-
Die Erfindung betrifft eine Drohne umfassend zumindest vier Rotoren und einen aerodynamisch geformten Rumpf, wobei die zumindest vier Rotoren symmetrisch zum Rumpf und zumindest zwei Rotoren entlang einer Längsachse des Rumpfs und zumindest zwei Rotoren entlang einer Querachse des Rumpfs angeordnet sind.
-
Drohnen oder unbemannte Fluggeräte werden meist mit optischen Aufnahmegeräten oder Messsensoren ausgestattet und zur Überwachung eingesetzt. Dies ist dann der Fall, wenn der Einsatz von bemannten Fluggeräten entweder zu aufwendig oder für einen Piloten zu gefährlich ist.
-
Die Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Überwachung in der Landwirtschaft, die Aufnahme von Luftbildern für die Kartografie, die militärische Aufklärung, Polizei- und Notfalleinsätze sowie die Überwachung von Grossbauprojekten und die Aufklärung in Katastrophengebieten. Häufig wird dabei die Drohne mit einem Aufnahmegerät, beispielsweise einer Kamera versehen. Die Aufnahmen werden anschliessend an eine Basisstation zur weiteren Verarbeitung der Bild- und Telemetriedaten übermittelt. Dies ist besonders vorteilhaft bei grossflächigen Anwendungen, wobei die Aufnahme und Auswertung automatisiert werden kann, wie beispielsweise bei der Überwachung von grossen Anbauflächen in der Landwirtschaft oder bei Aufnahmen zur Kartografie.
-
Weiterhin können mit Messgeräten ausgestatte Drohnen in einem Katastrophengebiet beispielsweise die Belastung der Luft mit Schadstoffen bestimmen. Bei der Begutachtung von Schäden können Drohnen effizient eingesetzt werden. Die Drohne überfliegt dazu in geringer Höhe einen Schadensort und kann somit einen Überblick über den entstandenen Schaden oder die Belastung der Luft liefern.
-
Der Einsatz von Drohnen erfordert unterschiedlichste Flugphasen wie beispielsweise Abheben, Landen, Schweben, langsamer Horizontalflug, schneller Horizontalflug und deren Übergange. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Flugeigenschaften der Drohne.
-
Im Stand der Technik finden sich hierzu unterschiedliche Ausgestaltungen von Drohnen beispielsweise als Tragflächen-Flugzeuge oder Drehflügler. Flugzeuge eignen sich zum sehr schnellen Überflug von grossen Flächen, sind allerdings durch die Anforderungen an Start- und Landebahnen, sowie eine Mindestfluggeschwindigkeit zur Gewährleistung des nötigen Auftriebs insbesondere für lokale Einsätze nur bedingt einsatzfähig.
-
Drehflügler wie Hubschrauber stellen nur geringe Bedingungen an Start- und Landepositionen und ermöglichen insbesondere im langsamen Horizontalflug oder in einer Schwebephase Detailaufnahmen. Drehflügler weisen hierzu Rotoren auf, um den nötigen Auftrieb zu erzeugen. Der Energieaufwand zur Erzeugung des Auftriebs mit Hilfe eines Rotors im Vergleich zu Tragflächen eines Flugzeuges ist relativ gross. Dadurch ist die Reichweite beziehungsweise die Einsatzdauer von Drehflüglern sehr begrenzt.
-
Darüber hinaus werden vermehrt Elektromotoren in Drohnen eingesetzt, da diese im Vergleich zu Verbrennungsmotoren leicht und geräuscharm sind. Zum Antrieb der Elektromotoren müssen Batterien mitgeführt werden. Die Energiedichte der mitgeführten Batterien ist dabei allerdings deutlich geringer als die Energiedichte von fossilem Brennstoff für Verbrennungsmotoren. Somit ist die die Reichweite beziehungsweise die Einsatzdauer von Drehflüglern mit Elektromotoren weiter eingeschränkt.
-
Häufig werden als Drohnen Quadrokopter oder Vierflügler eingesetzt. Diese weisen vier in Bezug auf die Hochachse der Drohne in einer flachen Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller auf, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene Vortrieb zu erzeugen. Weiterhin erlauben die vier Rotoren in einer Ebene beispielsweise allein durch Veränderung der Drehzahl eine Steuerung um die Achsen des Rumpfes.
-
Herkömmliche Drehflügler wie Hubschrauber weisen einen Rotor und zum Ausgleich des dadurch verursachten Drehmoments einen Heckrotor auf. Da der Heckrotor keinen Beitrag zum Auftrieb oder zum Vortrieb des Hubschraubers leistet, wird durch das Einsparen des Heckrotors in einem Quadrokopter die Energieeffizienz der Drohne erhöht.
