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Hintergrund
der Erfindung
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Hubschrauber
sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens
einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen
mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen.
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Kleine
und leichte Hubschrauber gewinnen bei der luftgestützten Beobachtung
(Beobachtung aus der Luft, Gewinnung optischer Informationen von
einem Fluggerät
aus) zunehmend an Bedeutung. Es dominiert die klassische Ausführungsform
mit einem Hauptrotor, vornehmlich zur Auftriebserzeugung, und einem
Heckrotor für
den Drehmomentausgleich.
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Nachteile
dieses Konzepts: Etwa 20% der Antriebsleistung werden für den Heckrotor
benötigt
und stehen nicht für
den Auftrieb zu Verfügung
(reduzierte Energieeffizienz). Weiterhin ist die Mechanik zur Steuerung relativ
aufwändig
und kompliziert (kollektive u. zyklische Blattverstellung, Stabilisierungssysteme
etc.). Außerdem
verfügen
Hubschrauber dieser Bauart über
eine eher geringe Flugstabilität.
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Bei
der Antriebstechnik von Hubschraubern zur luftgestützten Beobachtung
findet man Brennkraftmaschinen am häufigsten. Der elektrische Antrieb
ist jedoch auf dem Vormarsch. Einige Vorteile: leise, zuverlässig, wetterunabhängiges Betriebsverhalten,
feine Regelbarkeit, geringe Vibrationen. Der Trend zum Elektroantrieb
wird forciert durch die stetige Fortentwicklung elektrischer Energiespeicher,
hin zu immer höherer
Energie- und Leistungsdichte.
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Gleichwohl
ist hier noch lange nicht das Niveau fossiler Brennstoffe erreicht,
weswegen die energetische Effizienz bei der Entwicklung von Elektrohubschraubern
stets eine große
Rolle spielt, um hinreichend lange Flugzeiten und ausreichende Nutzlasten
zu erzielen. Wichtig ist vor allem konsequenter Leichtbau.
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Zur
Gewinnung der Bildinformation werden bei der luftgestützten Beobachtung
Kameras unterschiedlicher Bauart verwendet. Hohe Bildqualität war bisher
mit relativ hohem Gewicht verknüpft,
was den Einsatz in besonders kompakten Hubschraubern verbot. Mit
der fortschreitenden Miniaturisierung der Kameratechnik kann auch
dieses Anwendungsfeld erschlossen werden.
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Die
Praxistauglichkeit von Hubschraubern zur luftgestützten Beobachtung
hängt wesentlich
von der Art der Flugführung
ab. Zwei Ansätze
wurden bisher schwerpunktmäßig verfolgt:
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a) Manuelle Steuerung
auf Sicht (wie Modellhubschrauber)
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Ein
am Boden stehender Bediener (Pilot) sieht und beurteilt Fluglage
und Bewegung des Hubschraubers und steuert das Gerät manuell
mit einem Fernsteuersender.
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Vorteile:
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- • Relativ
geringer technischer Aufwand
- • Große Variabilität bei den
Flugbewegungen – schnelle Änderungen
möglich.
Auch plötzlichen
Hindernissen kann ausgewichen werden. Zielverfolgung möglich.
- • Schnelle
Inbetriebnahme (keine Flugplanung an einer Bodenstation)
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Nachteile:
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- • Schwierige
Bedienung
Es ist besonderes fliegerisches Geschick erforderlich,
was den Anwenderkreis dieser Art der Steuerung empfindlich einschränkt. Schwierigkeiten
bereiten vor allem die Erkennung der Fluglage sowie die sinnrichtige
Betätigung
der Steuerfunktionen in den verschiedenen Flugsituationen. Fliegt
der Hubschrauber z. B. auf den Piloten zu, sind "rechts und links vertauscht": Steuert der Pilot
nach rechts, fliegt der Hubschrauber vom Piloten aus gesehen nach
links.
- • Einsatzradius
eng begrenzt
Die Reichweite ist durch die Sichtweite limitiert,
bei der die Fluglage noch sicher erkannt werden kann. Sie beträgt je nach
Größe und Geometrie
des Hubschraubers nur etwa 50 bis mehrere hundert Meter, bei üblichen
Gesamtabmessungen von ca. 0,5 bis ca. 3 m. Eine Unterbrechung der
Sichtverbindung führt
in der Regel nach kurzer Zeit zum Absturz, weil notwendige Steuerkorrekturen
ausbleiben. Für
die luftgestützte Beobachtung
in urbanem Gelände
(zwischen Gebäuden,
Bewuchs) daher nur bedingt geeignet (Sichtverbindung öfter unterbrochen).
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b) Automatische Flugführung
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Der
Flug wird an einer Bodenstation, z. B. einem speziellen Computer,
geplant. Dazu werden typischerweise Wegkoordinaten vorgegeben, die
das Fluggerät
anschließend
ohne manuelle Steuereingriffe automatisch abfliegt.
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Vorteile:
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- • Kein
fliegerisches Geschick erforderlich
- • Funktioniert
auch ohne Sichtverbindung
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Nachteile:
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- • Zeitverlust
bis zum Einsatz durch vorherige Flugplanung
- • Hoher
technischer Aufwand, teuer
- • (Noch)
eher größeren Hubschraubern
vorbehalten (aufwändige,
schwerere Technik benötigt
höhere
Nutzlast)
- • Geringe
Variabilität
bei den Flugbewegungen – keine
schnellen Änderungen
möglich.
Eine neue Flugroute bedarf neuer zeitaufwändiger Eingaben. Hindernissen
ausweichen kaum möglich.
Zu unflexibel für Zielverfolgung.
Für die
luftgestützte
Beobachtung in urbanem Gelände – zwischen
Hindernissen – daher
schlecht geeignet.
- • Mobilität des Bedieners
durch sperrige Bodenstation eingeschränkt.
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Besonders
der letzte Punkt stellt in der Praxis oft eine empfindliche Einschränkung dar.
