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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Luftschiff mit einem Ballon und
mehreren Antrieben zum Bewegen des Luftschiffes, wobei die Erfindung
sowohl bei Prallluftschiffen, die auch als autonome Luftschiffe
oder Blimps bekannt sind, als auch für Zeppeline angewendet werden
kann.
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Im
Gegensatz zu einem Zeppelin hat ein Blimp kein festes Innengerüst, sondern
besteht aus einer frei verformbaren Hülle, dem Ballon. Die Flugeigenschaften
sind jedoch vergleichbar und wenn solche Luftschiffe autonom fliegen
sollen, so ist aufgrund der ständigen
Störeinflüsse durch
Wind eine robuste Regelung der Position und der Bewegung notwendig.
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Bei
solchen Luftschiffen lässt
sich eine Positionsregelung im Raum mit nur einer Regelungsebene
schwer realisieren, da mindestens drei miteinander gekoppelte, nicht
lineare Größen zu regeln
sind. Ein weiteres Problem ist die dynamische Umgebung, in der das
Luftschiff ständig
Wind unterschiedlicher Stärke
und Richtung kompensieren muss. Es wurden daher Lösungsansätze entwickelt,
welche eine verteilte und kaskadierte Regelung verwenden. Durch wiederholte
Ableitung kommt man von der Position über die Geschwindigkeit bis
zur Beschleunigung, bei der man ein angenähertes lineares Modell verwenden
kann. Um eine Entkopplung der einzelnen Größen zu erreichen, werden die
einzelnen Bewegungen ab der Geschwindigkeit getrennt betrachtet und
geregelt. Solche Regelungen sind jedoch relativ aufwändig.
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Der
Standardantrieb eines Luftschiffes besteht meist aus zwei Propellerantrieben
auf Höhe
der unter dem Ballon angebrachten Gondel. Diese Form des Antriebes
bringt einige Nachteile bei der autonomen Steuerung oder der Nutzung
eines Autopiloten mit sich. Die von den Propellerantrieben aufgebrachte
Schubleistung wirkt nicht an der gleichen Stelle wie die von außen angreifenden
Kräfte
am Luftschiff. Die Folge sind Wirkungen auf die Lagebewegung des Luftschiffes
bei Laständerungen.
Dies hat ein Schaukeln und/oder Kippen des Luftschiffes zur Folge,
was ausgeregelt werden muss. Als Ausgleich hierfür ist es möglich, die Propeller, die bei
den bekannten Luftschiffen unterhalb des Ballons angeordnet sind,
entsprechend zu kippen. Weiterhin ist es bekannt, zusätzlich hinten
am Ballon ein Leitwerk vorzusehen, um das Aufschaukeln zu minimieren.
Das Problem des Aufschaukeins ist jedoch mit den bekannten Techniken
nicht völlig
beseitigbar.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Luftschiff
der oben genannten Art zur Verfügung
zu stellen, bei welchem ein Aufschaukeln oder Kippen des Luftschiffes
weitgehend vermieden werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Luftschiff mit einem Ballon und mehreren
Antrieben zum Bewegen des Luftschiffes gelöst, wobei die Antriebe wenigstens
drei Antriebe umfassen, die derart um den Ballon herum angeordnet
sind, dass ein aus den Antrieben resultierender und in seiner Position
veränderbarer
Kraft- und Momentvektor erzeugbar ist.
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Während im
Stand der Technik die Antriebe zum Bewegen des Luftschiffes unterhalb
des Ballons angeordnet sind, können
die Antriebe des Luftschiffs der vorliegenden Erfindung so um den
Ballon verteilt werden, dass sich der resultierende Kraft- und Momentvektor
in der Mitte des Ballons befindet und somit am gleichen Punkt wie
die resultierenden Windkräfte
von außen
wirkt. Hierdurch lässt
sich ein Aufschaukeln des Luftschiffes verhindern. Bei dem erfindungsgemäßen Luftschiff
ist es daher möglich,
Kipp- und Schaukelmomente unmittelbar zu beeinflussen und damit
leicht zu regeln.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind die Antriebe an separat voneinander
drehbaren Auslegem montiert. Damit ist jede Achse jedes der Antriebe
unabhängig voneinander
drehbar, wodurch sich eine sehr gute Manövrier- bzw. Navigierbarkeit
des Luftschiffes ergibt.
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Entsprechend
einem bevorzugten Beispiel der Erfindung sind die Antriebe getrennt
voneinander ansteuerbar. Durch die bewegliche Anbringung der Antriebe
und die voneinander unabhängige
Ansteuerbarkeit der Antriebe lässt
sich der resultierende Kraft- und Momentvektor auf der Fläche, die
die Motoren der Antriebe aufspannen, frei positionieren und in der
Lage drehen. Dadurch ist eine sehr hohe Manövrierbarkeit des Luftschiffes
mit bis zu 6 Freiheitsgraden möglich.