-
Um die Reichweite und die Einsatzdauer der Drohne weiter zu erhöhen, kann der Rumpf der Drohne aerodynamisch ausgebildet werden. Dadurch verringert sich der Luftwiderstand und es wird beim horizontalen Flug weniger Energie benötigt. Zusätzlich kann dynamischer Auftrieb erzeugt werden.
-
Die Lösungen gemäss dem Stand der Technik zur Erhöhung der Energieeffizienz reichen allerdings nicht aus, um die Anforderungen an Reichweite und Einsatzdauer der Drohne für Anwendungen wie beispielsweise in der Landwirtschaft, in der Kartografie, für die militärische Aufklärung, Polizei- und Notfalleinsätze sowie die Überwachung von Grossbauprojekten und die Aufklärung in Katastrophengebieten zu gewährleisten.
-
Daher stellt sich die Aufgabe, die Energieeffizienz und damit die Reichweite und die Einsatzdauer von Drohnen weiter zu erhöhen.
-
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass der entlang der Längsachse in Flugrichtung angebrachte Rotor in einem ersten Abstand, die Rotoren entlang der Querachse in einem zweiten Abstand und der entlang der Längsachse entgegen der Flugrichtung angebrachte Rotor in einem dritten Abstand zum Rumpf entlang einer Hochachse vorgesehen sind.
-
Die Drohne ist dabei beispielsweise als Quadrokopter beziehungsweise Vierflügler, Multikopter, oder Polykopter ausgebildet. Dabei ist ein besonderer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik, dass der entlang der Längsachse in Flugrichtung angebrachte Rotor in einem ersten Abstand, die Rotoren entlang der Querachse in einem zweiten Abstand und der entlang der Längsachse entgegen der Flugrichtung angebrachte Rotor in einem dritten Abstand zum Rumpf entlang einer Hochachse angeordnet sind. Die Abstände können unterschiedlich sein. Durch die unterschiedlichen Abstände der Rotoren zum Rumpf nimmt die Drohne beim Horizontal- oder Vorwärtsflug eine besonders aerodynamische Form ein. Die Rotoren können dabei beispielsweise auch als Triebwerke ausgebildet sein.
-
Die Rotoren der erfindungsgemäßen Drohne sind, mit anderen Worten, in Flugrichtung von vorne nach hinten in absteigender Höhe gegenüber einer zur Hochachse der Drohne senkrechten Horizontalebene angeordnet. Beim Horizontalflug neigt sich die Drohne in Flugrichtung und die Rotoren sind dann in einer horizontalen Ebene angeordnet. Im Stand der Technik sind demgegenüber die Rotoren in Bezug auf die Hochachse der Drohne in einer horizontalen Ebene angeordnet.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Rumpf unterhalb der zumindest vier Rotoren vorgesehen. Dies ist besonders vorteilhaft beim Einsatz der Drohne zur Überwachung, wobei der Rumpf beispielsweise ein optisches Aufnahmegerät aufnimmt. Das Aufnahmegerät ist dabei typischerweise unterhalb des Rumpfs angebracht. Da der Rumpf selbst dabei unterhalb der Rotoren vorgesehen ist, werden die Aufnahmen nicht durch die Rotoren beeinträchtigt und es wird eine hohe Qualität gewährleistet. Weiterhin sorgt die Anordnung des Schwerpunktes unterhalb der Rotoren für eine gute Flugstabilität.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rumpf oberhalb der zumindest vier Rotoren vorgesehen. Dies ist besonders vorteilhaft beim Einsatz der Drohne mit Messgeräten, wie beispielsweise zur Messung der Luftverschmutzung. Die Messgeräte sind dabei möglichst weit ausserhalb der Luftverwirbelungen, die durch die Rotoren erzeugt werden, angeordnet.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rumpf innerhalb der von den Rotoren aufgespannten Ebene vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine gute Energieeffizienz, da das Volumen und der Luftwiderstand der Drohne minimiert sind.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rumpf derart aerodynamisch geformt ist, dass der Querschnitt des Rumpfs entlang der Längsachse als ein Tragflächenprofil ausgebildet ist. Das Tragflächenprofil erzeugt insbesondere beim Horizontalflug einen zusätzlichen Auftrieb. Damit wird die Energieeffizienz der Drohne erhöht. Die Form des Tragflächenprofils dient einerseits dazu, möglichst viel Auftrieb bei möglichst wenig Strömungswiderstand zu erreichen, und andererseits dazu, einen möglichst großen Anstellwinkelbereich ohne Strömungsabriss zu ermöglichen. Je nach Konstruktion können dazu unterschiedliche Tragflächenprofile verwendet werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Rumpf eine Landevorrichtung auf. Diese ist erforderlich, damit die Drohne sicher senkrecht startet und landet. Dabei ist die Landevorrichtung beispielsweise als Landekufen, Fahrwerk mit Rollen, Landeski oder Wasserkufen mit Schwimmelementen ausgebildet. Landekufen umfassen dabei zwei Halterohre, die quer zum Rumpf angebracht sind, und zwei weitere längsseitige Rohre. Durch ihre einfache Konstruktion sind Landekufen leicht herzustellen und wartungsfrei. Weiterhin wiegen Landekufen weniger und bieten weniger Luftwiderstand als andere Ausgestaltungen der Landevorrichtung.
