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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine in der Luft schwebende Kamerahalterung zum Einsatz bei der Anfertigung von Luftaufnahmen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es sind unterschiedliche Kamerahalterungen für Film- und Fotokameras bekannt, bei denen die Kamera scheinbar "schwebt" und so eine ruhige, "gleitende" Kameraführung ohne die Gefahr des Verwackeln des Bildes ermöglicht und die resultierenden Bilder stabilisiert werden. Derartige Systeme werden auch als "Schwebestative" oder "Steadycam" bezeichnet. Trotz der Bezeichnung "Schwebestativ" ist die Kamera entweder mit dem Kameramann verbunden oder an einem Stativ kardanisch gelagert. Des Weiteren ist es bekannt zur Aufnahme von Luftbildern Flugdrohnen, meist Quadrokopter (Quadrotor-Helikopter) zu verwenden. Insbesondere kleine, leistungsfähige Batterien ermöglichen den Einsatz von sehr kleinen, batteriebetriebenen Drohnen. Dennoch ist die Flugzeit meist auf ein paar Minuten begrenzt. Des Weiteren können selbst leichte Winde (ca. ab 5 Knoten (2,5 m/s) Windgeschwindigkeit) einen Einsatz kleiner und leichter Drohnen unmöglich (machen). Größere, mit Verbrennungskraftmotoren betriebene Geräte sind sehr teuer und schwierig zu regeln, sodass sie stabil in der Luft schweben. Eine ruhige, sanft schwebende Kameraführung in der Luft über längere Zeit ist nicht möglich. Beim Einsatz herkömmlicher Hubschrauber werden mit Hilfe eines Kreisels stabilisierte Kamerahalterungen (teilweise als "Gyro Mount" bezeichnet) verwendet, die sehr aufwändig und teuer sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine schwebende Kamerahalterung zu schaffen, die eine sehr dauerhaft ruhige und gleichförmige Kameraführung ermöglicht und sich (anders als Schwebestative) tatsächlich für Luftaufnahmen eignet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese oben genannte Aufgabe wird durch die Kamerahalterung gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird eine schwebende Kamerahalterung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist Kamerahalterung folgendes auf: einen durch eine Ballonhülle gebildeten Auftriebskörper; einen ringförmigen Träger auf dem die Ballonhülle aufgespannt ist bzw. in dem die Ballonhülle eingespannt ist; und mehrere gleichmäßig um den Umfang des ringförmigen Trägers verteilte Propellereinheiten zum dreidimensionalen Navigieren in der Luft; und ein Befestigungselement zur Aufnahme einer Kamera, die derart an dem ringförmigen Träger gelagert ist, dass sie mittig unter dem ringförmigen Träger und unter dem Auftriebskörper angeordnet ist.
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Das Befestigungselement ist beispielsweise so an dem ringförmigen Träger gelagert, dass keine Nick- oder Rollmomente auf den Träger wirken. Das Befestigungselement für die Nutzlast kann einen Gimbal (kardanische Aufhängung) aufweisen.
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Die schwebende Kamerahalterung bietet einerseits den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Drohnen sehr lange in der Luft schweben kann, da der notwendige Auftrieb in erster Linie durch den gasgefüllten Auftriebskörper erzeugt wird und nicht von den Propellern erzeugt werden muss. Des weiteren wird der Kamera eine 360°-Rundumsicht ermöglicht, was mit einem herkömmlichen Hubschrauber ebenfalls nicht zu erreichen ist. Die symmetrische Ausgestaltung der Halterung und die symmetrische Anordnung der Propellereinheiten ermöglicht eine gute Positionsregelung im schwebenden Zustand, da praktisch in jede Richtung Schub erzeugt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Abbildungen dargestellten Beispielen veranschaulicht und näher erläutert. In den Abbildungen zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels der erfindungsgemäßen Kamerahalterung;
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2 eine andere perspektivische Darstellung des Kamerahalterung aus 1, wobei der Auftriebskörper halbtransparent dargestellt ist; und
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3 eine perspektivische Darstellung der Trägerkonstruktion (des Gerüsts) der schwebenden Kamerahalterung aus 2.