Die Bodenstation ist ortsfest aufgebaut. Die Verlagerung an einen
neuen Einsatzort ist mit logistischem Aufwand verbunden. Das Fluggerät muss für den Weitertransport
gelandet und am neuen Einsatzort wieder gestartet werden. In der Regel
sind mehrere Personen erforderlich, Fluggerät und Zubehör zu transportieren. Auf- und
Abbau kosten Zeit.
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Bestimmte
Einsatzszenarien verlangen jedoch mehr Mobilität des Bedieners. Beispiel Feuerwehreinsatz:
Schnell wollen die Einsatzkräfte
einen ersten Überblick
von einem brennenden Gebäude
gewinnen und lassen ein Fluggerät
zur Beobachtung aus der Luft aufsteigen. Dann dreht der Wind und
der Bediener muss seinen ursprünglichen
Standort verlassen, weil er von Rauch umgeben ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System und
ein verbessertes Verfahren zur luftgestützten Beobachtung in vorzugsweise
urbanem Gelände
anzugeben, auf Basis eines ferngesteuerten Hubschraubers. Dabei
soll vor allem die Mobilität
des Bedieners erhöht
werden. Daneben soll auch noch folgenden Anforderungen Rechnung
getragen werden:
- • Größtmögliche Variabilität bei den
Flugbewegungen
- • Ausreichend
großer
Einsatzradius – keine
Limitierung durch Sichtweite
- • Einfache
Bedienung
- • Kurze
Rüstzeit
- • Hohe
Energieeffizienz für
lange Flugzeit
- • Geringes
Geräusch
- • Einfach
und preiswert
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Kurzer Abriss
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst
mit einem System zur luftgestützten
Beobachtung, umfassend einen funkferngesteuerten, elektrisch angetriebenen
Hubschrauber mit wenigstens einer Kamera mit einem Sender zur Funkübertragung
der Kamerabilder und Einrichtungen eines am Boden befindlichen Bedieners.
Zu diesen Einrichtungen gehören
ein Empfänger
für den
Funkempfang der Kamerabilder, ein bildgebendes System zur Darstellung
der Bilder im Blickfeld des Bedieners sowie eine Bedieneinheit zur
Funkfernsteuerung des Hubschraubers durch den Bediener.
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Ein
bildgebendes System, das am Kopf eines Bedieners angebracht ist,
befindet sich außerhalb
des Blickfeldes des Bedieners oder nimmt nur einen Teil des Blickfeldes
des Bedieners ein, wodurch eine Sicht des Bedieners auf seine Umgebung
ermöglicht
wird. Mithilfe dieser Sicht kann sich der Bediener in seiner Umgebung
orientieren und fortbewegen, während
der Hubschrauber fliegt.
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Das
bildgebende System kann verschiedenartig gestaltet sein. Es kann
eine Projektion eines reellen oder virtuellen Bildes beinhalten.
Die Projektion kann frei in den Raum erfolgen oder auf eine Projektionsfläche im Blickfeld
des Bedieners treffen. Die Projektionsfläche kann undurchsichtig oder
durchsichtig sein. Es kann sich bei der Projektionsfläche z. B.
um das Visier eines Helmes handeln oder Gläser einer Brille.
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Der
Abstand des reellen oder virtuellen Bildes zum betrachtenden Auge
kann verschieden groß gestaltet
sein. Das bildgebende System kann so ausgeführt ist, dass das auf der Netzhaut
wenigstens eines Auges des Bedieners entstehende Kamerabild mit
maximal geringer Akkommodation des Auges scharf abbildet werden
kann. "Maximal geringe
Akkommodation" bedeutet,
dass das Auge auf "in
die Ferne sehen" eingestellt ist,
wobei "in die Ferne
sehen" ab einem
Abstand des Bildes zum Auge von ungefähr 1 m gelten soll.
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Ein
bildgebendes System kann ein Display beinhalten. Es können zwei
bildgebende Systeme vorgesehen sind, für jedes Auge eines. Jedes dieser
Systeme kann bevorzugt Bilder von einer anderen Kamera des Hubschraubers
darstellen.
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Die
Helligkeit eines Bildes eines bildgebenden Systems kann veränderlich
gestaltet sein, um verschiedenem Umgebungslicht Rechnung zu tragen.
Die Helligkeit kann auch automatisch der Umgebungshelligkeit anpassbar
sein.
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Vom
Kamerabild können
bevorzugt ungefähr
0,5% bis 30% des Blickfeldes des Bedieners belegt sein, besonders
bevorzugt ungefähr
2% bis 10%. Die Sicht auf die Umgebung kann bevorzugt ungefähr 70% bis 99,5%
des Blickfeldes des Bedieners betragen, besonders bevorzugt ungefähr 90% bis
98%. Bei diesen Zahlen wird angenommen, dass das Blickfeld eines
Bedieners durch einen Kegel mit einem Öffnungswinkel von ungefähr 150 Grad
bestimmt wird.
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Wenigstens
eine Kamera kann mit einer Mechanik zum Schwenken versehen sein,
mit der die Kamera relativ zum Hubschrauber ferngesteuert geschwenkt
werden kann. Bei der Schwenkbewegung einer Kamera können verschiedene
Freiheitsgrade genutzt werden. Oder auch nur ein einziger.
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Bei
der Mechanik zum Schwenken einer Kamera gibt es viele Gestaltungsvarianten.
Der Schwenkmechanismus kann ein Rudermaschine enthalten. Die Drehachse
des Abtriebs einer Rudermaschine kann gleichzeitig auch eine Drehachse
einer Schwenkbewegung einer Kamera darstellen. Die Lagerung des
Abtriebs einer Rudermaschine und die Lagerung des Schwenkmechanismus' einer Kamera können identisch
sein. Eine Kamera kann am Abtrieb einer Rudermaschine angebracht
sein.
