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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 als fliegende Kameraträger 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 Hubschrauber-Kameraträgern 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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Eine
neuere Bauart von elektrisch angetriebenen Hubschraubern, nämlich die
mit drei oder mehr Hubeinheiten (sogenannte Mehrrotorenhubschrauber)
ist als fliegender Kameraträger
besonders interessant. 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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Hubschrauber
mit vier Hubeinheiten erlauben einer Steuerung um alle Achsen allein über die
Drehzahl der vier Hubeinheiten, also ohne Mechanik außer drehenden
Wellen, insbesondere ohne kollektive und zyklische Rotorblattverstellung.
4-rotorige Hubschrauber können
demnach mechanisch sehr minimalistisch aufgebaut werden. Weiterer
Vorteil: Der leistungsverzehrende Heckrotor kann entfallen.
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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 (Standardbauweise).
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Diese
Hubschrauberbauart wurde verschiedentlich schon mit Kameras ausgerüstet. Nachteilig
an bisherigen Lösungen
ist, dass bei horizontaler Kameraausrichtung Teile des Hubschraubers
im Kamerabild zu sehen sind. Das stört z. B. bei ästhetischer
Fotografie von Landschaften und Gebäuden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugunde, einen effizienten, kompakten
Mehrrotorenhubschrauber mit einer Kamera bereitzustellen, bei dem
bei näherungsweise
horizontaler Kamerarichtung im Schwebeflug keine Teile des Hubschraubers
im Kamerabild zu sehen sind, insbesondere auch keine Rotorblätter.
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Kurzer Abriss
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst
mit einem Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils
wenigstens einem Rotor und wenigstens einem den Rotor antreibenden
Elektromotor, sowie mit wenigstens einer Kamera für Foto-
und/oder Filmaufnahmen, wobei wenigstens ein Rotorblatt eines Rotors
vor der Kamera angeordnet ist und während der Verschlußzeit der
Kamera in Schwebefluglage des Hubschraubers bei annähernd horizontaler
Aufnahmerichtung der Kamera die Hubeinheiten des Hubschraubers komplett außerhalb
des Öffnungsbereichs
der Kamera liegen, insbesondere die Rotoren. Damit wird gewährleistet, dass
keine Teile des Hubschraubers im Kamerabild zu sehen sind, auch
keine Rotorblätter.
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Die
Schwebefluglage ist die Fluglage, die der Hubschrauber im Schwebeflug
in ruhiger Luft einnimmt. Die Aufnahmerichtung wird durch die optische
Achse des Objektivs der Kamera definiert. Unter "annähernd horizontal" ist zu verstehen,
dass die Winkelabweichung zur Horizontalen maximal ungefähr 5 Grad
beträgt. Der Öffnungsbereich
der Kamera ist ein Raumsegment vor der Kamera; er wird durch die Öffnungswinkel
von Bildrand zu Bildrand begrenzt. Es gibt zwei Öffnungswinkel: einen vertikalen
von Bildoberkante bis Bildunterkante und einen horizontalen von
der rechten bis zur linken Bildkante. Die Winkelhalbierende eines Öffnungswinkels
liegt typischerweise auf der optischen Achse.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung kann an wenigstens einer rotierenden Komponente wenigstens
einer Hubeinheit ein Sensor zur Erfassung der Position angebracht
sein. Das Sensorsignal kann für
das Auslösen
der Kamera genutzt werden. Es können
auch an zwei Hubeinheiten Sensoren zur Erfassung der jeweiligen
Position angebracht sein.
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Die
Drehzahl wenigstens eines Rotors kann im Schwebeflug unter ungefähr 1500
1/min liegen, bevorzugt unter ungefähr 1000 1/min. Mit diesen Parametern
kann die Belichtung eines Kamerabildes in einem größeren Zeitfenster
erfolgen, in dem keine Rotorblätter
innerhalb des Öffungsbereichs
der Kamera liegen. Die Verschlußzeit
einer Kamera kann unter ungefähr
0,005 s liegen, bevorzugt unter 0,002 s.
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Wenigstens
ein Rotor des Hubschraubers kann maximal zwei Rotorblätter aufweisen,
oder auch nur ein einziges. Mit geringerer Blattzahl können die
Zeitfenster für
die Belichtung vergrößert werden.
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Die
Kamera kann einen Öffnungswinkel
zwischen ungefähr
20 Grad und ungefähr
45 Grad aufweisen, horizontal und/oder vertikal. Sie kann weiterhin
mit Einichtungen zur Speicherung von Bildern versehen sein.
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Die
Masse der Kamera kann mehr als ungefähr 20 % der Abflugmasse des
Hubschraubers betragen. Ferner kann der Schwerpunkt der Kamera um
weniger als ungefähr
50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren vom Schwerpunkt
des kompletten Hubschraubers entfernt liegen. Er kann weiterhin
um weniger als ungefähr
50 % des mittleren Rotordurchmessers der Rotoren vom Auftriebsmittelpunkt
des Hubschraubers entfernt sein.
