DE102005020594A1 - Unmanned observation helicopter has two remote control cameras for stereo effect - Google Patents
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Abstract
Description
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Hubschrauber sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen.helicopter are rotorcraft aircraft with at least a motor-driven rotor. There are numerous embodiments with different numbers of rotors in different arrangements.
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.little one and light helicopters win in airborne observation (Observation from the air, extraction of optical information from an aircraft from) increasingly important. It dominates the classic embodiment with a main rotor, primarily for lift generation, and a Tail rotor for the torque compensation.
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.disadvantage this concept: about 20% of the drive power will be for the tail rotor needed and do not stand for the buoyancy available (reduced energy efficiency). Furthermore, the mechanics of the control is relative costly and complicated (collective & cyclic pitch, stabilization systems Etc.). Furthermore feature Helicopters of this type over a rather low flight stability.
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.at the propulsion technology of helicopters for airborne observation You can find the most common internal combustion engines. The electric drive is on the rise, however. Some advantages: quiet, reliable, weather-independent operating behavior, fine controllability, low vibration. The trend towards electric drive is forced by the continuous development of electrical energy storage, towards ever higher Energy and power density.
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.nevertheless is far from reaching the level of fossil fuels here, therefore the energetic efficiency in the development of electric helicopters always a big one Role plays to sufficiently long flight times and sufficient payloads to achieve. Above all, consistent lightweight construction is important.
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.to Obtaining the image information will be in the airborne observation Cameras of different types used. High picture quality was so far associated with relatively high weight, which prohibited the use in particularly compact helicopters. With the progressive miniaturization of camera technology can also this field of application will be tapped.
Die Praxistauglichkeit von Hubschraubern zur luftgestützten Beobachtung hängt wesentlich von der Art der Flugführung ab. Zwei Ansätze wurden bisher schwerpunktmäßig verfolgt:The Practicality of helicopters for airborne observation depends essentially on the type of flight guidance from. Two approaches So far, the focus has been on:
a) Manuelle Steuerung auf Sicht (wie Modellhubschrauber)a) Manual control on sight (like model helicopter)
Ein am Boden stehender Pilot sieht und beurteilt Fluglage und Bewegung des Hubschraubers und steuert das Gerät manuell mit einem Fernsteuersender.One Pilot standing on the ground sees and assesses attitude and movement of the helicopter and controls the device manually with a remote control transmitter.
Vorteile:Advantages:
- • Relativ geringer technischer Aufwand• Relative low technical effort
- • Große Variabilität bei den Flugbewegungen – schnelle Änderungen möglich. Auch plötzlichen Hindernissen kann ausgewichen werden. Zielverfolgung möglich.• Great variability in the Flight movements - fast changes possible. Also sudden Obstacles can be avoided. Target tracking possible.
- • Schnelle Inbetriebnahme (keine Flugplanung an einer Bodenstation)• Fast Commissioning (no flight planning at a ground station)
Nachteile:Disadvantage:
- • 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.• Difficult service It requires special flying skills, which severely restricts the users of this type of control. difficulties Above all, the detection of the attitude as well as the sense-corrective activity the control functions in different flight situations. flies the helicopter z. B. on the pilot, are "reversed right and left": Controls the pilot to the right, the helicopter flies as seen from the pilot Left.
- • 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).• Range of application is limited The range is limited by the visibility, in which the attitude can still be reliably detected. It is depending on the size and geometry of the helicopter only about 50 to several hundred meters, at üb Overall dimensions of about 0.5 to about 3 m. An interruption of the line of sight usually leads to a crash after a short time, because necessary tax corrections do not occur. For the airborne observation in urban terrain (between buildings, vegetation) therefore only conditionally suitable (line of sight interrupted more often).
b) Automatische Flugführungb) Automatic flight guidance
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.Of the Flight is at a ground station, z. A special computer, planned. For this purpose, path coordinates are typically specified, the the aircraft subsequently without manual control interventions automatically.