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Eine
Kamera kann vorzugsweise um eine Achse schwenkbar am Hubschrauber
angebracht sein, die näherungsweise
parallel zur Querachse des Hubschraubers liegt. Die optische Achse
einer Kamera (Achse der Kameraoptik, Aufnahmerichtung) kann in einer
Kameraposition im Schwebeflug des Hubschraubers näherungsweise
waagrecht liegen, z. B. für
den Kamerablick nach vorne ("Cockpit-Sicht"). Die optische Achse
kann in einer Kameraposition näherungsweise
parallel zur Längsachse
des Hubschraubers verlaufen. Die Kamera kann bevorzugt derart schwenkbar
ausgeführt
sein, dass die optische Achse in einer Kameraposition nach schräg unten
gerichtet ist, oder auch senkrecht nach unten.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann eine Kamera eine sogenannte Platinenkamera sein
bzw. eine solche beinhalten. Hier ist die Kameraoptik direkt an
einer (kleinen) Auswerteelektronik (Platine) angeschlossen – eine kompakte
Leichtbauweise.
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Es
können
wenigstens zwei Kameras am Hubschrauber vorgesehen sein. Die optischen
Achsen der beiden Kameras können
näherungsweise
in gleicher Richtung orientiert sein, mit einer Winkelabweichung
vom maximal ungefähr
20 Grad zueinander, bevorzugt maximal ungefähr 5 Grad. Die beiden Kameras
können
ferner in einem Abstand von 5 cm bis 50 cm angeordnet sein, bevorzugt
im Abstand von 7 cm bis 20 cm.
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Zur Übertragung
der Kamerabilder zum Betrachter gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann für
zwei Kameras je ein Sender zur Funkübertragung der Kamerabilder
vorgesehen sein. Damit können
die Bildinformationen für
jede Kamera getrennt zum Boden gelangen, dort getrennt empfangen
und einem Betrachter als dreidimensionales Bild bereitgestellt werden.
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Gewicht
und Größe des Hubschraubers
können
variieren. Bevorzugt ist eine Abflugmasse unter ungefähr 5 kg,
besonders bevorzugt unter ungefähr
1 kg. Die größte Abmessungen
kann vorzugsweise unter ungefähr
1,2 m liegen.
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Der
Hubschrauber kann mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens
einem Rotor und wenigstens einem den Rotor antreibenden Elektromotor
ausgebildet sein (eine bevorzugte Bauweise).
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Verfahren zur luftgestützten
Beobachtung bereitgestellt, mithilfe eines funkferngesteuerten,
elektrisch angetriebenen Hubschraubers mit wenigstens einer Kamera.
Das Verfahren enthält
die Schritte:
- • Übertragung der Kamerabilder
per Funk zu Einrichtungen eines am Boden befindlichen Bedieners
- • Darstellen
der Kamerabilder mit einem bildgebenden System im Blickfeld eines
Bedieners
- • Anfliegen
eines zu beobachtenden Zielobjekts mithilfe von Kamerabildern
- • Gewinnung
optischer Informationen von einem Zielobjekt
- • Fortbewegung
eines Bedieners zu Fuß,
während
der Hubschrauber fliegt
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Bei
diesem Verfahren bewegt sich der Bediener während eines Hubschrauberflugs
anhand der Sicht auf seine Umgebung von seinem Standort beim Start
des Hubschraubers zu Fuß weg,
während
er die Kontrolle über
den Hubschrauber behält.
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Mögliche,
bevorzugte Verfahrensvarianten werden nachfolgend genannt.
- • Der
Hubschrauber absolviert einen Schwebeflug, insbesondere bei der
Gewinnung optischer Informationen vom Zielobjekt und/oder wenn der
Bediener geht.
- • Der
Hubschrauber landet (zwischen) und gewinnt (am Boden) stehend optische
Informationen von einem Zielobjekt.
- • Ein
Bediener hat die Hände
frei, wenn er nicht gerade eine Steuerkorrektur des Hubschraubers
vornimmt.
- • Der
Bediener nimmt keine Steuerkorrekturen vor, während er sich zu Fuß fortbewegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Bedieners mit einem bildgebenden
System nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Bedieners mit zwei bildgebenden
Systemen nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Bedieners mit zwei bildgebenden
Systemen nach einer dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Bedieners mit zwei bildgebenden
Systemen nach einer vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 zeigt
eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit zwei Kameras
nach einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 zeigt
eine Längsschnittansicht
des Hubschraubers nach 5;
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7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
von 5;
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8 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
von 6;
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9 zeigt
eine Darstellung wie 8, jedoch mit einer anderen
Kameraposition;
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10 zeigt
eine Darstellung wie 8, jedoch mit einer weiteren
Kameraposition; und
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11 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
wie 7 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, die manuelle Flugführung für ferngesteuerte
Hubschrauber so weiterzuentwickeln, dass alle wesentlichen Anforderungen
der luftgestützten
Beobachtung erfüllt
werden. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Mobilität des Bedieners:
Er soll sich während
der Flugmission gehend fortbewegen (können).
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Hierzu
werden ihm simultan jene Informationen angeboten, die er für das Gehen
und Fernsteuern braucht. Kernelement ist das bildgebende System 17 am
Kopf eines Bedieners 9 (1 bis 4).
Es erlaubt eine Cockpit-Sicht aus dem Hubschrauber und gleichzeitig
eine Sicht auf die Umgebung des Bedieners.
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Zur
den positiven Ausgestaltungen der Erfindung zählen insbesondere Maßnahmen
zur Bedienungserleichterung, zur Reduzierung von Gewicht sowie die
Konzentration auf Wesentliches (Minimalprinzip). Die Maßnahmen
erstrecken sich auf das gesamte System zur luftgestützten Beobachtung
(Hubschrauber und Einrichtungen Bediener).
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Die
Ausgestaltungen der Erfindung zielen vornehmlich darauf ab, den
Bediener soweit als möglich
zu entlasten, und zwar körperlich,
zeitlich und geistigmental. Diese Entlastung wiederum wirkt sich
positiv auf die Mobilität
des Bedieners aus.
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Zuerst
werden Ausführungsformen
zu den Einrichtungen des Bedieners vorgestellt.
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1 zeigt
einen Bediener 9 mit einem bildgebenden Systemen 17.
Das System ist über
einen Helm am Kopf des Bedieners angebracht und liegt außerhalb
des Blickfelds des Bedieners.
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„Am Kopf
angebracht" im Sinne
dieser Schrift steht für
die unmittelbare (direkte) Befestigung am Kopf des Bedieners wie
auch für
die mittelbare (indirekte), z. B. über einen Helm oder ein Gestell.
