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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Fluggerät zur Gewinnung von Informationen mit einer Fortbewegungseinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gruppe derartiger unbemannter Fluggeräte. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Fluggerätes oder einer derartigen Gruppe unterschiedlicher unbemannter Fluggeräte.
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STAND DER TECHNIK
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Unbemannte Flugobjekte der hier vorliegenden Art werden beispielsweise in der Sicherheitstechnik, Vermessungstechnik oder im militärischen Bereich zur Informationsgewinnung, insbesondere zu Überwachungs- und Beobachtungsaufgaben, eingesetzt. Je nach Einsatzzweck variiert die Größe des unbemannten Flugobjektes von mehreren Metern bis zu einer Größe, die kleiner ist als 1 m. Derartige unbemannte Flugobjekte besitzen üblicherweise eine Fortbewegungseinheit, die einer Erzeugung einer Auftriebsbewegung und/oder einer gezielten Bewegung des unbemannten Flugobjektes im Raum dienen. Als Fortbewegungseinheit findet insbesondere ein Antriebsaggregat Einsatz, welches Starrflügel, Rotorflügel oder Schlagflügel antreibt. Gegenstand laufender Forschung ist, die unbemannten Flugobjekte möglichst klein auszubilden.
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JP 2005 193727 A offenbart einen fliegenden Roboter, der Messsensoren zur Erfassung eines Flugzustandes aufweist. Messsignale eines derartigen Messsensors werden einer Steuereinrichtung des Fluggerätes zugeführt, die über eine Regelung auf die Fortbewegungseinheit einwirkt, um einen definierten, vorgegebenen Flugzustand herbeizuführen oder aufrechtzuerhalten.
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JP 2005 263112 A offenbart einen unbemannten fliegenden Körper mit automatischen Steuerungsmitteln zur Ermöglichung eines automatisierten Fluges des unbemannten Flugkörpers. Weiterhin sind Regelungselemente vorgesehen, um die automatisierte Flugbewegung und -lenkung zu stabilisieren. Ein Positionserfassungssystem liefert unter Verwendung eines ”Global Positioning Systems” Informationen hinsichtlich einer Position sowie einer Flughöhe. Über eine Informationsspeichereinheit können Positionsinformationen bezüglich des Zieles in dem unbemannten Flugkörper gespeichert werden. Zur Beförderung einer Nutzlast wie beispielsweise Waren oder Dokumente besitzt der unbemannte Flugkörper ein separates Nutzlastgehäuse, welches über ein Seil mit den die Fortbewegung und den Auftrieb erzeugenden Bauelementen verbunden ist.
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JP 2005 269413 A betrifft ein als Helikopter ausgebildetes unbemanntes fliegendes Objekt, welches einer Erstellung einer Fotografie eines Objektes oder einer Landschaft dient. Der Helikopter besitzt eine Steuerungseinheit zur Bewegung des Helikopters zu einem gewünschten Ziel, eine als Fotoapparat ausgebildete Bilderfassungseinheit, eine Führungskamera, über die der unbemannte Helikopter zu einem Ziel geführt werden soll, eine Speichereinheit zur Speicherung eines auszuführenden Flugprogramms sowie ein Fotografier-Programm zur Durchführung der Erstellung der Fotografien des Zielobjektes.