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In
einer zweckmäßigen Variante
der Erfindung sind die Antriebe oberhalb und unterhalb des Ballons
angeordnet. Mit einer solchen Anordnung lässt sich ein Luftschiff gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruieren, das in 5 Freiheitsgraden manövrierbar
ist. So lässt
sich dieses Luftschiff in zwei geradlinigen Bewegungen, das heißt vorwärts, rückwärts, nach
oben und nach unten, sowie in drei Rotationsrichtungen bewegen.
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In
einem besonders bevorzugten Beispiel der Erfindung sind dabei zwei
Antriebe oberhalb und zwei Antriebe unterhalb des Ballons angeordnet.
Auf diese Weise ist eine gute Verteilung der Antriebskräfte möglich, da
gleichermaßen
oberhalb und unterhalb des Ballons durch die Antriebe Schubkräfte aufgebracht
werden können,
so dass sich der resultierende Kraftvektor mittig des Ballons ergibt,
an welcher Stelle die Gegenkraft des Windes auf den Ballon wirkt.
Somit können
die Bewegungen des Luftschiffes störende Drehmomente vermieden
werden.
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Hierbei
ist es besonders günstig,
wenn die Ausleger, an welchen die oberen Antriebe befestigt sind,
etwa parallel zu den Auslegem ausgerichtet sind, an welchen die
unteren Antriebe befestigt sind. An den Auslegern können die
Antriebe starr oder drehbar angebracht werden und symmetrisch oder unabhängig voneinander
gesteuert werden, so dass eine optimale Regelung der Bewegung und
Positionierung des Luftschiffes gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind vier Antriebe vorgesehen, von welchen
jeweils zwei diametral gegenüberliegend
angeordnet sind. So lassen sich die vier Antriebe links oben, rechts
oben, rechts unten und links unten um den Ballon herum positionieren,
wodurch es möglich
wird, das Luftschiff mit bis zu 6 Freiheitsgraden zu manövrieren.
Auf diese Weise sind neben den linearen Bewegungsrichtungen auch
drei Drehrichtungen mit Hilfe dieser Ausführungsvariante einstellbar.
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Vorzugsweise
sind die Ausleger der sich diametral gegenüberliegenden Antriebe etwa
in einer Linie ausgerichtet. Somit lässt sich diese Variante des erfindungsgemäßen Luftschiffes
durch die symmetrische Anordnung von Auslegern und Antrieben besonders
leicht und sicher ansteuern.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren
der Zeichnung erläutert,
wobei
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1 schematisch
eine Seitenansicht einer möglichen
Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Luftschiffes
zeigt;
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2 schematisch
eine Frontansicht der Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Luftschiffes
aus 1 zeigt, bei welcher die Antriebe oberhalb und
unterhalb des Ballons vorgesehen sind; und
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3 schematisch
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Luftschiffes zeigt, wobei
die Antriebe diametral gegenüberliegend
um den Ballon herum verteilt sind.
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1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Luftschiffes 1.
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Das
Luftschiff 1 weist einen mit Helium gefüllten Druckballon 2 auf.
Der in dem Beispiel gezeigte Ballon 2 ist etwa 4 Meter
lang und hat einen Durchmesser von etwa 2 Metern. In anderen, nicht
gezeigten Ausführungsvarianten
der vorliegenden Erfindung kann der Ballon 2 auch andere
Abmessungen aufweisen.
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An
der Unterseite des Ballons 2 ist eine Gondel 3 befestigt.
Die Gondel 3 kann beispielsweise dafür verwendet werden, dass in
der Gondel 3 Elektronik und Akkus aufbewahrt werden.
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Von
der Gondel 3 erstrecken sich nach links und rechts zwei
voneinander getrennte Ausleger bzw. Achsen 5, an welchen
jeweils ein Antrieb 4 drehbar gelagert ist. In dem gezeigten
Beispiel sind die Antriebe 4 Propeller. Grundsätzlich kommt
als Antrieb 4 für
das erfindungsgemäße Luftschiff 1 jedoch jeglicher
Antrieb in Betracht, welcher in der Lage ist, eine Schubkraft aufzubringen,
um das Luftschiff 1 zu bewegen. So sind beispielsweise
auch Triebstrahlantriebe als Antriebe 4 einsetzbar.
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Oberhalb
des Ballons 2 sind in dem in 1 gezeigten
Beispiel ebenfalls zwei Propeller 4 an voneinander getrennten
Achsen 5 drehbar montiert. Somit lassen sich die Ausrichtungen
der Propeller 4 getrennt voneinander verändern.