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In 1 wird
das (reelle) Kamerabild vor die Augen des Bedieners 9 projeziert,
und zwar auf eine halbdurchsichtige Mattscheibe als Projektionsfläche, die
am Helm befestigt ist (nicht in 1 dargestellt).
Breite und Höhe
der Mattscheibe entsprechen den Bildabmessungen. Der Abstand zu
den Augen beträgt
ungefähr 20
cm. Alternativ kann die Mattscheibe auch in das Visier eines Helmes
integriert sein.
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2 zeigt
eine Variante von 1. Hier sind zwei bildgebende
Systeme 17 mit jeweils zwei Projektionen vorgesehen, für jedes
Auge eine.
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In 3 sind
zwei kleine, hochauflösende
Displays als bildgebende Systeme 17 dargestellt. Hier sieht der
Bediener 9 virtuelle Bilder. Die Displays sind am Helm
gehaltert. Die Halterungen sind filigran ausgeführt, damit die Sicht auf die
Umgebung nur geringfügig
versperrt wird. Aus gleichem Grund sind die Displays praktisch randlos.
Auf diese Weise ist fast das gesamte Blickfeld "Nutzfläche" (Kamerabild oder Sicht auf Umgebung).
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4 zeigt
eine Variante von 3. Hier sind die beiden bildgebenden
Systeme 17 in einem Helmvisier 18 integriert.
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Der
Abstand der virtuellen Bilder zum Auge beträgt idealerweise mehrere Meter,
weswegen das Auge praktisch nicht akkommodiert, um die Kamerabilder
auf der Netzhaut schart abzubilden. Damit ist entspanntes Sehen
auch über
längere
Zeit möglich – die Augen
werden weniger angestrengt. Noch ein Vorteil: Umgebung und Kamerabild
werden mit der gleichen "Augeneinstellung" (Fernsicht) gesehen.
Das bedeutet, dass beides gleichzeitig scharf gesehen wird. Beim
Blickwechsel vom Kamerabild zur Umgebung und umgekehrt muss nicht
jedes mal das Auge "neu
eingestellt" werden.
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Ein
grundsätzlicher
Vorteil der Befestigung bildgebender Systeme am Kopf des Bedieners
ergibt sich aus dem gleichbleibenden Abstand zwischen Kamerabild
und Auge: Die Entfernung zwischen einer Kamera an Bord des Hubschraubers
und dem betrachteten Objekt kann besser abgeschätzt werden, insbesondere wenn
die Brennweite der Kamera nicht verändert wird. In diesem Fall
gilt nämlich:
Bei einem bestimmten Abstand von der Kamera zu einem betrachteten
Objekt definierter Größe, wird
das Objekt immer gleich groß vom Auge
des Bedieners wahrgenommen, d. h. mit dem gleichen optischen Winkel.
Anders gesagt: Der optische Winkel eines Objekts definierter Größe korreliert
eindeutig mit dessen Abstand zur Kamera. Gleiches gilt für das Abbild
des Objekts auf der Netzhaut des Bedienerauges.
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Diesen
Vorteil kann man kaum groß genug
bewerten. Denn das richtige Abschätzen von Entfernungen ist für die Steuerung
zwischen Hindernissen in urbanem Gelände essenziell.
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Wichtig
ist auch die Größe des Kamerabilds,
genauer gesagt der optische Winkel, unter dem es wahrgenommen wird.
(Ein Display mit 15 mm Größe im Abstand
von 50 mm wird genauso groß gesehen
wie ein 30-mm-Display im Abstand von 100 mm; der optische Winkel
ist gleich.) Das Kamerabild muss so groß sein, dass auch noch Details
wahrgenommen werden. Andererseits muß es so klein sein, dass noch
genügend
Sicht auf die Umgebung verbleibt.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
nach den 1 bis 4 nehmen
die Kamerabilder etwa 5% des Blickfeldes des Bedieners ein. Das
mag gering erscheinen. Zu bedenken ist jedoch, dass das Blickfeld
eines Menschen zwar mit ca. 150 Grad Öffnungswinkel recht groß ist, die
ausgepägten
Randzonen allerdings auch weniger deutliche Informationen liefern.
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Die
vorgestellten bildgebenden Systeme sind klein und leicht. Das Konzept
nach 3 lässt
sich mit einem Gewicht von unter 100 g realisieren, bei ausgezeichneter
Qualität
(Bildauflösung
im Megapixel-Bereich). Das Zusatzgewicht am Helm ist kaum merklich,
der Tragekomfort sehr gut.
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Bei
der Ausführung
der bildgebenden Systeme sind zahlreiche Optionen möglich: So
kann beispielsweise die Bildhelligkeit veränderlich sein, manuell oder
automatisch. Eine Automatik kann die Bildhelligkeit anpassen in
Abhängigkeit
der Umgebungshelligkeit. Damit kann sichergestellt werden, dass
der Bediener die Kamerabilder in sonniger Umgebung noch hell genug
sieht und in eher dunkler Umgebung, z. B. im Innern von Gebäuden, nicht
vom Kamerabild geblendet wird.
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Es
ist auch möglich,
bildgebende Systeme klappbar oder demontierbar zu gestalten, um
sie nur bei Bedarf ins Blickfeld zu klappen oder zu montieren, oder
auch um einem anderen Betrachter Einblick zu gewähren.
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Es
kann auch sinnvoll sein, Einrichtungen zur Abschattung von Umgebungslicht
vorzusehen, damit die Kamerabilder auch bei sehr heller Umgebung
noch gut zu sehen sind. Zur Abschattung kann beispielsweise eine
Kopfbedeckung dienen.
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Auch
bei den anderen Einrichtungen eines Bedieners gibt es zahlreiche
Optionen: Die Bedieneinheit zur Funkfernsteuerung des Hubschraubers
kann einen handelsüblichen
Fernsteuersender und/oder einen Joystick enthalten. Die Einheit
kann der Bediener in seinen Händen
halten und/oder an einem Umhängeriemen tragen.