-
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht dabei vor, dass ein Befestigungskreuz aus zwei Streben geformt ist und jeweils eine Strebe den Rumpf mit zumindest zwei Rotoren verbindet. Das Befestigungskreuz gewährleistet eine stabile und sichere Verbindung zwischen Rumpf und Rotoren.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest die quer zur Vorwärtsflugrichtung verlaufenden Streben des Befestigungskreuzes flach ausgebildet. Dabei verursachen die Streben keine zusätzliche Luftverwirbelung, und der Luftwiderstand der Streben ist möglichst klein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streben des Befestigungskreuzes entlang der Querachse des Rumpfes aerodynamisch geformt und zwar derart, dass der Querschnitt der Streben entlang der Längsachse als ein Tragflächenprofil ausgebildet ist. Das Tragflächenprofil erzeugt insbesondere beim Horizontalflug einen zusätzlichen Auftrieb. Damit wird die Energieeffizienz der Drohne weiter erhöht.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
-
Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
-
Es zeigt
-
1: in einer perspektivischen Ansicht eine Drohne mit vier Rotoren und einem Rumpf, und
-
2: in einer Seitenansicht eine Drohne mit vier Rotoren in unterschiedlichen Abständen.
-
Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind zusammengefasst in der Bezugszeichenliste. Im Allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.
-
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Drohne 1 mit vier Rotoren 2, 3, 4, 5 und einem Rumpf 6. Dabei ist der entlang der Längsachse in Flugrichtung angebrachte Rotor 2 in einem ersten Abstand, die Rotoren 4, 5 entlang der Querachse in einem zweiten Abstand und der entlang der Längsachse entgegen der Flugrichtung angebrachte Rotor 3 in einem dritten Abstand zum Rumpf 6 vorgesehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle drei Abstände unterschiedlich.
-
Die dargestellte Drohne 6 ist ein Quadrokopter oder Vierflügler. Die Drohne 6 kann in weiteren Ausführungen als Multikopter oder Polykopter mit mehr als vier Rotoren ausgebildet sein. In der Quadrokopterbauweise werden die Rotoren 2, 3, 4, 5 beispielsweise durch Elektromotoren angetrieben. Die elektrische Energie für die Elektromotoren wird typischerweise von Batterien, wie beispielsweise Lithium-Polymer-Akkumulatoren bereitgestellt.
-
In der Quadrokopterbauweise werden zur Steuerung im Gegensatz zu Hubschraubern keine mechanischen Komponenten wie z. B. Taumelscheiben, Verstellpropeller oder Ruder benötigt. Die Rotoren 2, 3, 4, 5 sind fest an einem Motor, beispielsweise einem Elektromotor montiert oder über ein Getriebe mit diesem verbunden. Änderungen des Auftriebs erfolgen ausschließlich durch Erhöhung oder Verringerung der Motordrehzahl. Wird die Drehzahl aller Motoren gleichzeitig erhöht bzw. verringert, steigt bzw. sinkt die Drohne 1.
-
Bei der als Quadrokopter ausgebildeten Drohne 1 drehen sich jeweils zwei der Rotoren 2, 3, 4, 5 im und die zwei anderen Rotoren gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch heben sich die Drehmomente, welche von den Rotoren 2, 3, 4, 5 auf den Rumpf übertragen werden, entsprechend auf.