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Der
Hubschrauber kann eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5 kg
aufweisen, bevorzugt weniger als ungefähr 1 kg. Seine Gesamtabmessungen
können
unter ungefähr
2 m liegen, bevorzugt unter ungefähr 1,2 m.
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Mit
der Erfindung wird außerdem
ein Verfahren bereitgestellt, und zwar ein Verfahren zur Aufnahme eines
Kamerabildes mit einer Kamera an einem Hubschrauber mit drei oder
mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens
einem den Rotor antreibenden Elektromotor. Das Verfahren enthält folgende
Schritte:
- • Erfassung
der Position einer rotierenden Komponente einer Hubeinheit
- • Aufnahme
eines Kamerabildes in Abhängigkeit
einer Position einer rotierenden Komponente einer Hubeinheit
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Nach
einer Variante des Verfahrens wird das Signal eines Sensors, der
die Position einer rotierenden Komponente einer Hubeinheit erfasst,
für das
Auslösen
der Aufnahme eines Kamerabildes verwendet.
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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 Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einer
Kamera; und
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2 zeigt
eine Längsansicht
des Hubschraubers nach 1.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen
einen ferngesteuerten 4-rotorigen Hubschrauber 1, der für Luftaufnahmen geeignet
ist. Der Hubschrauber 1 umfasst insgesamt vier Hubeinheiten 2.
Die Hubeinheiten 2 besitzen jeweils einen Rotor 3 mit
jeweils zwei Rotorblättern 7 sowie
einen den Rotor antreibenden Elektromotor 4. Die Hubeinheiten 2 sind
an einem Traggerüst 8 befestigt
und durch dieses miteinander verbunden. Die vier Hubeinheiten 2 sind
mit Ausnahme der Drehrichtung baugleich. Zwei drehen links herum
und zwei rechts herum.
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Das
Traggerüst 8 trägt ferner
ein Kamera 5 mit Speichermöglichkeit der Kamerabilder
sowie eine zentrale Steuereinheit 10. In der Steuereinheit 10 integriert
sind ein Sender zur 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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Der
Hubschrauber 1 wird manuell nach Kamerabild ferngesteuert.
Er kann aber auch mit einer automatischen Flugführung ausgerüstet sein.
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Die
technischen Daten des Hubschraubers
1 sind wie folgt:
| Rotordurchmesser: | 380
mm |
| Rotordrehzahl: | 900
1/min |
| Leistungsbedarf
(Schwebeflug): | 25
W |
| Flugzeit: | 20
min |
| Abflugmasse: | 350
g |
| Gesamtabmessungen
(Länge,
Breite): | 800
mm |
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Die
Aufnahmerichtung der Kamera 5 im Schwebeflug des Hubschraubers
ist in horizontaler Richtung orientiert, und zwar nach vorne. Die
optische Achse des Kameraobjektivs verläuft in Richtung der Längsachse des
Hubschraubers 1. Optional kann die Kamera auch schwenkbar
am Traggerüst 8 angebracht
sein.
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Breite
und Höhe
des rechteckigen Kamerabildes von Kamera 5 stehen im Verhältnis 4:3.
Der horizontale Öffnungswinkel
von Kamera 5 beträgt
im Ausführungsbeispiel
40 Grad, der vertikale 30 Grad. Die Winkel sind in den 1 und 2 eingezeichnet.
Der Öffnungswinkel
kann in weiten Grenzen variieren oder auch verstellbar ausgeführt sein
(Zoomfunktion).
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Der
Schwerpunkt des Hubschraubers 1 und der Schwerpunkt der
Kamera 5 liegen in der Draufsicht des Hubschraubers in
der geometrischen Mitte der vier Hubeinheiten 2. Die Masse
der Kamera 5 beträgt
im Ausführungsbeispiel
rund 30 % der Abflugmasse des Hubschraubers.
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Auftriebsmittelpunkt
(Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft) und Kameraschwerpunkt
liegen mit ca. 40 mm vertikalem Abstand relativ nah beieinander.
Das entspricht rund 10 % des Rotordurchmessers. Der Auftriebsmittelpunkt
liegt in der Draufsicht in der geometrischen Mitte der vier Hubeinheiten
und in der Seitenansicht auf Höhe
der Rotoren.
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Zwei
Hubeinheiten 2 sind vor der Kamera 5 angeordnet,
die beiden anderen dahinter. Die Kreisflächen der Rotoren 3 der
vor der Kamera liegenden Hubeinheiten 2 überschneiden
sich mit dem Öffnungsbereich
der Kamera 5. Die Schnittflächen sind in 1 schraffiert
dargestellt. Wenn die Rotorblätter 7 in
den schraffierten Bereich hineinragen und gleichzeitig ein Kamerabild
aufgenommen wird, sind die Rotorblätter im Kamerabild zu sehen.