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Die
Antriebe 4 sind durch eine Elektronik separat voneinander
ansteuerbar. Zudem ist jede Achse bzw. jeder Ausleger 5,
an welchem die Antriebe 4 befestigt sind, unabhängig voneinander
drehbar, was durch die Pfeile A und B in 1 schematisch
angedeutet ist.
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Die
Antriebe 4 des Luftschiffes 1 sind derart um den
Ballon 2 herum angeordnet, dass ein aus den Antrieben 4 resultierender
und in seiner Position veränderbarer
Kraft- und Momentvektor F erzeugbar ist. In dem in 1 gezeigten
Beispiel wirken die Antriebe 4 so, dass der Kraft- und
Momentvektor F sich etwa in der Mitte des Ballons 2 befindet
und damit am gleichen Punkt wie die resultierenden Windkräfte von außen wirkt.
Dadurch lässt
sich ein Aufschaukeln oder Kippen des Luftschiffes 1 weitgehend
verhindern.
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2 zeigt
schematisch eine Frontansicht des Luftschiffes 1 aus 1.
In dem gezeigten Beispiel sind die Ausleger 5 oberhalb
und unterhalb des Ballons 2 etwa parallel zueinander angeordnet.
Hiermit lässt
sich eine besonders gute, symmetrische Ansteuerung des Luftschiffes 1 erreichen.
In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten
der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Ausleger 5 nicht parallel
zueinander angeordnet sind. Die Ausleger 5 sind entsprechend
der durch die Pfeile A, B, C, D demonstrierten Rotationsrichtungen
separat voneinander drehbar.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Luftschiffes 1 sind
die Antriebe 4 in Form von Propellern ausgebildet, welche
oberhalb und unterhalb des Ballons 2 etwa symmetrisch zueinander
angeordnet sind. Damit lassen sich die Schubkräfte, die auf das Luftschiff 1 wirken, oberhalb
und unterhalb des Ballons 2 besonders gut aufeinander abstimmen.
Es ist jedoch auch möglich, dass
in anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten
der vorliegenden Erfindung die Antriebe 4, die oberhalb
und unterhalb des Ballons 2 angeordnet sind, nicht symmetrisch
zueinander vorgesehen sind.
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Mit
der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Luftschiffes 1 lassen sich
hinsichtlich der Manövrierbarkeit
des Luftschiffes 1 bis zu 5 Freiheitsgrade einstellen.
Das Luftschiff 1 ist vorwärts und rückwärts, nach oben und unten sowie
in drei Dreh- bzw. Neigungsrichtungen bewegbar.
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3 zeigt
schematisch eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Luftschiffes 1'. Das Luftschiff 1' weist ebenso wie
das Luftschiff 1 einen mit Helium gefüllten Druckballon 2 auf,
an welchem unten eine Gondel befestigt sein kann, welche in 3 nicht
dargestellt ist.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Luftschiffes 1' sind vier Antriebe 4 vorgesehen,
von welchen sich jeweils zwei Antriebe 4 diametral gegenüber liegen.
Somit sind die Antriebe 4 in der in 3 dargestellten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Luftschiffes 1' links oben,
rechts oben, rechts unten und links unten im den Ballon 2 verteilt
angeordnet.
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Die
Antriebe 4 sind drehbar an Auslegern 5 befestigt,
wobei die Ausleger 5 der sich diametral gegenüberliegenden
Antriebe 4 etwa in einer Linie ausgerichtet sind und ebenfalls
entsprechend der Pfeile A, B, C, D drehbar sind.
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Mit
der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Luftschiffes 1' lassen sich
bei der Manövrierbarkeit
des Luftschiffes 1' bis
zu 6 Freiheitsgrade realisieren. Selbst Kipp- und Schaukelmomente
sind damit unmittelbar beeinflussbar und lassen sich leicht regeln.
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Auch
wenn in den Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Luftschiffe 1, 1', die in den 1 bis 3 dargestellt
sind, jeweils vier Antriebe 4 dargestellt sind, können auch
drei oder mehr als vier Antriebe 4 um den Ballon 2 herum
verteilt angeordnet werden, um die Idee der vorliegenden Erfindung
umzusetzen. Wichtig ist lediglich, dass die Antriebe 4 so um
den Ballon 2 herum verteilt sind, dass der resultierende
Kraft- und Momentvektor F der Antriebe 4 in der Mitte des
Ballons 2 einstellbar ist. Dabei ist es von Vorteil, aber
nicht unbedingt notwendig, dass die Antriebe 4 beweglich
angebracht sind und sich unabhängig
voneinander ansteuern lassen, wodurch sich der resultierende Kraft-
und Momentvektor F auf der Fläche,
die die Antriebe 4 aufspannen, frei positionieren und in
der Lage drehen lässt.