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In den Abbildungen zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Für die Realisierung einer tatsächlich schwebenden Kamerahalterung ist ein Fluggerät notwendig. Es sind unterschiedliche Fluggeräte verfügbar, die sich unbemannt und autonom in der Luft bewegen können. Im militärischen Bereich werden derartige Fluggeräte häufig als "Drohnen" oder UAV (unmanned aerial vehicle) bezeichnet, welche zu Aufklärungszwecken eingesetzt werden können. Auch im zivilen Bereich (z.B. Verkehrsüberwachung, Vermessungstechnik, etc.) werden zu diesem Zweck – wie Eingangs schon erwähnt – häufig Helikopter eingesetzt (siehe z.B. Diehl BGT defence Quadrotor-Minihubschrauber, online: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diehl_BGT_defence_Mini hubschrauber.jpg). Derartige UAVs benötigen jedoch viel Energie, selbst wenn Sie lediglich in der Luft schweben sollen. Aus Gewichts- und Lärmgründen ist es häufig wünschenswert Elektromotoren als Antrieb zu nehmen, jedoch ist bei elektrisch angetriebenen Hubschraubern die Energieversorgung problematisch. Aus Gewichtsgründen können nur verhältnismäßig kleine Akkumulatoren zur Stromversorgung verwendet werden, was die Reichweite bzw. die Einsatzdauer so stark einschränkt, dass derartige Fluggeräte für viele Zwecke nicht sinnvoll einsetzbar sind. Ein schweben in der Luft über mehrere Stunden ist mit elektrischen Antrieben praktisch unmöglich.
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Um das oben genannte Problem zu verbessern wird gemäß einem Beispiel der Erfindung ein speziell als Kamerahalterung ausgebildetes Luftschiff verwendet, welches sich jedoch deutlich von herkömmlichen Luftschiffen unterscheidet.
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Allgemein ist ein Luftschiff ein lenkbares Luftfahrzeug dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht und das über einen eigenen Antrieb verfügt. Bei Anwendungen, wie z.B. zum Anfertigen von Fotografien oder Filmen aus der Luft, bietet ein Luftschiff aus energetischen Gründen viele Vorteile gegenüber den oben erwähnten Drohnen, da der notwendige Auftrieb zum Schweben in einer bestimmten (Soll-)Höhe nicht vom Antrieb erzeugt werden muss. Energie wird lediglich zum Erzeugen von Schub für die Vorwärtsbewegung oder zum Stabilisieren des Luftschiffes an einer Position über dem Boden benötigt, insbesondere zur Kompensation der Luftströmung des Windes.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung von unten eines Beispiels einer erfindungsgemäßen schwebenden Kamerahalterung. Die schwebende Kamerahalterung 1 umfasst einen rotationssymmetrisch geformten Auftriebskörper 10, der das Traggas (z.B. Helium) enthält, der ähnlich wie bei einem Zeppelin durch eine Ballon-Hülle begrenzt wird. 2 zeigt das gleiche Luftschiff in einer anderen perspektivischen Ansicht (von oben), wobei der Auftriebskörper 10 halbtransparent dargestellt ist, sodass der innen liegende Gerüst (Skelett) des Luftschiffs sichtbar ist. 3 zeigt die gleiche Ansicht, jedoch ohne die Ballon-Hülle, sodass das Gerüst des Luftschiffs sichtbar wird.