Bevorzugt können
Bedienelemente direkt am Körper
des Bedieners angebracht sein, z. B. im Bereich der Brust oder des
Bauchs. Vorteil dieser Lösung:
Der Bediener hat die Hände
frei, wenn er gerade keine Steuerkorrektur vornimmt.
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Zu
den Einrichtungen eines Bedieners können auch ein Rucksack oder
eine (Umhänge)tasche
gehören.
Darin können
untergebracht sein: Empfänger
für den
Funkempfang der Kamerabilder, Teile der Fernsteuerung des Hubschraubers
(Sender), Stromversorgung (Akku), Antennen, Platz oder auch spezielle
Behältnisse
für einen
oder mehrere Hubschrauber, Einrichtungen zur Speicherung der Kamerabilder
etc.
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Alle
Einrichtungen eines Bedieners können
so leicht und kompakt gestaltet sowie körpernah angebracht sein, dass
sich dieser frei bewegen kann. Die Gesamtmasse alle Einrichtungen
eines Bedieners kann unter 2 kg liegen.
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Mit
dieser Technik kann der Bediener nicht nur gehen, sondern auch laufen,
klettern oder ein Fahrzeug lenken. All das auch, während der
Hubschrauber fliegt.
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Wie
ausgeprägt
die Mobilität
des Bedieners in der Praxis ist, hängt auch von den Eigenschaften
des Hubschraubers ab, um den es nachfolgend geht.
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In
den Ausführungsbeispielen
dieser Patentanmeldung ist eine bestimmte Bauart von Hubschraubern vorgesehen,
nämlich
die mit drei oder mehr Hubeinheiten (sogenannte Mehrrotorenhubschrauber).
Unter Hubeinheit wird die Kombination mindestens eines Rotors mit
mindestens einem den Rotor antreibenden Motor verstanden. Die Hubeinheiten
können
auch andere Komponenten enthalten, z. B. Getriebe oder Drehzahlsteller.
Die Kombination von genau einem Rotor mit genau einem Motor ist
die häufigste
Ausführung
einer Hubeinheit. Die Achsen der Rotoren stehen typischerweise (annähernd) senkrecht.
Die Rotoren dienen vornehmlich der Auftriebserzeugung – daher
der Name Hubeinheit.
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Hervorzuheben
ist der 4-rotorige Hubschrauber, der systembedingte Vorteile hat
und dessen wirtschaftlicher Nutzen zunimmt, forciert durch aktuelle
Entwicklungen verbesserter Techniken zur Stabilisierung der Fluglage,
die sich bei diesem Hubschraubertyp besonders wirkungsvoll umsetzen
lassen. Zu den Vorteilen des 4-Rotoren-Konzepts zählt die
Möglichkeit
einer Steuerung um alle Achsen allein über die Drehzahl von vier starren
Rotoren, also ohne Mechanik außer
drehenden Wellen, insbesondere ohne kollektive und zyklische Rotorblattverstellung
(siehe nachfolgende Tabelle). 4-rotorige Hubschrauber können demnach
mechanisch sehr minimalistisch aufgebaut werden.
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- Anmerkung: Im Beispiel laut Tabelle liegen die 4 Rotoren "auf Achse", im Ausführungsbeispiel
nach 5 um 45 Grad versetzt.
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In
der Draufsicht sind die Hubeinheiten von 4-rotorigen Hubschraubern
fast immer an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft an den Ecken
eines Quadrats. Die Achsabstände
sind meist so groß,
dass sich die durch die Rotoren definierten Kreisflächen gerade
nicht überschneiden.
Damit können
die Rotoren auf einer Ebene angeordnet sein, ohne sich zu berühren.
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Die 5 und 6 zeigen
einen drehzahlgesteuerten, 4-rotorigen Hubschrauber 1,
der zur Beobachtung aus der Luft in urbanem Gelände geeignet ist. Der Hubschrauber 1 umfasst
insgesamt vier Hubeinheiten 2. Die Hubeinheiten 2 besitzen
jeweils einen im Ausführungsbeispiel
zweiblättrigen
Rotor 3 sowie einen den Rotor antreibenden Elektromotor 4.
Die Hubeinheiten 2 sind an einem Traggerüst 11 befestigt
und durch dieses miteinander verbunden. Das Traggerüst 11 trägt ferner
eine zentrale Steuereinheit 12 und zwei Kameras 5.
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In
der Steuereinheit 12 integriert sind zwei getrennte Sender
für die
Funkübertragung
der Kamerabilder zum Boden, ein Empfänger zum Empfang der Fernsteuersignale
vom Boden, Elektronik zur Stabilisierung der Fluglage und zur Ansteuerung
der Hubeinheiten sowie die zentrale Energieversorgung (Akku).
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Die
Ausführung
mit zwei getrennten Sendern hat den Vorteil, dass auf marktübliche Komponenten
zurückgegriffen
werden kann. Das gilt für
die gesamte Kette von Kamera, Sender und Empfänger (zum Empfang der Kamerabilder
am Boden). Voraussetzung für
diese Lösung
ist, dass jede Kette auf einer anderen Frequenz arbeitet. Weiterer
Vorteil: Die Bildübertragung
ist redundant. Bei Ausfall einer Komponente oder einer Funkstörung ist
nur eine Kette betroffen. Die andere liefert weiter Bildinformationen.
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Alternativ
können
jedoch auch Funktionen zusammengefaßt werden, z. B. um Gewicht
zu sparen. So können
zwei Kameras mit einem Sender und einem Empfänger kombiniert werden.
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Die
technischen Daten des Hubschraubers
1 sind wie folgt:
| Rotordurchmesser: | 380
mm |
| Leistungsbedarf
(Schwebeflug): | 25
W |
| Flugzeit: | 20
min |
| Abflugmasse: | 350
g |
| Abmessungen über alles
(Länge,
Breite): | 800
mm |
| Kameraabstand
s: | 130
mm |
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Aus
Gründen
der aerodynamischen Effizienz sollten die Rotoren eher große Durchmesser
aufweisen (niedrige Kreisflächenbelastung).
Diese Forderung konkurriert mit dem Streben nach kompakten Abmessungen
für den
Einsatz unter beengten Platzverhältnissen.