So können
die Antriebe 4 starr oder drehbar angebracht werden und symmetrisch
oder unabhängig
voneinander gesteuert werden.
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Das
erfindungsgemäße Luftschiff 1, 1' besitzt gegenüber herkömmlichen
Luftschiffen den Vorteil, dass seine Lage komplett im Raum änderbar
ist. Das Luftschiff 1, 1' ist an Luftströmungen anpassbar. Somit kann
sowohl bei Aufwind als auch bei Abwind immer ein sehr geringer Luftwiderstand
des Luftschiffes 1, 1' eingestellt werden, den man in
den Wind drehen kann.
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Zudem
zeichnet sich das erfindungsgemäße Luftschiff 1, 1' dadurch aus,
dass mit ihm sehr enge Wendekreise realisierbar sind. Beispielsweise
lässt sich
das erfindungsgemäße Luftschiff 1, 1' auf der Stelle
drehen oder es lassen sich sehr komplizierte Routen abfliegen. Dies
kann beispielsweise genutzt werden, um das Luftschiff 1, 1' ruhig über einem
Objekt auszutarieren, um zum Beispiel von dem Objekt Fotos zu machen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Luftschiffes 1, 1' liegt jedoch
darin, dass der resultierende Kraft- und Momentvektor F der Antriebe 4 des
Luftschiffes 1, 1' direkt
mit den Aktoren bzw. Antrieben 4 eingestellt werden kann.
Entsprechend ist eine einfache Regelung möglich, bei welcher direkt auf
die jeweils störende
Größe eingewirkt
werden kann.
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Außerdem kann
bei dem erfindungsgemäßen Luftschiff 1, 1' eine optimale
Kraftverteilung auf den Ballon 2 erreicht werden, wodurch
die Flächenlast
sehr gering ist.
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Des
Weiteren lässt
sich durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Antriebe 4 um den Ballon 2 herum eine besonders
gute Navigier- und Manövrierbarkeit
des Luftschiffes 1, 1' erreichen. Wenn beispielsweise
durch die oberhalb des Ballons 2 oder seitlich oben an
dem Ballon 2 angeordneten Antriebe 4 eine starke
Schubkraft erzeugt wird, während
durch die unten an dem Ballon angeordneten Antriebe 4 eine
geringere Schubkraft erzeugt wird, kann bei dem Luftschiff 1, 1' eine Neigung
nach unten realisiert werden. Umgekehrt lässt sich durch eine geringe
Schubkraft oben und eine höhere
Schubkraft unten eine Neigung des Luftschiffes 1, 1' nach oben erzielen.
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Werden
die Propeller 4 der unten an dem Ballon 2 vorgesehenen
Antriebe 4 nach vorn gedreht und die Propeller der oben
an dem Ballon 2 angeordneten Antriebe 4 hinten
gedreht, kann das Luftschiff 1, 1' auf der Stelle nach oben gedreht
werden.
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Werden
beispielsweise nur die linken Antriebe 4 des Luftschiffs 1, 1' betrieben,
kann eine Bewegung nach rechts erfolgen, umgekehrt kann das Luftschiff 1, 1' durch die Aktivierung
der rechten Antriebe 4 nach links bewegt werden.
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Das
erfindungsgemäße Luftschiff 1, 1' ist auch in
der Lage, sich um seine eigene Längsachse zu
drehen. Hierfür
werden die in 3 rechts dargestellten Propeller 4 nach
unten gedreht und die links dargestellten Propeller 4 nach
oben gedreht.
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Bei
einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung
können
bei dem erfindungsgemäßen Luftschiff
drei Antriebe 4 vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise
einer der Antriebe 4 mittig oberhalb des Ballons 2 angeordnet sein,
wobei die unten angeordneten Antriebe 4 beispielsweise,
wie in den 2 oder 3 gezeigt, vorgesehen
sein können.
Umgekehrt ist es auch möglich,
dass oberhalb des Ballons 2 zwei Antriebe 4 vorgesehen
sind, wie es in den 2 und 3 gezeigt
ist, während
unten an der Gondel 3 nur ein Antrieb 4 vorgesehen
ist.
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Werden
mehr als vier Antriebe 4 verwendet, ist deren Anzahl grundsätzlich nach
oben offen. Auch hier ist es jedoch wichtig, dass ein resultierender Kraft-
und Momentvektor F eingestellt werden kann, der vorzugsweise in
der Mitte des Ballons 2 erzeugbar ist.