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US 2005/051667 A1 offenbart eine fliegende Miniatur-Mikro-Flugeinheit mit einem Rotor, die in einer Hand gehalten werden kann. Die Einheit besitzt eine Bordelektronik, die es ermöglicht, einer vorbestimmten Flugbahn unter Berücksichtigung von GPS-Koordinaten zu folgen. Der Rotor der Einheit zur Erzeugung des Auftriebs rotiert um eine Längsachse der Einheit. Eine Stabilisierung der Einheit gegenüber einer Verdrehung um die Längsachse erfolgt dadurch, dass zwei gegenläufig betriebene Rotoren eingesetzt werden oder eine Stabilisierung durch mindestens einen Rotor erfolgt, dessen Rotationsachse in Umfangsrichtung um die Längsachse orientiert ist. Rotorblätter können über Scharniere mit einer Schwenkachse quer zur Längsachse der Einheit nach außen verschwenkbar sein. Der mittels der Einheit erzeugbare Auftrieb ist vorgegeben. An die Einheit können Nutzlast-Module angekoppelt werden, deren Gesamtgewicht begrenzt ist durch den mittels des Rotors erzeugbaren Auftrieb, beispielsweise auf 500 g. Modular können in Richtung der Längsachse hintereinander liegend ein Navigations-Modul, ein Nutzlast-Modul, ein Video-Kamera-Modul und/oder ein Sensor-Modul an das den Rotor aufweisende Modul angekoppelt werden. Möglich ist, dass Teile der modularen Einheit während des Flugs abgeworfen werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beachtung von Integrationsmöglichkeiten für Zusatzaggregate, einer möglichen Nutzlast und einer Miniaturisierung des Fluggerätes die Wechselwirkung zwischen einzelnen Bauelementen des Fluggerätes zu verbessern.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Während gemäß dem Stand der Technik Fluggeräte derart konzipiert werden, dass der Einsatz des Fluggerätes für möglichst viele unterschiedliche Anwendungsfälle möglich ist, hat die Erfindung erkannt, dass es vorteilhaft ist, wenn ein Fluggerät für unterschiedliche Einsatzfälle unterschiedlich ausgebildet sein kann. Demgemäß schlägt die Erfindung ein Fluggerät vor, welches über mehrere Module erfolgt, so dass unter Umständen eine missionsabhängige Kombination einzelner Module möglich ist. Hierdurch kann einerseits der Einsatzbereich des Fluggerätes erweitert werden. Andererseits kann erfindungsgemäß vermieden werden, dass für Missionen Bauelemente mitgeführt werden müssen, die für die aktuelle Mission nicht von Interesse sind.
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Weiterhin ist die Erfindung inspiriert durch die Erkenntnis, dass eine zunehmende Miniaturisierung von unbemannten Fluggeräten eine Verringerung der geometrischen Abmessungen des gesamten Fluggerätes, der Antriebseinheit und der Abmessungen und Spannweiten der auftriebserzeugenden Flächen erfordert, was unter Umständen eine drastische Verringerung der fliegenden Gesamtmasse, aber auch der von dem Fluggerät beförderbaren Nutzmasse bedeutet.
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Darüber hinaus hat die Erfindung festgestellt, dass in einem Fluggerät vorhandene Komponenten, beispielsweise für eine Fluglageregelung, einen Datentransfer, ein Energiemanagement etc., eine mehr oder weniger große konstante Masse aufweisen unabhängig von einer Miniaturisierung, so dass mit einer Miniaturisierung und einer hierdurch bedingten Verringerung einer durch eine Fortbewegungseinheit bereitgestellten Auftriebskraft der prozentuale Anteil derartiger Komponenten am Gesamtgewicht ansteigt und eine mögliche zusätzliche Nutzlast prozentual verringert wird. Schlimmstenfalls kann dies dazu führen, dass ab einem gewissen Grad einer Miniaturisierung keine eigentliche Nutzlast mehr transportiert werden kann. Dieser Extremfall stellt eine Untergrenze für eine herbeiführbare Miniaturisierung dar.
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Erfindungsgemäß sind mehrere Module des Fluggerätes vorgesehen, die jeweils eine Fortbewegungseinheit aufweisen und deren Auftrieb und damit transportierbare Nutzlast für das gesamte Fluggerät kumuliert wird zur Herbeiführung einer verhältnismäßig großen Nutzlast im Vergleich zu Gewicht und Baugröße des Fluggerätes. Hierbei kann jedes Modul an sich für sich allein flugfähig sein oder einen Auftrieb erzeugen, der größer ist als das Gewicht des Moduls, oder das Modul stellt mit seiner Fortbewegungseinheit lediglich eine gegenüber dem Gewicht des Moduls verkleinerte Auftriebskraft bereit.
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Die einzelnen Module sind unterschiedlich ausgebildet oder ausgestattet. Lediglich beispielsweise soll diesbezüglich erwähnt werden, dass unterschiedliche Module jeweils mit einer Informationsspeichereinheit, einer Informationsverarbeitungseinheit, einer elektrischen Leistungsversorgung, einer Regelungseinheit, einem Informationserfassungsorgan, einem Positionserfassungssystem, einer Bilderfassungseinheit und/oder Bildverarbeitungseinheit ausgestattet sein können. Infolge des modularen Aufbaus kann dann je nach Mission ein geeignetes Modul ausgewählt werden und mit weiteren geeigneten Modulen kombiniert werden.