Große
Dimensionen stören
vor allem auch bei Lagerung und Transport. "Rucksackgerechte" Abmessungen können erzielt werden, wenn das
Traggerüst
des Hubschraubers zerlegbar oder zusammenklappbar gestaltet wird.
Eine zusammenklappbare Variante von Hubschrauber 1 mit
nur drei Gelenken misst im zusammengeklappten Zustand nur 500 mm × 100 mm × 100 mm. Eine
steckbare Version mit fünf
Baugruppen erlaubt noch kompaktere Transportabmessungen.
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Bei
den zwei Kameras 5 handelt es sich um Platinenkameras.
Die Kameraoptik ist jeweils direkt an der Platine 6 befestigt
(7), welche die zur Kamera gehörige Elektronik beherbergt.
Eine solche Einheit wiegt nur ca. 20 g, je nach Qualität.
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Die
Platine 6 wiederum ist direkt am Drehabtrieb 8 der
Rudermaschine 7 (Servo) gehaltert.
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Die
Rudermaschinen 7 sind über
die Schwingungsisolierungen 13 am Traggerüst 11 befestigt.
Die Schwingungsisolierungen 13 sind aus einem weichen,
vibrationsdämpfenden
Material gefertigt. Damit werden störende Schwingungen von den
Kameras ferngehalten.
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Mit
Drehung des Abtriebs 8 der Rudermaschine 7 wird
auch die daran befestigte Kamera 5 geschwenkt. Somit ist
die Kamera schwenkbar um eine Achse, die parallel zur Querachse
des Hubschraubers orientiert ist. Die Anordnung erlaubt je nach
Position des Drehabtriebs 8 einen Kamerablick waagrecht
nach vorne, also in Richtung der Längsachse des Hubschraubers
(Cockpit-Sicht, 8), schräg nach unten (9),
oder auch senkrecht nach unten (10). Optional
sind auch andere Kamerapositionen möglich, z. B. Blick nach oben.
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Die
Drehlagerung von Kamera 5 und Abtrieb 8 sind jeweils
identisch. Zur Lagerung der Kamera 5 ist keinerlei Aufwand
erforderlich, weil die Lagerung mit den Rudermaschinen 7 bereits
mitgeliefert wird. Die Lösung
ist mechanisch einfach, reibungsarm und gewichtsgünstig zugleich.
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Mit
den flexiblen elektrischen Leitungen 14 sind die Kameras 5 und
die Rudermaschinen 7 mit der zentralen Steuereinheit 12 elektrisch
verbunden. Die Kabel sind im Innern des Traggerüsts 11 verlegt.
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Der
horizontale Öffnungswinkel
der Kameraoptik beträgt
im Ausführungsbeispiel
40 Grad, der vertikale 30 Grad. Mit diesen Daten wird dem am Boden
befindlichen Bediener 9 eine realistische Cockpit-Sicht
aus dem Hubschrauber geboten („natürlicher
Bildausschnitt").
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Im
Ausführungsbeispiel
sind zwei Kameras vorhanden, um dem Bediener 9 einen dreidimensionalen Eindruck
zu vermitteln. Hierzu liegen die optischen Achsen der zwei Kameras
parallel, mit einem Abstand von 130 mm. Die Parallelität wird auch
bei Schwenken der Kameras gewährleistet,
weil die Rudermaschinen synchron bewegt werden. Beide Kameras nehmen
somit (fast) das gleiche Bild auf, allerdings aus einer geringfügig anderen
Perspektive. Dem rechten Auge des Bedieners wird das Bild der rechten
Kamera angeboten, dem linken Auge das der linken Kamera. So entsteht
ein dreidimensionaler Bildeindruck beim Bediener, mit dem er Entfernungen
viel besser einschätzen
kann. Er kann den Hubschrauber sicherer steuern, insbesondere Hindernisse
leichter erkennen und ausweichen.
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Der
im Ausführungsbeispiel
vorgesehene Abstand der beiden Kameras von 130 mm ist etwas größer als
der menschliche Augenabstand. Damit wird der 3D-Effekt gegenüber der
normalen Sicht verstärkt.
Je größer der
Kameraabstand, umso leichter können
auch verschiedene, größere Entfernungen
unterschieden werden. Bei zu großem Kameraabstand treten jedoch
in der Nahsicht unangenehme „Verzerrungen" auf – mitunter geht
der 3D-Bildeindruck gänzlich
verloren. 130 mm ist ein günstiger
Wert. Je nach Entfernung der Zielobjekte und je nach Sehgewohnheit
können
jedoch auch andere Werte sinnvoll sein.
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Bei
Verzicht auf dreidimensionales Sehen kann auf die zweite Kamera
verzichtet werden (Gewichts- und Kostenersparnis).
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Optional
kann eine Kamera auch mit einem Gehäuse versehen sein. Das Gehäuse kann
auch mehrere Kameras umgeben. Es können beispielsweise zwei Kameras
zu einer „Stereokamera" zusammengefasst
sein.
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11 zeigt
eine Variante der Kameraschwenkmechanik. Gegenüber der Lösung nach 7 ist
eine Rudermaschine 7 eingespart. Beide Kameras 5 werden
mit einer einzigen Rudermaschine bewegt. Die Kameras 5 mit
den Platinen 6 sind am Rohr 16 befestigt und miteinander
verbunden. Das rechte Ende des Rohrs ist am Abtrieb 8 der
Rudermaschine 7 gehaltert, das linke im Lager 15 drehbar
geführt.
Das Gewicht der kompletten Schwenkmechanik nach 11 beläuft sich
auf 8 g inklusive Rudermaschine (7: 11 g).
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Die
luftgestützte
Beobachtung mit dem vorgestellten System kann wie folgt aussehen:
Der Bediener und Betrachter 9 (1 bis 4)
steuert das Fluggerät
manuell mit einem Fernsteuersender anhand der Kamerabilder, die
laufend echtzeitnah in das bildgebende System 17 eingespeist
werden. Er sieht die Umgebung des Hubschraubers, als ob er darin
säße. Für den normalen
Flugbetrieb ist die Kamera horizontal ausgerichtet (wie in 8)
oder (leicht) nach unten geneigt (9).