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Der ringförmige Träger 20 gibt dem Auftriebskörper 10 annähernd die Form eines abgeplatteten Rotationsellipsoids (oder zweier symmetrisch angeordneter Kugelkalotten). Der Auftriebskörper 10 hat eine annähernd linsenförmige Querschnittsfläche, die sich als günstig herausgestellt hat. Eine derartige Form wird in erster Linie durch den in 2 dargestellten kreisringförmigen Träger 20 ermöglicht, der auch im Wesentlichen das Skelett des Luftschiffes bildet. Die schwebende Kamerahalterung 1 kann daher aufgrund dieser Konstruktion als halbstarres Luftschiff angesehen werden. Die Linsenform, d.h. die geringe Höhe im Vergleich zum Durchmesser, reduziert die Angriffsfläche für Seitenwinde, was für die Anwendung als schwebende Kamerahalterung vorteilhaft ist. Für eine Stabilisierung über der Erdoberfläche wird dann nur verhältnismäßig wenig Energie benötigt.
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Wie bei halbstarren Luftschiffen oder Prallluftschiffen üblich sorgt ein Ballonett dafür, dass im Inneren des Auftriebskörpers 10 stets ein leichter Überdruck herrscht, um ihn dadurch prall zu halten. In den 1 und 2 liegt die Ballon-Hülle außen an dem ringförmigen Träger an, was dem gesamten Auftriebskörper eine stabile Form gibt. Es ist jedoch auch möglich, den Träger außerhalb der Hülle anzuordnen und den Auftriebskörper z.B. über Seile an dem ringförmigen Träger 20 ringsum zu befestigen und die Hülle auf diese Art aufzuspannen. Um ein einen einfachen Transport und Zusammenbau am Startort zu ermöglichen kann der ringförmige Träger 20 aus mehreren Teilen (Segmenten) gebildet sein, die ein vertauschungssicheres Stecksystem bilden, so dass der ringförmige Träger 20 nur auf eine bestimmte Art aus den Segmenten zusammengebaut werden kann. Ein einfacher Transport und ein rascher Aufbau der Kamerahalterung ist für ein Filmteam in der Praxis sehr vorteilhaft. Mit Hilfe einer mobilen Rekompressionsanlage kann das Traggas wieder in einen Druckbehälter gefüllt und bei der nächsten Inbetriebnahme wieder verwendet werden.
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Die Größe des Auftriebskörper bzw. die Menge des Traggases ist derart ausgelegt, dass das Luftschiff mit seiner Nennlast (in erster Linie Kamera und Batterien) beladen ohne zusätzlichen Antrieb in einer vorgegebenen Höhe schweben kann. An der Außenseite des kreisringförmigen Trägers 20 können drei oder mehrere Propeller-Einheiten 30 bzw. 31 montiert sein. In der Praxis haben sich vier oder acht Propeller-Einheiten 30 als günstig erwiesen, die symmetrisch um den Umfang des ringförmigen Trägers angeordnet sind. In dem in 2 gezeigten Beispiel sind symmetrisch um den kreisringförmigen Träger 20 acht Propeller-Einheiten 30 und 31 befestigt. Dabei ist jede Propeller-Einheit an einem am Träger 20 befestigten Ausleger montiert, der in radialer Richtung von dem kreisringförmigen Träger 20 absteht. Vier der acht Propellereinheiten können starr am ringförmigen Träger befestigt sein und eine senkrechte Propellerdrehachse aufweisen (Propellereinheiten 30). Die übrigen vier Propellereinheiten haben in diesem Fall eine waagrechte Propellerachse und sind um eine senkrechte Achse schwenk- bzw. rotierbar (Propellereinheiten 31).
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Um eine erhöhte Ausfallsicherheit zu erreichen können alle Propellereinheiten 30, 31 identisch aufgebaut in gleicher weise am ringförmigen Träger schwenkbar montiert sein. In diesem Fall sind die Propellerdrehachsen aller Propellereinheiten sowohl um eine senkrechte Achse schwenkbar als auch um eine waagrechte Achse kippbar. Zusätzlich kann eine Verstellung der Anstellwinkel der Rotorblätter vorgesehen sein. Diese Ausführung bringt ein großes Maß an Flexibilität bei der Steuerung bzw. Regelung der Propellereinheiten.