Vorteile:Advantages:
- • Kein fliegerisches Geschick erforderlich• None flying skills required
- • Funktioniert auch ohne Sichtverbindung• Works also without line of sight
Nachteile:Disadvantage:
- • Zeitverlust bis zum Einsatz durch vorherige Flugplanung• loss of time until use by previous flight planning
- • Hoher technischer Aufwand, teuer• higher technical effort, expensive
- • (Noch) eher größeren Hubschraubern vorbehalten (aufwändige, schwerere Technik benötigt höhere Nutzlast)• (Yet) rather larger helicopters reserved (elaborate, heavier technology needed higher Payload)
- • 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.• low variability in the flight movements - no fast changes possible. A new route requires new time-consuming inputs. obstacles Dodge hardly possible. Too inflexible for target tracking. For the airborne Observation in urban terrain - between Obstacles - therefore poorly suited.
- • Mobilität des Bedieners durch sperrige Bodenstation eingeschränkt.• Mobility of the operator limited by bulky ground station.
Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass es recht schwer ist, einen Hubschrauber manuell nach Kamerabild fernzusteuern, das Fluggerät sicher im Raum zu navigieren. Ein zentrales Problem ist das Abschätzen von Entfernungen. Ob ein Hindernis noch weiter weg ist oder so nah, dass ein Ausweichmanöver vonnöten ist, kann nur schwer beurteilt werden. Besonders heikel sind die Verfolgung von bewegten Zielobjekten und der Einsatz bei beengten Platzverhältnissen (z. B. zwischen oder im Innern von Gebäuden).own Research has shown that it is quite difficult to use a helicopter remote control to camera image, the aircraft safely to navigate in the room. A central problem is the estimation of Distances. Whether an obstacle is further away or so close that an evasive maneuver is needed, can be difficult to assess. Particularly sensitive are the persecution of moving targets and use in confined spaces (eg between or inside buildings).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten ferngesteuerten Hubschrauber zur luftgestützten Beobachtung anzugeben, mit dem insbesondere die Beobachtungsaufgabe besser gelöst werden kann, auch bei beengten Platzverhältnissen und für die Verfolgung bewegter Ziele. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur luftgestützten Beobachtung bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, an improved remote-controlled Helicopters for airborne Observation, in particular the observation task better solved can be, even in confined spaces and for the pursuit moving goals. The invention is further based on the object to provide an improved method of airborne observation.
Kurzer Abriss der ErfindungShort outline the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit einem unbemannten, funkferngesteuerten Hubschrauber zur Beobachtung aus der Luft, wobei am Hubschrauber wenigstens zwei Kameras mit einem Abstand von 5 cm bis 50 cm (gemessen von Objektivmitte zu Objektivmitte) vorgesehen sind, deren optische Achsen näherungsweise in gleicher Richtung orientiert sind, mit einer Winkelabweichung von einer Kamera zur anderen von maximal 20 Grad. Mithilfe dieser Technik kann ein dreidimensionaler Bildeindruck beim Betrachter der Kamerabilder erzeugt werden, mit dem Entfernungen viel besser abgeschätzt werden können.According to the invention Task solved with an unmanned, remote-controlled helicopter for observation from the air, with at least two cameras on the helicopter a distance of 5 cm to 50 cm (measured from the lens center to Lens center) are provided, the optical axes approximately oriented in the same direction, with an angular deviation from one camera to another of a maximum of 20 degrees. Using this Technology can be a three-dimensional image impression in the viewer The camera images are generated with the distances much better estimated can be.
Zur Übertragung der Kamerabilder zum Betrachter gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nach einer ersten 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.For transmission The camera images to the viewer, there are various options. According to a first embodiment the invention can for two cameras each one transmitter for wireless transmission of the camera images be provided. With that you can the picture information for get each camera separately to the ground, received there separately and provided to a viewer as a three-dimensional image.
Der Abstand von zwei Kameras kann vorzugsweise zwischen ungefähr 7 cm und ungefähr 20 cm liegen. Die optischen Achsen von wenigstens zwei Kameras können näherungsweise in gleicher Richtung orientiert sein, mit einer kleineren Winkelabweichung von maximal 5 Grad zueinander.Of the Distance from two cameras may preferably be between about 7 cm and about 20 cm are. The optical axes of at least two cameras can approximate oriented in the same direction, with a smaller angular deviation of a maximum of 5 degrees to each other.