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Weil
die Kamera nicht nach rechts oder links geneigt wird, eben nur um
eine zur Querachse parallelen Achse geschwenkt werden kann, ist
der Bediener stets im Bilde, wo am Hubschrauber vorne liegt, nämlich in Bildmitte.
Damit wird die Steuerung erheblich erleichtert.
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Ein
Steuerbefehl „nach
vorne fliegen" beispielsweise
führt immer
dazu, dass sich der Hubschrauber auf das im Bild dargestellte Zielobjekt
zu bewegt. Steuerbefehl „rechts" führt aus
Sicht des Bedieners stets zu einer Flugbewegung nach „rechts". Bei den anderen
Funktionen ist es analog. Eine „Umkehr" von rechts/links oder vorne/hinten
findet nicht statt.
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Für den Blick
nach rechts und links wird der ganze Hubschrauber um seine Hochachse
gedreht (Gierfunktion). Auf diese Weise kann sich der Bediener jederzeit
einen Rundumblick verschaffen, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Schwenkmechanismus
für die
Kamera erforderlich wäre
(Umsetzung Minimalprinzip durch Funktionskombination).
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Gerade
bei dieser Steuerfunktion kommen die Vorteile des 4-rotorigen Hubschraubers
zum tragen. Die Gierfunktion ist entkoppelt von den anderen Steuerfunktionen.
Bei irgendeinem Steuerbefehl (Nicken, Rollen, Gieren oder Auf/Ab)
des Hubschraubers muss kein anderer Steuerbefehl zur Kompensation
von Nebeneffekten ausgelöst
werden. (Beim konventionellen Hubschrauber hingegen sind solche
unerwünschten
Koppelungen bekannt. Beispiel: Auf/Ab verändert Drehmoment – Kompensation
durch Heckrotor erforderlich.)
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Außerdem hat
der 4-rotorige Hubschrauber keine Vorzugsflugrichtung wie konventionelle
Typen. Er kann nach vorne/hinten, rechts/links gleichermaßen bewegt
werden. Damit ist es möglich,
den Hubschrauber jederzeit in eine solche Position um seine Hochachse
zu drehen, dass die gewünschte
Szenerie im Kamerabild zu sehen ist. Der Hubschrauber kann dabei
an einem Ort fliegend verweilen (Schwebeflug), nach vorne, hinten oder
zur Seite bewegt werden, bei stets neutralem Steuerverhalten, insbesondere
ohne sich selbsttätig
in Flugrichtung nach vorne auszurichten. (Die Neigung „mit der
Nase voraus zu fliegen" kennt
man von herkömmlichen
Hubschraubern. Grund ist die Windfahnenwirkung von Heckausleger
und Heckrotor.)
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Dieses
besondere Flugverhalten von 4-Rotorenhubschraubern bleibt auch bei
Wind erhalten (vorausgesetzt die Anströmgeschwindigkeit am Hubschrauber
liegt unter der Auslegungsfluggeschwindigkeit). Der Schwebeflug
ist bei jeder beliebigen Windrichtung möglich, ohne störenden Momente
um die Hochachse. (Konventionelle Hubschrauber drehen sich mehr
oder weniger in den Wind.)
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Als
Flugmanöver
des erfindungsgemäßen Hubschraubers
seien beispielhaft genannt: Verfolgung eines flüchtigen Bankräubers in
der Stadt (Vorwärtsflug). „Abfliegen" der Parkreihen eines
Parkhauses mit Identifikation der Autokennzeichen (Querflug). Umkreisen
eines Zielobjekts, z. B. eines brennenden Gebäudes, das permanent im Bild
bleibt (Querflug mit Drehung).
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Beim
Ausführungsbeispiel
wurde die Schwenkbarkeit der Kamera mit nur einem einzigen Freiheitsgrad
umgesetzt, nämlich
Schwenken um eine querliegende Achse. Mit diesem Freiheitsgrad allein
kann – in Kombination
mit der Gierfunktion des Hubschraubers – die Kamera in jeder möglichen
Fluglage in jede beliebige Richtung gedreht werden (Umsetzung des
Minimalprinzips durch Verzicht auf entbehrliche Freiheitsgrade).
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Gegenüber der
Alternative, mehreren (starr montierte) Kameras für verschiedene
Richtungen zu verwenden, hat das vorgestellte Konzept mit schwenkbaren
Kameras Vorteile bei Kosten und Gewicht.
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Die
Kameras sind schwerpunktnah am Hubschrauber angebracht (wichtig
wegen Massenträgheit,
Gesamtschwerpunkt und Flugverhalten), mit nahezu freier Sicht in
alle relevanten Richtungen. (Nur die Rotorblätter durchkämmen das Bild bei bestimmten
Kamerapositionen.)
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Die
Schwenkbarkeit der Kameras leistet im Flugbetrieb wertvolle Dienste.
Für den
Marschflug (nach vorne) wird man die Kameras vorzugsweise horizontal
nach vorne ausrichten, bei hoher Fluggeschwindigkeit ggf. zur Längsachse
leicht nach oben stellen, um die „Schräglage" des Hubschraubers im Schnellflug zu
kompensieren. Manches Zielobjekt kann nur von oben eingesehen werden,
beispielsweise ein Innenhof zwischen Gebäuden. Hier wird man die Kameras
vorübergehend
in eine senkrechte Position bringen. Eine günstige Kamerastellung für viele
Flugsituationen ist leicht nach unten geneigt. Man sieht im unteren
Bildteil den Untergrund (wichtig bei der Landung) und im oberen
gerade noch den Horizont (hilfreich zur Orientierung).
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Der
Bediener steuert insgesamt fünf
Funktionen: Rollen, Nicken, Gieren, Auf/Ab sowie den Schwenkwinkel
der Kamera(s). Diese Funktionen können in zwei Klassen eingeteilt
werden:
- • Rollen,
Nicken und Auf/Ab dienen vornehmlich der Bewegung des Fluggeräts im Raum.
