod pláštěm, jimiž je pomocí vrtulí hnán vzduch.

Ohebná ramena jsou pak vektorována tak, aby vytvářela potřebné točivé momenty a spolu s měnícími se otáčkami koaxiálních motorů také síly umožňující stabilizovat polohu i rotaci bezpilotního letounu. V neutrální konfiguraci zajišťující stabilní polohu UAV je středová osa otvoru ramene odkloněna od středové osy UAV přibližně o 5 až 15 stupňů.

Ohebná ramena tohoto UAV jsou navržena tak, aby se při nárazu do překážky ohnula, což přináší několik výhod a technických efektů z hlediska bezpečnosti a stability. Za prvé, ohnutí ramen tlumí náraz, čímž se snižuje pravděpodobnost poškození UAV a jeho okolí. Za druhé, poddajná povaha ramen aktivně zpomaluje rychlost kontaktu, čímž snižuje sílu nárazu. Kromě toho ohnutí ramen vytváří hybnou sílu, která otáčí UAV směrem od překážky, čímž zabraňuje dalšímu poškození a umožňuje UAV pokračovat v letu bez přerušení. Kombinace těchto faktorů se projevuje zejména vhodností použití těchto ramen v kombinaci s dalšími prvky tohoto UAV pro navigaci v náročných prostředích, jako jsou stísněné vnitřní prostory nebo nepřehledné venkovní prostory.

Je zásadní, aby ramena byla konfigurována tak, že zajišťují ohyb v ose procházející středem pláště a středem otvoru v rameni, což je hlavní osa ohybu, tj. rotace je zajištěna alespoň v jedné ose kolmé na osu ohybu, přičemž rotace je zajištěna zejména pomocí závěsů umístěných na rameni. Ve výhodném provedení však mohou být ramena ohýbána ještě v alespoň jedné další ose, aby bylo umožněno vychýlení od hlavní osy.

Ve výhodném provedení lze otvor ramene otáčet ve směru hlavní osy ohybu v rozsahu od - 45 stupňů do + 45 stupňů, jak je znázorněno na Obr. 2 a Obr. 3. Osa otáčení prochází závěsy umístěnými na rameni.

Tato flexe je žádoucí zejména v situaci, kdy je třeba rychle vyřešit kolizi s překážkou dosažením vhodného úhlového momentu, který na UAV působí vektorováním tahu. Například při nárazu UAV do pevné stěny se rameno, které náraz přijalo, vychýlí do opačného směru, čímž se UAV od stěny oddálí, jak je znázorněno na Obr. 5a a Obr. 5b. Princip tohoto chování je rovněž znázorněn na Obr. 4a.

Pohybu pružných ramen lze dosáhnout elektronickými a/nebo mechanickými prostředky, které jsou zodpovědné za vyrovnávání polohy ramen a vedou k vektorování tahu.

Pohyb ramen jev jednom konkrétním provedení řízen kombinací servomotorů, kladek, strun a pružných prvků, přičemž struny jsou spojeny s kladkami navíjejícími struny pomocí servomotorů a pružné prvky udržují napětí na strunách a vracejí ramena do neutrální polohy. Každé rameno je ovládáno prostřednictvím kladky nejméně jedním servomotorem pomocí nejméně jedné struny a nejméně jednoho pružného prvku.

-2CZ 2025 - 89 A3

Ve konkrétnějším provedení může být pohyb poháněn lankem prostřednictvím Bowdenova mechanismu. V případě použití Bowdenova mechanismu jsou servomotory umístěny pod pláštěm a ovládají ramena prostřednictvím kladkového systému. Kladky jsou spojeny s rameny prostřednictvím Bowdenova lanka, který je veden trubkou v hlavním tělese UAV. Tento mechanismus umožňuje přenos točivého momentu ze servomotoru na rameno, což UAV umožňuje nastavit vektor tahu.

Bowdenovo lanko je přednostně napínáno pomocí mechanismu napínací pryže, aby bylo zajištěno konzistentní chování ramene a kompenzována vůle lanka. Tato kombinace Bowdenova mechanismu pohonu lanka a napínací pryže poskytuje robustní a spolehlivý systém pro ovládání ohebných ramen, který zajišťuje přesné a citlivé řízení letu. Použití Bowdenova mechanismu a napínací pryže také zvyšuje poddajnost ramen.