Das ist nicht erwünscht.
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Wenn
die Belichtung hingegen erfindungsgemäß in einem Zeitfenster erfolgt,
in dem sich die Rotorblätter 7 komplett
außerhalb
des Überschneidungsbereichs
befinden, sind keine Teile des Hubschraubers 1 im Kamerabild
zu sehen, auch keine Rotorblätter.
Eine entsprechende Rotorposition ist in 1 dargestellt.
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Die
Drehzahl der Rotoren ist so niedrig, dass die Zeitfenster für die Belichtungszeit
(Verschlußzeit)
der Kamera hinreichend lang sind. Für das Timing der Belichtung
sind verschiedene Lösungen
möglich.
Im Ausführungsbeispiel
werden zwei optische Sensoren 6 zur Erfassung der jeweiligen
Rotorposition verwendet. Die Sensoren 6 sind am Traggerüst 8 befestigt.
Sie registrieren die Abschattung bzw. Reflexion des jeweiligen,
vorbeikämmenden
Rotorblatts 7. Aus dem Signal werden zulässige Zeitfenster
für die
Belichtung berechnet, in denen sich die Rotorblätter außerhalb des Öffnungsbereichs
der Kamera 5 befinden.
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Die
Kamera 5 wird ferngesteuert ausgelöst. Die Belichtung erfolgt
aber erst dann, wenn die "Freigabe" von den beiden Sensorsystemen
vorliegt. Je nach Lage der Zeitfenster zueinander ergibt sich eine
(kleine) Auslöseverzögerung,
bis ein hinreichend große
zeitliche Überlappung
der beiden Zeitfenster für
die Belichtung vorliegt.
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Optional
kann der Hubschrauber auch mit einblättrigen Rotoren ausgerüstet werden.
Damit können die
Zeitfenster für
die Belichtung verlängert
werden.
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Hubschrauber 1 ist
sehr kompakt gebaut, um ihn auch auf engstem Raum, z. B. im Innern
von Gebäuden,
einsetzen zu können.
Die Achsabstände
der Hubeinheiten sind gerade so groß, dass sich die Rotorblattspitzen
nicht berühren.
So wird bei kleinen Außenabmessungen
viel Rotorfläche
untergebracht. Die niedrige Kreisflächenbelastung (Masse pro Rotorfläche) trägt wesentlich
zur hohen energetischen Effizienz des Hubschraubers bei.
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Die
Alternative, den Hubschrauber so groß zu bauen, dass sich die Rotorkreisflächen nicht
mit dem Öffnungsbereich
der Kamera überschneiden,
wäre mit
größeren Abmessungen
und/oder geringerer Effizienz verbunden.
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Bei
der Kamera 5 handelt es sich um eine handelsübliche Digitalkamera.
Sie ist mit rund 100 g Gewicht absolut gesehen zwar relativ leicht,
bringt aber doch einen Großteil
des Abfluggewichts mit. (Die Einrichtungen zur Bildspeicherung tragen
zum Kameragewicht bei. Alternativ können die per Funk übertragenen
Bilder am Boden gespeichert werden. Die Speicherung in der Kamera
hat jedoch den Vorteil, dass die Bildqualität nicht von der Funkstrecke
abhängt.)
Das Konzept des vorgestellten Hubschraubers 1 mit Kamera 5 bietet
auch flugdynamische Vorteile:
- • Die Hubeinheiten
werden gleichmäßig belastet
Durch
die mittige Platzierung der Kamera liegt auch der Gesamtschwerpunkt
des Hubschraubers dort. Jede Hubeinheit trägt daher zu gleichen Teilen
am Gesamtaufrieb bei. Die Leistungsreserve der Hubeinheiten ist gleich
hoch.
- • Keine
störenden
Roll- und Nickmomente beim horizontalen Beschleunigen des Hubschraubers
Auftriebsmittelpunkt
(Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft) und Schwerpunkt
(Angriffspunkt der resultierenden Massenkraft) liegen näherungsweise
in einer Höhenebene.
Daraus resultiert ein neutrales Flugverhalten. Bei einem größeren, vertikalen
Abstand dieser Punkte zueinander (z. B. wegen einer sehr tief montierten,
relativ schweren Kamera) würden
beim horizontalen Beschleunigen oder Verzögern des Hubschraubers Roll-
bzw. Nickmomente auftreten, die beträchtliche Unruhe in das Fluggerät bringen
können
und es im Extremfall unbeherrschbar machen.
- • Geringe
Massenträgheit
durch Massenkonzentration im Zentrum
Damit werden die Flugstabilität und die
Agilität
des Hubschraubers erhöht.
Auch die kompakten Abmessungen tragen dazu bei.
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- 1
- Hubschrauber
- 2
- Hubeinheit
- 3
- Rotor
- 4
- Elektromotor
- 5
- Kamera
- 6
- Sensor
- 7
- Rotorblatt
- 8
- Traggerüst
- 10
- Steuereinheit