- • Mit
Gieren und Schwenkwinkel wird im Raum „optisch navigiert" und das jeweilige
Zielobjekt fokussiert (Gieren für „rechts-links-scrollen", Schwenkwinkel für „rauf-runter-scrollen).
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass diese fünf Funktionen von einem einzigen
Bediener simultan beherrscht werden können, insbesondere wenn die
beiden Funktionsklassen auf verschiedene Bedienelemente verteilt
sind. Wären
weitere Funktionen implementiert (z. B. weitere Kameraverstellmöglichkeiten)
wäre der Bediener überfordert,
je nach Flugaufgabe. Die Bedienbarkeit wird entscheidend geprägt von den
Flugeigenschaften und dem Steuerverhalten des Hubschraubers. Mit
4-rotorigen Hubschraubern wurden die besten Ergebnisse erzielt.
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Die
Arbeit des Bedieners kann durch zusätzliche Ausstattung und elektronische
Hilfen (weitergehende Fluglagestabilisierung, GPS, Zoomfunktion
an Kameras etc.) unterstützt
und erleichtert werden.
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Bei
ausgeprägter
Fluglagestabilisierung mithilfe von Sensoren zur Erfassung der Flugbewegungen
aller sechs Freiheitsgrade im Raum kann ein Mehrrotorenhubschrauber
soweit stabilisiert werden, dass er längere Zeit auch ohne Steuereingriff
an einer Stelle fliegend verharrt. Dieser selbststabilisierte Schwebeflug
eröffnet
dem Bediener zusätzliche
flugtaktische Möglichkeiten.
Er kann das Fluggerät
irgendwo in der Luft "parken", einfach dadurch,
dass er die Hände
von den Steuerelementen nimmt. Jetzt kann er sich voll auf andere Aufgaben
konzentrieren, kann z. B. seinen Standort wechseln. Danach kann
er die Luftbeobachtung wieder fortsetzen und den Hubschrauber woanders
hin dirigieren. Bei einem derart stabilisierten Fluggerät ist auch hierfür kein fliegerisches
Geschick erforderlich.
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Einige
flugtaktische Möglichkeiten
seien kurz erwähnt:
Der Hubschrauber kehrt nach Gewinnung optischer Informationen vom
Zielobjekt zum Bediener zurück
(Standardfall). Er kann aber auch bewußt nur einmal verwendet werden
und nicht mehr zurückkehren
(z. B. Brandbeobachtung bis Systemausfall infolge Wärmeeinwirkung).
Weitere Exemplare können
hinterher starten. Der Hubschrauber kann (irgendwo) zwischenlanden
und wieder starten. Er kann weiterhin (am Boden) stehend optische
Informationen von einem Zielobjekt gewinnen.
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Bei
vielen Einsätzen
in urbanem Gelände
darf vom Fluggerät
selbst keine Gefahr ausgehen, weder für Personen, noch für Sachen
(Fahrzeuge, Gebäude
etc.). Auch in diesem Punkt besticht der in den Ausführungsbeispielen
vorgestellte Hubschrauber. Die kinetische Energie bei einem Absturz
ist klein, wegen des niedrigen Abfluggewichts von nur 350 g.
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Auch
beim Gefährdungspotenzial
durch die drehenden Rotoren hat das vorgestellte Konzept Vorteile. 4
kleine Rotoren sind weniger gefährlich
als ein großer
wie beim konventionellen Hubschrauber. Die jeweilige Antriebsleistung
(hier ca. 6 W) ist viel kleiner und die Rotoren sind viel leichter
(hier ca. 7 g). Beides zusammen bewirkt, dass die Rotoren ohne ernsthafte
Verletzungen mit der Hand angehalten werden können. (Beim konventionellen
Hubschrauber hingegen geht eine erhebliche Gefahr vom Hauptrotor
aus. Rotormasse und Massenträgheitsmoment
steigen überproportional
mit dem Durchmesser an. Hinzu kommt, dass konventionelle Rotoren
oft ganz gezielt mit höherem
Massenträgheitsmoment
konzipiert werden, um die Autorotationseigenschaften zu verbessern.
Manchmal werden sogar zusätzliche
Gewichte angebracht.)
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Das
Gefährdungspotenzial
kann durch Kollisionsschutzsysteme weiter reduziert werden (z. B.
mit am Traggerüst
gehalterten Schutzringen oder Schutzbügeln an den Rotoren).
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Fazit:
Das erfindungsgemäße System
auf Basis eines ferngesteuerten Hubschraubers erfüllt die
Anforderungen zur Gewinnung optischer Informationen aus der Luft
in idealer Weise, auch in urbanem Gelände, auf engstem Raum, zwischen
Hindernissen, über
Menschenmengen und im Innern von Gebäuden. Grundlage ist die Verwendung
eines bildgebenden Systems am Kopf eines Bedieners, das sowohl eine
Cockpit-Sicht aus dem Hubschrauber, wie auch eine Sicht auf die
Umgebung des Bedieners zulässt.
Der Bediener ist mobil, kann sich während des Hubschrauberfluges
fortbewegen.
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Einige
wesentliche Vorteile des Systems, wie in den Ausführungsbeispielen
beschrieben, werden abschließend
stichwortartig aufgelistet:
- • Rundum-Kamerasicht,
in jeder Flugsituation, auch 3D
- • Ständige Kontrolle über Hubschrauber
- • Leicht
bedienbar – Bediener
kann noch anderen Aktivitäten
nachgehen
- • Kompakt
und leicht, geringe Transportabmessungen
- • Hubschrauber:
einfacher Aufbau, mechanisch robust, zuverlässig, energetisch effizient
(lange Flugzeit), relativ ungefährlich,
geringes Fluggeräusch
- • Vielfältige flugtaktische
Möglichkeiten
-
- 1
- Hubschrauber
- 2
- Hubeinheit
- 3
- Rotor
- 4
- Elektromotor
- 5
- Kamera
- 6
- Platine
- 7
- Rudermaschine
- 8
- Abtrieb
- 9
- Bediener
- 11
- Traggerüst
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Schwingungsisolierung
- 14
- elektrische
Leitung
- 15
- Lager
- 16
- Rohr
- 17
- bildgebendes
System
- 18
- Visier