Jak již bylo naznačeno výše v souvislosti s pláštěm, lehké tělo UAV je přednostně vyrobeno z odolných materiálů, jako jsou uhlíkové trubky nebo vzpěry a/nebo plastové struktury, aby se snížila hmotnost a prodloužila doba letu. Poskytnutí tuhé a lehké konstrukce těla je rovněž výhodné s ohledem na celkovou odolnost a aerodynamickou účinnost.

V jednom provedení tohoto vynálezu jsou ohebná ramena vyrobena z pružného latexového obalu, který je připevněn k plastové kostře. Tato konstrukce umožňuje ovládání ramen pomocí kabelových, pneumatických nebo hydraulických mechanismů, což poskytuje univerzálnost a flexibilitu ovládání. Pro ovládání ve všech osách jsou nutná alespoň tři ohebná ramena, zatímco použití čtyř ramen poskytuje rezervní funkci.

Tento vynález však může využívat více než čtyři ramena za předpokladu, že průtok vzduchu rameny a vnitřní průměr ramen jsou vyvážené s ohledem na tah dosažitelný vrtulemi a celková hmotnost ramen nevede k nepříznivým omezením konstrukce a funkce.

V jednom zvláště výhodném provedení vynálezu jsou ramena uspořádána ve čtveřici středově symetrických ramen, což podporuje rovnováhu a stabilitu. Průměr trubky hlavního tělesaje úměrný průměru ramen, přičemž plocha každého ramene tvoří jednu čtvrtinu plochy průřezu hlavního tělesa. Aby byla zajištěna maximální účinnost výkonu, musí celý objem vzduchu nasávaného vrtulemi procházet rameny. Každé rameno je tedy konfigurováno tak, aby přijímalo relativní část vzduchu procházejícího pláštěm, která se rovná poměru mezi pláštěm a počtem ramen.

Výška hlavního tělesa, které tvoří plášť, musí být co nejmenší, aby se do něj vešly motory i vrtule a aby se minimalizoval odpor vzduchu. Je zvláště žádoucí, aby celková výška pláště byla menší než výška ramene.

Bezpilotní letoun podle tohoto vynálezu je s výhodou vybaven řadou senzorů, například laserovým dálkoměrem pro udržování výšky nebo kamerami a lidary pro lokalizaci, mapování a plánování.

Bezpilotní letoun podle tohoto vynálezu je také s výhodou napájen Ui-pol baterií. Tento zdroj energie poskytuje energii potřebnou k provozu koaxiálních motorů, jako jsou například dva bezkartáčové stejnosměrné motory (BUDC), množství servomotorů pro ovládání ohybu ohebných ramen a dalších palubních systémů, jako je letový regulátor s JMU a případné další senzory.

Rozložení hmotnosti je navrženo tak, aby se těžké součásti nacházely blízko středu UAV. Tato centralizace hmotnosti má zásadní význam pro stabilitu a řízení UAV, protože minimalizuje momenty setrvačnosti a zvyšuje jeho manévrovatelnost. Díky tomu, že se těžké součásti nacházejí blízko středu UAV, minimalizuje rozložení hmotnosti také možnost nežádoucích pohybů a vibrací, což vede k plynulejšímu a přesnějšímu letu. V preferovaném provedení jsou proto servomotory umístěny v oblasti nepřesahující polovinu délky vrtulí, měřeno od středové osy UAV.