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Für eine Verbindung der einzelnen Module zu dem Fluggerät sind die Module über lösbare Schnittstellen miteinander verbunden, wobei mehrere Module in Reihe hintereinander mit jeweiligen Schnittstellen zwischen benachbarten Modulen verbunden sein können oder über ein Schnittstellenmodul mehrere Module miteinander gekoppelt werden können.
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Bei den Fortbewegungseinheiten handelt es sich insbesondere um gleichzeitig betreibbare Fortbewegungseinheiten, die als Düseneinheit oder Propellereinheit ausgebildet sein können. Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung ist mindestens eine Fortbewegungseinheit als Rotorflügeleinheit oder als Schlagflügeleinheit ausgebildet, wobei die Fortbewegungseinheit lediglich in einem derartigen Antriebsaggregat, lediglich in einem derartigen Flügel oder aber aus einer Kombination eines Antriebsaggregates mit einem Flügel bestehen kann. Derartige Einheiten haben sich als vorteilhaft hinsichtlich eines Einsatzes für unbemannte Fluggeräte zur Gewinnung von Informationen bei Miniaturisierung des Fluggerätes herausgestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des unbemannten Fluggerätes ist einem Modul eine Regelungseinheit, eine Informationsverarbeitungseinheit, eine elektrische Leistungsversorgung und/oder eine Informationsspeichereinheit zugeordnet, die nicht ausschließlich dem Betrieb dieses Moduls zugeordnet ist. Vielmehr steht die Regelungseinheit, die elektrische Leistungsversorgung, die Informationsverarbeitungseinheit und/oder die Informationsspeichereinheit mit mindestens einem anderen Modul in Wechselwirkung. Somit ist das erstgenannte Modul unter Umständen multifunktional, nämlich für den Betrieb oder die Übernahme von Funktionen mehrerer Module, ausgebildet. In dem anderen Modul kann eine entsprechende Einheit eingespart werden, wodurch unter Umständen die Nutzlast dieses anderen Moduls erhöht wird und somit eine Aufnahme von weiteren Aggregaten in diesem anderen Modul ermöglicht wird.
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Lediglich beispielhaft wird der Einsatz einer in einem Modul angeordneten Regelungseinheit erwähnt, die einer Ansteuerung von Fortbewegungseinheiten mehrerer Module zur Fluglageregelung, für einen Datentransfer, ein Energiemanagement und Ähnlichem dient. Für den Fall, dass durch mindestens ein Modul Informationen gewonnen werden, kann in einem anderen, zentralen Modul eine Informationsspeichereinheit angeordnet sein und/oder eine Verarbeitung gewonnener Informationen in einer Informationsverarbeitungseinheit erfolgen. Unter Umständen ist für eine derartige Ausgestaltung ein Einsatz jeweils einzeln flugfähiger Module möglich, die nicht für sich genommen steuerbar sind. In einem Extremfall dient ein zentrales Modul einer Aufnahme sämtlicher für einen Basis-Betrieb erforderlichen Systemkomponenten wie beispielsweise Fluglageregelung, Datentransfer, Energiemanagement usw., während ein Transport einer zusätzlichen Nutzlast für ein derartiges Basismodul nicht möglich ist. An ein derartiges Basismodul sind dann weitere Module ankoppelbar, die von dem Basismodul angesteuert werden, in mechanischer und/oder elektrischer Wirkverbindung stehen sowie im Datenaustausch und die einen Auftrieb bereitstellen, so dass in dem mindestens einen weiteren Modul eine zusätzliche Nutzlast bzw. ein Zusatzaggregat transportiert werden kann. Je nach Ausbaustufe, insbesondere je nach Zahl der kombinierten Module, kann eine zunehmende Kapazität für Nutzlasten zur Verfügung gestellt werden.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine Gruppe unterschiedlicher unbemannter Fluggeräte, bei denen unterschiedliche Fluggeräte ein gleiches Basismodul besitzen sowie unterschiedliche nutzungsabhängige Module. Damit können innerhalb der Gruppe die unterschiedlichen Fluggeräte an unterschiedliche jeweilige Missionen angepasst werden. In einem Beispiel könnte eine derartige Gruppe ein erstes Fluggerät aufweisen, in dem ein Basismodul mit einem zusätzlichen Modul gekoppelt ist, welches ein Satellitennavigationssystem (GPS) für eine Positionserfassung als zusätzliche Nutzlast aufweist und somit für das erste Fluggerät eine Verfolgung definierter Trajektorien im Luftraum ermöglicht ist. Für ein zweites Fluggerät der Gruppe ist eine zusätzliche Bilderfassungseinheit mit einer Foto- oder Videokamera vorgesehen, so dass für das zweite Fluggerät neben dem Modul für eine Verfolgung einer definierten Trajektorie ein weiteres Modul mit einer optischen Informationsgewinnung eingesetzt wird. Für ein drittes Fluggerät der Gruppe könnte ein weiteres Modul vorhanden sein mit einer photogrammetrischen Bildverarbeitung, speziellen Abstandssensoren und/oder Radarmodulen als Nutzlast, so dass für das dritte Fluggerät der Gruppe neben den vorgenannten Funktionen eine Erstellung von hochpräzisen 3-D-Geländemodellen möglich wäre. Die unterschiedlichen Fluggeräte einer erfindungsgemäßen Gruppe können zu gleichen Verwendungszwecken mit unterschiedlichen Anforderungsgraden oder aber für völlig unterschiedliche Verwendungszwecke eingesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ein unbemanntes Fluggerät oder eine Gruppe unterschiedlicher unbemannter Fluggeräte für eine Bauinspektion im Innen- und Außenbereich eingesetzt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt ein Modul eines erfindungsgemäßen Fluggerätes.