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Während des normalen Betriebes werden vier um jeweils 90° versetzt angeordnete Propellereinheiten Schub in im wesentlichen vertikaler Richtung erzeugen und vier, ebenfalls um 90° versetzt angeordnete Propellereinheiten Schub in im Wesentlichen horizontaler Richtung erzeugen. D.h. bei der Ausführungsform mit acht Propellereinheiten ist entlang des Umfangs des Trägers 20 jede zweite Propeller-Einheit 31 so ausgerichtet, dass die Propellerdrehachse normalerweise senkrecht steht. Die Propeller-Einheiten 31 dienen also zur Erzeugung zusätzlichen Auftriebs zur Feinabstimmung der Flughöhe des Luftschiffes. Die anderen Propeller-Einheiten 30 sind normalerweise so ausgerichtet, dass die Propellerdrehachsen waagrecht stehen. Die Propeller-Einheiten 31 dienen also zur Erzeugung von seitlichem Schub, der je nach Ansteuerung der Propeller-Einheiten 30 in eine beliebige radiale Richtung gerichtet sein kann. Diese Ausführungsform bietet ein hohes Maß an Ausfallsicherheit und die Möglichkeit einer einfachen Navigation in der Luft. Die schwebende Kamerahalterung muss sich nicht erst in den Wind drehen (wie ein Hubschrauber), um eine Korrektur der Position vornehmen zu können. Eine Abweichung von einer Sollposition kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Propellereinheiten korrigiert werden indem eine entsprechende (in beliebiger Richtung ohne weiters mögliche) Ausgleichsbewegung durchgeführt wird.
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Die Kamerahalterung ist im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine horizontale Symmetrieachse 50 ausgebildet, weshalb die Regelung (Positions- oder Geschwindigkeitsregelung) der Probellereinheiten sehr schnell auf Störungen z.B. durch Windböen aus beliebiger Richtung reagieren kann, um die Kameraanordnung auf einer gewünschten Flugbahn oder an einer bestimmten Position schwebend über Grund zu halten.
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Die zu transportierende Kamera ist unter dem Auftriebskörper 10 so an dem Befestigungselement 40 befestigt, dass der Schwerpunkt der Nutzlast in der senkrechten Symmetrieachse 50 des Auftriebskörpers 10 liegt, d.h. so, dass auf den Auftriebskörper 10 keine Drehmomente um eine waagrechte Achse (Nick- oder Rollmomente) wirken. Beispielsweise ist die das Befestigungselement 40 mit zumindest drei Seilen 41 an dem ringförmigen Träger 20 aufgehängt und befindet sich somit immer unterhalb der Mitte des Auftriebkörpers. Das Befestigungselement 40 kann eine kardanische Aufhängung (Gimbal) aufweisen, z.B. über einen Gimbal mit den Seilen 41 verbunden sein, was den Vorteil hat, dass das am Befestigungselement 40 montierte Kamerasystem in eine beliebige Richtung gedreht werden kann, ohne die Kamerahalterung 1 in der Schwebe rotieren zu müssen.
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An dem Befestigungselement 40 kann neben der zu transportierenden Kamera auch die Steuer- und Kommunikationseinheit sowie die Energieversorgung (z.B. Akkumulatoren) montiert sein. Die Steuereinheit kann zur Bestimmung der absoluten Position und der Geschwindigkeit über Grund ein Empfänger für ein Satellitennavigationssystem (z.B. GPS-Empfänger) aufweisen. Alternativ wäre auch eine Navigation mit Hilfe von vom Boden aus gesendeten Funkfeuern möglich. Des Weiteren ist ein Kommunikationssystem vorgesehen, das vom Boden aus eine Programmierung der Flugbahndaten ermöglicht.