- 3 CZ 2025 - 89 A3

Objasnění výkresů

Vynález bude objasněn na základě příkladného provedení uvedeného na přiložených výkresech, v němž:

Na obrázku 1 je perspektivní pohled na UAV podle tohoto vynálezu se čtyřmi ohebnými rameny;

Obrázek 2 je boční pohled na UAV podle tohoto vynálezu se čtyřmi ohebnými rameny, na němž je znázorněna středová osa UAV a ramen;

Obrázek 3 je pohled shora na UAV podle tohoto vynálezu se čtyřmi ohebnými rameny, který znázorňuje hlavní osu ohybu ramen a základní směr jejich otáčení;

Obrázek 4a je pohled na příčný řez UAV podle tohoto vynálezu, který ukazuje směr proudění vzduchu a vektorování tahu ramen s následným směrem pohybu UAV;

Obrázek 4b je pohled na příčný řez UAV, na němž jsou znázorněny vyvažovači prvky, které jsou zodpovědné za pohyb ramen;

Obrázek 5a je pohled na příčný řez UAV podle tohoto vynálezu simulující náraz do pevné stěny a následné ohnutí ramen po nárazu s příslušným vektorováním tahu.

Na obrázku 5b je pohled na příčný řez UAV simulující srážku s pevnou stěnou a znázorňující proudění vzduchu a směr pohybu vyvažovačích prvků odpovědných za vektorování tahu a následný pohyb UAV.

Příklady uskutečnění vynálezu

Tento vynález je dále popsán na následujícím příkladu, který by neměl být chápán jako omezení rozsahu vynálezu.

Bezpilotní letoun obsahuje dva souosé protiběžné motory 12 a dvojici nad sebou umístěných vrtulí 11. které jsou individuálně ovládané, přičemž vrtule 11 jsou umístěny v plášti 1 s válcovým vnitřním otvorem 13. Pod pláštěm 1 jsou čtyři pružná ramena 2 pro vektorování tahu, která umožňují přesměrovat tah motorů 12 pro řízení a stabilitu. Každé rameno 2 je ovládáno servomotorem 32 Robotíš AX-12a s vysokým točivým momentem, který umožňuje přesné a citlivé řízení. Bezpilotní letoun pohánějí dva bezkartáčové stejnosměrné motory 12 Tarot 4114/320KV (BUDC), z nichž každý je spárován s karbonovou vrtulí 11 o průměru 16 palců a stoupáním 6 palců.

Kostra měkkého ramene 2 je vytištěna 3D tiskem z materiálu kyseliny polymléčné (PUA), který zajišťuje lehkou a pevnou konstrukci. Vnitřní strana každého ramene 2 je vystlána tenkým pružným latexovým obalem 22, který snižuje tření při proudění vzduchu a zlepšuje poddajnost ramene 2.

Otvor ramene 2 lze otáčet ve směru hlavní osy A v rozsahu od - 45 stupňů do + 45 stupňů.

UAV využívá k ovládání pružných ramen 2 Bowdenův mechanismus s lankovým pohonem. Servomotory 32 jsou umístěny pod pláštěm 1 a ovládají ramena 2 prostřednictvím kladkového systému. Kladky 31 jsou spojeny s rameny 2 prostřednictvím Bowdenova lanka představujícího strunu 34. která je vedena trubkou v hlavním tělese UAV. Tento mechanismus umožňuje přenášet točivý moment ze servomotoru 32 na ramena 2, což umožňuje UAV nastavovat vektor tahu.

Bowdenovo lanko je napínáno pomocí mechanismu z napínací pryže, který představuje pružný vyvažovači prvek 33, který zajišťuje konzistentní chování ramene a kompenzuje vůli lanka. Tato

-4CZ 2025 - 89 A3 kombinace mechanismu pohonu Bowdenova lanka a napínací pryže poskytuje robustní a spolehlivý systém pro ovládání pružných ramen 2, který zajišťuje přesné a citlivé řízení letu. Použití Bowdenova mechanismu a napínací pryže rovněž zvyšuje poddajnost ramen 2.

Plášť 1 bezpilotního letounu je vyroben z uhlíkových vzpěr, které zajišťují pevnou a lehkou kostru, přičemž jeho stěny jsou z latexového plastu, což zvyšuje odolnost a aerodynamickou účinnost.

Ramena 2 jsou uspořádána ve čtveřici se středovou symetrií, která podporuje rovnováhu a stabilitu. Průměr pláště 1 je úměrný průměru ramen 2, přičemž plocha každého ramene 2 tvoří jednu čtvrtinu plochy průřezu pláště L

Výška pláště 1 je co možná nejmenší, aby se minimalizoval odpor vzduchu a zároveň se do něj vešly motory 12 i vrtule 11. Průměr pláště 1 je o něco větší než průměr vrtulí 11. aby se maximalizoval efekt kanálového ventilátoru, který zvyšuje celkovou aerodynamickou účinnost bezpilotního letounu.