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2 zeigt ein mit drei Modulen gemäß 1 gebildetes erfindungsgemäßes Fluggerät.
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3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für die Wechselwirkung zwischen einzelnen Modulen eines erfindungsgemäßen Fluggerätes.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Modul 1 für ein Fluggerät 2. Das Modul 1 besitzt mehrere Flügel 3, die gegenüber einem Grundkörper 4 oder einer Plattform beweglich sind zur Herbeiführung einer Auftriebskraft und/oder einer Fortbewegungskraft. Für eine erste Ausgestaltung sind die Flügel 3 als Schlagflügel in eine Bewegungsrichtung 5 vorzugsweise horizontal oder 5 vertikal oszillierend hin- und her bewegbar. Für eine alternative Ausgestaltung sind die Flügel 3 als Rotorflügel ausgebildet, für die die Flügel 3 um eine Längsachse 6 in eine Bewegungsrichtung 7 rotieren.
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Der Grundkörper 4 ist geeignet zur Aufnahme von Funktionseinheiten ausgebildet und besitzt Stirnflächen 8, 9, die in 1 vereinfacht als eben und quer zur Längsachse 6 orientiert dargestellt sind.
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Gemäß 2 sind in dem Fluggerät 2 mehrere Module 1a, 1b, 1c miteinander verbunden, die teilweise gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein können. In den 2 und 3 sind hinsichtlich ihrer Funktion vergleichbare Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei zur Unterscheidung in verschiedenen Modulen Buchstaben a, b und c angehängt sind.
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Die Module 1a, 1b, 1c sind für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel mit ungefähr korrespondierender Außengeometrie ausgebildet, können aber in alternativer Ausgestaltung auch unterschiedliche Außengeometrien aufweisen. Die Module 1a, 1b und 1c sind mit fluchtenden Längsachsen 6a, 6b, 6c zueinander orientiert und im Bereich aneinander angrenzender Stirnflächen 8, 9 fest miteinander verbunden.
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3 zeigt das Fluggerät 2 mit Modulen 1a, 1b und 1c in schematischer Darstellung. Das Modul 1a bildet ein Basismodul mit
- – einem Antriebsaggregat 10,
- – einer Steuer- oder Regelungseinheit 11 (im folgenden Regelungseinheit),
- – einer Informationsspeichereinheit 12, ggf. mit einer Informationsverarbeitungseinheit 13, sowie
- – einer Leistungsversorgung 14.
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Das Antriebsaggregat 10 steht in Antriebsverbindung mit den Flügeln 3, so dass eine Fortbewegungseinheit 21a gebildet ist. Die Einheiten 10a, 11 bis 14 stehen über elektrische Verbindungen 15 in Signal- und/oder Leistungsaustausch miteinander.