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Der in Leichtbauweise hergestellte Gimbal hat die Aufgabe den bildgebenden Sensor (z.B. Film- oder Foto-Kamera) einerseits in einer relativ zur Erdoberfläche stabilen Lage zu halten als auch vom Operator (d.h. dem Kameramann) gewünschte Bewegungen zur Motivsuche (im Einzelbildmodus) als auch Neige-, Schwenk-, und/oder Roll-Bewegungen während des Filmens (bei Filmaufnahmen) zu erzeugen. Diese Bewegungen werden von drei Stellelementen (z.B. Motoren) durchgeführt, wobei jeder Motor für eine eigene Achse zuständig ist ("Pan", "Tilt" und "Roll" oder auch "Azimut", "Elevation", "Horizont"). Die Stabilisierung wird von einem durch einen Lagesensor unterstützten Computer erzeugt, wodurch trotz Bewegung der Kameraaufhängung ein möglichst konstanter Bildausschnitt beibehalten wird. Der Operator gibt durch ein Bedienpaneel dann lediglich relative Bewegungen zu dieser (relativ zur Erdoberfläche) stabilen Lage vor.
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Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass – während das Luftschiff beliebig bewegt wird – der Sichtbereich der Kamera trotzdem die gesamte Halbkugel unter dem Luftschiff abdecken kann. Das ist eine deutliche Steigerung der möglichen Freiheitsgrade für das Gesamtsystem.
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Durch Verwendung von Geokoordinaten (GPS-Signalen) kann mit einer einfach zu bedienenden Software die Position und die Flugbahn des Luftschiffes vorgegeben werden. Dabei sind die Propellereinheiten derart geregelt, dass Windgeschwindigkeiten bis zu 40 km/h vollautomatisch kompensiert werden können. Die Verwendung eines differentiellen GPS (dGPS) kann vorteilhaft sein. Eine dGPS Referenzstation kann dabei am Boden in der Nähe des Aufnahmegebietes angeordnet sein.
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Ein derartiger autonomer Flugmodus ermöglicht es erstmals in kostengünstiger Weise, unabhängig von der Windgeschwindigkeit definierte Positionen wiederholt anzufahren oder definierte Flugbahnen zu durchlaufen. Mit Hilfe einer entsprechen genauen Positionsmessung (z. B. GPS oder dGPS) ist es erstmals möglich vorgegebenen (und "offline programmierbaren") Flugpfaden sehr exakt zu folgen. Dies ermöglicht z.B. auch ein sehr genaues Reproduzieren von Flugpfaden. D.h. ein und der selbe Flugpfad kann zu unterschiedlichen Zeiten erneut durchflogen werden und die jeweilige Luftaufnahme wiederholt werden. Es können Positioniergenauigkeiten von rund einem Meter unabhängig vom Wind erreicht werden und somit eine Bildserien für eine Zeitraffer-Aufnahme hergestellt werden, welche z.B. die Veränderungen im Laufe eines Jahres oder mehrerer Jahre dokumentieren können. Des Weiteren ist es auch bei sehr langsamen Fluggeschwindigkeiten (0 bis 20 m pro Minute) ein sehr stabiles und ruckfreies Schweben in der Luft zu ermöglichen, was in vielen Situationen für Luftaufnahmen sehr wünschenswert und mit einem Hubschrauber kaum zu erreichen ist.
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Wie erwähnt, bietet auf Grund der symmetrischen Ausführung des Auftriebskörpers die komplett neuartige Konstruktionsart mit Hilfe des ringförmigen Trägers wesentliche Vorteile im Vergleich zu zeppelinförmigen Luftschiffen. Wesentlichen Einfluss auf die Aerodynamik hat die Spannung der Ballonhülle. Es muss zu jeder Zeit gewährleistet sein, dass das Ballonett die Ballonhülle straff hält, damit die Angriffsfläche für Winde möglichst gering bleibt.