Wenigstens zwei Kameras können mit Mechanik zum Schwenken versehen sein, mit der die Kameras relativ zum Hubschrauber gemeinsam ferngesteuert geschwenkt werden können. Die Schwenkbewegungen von vorzugsweise genau zwei Kameras können gekoppelt sein, z. B. logisch, elektrisch oder mechanisch.At least two cameras can be equipped with panning mechanism, with which the cameras can be pivoted together remotely relative to the helicopter. The pivoting movements of preferably exactly two cameras can be coupled, z. B. logical, electrical or mechanical.
Bei der Mechanik zum Schwenken einer Kamera gibt es viele Gestaltungsvarianten. Die Mechanik kann Schwenkbewegungen von wenigstens zwei Kameras um Achsen ermöglichen, die näherungsweise parallel zur Querachse des Hubschraubers liegen. Unter "näherungsweise parallel" ist zu verstehen, dass die Achsen um nicht mehr als 20 Grad zueinander geneigt sich, bevorzugt nicht mehr als 5 Grad. Die Achsen können besonders bevorzugt miteinander fluchten.at The mechanics for panning a camera are many design variants. The mechanics can swing movements of at least two cameras to enable axes the approximate lie parallel to the transverse axis of the helicopter. By "approximately parallel" is meant that the axes are inclined no more than 20 degrees to each other, preferably not more than 5 degrees. The axes may be particularly preferred with each other aligned.
Bei der Schwenkbewegung einer Kamera können verschiedene Freiheitsgrade genutzt werden. Oder auch nur ein einziger.at The pivoting movement of a camera can have different degrees of freedom be used. Or even a single one.
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.Of the Swing mechanism may include a rowing machine. The rotation axis the output of a rowing machine can simultaneously also a rotation axis represent a pivoting movement of a camera. The storage of the The output of a rowing machine and the bearing of the swivel mechanism of a camera can be identical be. A camera can be mounted on the output of a rowing machine be.
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. Eine Kamera kann bevorzugt derart schwenkbar ausgeführt sein, dass die optische Achse in einer Kameraposition nach schräg unten gerichtet ist, oder auch senkrecht nach unten.The optical axis of a camera (camera optics axis, recording direction) can approximate in a camera position in the hover of the helicopter lie horizontally, z. For example the camera view to the front ("cockpit view"). The optical axis can approximate in a camera position parallel to the longitudinal axis of the helicopter. A camera can preferably be pivoted in such a way accomplished be that the optical axis in a camera position down obliquely is directed, or vertically downwards.
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.To a further embodiment According to the invention, a camera may be a so-called board camera or include such. Here is the camera optics directly a (small) evaluation electronics (board) connected - a compact Lightweight construction.
Ferner ist es möglich, eine Kamera schwingungsisoliert am Hubschrauber zu befestigen, um beispielsweise Bildunschärfen durch mechanische Schwingungen zu unterbinden.Further Is it possible, a vibration-proof camera to attach the helicopter to for example, image blurs to prevent by mechanical vibrations.
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.Weight and size of the helicopter can vary. Preferably a take-off mass is below about 5 kg, more preferably below about 1 kg. The largest dimensions may preferably be below about 1.2 m.
Der Hubschrauber kann ferner elektrisch angetrieben sein. Er kann mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens einem den Rotor antreibenden Elektromotor ausgebildet sein.Of the Helicopters may also be electrically powered. He can with three or more lifting units each having at least one rotor and be formed at least one rotor driving the electric motor.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren bereitgestellt zur Beobachtung aus der Luft mithilfe eines funkferngesteuerten Hubschraubers, wobei am Hubschrauber wenigstens zwei Kameras mit einem Abstand von 5 cm bis 50 cm vorgesehen sind, deren optische Achsen näherungsweise in gleicher Richtung orientiert sind (mit einer Abweichung von maximal 20 Grad zueinander). Das Verfahren enthält die Schritte:
- • Übertragung der Kamerabilder per Funk zum Boden;
- • Darstellen der Kamerabilder mit einem bildgebenden System, und zwar für das rechte Auge eines Betrachters das Bild einer Kamera und für das linke Auge desselben Betrachters das einer anderen Kamera; und
- • Anfliegen eines zu beobachtenden Zielobjekts mithilfe von Kamerabildern.
- • transmission of the camera images by radio to the ground;
- • displaying the camera images with an imaging system, for one viewer's right eye the image of one camera and for the left eye of the same observer that of another camera; and
- • Approaching a target to be observed using camera images.