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Das Modul 1a steht über eine Verbindung 16 in Leistungs- und/oder Signalaustausch mit dem Modul 1b. Die Verbindung 16 ist im Bereich der Stirnseiten 9a und 8b gebildet und kann als Stecker, Schleifkontakt, induktive oder kapazitive Kopplung, Sender mit Empfänger oder ähnlich den an sich aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungs- oder Kopplungsmöglichkeiten ausgebildet sein. Weiterhin ist eine mechanische Verbindung 17 zwischen den Modulen 1a und 1b vorgesehen. Die Verbindung 17 ist eine lösbare Verbindung, über die die Module 1a, 1b in ihrer Lage zueinander fixiert sind. Beispielsweise handelt es sich bei der Verbindung 17 um eine geschraubte Verbindung, verschraubte Flansche, eine stoffschlüssige Verbindung über einen trennbaren Kleber, einen Bajonett-Verschluss oder ähnliches, wobei in der Verbindung 17 zusätzlich Dichtelemente angeordnet sein können.
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Das Modul 1b besitzt eine über die Verbindung 16 von der Leistungsversorgung 14 gespeistes und/oder von der Regelungseinheit 11 angesteuertes Antriebsaggregat 10b, welches die Flügel 3b antreibt, so dass eine weitere Fortbewegungseinheit 21b gebildet ist. Des Weiteren wird über die Verbindung 16 eine Nutzeinheit 18 des Moduls 1b gespeist und/oder angesteuert.
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In entsprechender Weise ist das Modul 1c an das Modul 1b über Verbindungen 16, 17 angebunden, gespeist und gesteuert, wobei in dem Modul 1c neben dem Antriebsaggregat 10c und der Fortbewegungseinheit 21c die Nutzeinheit 19 gespeist und/oder gesteuert wird.
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Über die Verbindungen 16 kann beispielsweise eine Übertragung von Steuersignalen von der Regelungseinheit 11 zu den Antriebsaggregaten 10b, 10c und den Nutzeinheiten 18, 19 erfolgen und/oder eine Rückführung von Signalen wie beispielsweise Messsignalen zu der Regelungseinheit 11 erfolgen. Weiterhin können Informationen von sämtlichen in 3 dargestellten Bauelementen auch über die Verbindung 16 zu der Informationsspeichereinheit 12 und der Informationsverarbeitungseinheit 13 übertragen werden. Ebenfalls möglich ist eine Energieversorgung der elektrischen Aggregate der Module 1b und 1c über die Verbindungen 16 von der Leistungsversorgung 14.
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Bei den Nutzeinheiten 18, 19 handelt es sich beispielsweise um
- – ein Informationserfassungsorgan,
- – ein Positionserfassungssystem,
- – eine Bilderfassungseinheit,
- – eine photogrammetrische Bildverarbeitungseinheit,
- – einen Abstandssensor,
- – ein Radarmodul oder
- – eine Energieversorgung oder ein Batteriepack zur optionalen Verlängerung einer Missionsdauer.
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Weiterhin kann zwischen benachbarten Modulen eine zusätzliche mechanische Verbindung 20 vorgesehen sein, über die eine mechanische Übertragung zwischen den einzelnen Modulen 1a, 1b, 1c ermöglicht ist. Beispielsweise kann hier über ein geeignetes Gestänge oder ähnliches ein Signal übertragen werden. Ebenfalls möglich ist in alternativer Ausgestaltung zu der in 3 dargestellten Ausführungsform, dass lediglich ein zentrales Antriebsaggregat 10 in dem Modul 1a vorgesehen ist und ein Teil der Antriebsleistung zum Antrieb der Flügel 3b, 3c, über ein Gestänge oder ein Antriebsgetriebe über die Verbindung 20 zu diesen Modulen 1b und 1c übertragen wird.
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Das Fluggerät 2 besitzt vorzugsweise insgesamt eine Größe zwischen 10 mm und 1000 mm, beispielsweise 50 mm und 500 mm, und weist beispielsweise eine Masse zwischen 20 und 150 g je Modul auf. Eine von einem Modul 1 zu transportierende Nutzlast in Form eines Zusatzaggregates kann kleiner als 80, 50, 30 oder 10 g sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modul
- 2
- Fluggerät
- 3
- Flügel
- 4
- Grundkörper
- 5
- Bewegungsrichtung
- 6
- Längsachse
- 7
- Bewegungsrichtung
- 8
- Stirnfläche
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Antriebsaggregat
- 11
- Regelungseinheit
- 12
- Informationsspeichereinheit
- 13
- Informationsverarbeitungseinheit
- 14
- Leistungsversorgung
- 15
- Verbindungen
- 16
- Verbindung
- 17
- Verbindung
- 18
- Nutzeinheit
- 19
- Nutzeinheit
- 20
- Verbindung
- 21
- Fortbewegungseinheit