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Wünschenswert wäre es, wenn das Gesamtgewicht des Kameraanordnung samt Kamera und Objektiv und sonstigem Zubehör 25 kg nicht überschreitet. In diesem Fall unterliegt das Fluggerät keinen gesetzlichen Beschränkungen und besonderen administrativen Hürden wie Fluggenehmigungen, Flugverbote über bebauten Gebiet und Veranstaltungen und anderes mehr, außerhalb von Kontrollzonen. Eine Nutzlast von 4 kg wäre für aktuelle kleine professionelle Kamerasysteme ausreichend.
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Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, besonders leichte und stabile Materialien zu verwenden (z.B. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, d.h. CFK, Aluminium, etc.). Dies gilt gleichermaßen für die strukturgebenden Materialien (insbesondere für den ringförmigen Träger 20) als auch für elektronisches Equipment, die Propeller-Einheiten 30, 21 und die Ballonhülle.
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Um bei Windgeschwindigkeiten bis zu 40 km/h sicher manövrieren zu können, ist die Verwendung von besonders effizienten und gleichzeitig leichten Antriebs-Komponenten notwendig. Die Propeller-Einheiten 30, 31 umfassen jeweils einen energieeffizientem Elektromotor, einen Hochleistungsakku und Propeller. Die Leistungsfähigkeit der Antriebe für die laterale Bewegung sollte so dimensioniert werden, damit beim OutdoorBetrieb auch bei plötzlich auftretenden Böen, Scherwinden oder thermischen Schichtungen notwendige Leistungsreserven für eine einwandfreie Landung vorhanden sind. Durch die Anordnung der Akkus direkt in den Propeller-Einheiten 31, 31 wird das Gewicht einer aufwändigeren Verkabelung eingespart.
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Wie oben erwähnt, kann die tragende Struktur des Luftschiffes einen Ring (Träger 20) aus CFK (kohlefaserverstärktem Kunststoff) umfasst, dessen Durchmesser den Durchmesser der Ballonhülle und damit auch den des Auftriebskörpers bestimmt. Der CFK-Ring 20 kann als vertauschungssicheres Stecksystem ausgeführt sein, um einfachen Transport und Zusammenbau zu ermöglichen. In Kombination mit der darauf aufgespannten Außenhülle ergibt sich daraus ein in sich ein stabiler Auftriebskörper 10.
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Zur weiteren Stabilisierung können in die an sich flexible Ballonhülle an deren oberen und deren unteren Ende waagrecht und symmetrisch zur Symmetrieachse 50 scheibenförmige Platten 61 bzw. 62 eingesetzt werden. Insbesondere die untere Platte 62 kann auch zur zusätzlichen Befestigung und damit der Stabilisierung der Nutzlast dienen. Des weiteren trägt die untere Platte 62 ein Ventil zur Befüllung der Ballon-Hülle und der darin angeordneten Ballonetts.
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Das Gesamtsystem umfasst also die oben beschriebene Kamerahalterung, eine z.B. an einer Gimbal befestigten Kamera und eine drahtlos mit den Stellelementen der Gimbal sowie mit der Kamera verbundene Steuereinheit mit einem Bedienpaneel, welches sinnvollerweise in einem Computer (z.B. einem Laptop) als Software realisiert ist. Diese Steuereinheit (bzw. die in dem Computer ausgeführte Steuersoftware) ist dazu ausgebildet, einer Bedienperson (dem Operator) die Manipulation der Lage der Kamera relativ zur Erdoberfläche zu ermöglichen. Dies kann entweder durch Bewegen des Luftschiffes selbst geschehen (Grobsteuerung) oder durch eine Anpassung der Sollwerte (d.h. der Vorgabe) für die Stellelemente der Gimbal, um die Lage der Kamera entsprechend zu verändern. Durch beide Maßnahmen kann der Bildausschnitt, den die Kamera aufnimmt, gezielt angepasst werden. Gleichzeitig kann ein Regelalgorithmus in der Steuereinheit ausgeführt werden, der einen einmal ausgewählten Bildausschnitt konstant hält, was durch eine entsprechende Ansteuerung der Stellelemente der Gimbal erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diehl_BGT_defence_Mini hubschrauber.jpg [0013]