Die von einem bildgebenden System dargestellten Kamerabilder von zwei Kameras können einen dreidimensionalen Bildeindruck beim Betrachter erzeugen.The camera images of two displayed by an imaging system Cameras can create a three-dimensional image impression in the viewer.
Bevorzugt können zwei ferngesteuert schwenkbare Kameras gemeinsam auf ein Zielobjekt per Fernsteuerung ausgerichtet werden.Prefers can two remote-controlled swivel cameras together on a target object be aligned by remote control.
Das Verfahren kann in urbaner Umgebung eingesetzt werden, vorzugsweise in einem Umkreis von ungefähr 1 km.The Method can be used in urban environment, preferably in a radius of about 1 km.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.Further Aspects and advantages of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments, which will be explained with reference to the following figures.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindungdescription preferred embodiments the invention
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 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.To a preferred embodiment the invention provides a specific type of helicopter, namely those with three or more lifting units (so-called multi-rotor helicopters). Under lifting unit, the combination of at least one rotor with understood at least one motor driving the rotor. The lifting units can also contain other components, eg. B. gear or speed controller. The combination of exactly one rotor with exactly one motor is the most frequent execution a lifting unit. The axes of the rotors are typically (approximately) vertical. The rotors serve primarily the lift generation - therefore the name lifting unit.
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.highlight is the 4-rotor helicopter, which has system-related advantages and whose economic benefits are increasing, accelerated by current ones Developments of improved attitude stabilization techniques, which are particularly effective in this helicopter type to let. Among the advantages of the 4-rotor concept is the possibility a controller to all axes alone about the speed of four rigid Rotors, so without mechanics except rotating shafts, in particular without collective and cyclic rotor blade adjustment (see following table). 4-rotor helicopters can accordingly be built mechanically very minimalist.
Anmerkung:
Im Beispiel laut Tabelle liegen die 4 Rotoren "auf Achse", im Ausführungsbeispiel nach
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.In the plan view are the lifting units of 4-rotor helicopters almost always arranged at the corners of a square, often at the corners a square. The center distances are usually so big that the circular surfaces defined by the rotors are straight do not overlap. With that you can the rotors are arranged on one level without touching each other.
Aus Gründen der aerodynamischen Effizienz sollten die Rotoren eher große Durchmesser aufweisen (niedrige Kreisflächenbelastung). Diese Forderung konkurriert mit dem Streben nach kompakten Abmessungen.Out establish For aerodynamic efficiency, the rotors should be rather large in diameter have (low circular surface load). This requirement competes with the pursuit of compact dimensions.
Die
In
der Steuereinheit
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.The execution With two separate transmitters has the advantage of being on market components resorted can be. That applies to the entire chain of camera, transmitter and receiver (for receiving the camera images on the ground). requirement for this solution is that each chain works on a different frequency. Another Advantage: The image transfer is redundant. In case of failure of a component or a radio interference is only one chain affected. The other one provides further image information.
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.alternative can However, functions are summarized, for. B. by weight to save. So can two cameras are combined with a transmitter and a receiver.
Die
technischen Daten des Hubschraubers
Bei
den zwei Kameras
Die
Platine
Die
Rudermaschinen
Mit
Drehung des Abtriebs
Die
Drehlagerung von Kamera
Mit
den flexiblen elektrischen Leitungen
Der
horizontale Öffnungswinkel
der Kameraoptik beträgt
im Ausführungsbeispiel
40 Grad, der vertikale 30 Grad. Mit diesen Daten wird dem am Boden
befindlichen Betrachter
Im
Ausführungsbeispiel
sind zwei Kameras vorhanden, um dem Betrachter
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.Of the in the embodiment provided distance of the two cameras of 130 mm is slightly larger than the human eye distance. This is the 3D effect over the reinforced normal view. The bigger the Camera distance, the easier it can be also different, larger distances be differentiated. However, if the camera distance is too great, in the near-sight unpleasant "distortions" - sometimes goes the 3D image impression entirely lost. 130 mm is a cheaper one Value. Depending on the distance of the target objects and depending on viewing habits can however, other values may be useful.
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.optional a camera can also be provided with a housing. The housing can also surrounded several cameras. It can, for example, two cameras combined into a "stereo camera" be.