Bezpilotní letoun je napájen Li-pol baterií. Tento zdroj energie poskytuje energii potřebnou k provozu dvou bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC) 12, čtyř servomotorů 32 a dalších palubních systémů, jako je letový regulátor s IMU a další senzory.

Rozložení hmotnosti je navrženo tak, aby se těžké součásti nacházely blízko středu UAV. Tato centralizace hmotnosti má zásadní význam pro stabilitu a řízení UAV, protože minimalizuje momenty setrvačnosti a zvyšuje jeho manévrovatelnost. Díky tomu, že se těžké součásti nacházejí blízko středu UAV, minimalizuje rozložení hmotnosti také možnost nežádoucích pohybů a vibrací, což vede k plynulejšímu a přesnějšímu letu.

Průmyslová využitelnost

Tento vynález představuje bezpilotní letoun, který je použitelný například v prostředí, kde je třeba zabránit srážkám s jinými objekty. Rozsah možného využití tím není omezen.

Claims (12)

1. Bezpilotní letoun s vektorováním pohonu pomocí měkkého ramene, vyznačující se tím, že obsahuje nejméně dva souosé protiběžné motory (12) a nejméně dvojici vrtulí (11) umístěných nad sebou, které jsou uzpůsobeny k individuálnímu ovládání, přičemž vrtule (11) jsou umístěny v hlavním tělese tvořeném pláštěm (1), který má v zásadě válcový vnitřní otvor (13), přičemž nejméně tři ramena (2) jsou vzájemně symetricky uložena pod pláštěm (1) a ramena (2) jsou uzpůsobena k přijímání vzduchu hnaného vrtulemi, který vychází otvorem ve spodní části ramene (2), přičemž otvor ramene (2) je uzpůsoben k otáčení ve směru hlavní osy (A) ohybu.

2. Bezpilotní letoun podle nároku 1, vyznačující se tím, že otvor ramene (2) je uspořádán tak, že se otáčí ve směru hlavní osy (A) ohybu v rozsahu odpovídajícím - 45 stupňům až + 45 stupňům.

3. Bezpilotní letoun podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že středová osa (B) otvoru ramene je odkloněna od středové osy (C) UAV o 5 až 15 stupňů.

4. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že je opatřen prvky pro řízení pohybu ramen (2), přičemž každé rameno (2) je opatřeno alespoň jednou strunou (34) připojenou přes kladku (31) k servomotoru (32) a alespoň jedním pružným prvkem (33) uzpůsobeným k udržování napětí na struně (34) a k návratu ramene (2) do neutrální polohy.

5. Bezpilotní letoun podle nároku 4, vyznačující se tím, že servomotory (32) jsou umístěny pod pláštěm (1) v oblasti nepřesahující polovinu délky vrtulí (11), měřeno od střední osy (C) vozidla.

6. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že celková výška pláště (1) je menší než výška ramene (2).

7. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že každé rameno (2) je uspořádáno tak, že přijímá relativní část vzduchu procházejícího pláštěm (1), která se rovná poměru mezi pláštěm (1) a počtem ramen (2).

8. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že rameno (2) je otočné kolem osy procházející závěsy (21) umístěnými na rameni.

9. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že je opatřen čtyřmi rameny (2) uspořádanými ve čtverné středové symetrii.

10. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že nosná konstrukce pláště (1) je vytvořena z uhlíkových trubek nebo skeletu vyrobeného 3D tiskem, zatímco plášťová vrstva je vyrobena z pružného latexového obalu.

11. Bezpilotní letoun podle kteréhokoliv z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že rameno (2) má strukturu kostry vytištěnou 3D tiskem z materiálu kyseliny polymléčné (PLA) a vnitřek každého ramene (2) je vyložen tenkým pružným latexovým potahem (22).

12. Bezpilotní letadlo podle některého z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že struna (34) je Bowdenovo lanko a pružný prvek (33) je vyroben z napínací pryže.