Die
luftgestützte
Beobachtung mit dem vorgestellten System kann wie folgt aussehen:
Der Bediener und Betrachter
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.Because the camera is not tilted to the right or left, just to is an axis parallel to the transverse axis can be pivoted is the operator always in the picture, where the helicopter is in front, namely in the middle of the picture. This considerably simplifies the control.
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.One Control command "after for example, fly in the front always leads that the helicopter on the target object shown in the picture too moved. Control command "right" executes View of the operator always to a flight movement to "right". With the other Functions it is analog. A "reversal" from right / left or front / back does not take place.
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 eine Kamera erforderlich wäre (Umsetzung Minimalprinzip durch Funktionskombination).For the look to the right and left is the whole helicopter around its vertical axis rotated (yaw function). In this way, the operator can be at any time provide a 360 ° view without the need for an additional swivel mechanism for one Camera would be required (Implementation of the minimal principle by combination of functions).
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.) 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.)Especially with this control function, the advantages of the 4-rotor helicopter come to fruition. The yaw function is decoupled from the other control functions. Any command (pitch, roll, yaw, or up / down) of the helicopter does not require another command to compensate for side effects. (Conventional helicopters, on the other hand, are known for such unwanted couplings.) Example: Up / down changes torque compensation required by tail rotor.) Also the 4-rotor helicopter has no preferred flight direction as conventional types. It can be moved forwards / backwards, right / left alike. This makes it possible to rotate the helicopter at any time in such a position about its vertical axis, that the desired scenery can be seen in the camera image. The helicopter can stay in one place flying (hovering), moved forward, backward or sideways, with always neutral control behavior, in particular without automatically aligning forward in the direction of flight. (The propensity to "fly ahead" is familiar from conventional helicopters because of the wind vane effect of the tail boom and tail rotor.)
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.)This special flight behavior of 4-Rotorenhubschraubern remains at Wind received (assuming the flow velocity at the helicopter is below the design airspeed). The hover is possible in any wind direction, without disturbing moments around the vertical axis. (Conventional helicopters are spinning more or less in the wind.)
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).When maneuvers the helicopter of the invention may be mentioned as an example: persecution of a fugitive bank robber in the city (forward flight). "Flying off" the park rows of a Parking garage with identification of the license plates (cross-flight). Circle of a target object, e.g. B. a burning building that is permanently in the picture remains (cross flight with rotation).
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).At the embodiment was the pivoting of the camera with only a single degree of freedom implemented, namely Pan about a transverse axis. Alone with this degree of freedom can - in combination with the greed function of the helicopter - the camera in every possible Attitude can be turned in any direction (implementation of the Minimal principle by dispensing with unnecessary degrees of freedom).
Gegenüber der Alternative, mehreren (starr montierte) Kameras für verschiedene Richtungen zu verwenden, hat das vorgestellte Konzept mit schwenkbaren Kameras Vorteile bei Kosten und Gewicht.Opposite the Alternative, several (rigidly mounted) cameras for different To use directions, the concept presented has with swiveling Cameras advantages in costs and weight.
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.)The Cameras are mounted close to the helicopter (important because of inertia, Overall center of gravity and flight behavior), with virtually unlimited visibility in all relevant directions. (Only the rotor blades comb the picture at certain Camera positions.)
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).The Pivoting the cameras makes valuable service in flight operations. For the Cruise flight (forward), the cameras are preferably horizontal Align to the front, at high airspeed possibly to the longitudinal axis slightly upward to the "tilt" of the helicopter in the high-speed flight too compensate. Some target objects can only be viewed from above, for example, a courtyard between buildings. Here you become the cameras temporarily put in a vertical position. A cheap camera position for many Flight situations is slightly inclined downwards. You can see in the bottom Picture part of the underground (important when landing) and in the upper just the horizon (helpful for orientation).
Der Bediener steuert insgesamt 5 Funktionen: Rollen, Nicken, Gieren, Auf/Ab sowie den Schwenkwinkel der Kamera(s). Diese Funktionen können in 2 Klassen eingeteilt werden:
- a) Rollen, Nicken und Auf/Ab dienen vornehmlich der Bewegung des Fluggeräts im Raum.
- b) Mit Gieren und Schwenkwinkel wird im Raum „optisch navigiert" und das jeweilige Zielobjekt fokussiert (Gieren für „rechts-links-scrollen", Schwenkwinkel für „rauf-runter-scrollen).
- a) Roll, pitch and up / down serve primarily the movement of the aircraft in space.
- b) With yaw and swivel angle in the room "visually navigated" and focused the respective target object (yaw for "right-left-scroll", swivel angle for "up-down-scroll).
Die Erfahrung hat gezeigt, dass diese 5 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.The Experience has shown that these 5 functions of a single Operators can be controlled simultaneously, especially if the two functional classes are distributed to different controls. Would be more Functions implemented (eg additional camera adjustment options) would be the Operator overwhelmed, depending on the flight task. The operability is decisively influenced by the Flight characteristics and the helicopter's control behavior. With 4-rotor helicopters have achieved the best results.
Die Arbeit des Bedieners kann durch zusätzliche Ausstattung und elektronische Hilfen (weitergehende Fluglagestabilisierung, GPS, Zoomfunktion an Kameras etc.) unterstützt und erleichtert werden.The Work of the operator may be through additional equipment and electronic Helps (advanced attitude stabilization, GPS, zoom function on cameras etc.) and be relieved.
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.at many uses in urban terrain allowed by the aircraft no danger, neither to persons nor to things (Vehicles, buildings Etc.). Also in this point impresses in the embodiments presented helicopters. The kinetic energy in a crash is small, because of the low take-off weight of only 350 g.
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.) Das Gefährdungspotenzial beim erfindungsgemäßen Hubschrauber kann durch Kollisionsschutzsysteme weiter reduziert werden (z. B. mit am Traggerüst gehalterten Schutzringen oder Schutzbügeln an den Rotoren).Also at the risk potential Due to the rotating rotors, the presented concept has advantages. 4 small rotors are less dangerous as a big one like the conventional helicopter. The respective drive power (here about 6 W) is much smaller and the rotors are much lighter (here about 7 g). Both together causes the rotors without serious Injuries can be stopped by hand. (In the conventional Helicopters, on the other hand, are at considerable risk from the main rotor out. Rotor mass and mass moment of inertia rise disproportionately with the diameter. In addition, conventional rotors often very targeted with higher Moment of inertia be designed to improve the autorotation properties. Sometimes even more Weights attached.) The hazard potential in the helicopter of the invention can be further reduced by collision protection systems (eg with on the support frame retained protective rings or protective straps on the rotors).
Fazit: Der erfindungsgemäße Hubschrauber mit wenigstens zwei Kameras in einer bestimmten Anordnung erfüllt die Anforderungen an ein Fluggerät zur Gewinnung optischer Informationen aus der Luft in idealer Weise. Das dreidimensionale Bild erleichtert die Steuerung außerordentlich.Conclusion: The helicopter according to the invention with at least two cameras in a particular arrangement meets the Requirements for an aircraft for obtaining optical information from the air in an ideal way. The three-dimensional image greatly facilitates the control.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform als Mehrrotorenhubschrauber. Rundumsicht ist nach allen Richtungen und in jeder Flugsituation möglich. Der Hubschrauber ist gut beherrschbar, leicht, energieeffizient, preiswert, zuverlässig, leise und ungefährlich. Er ist universell verwendbar, auch in urbanem Gebiet, auf engstem Raum, zwischen Hindernissen, über Menschenmengen und im Innern von Gebäuden. Bewegte Zielobjekte können verfolgt werden.Especially advantageous is the embodiment as a multi-rotor helicopter. All-round visibility is in all directions and possible in every flight situation. The helicopter is easy to control, light, energy efficient, inexpensive, reliable, quiet and safe. It is universally applicable, even in urban areas, on the narrowest Space, between obstacles, over Crowds and inside buildings. Moving targets can be tracked become.
- 11
- Hubschrauberhelicopter
- 22
- Hubeinheitlifting unit
- 33
- Rotorrotor
- 44
- Elektromotorelectric motor
- 55
- Kameracamera
- 66
- Platinecircuit board
- 77
- Rudermaschinerowing machine
- 88th
- Abtrieboutput
- 99
- Betrachterobserver
- 1111
- Traggerüstshoring
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1313
- Schwingungsisolierungvibration isolation
- 1414
- elektrische Leitungelectrical management
- 1515
- Lagercamp
- 1616
- Rohrpipe
- 1717
- bildgebendes Systemimaging system
Claims (25)
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