-
Drehungen um die Längs- bzw. Querachse der Drohne 1 erfolgen durch unterschiedliche Ansteuerung der auf der jeweiligen Achse liegenden Rotoren 2, 3, 4, 5. Dabei ist die Drehzahl der links- bzw. rechtsdrehenden Rotoren 2, 3, 4, umgekehrt proportional zu verändern, damit die Summe der von ihnen erzeugten Drehmomente gleich bleibt.
-
Die Drohne 1 ist weiterhin mit einer Landevorrichtung 7 versehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Landevorrichtung 7 als Landekufen ausgebildet. Weiterhin können je nach Einsatzgebiet Rollen, Landeski oder Wasserkufen mit Schwimmelementen verwendet werden. Die Landekufen sind dabei besonders einfach ausgebildet und umfassen vier Halterohre 10, die quer zum Rumpf angebracht sind, und zwei längsseitige Rohre 11, welche Kufen bilden. Eine als Landekufen ausgebildete Landevorrichtung 7 wiegt weniger und bietet weniger Luftwiderstand als beispielsweise ein festes Räderfahrwerk. Darüber hinaus verringern Kufen im Vergleich zu anderen Ausführungsformen das Risiko, sich an Objekten am Boden wie beispielsweise. Sträuchern oder ähnlichem zu verhaken.
-
Die Rotoren 2, 3, 4, 5 sind auf einem Befestigungskreuz, welches aus zwei Streben 8, 9, geformt ist, befestigt. Die Streben 8, 9 verlaufen dabei jeweils entlang der Längsachse und der Querachse. Der Rumpf 6 der Drohne 1 nimmt das Befestigungskreuz auf, wobei die Streben 8, 9 den Rumpf 6 fest mit den Rotoren 2, 3, 4, 5 verbinden. Der Abschluss der Streben 8, 9 mit dem Rumpf 6 ist dabei mit einer den Rumpf verschliessenden Ansatzfläche 12 versehen.
-
Der Rumpf 6 ist weiterhin mit einer Befestigungsvorrichtung 13 am Ober- und Unterteil versehen. Die Befestigungsvorrichtung 13 dient dabei zur Anbringung von Aufnahme- oder Messgeräten. Dabei wird ein optisches Aufnahmegerät bevorzugt am Unterteil des Rumpfs 6 und Messgeräte bevorzugt weiter entfernt vom Rumpf angebracht. Somit können hochqualitative optische Aufnahmen beziehungsweise Messdaten aufgenommen werden. Weiterhin kann der Rumpf 6 mit einer Sendevorrichtung zur drahtlosen Übertragung von Daten des Aufnahmegeräts beziehungsweise der Messgeräte versehen werden. Damit können die Daten unmittelbar nach der Aufnahme zur weiteren Verarbeitung beispielsweise an eine Bodenstation gesendet werden.
-
2 zeigt in einer Seitenansicht die Drohne mit vier Rotoren 2, 3, 4, 5 in unterschiedlichen Abständen vom Rumpf. Beim Horizontalflug neigt sich die Drohne 1 in Flugrichtung. Dadurch sinkt die relative Position des entlang der Längsachse in Flugrichtung angebrachten Rotors 2 in Bezug auf den Rumpf 6 nach unten, während der entlang der Längsachse entgegen der Flugrichtung angebrachte Rotor 3 relativ zum Rumpf 6 nach oben steigt.
-
Die Rotoren 2, 3, 4, 5 sind in einer in Bezug auf die Hochachse geneigten Ebene und in Flugrichtung von vorne nach hinten in absteigendem Abstand angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte aerodynamische Form der Drohne 1. Der Rotor 2 ist dabei in Flugrichtung derart angebracht, dass er beim Horizontalflug auf einer Linie mit dem Rumpf 6 liegt. Der Rotor 5 ist dabei derart vorgesehen, dass er beim Horizontalflug ebenfalls auf einer Linie mit dem Rumpf 6 liegt. Dadurch ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine reduzierte Angriffsfläche, womit der Luftwiderstand der Drohne entsprechend sinkt. Damit muss im Horizontalflug weniger Energie für den Vortrieb aufgewendet werden, und die Reichweite beziehungsweise die Einsatzdauer der Drohne 1 wird entsprechend erhöht.
-
in weiteren Ausführungsformen kann der Rumpf 6 der Drohne 1 auch oberhalb beziehungsweise unterhalb der von den Rotoren 2, 3, 4, 5 aufgespannten Ebene liegen. Dadurch wird eine vorteilhafte Befestigung von Aufnahmegeräten oder Messgeräten gewährleistet. Ein optisches Aufnahmegerät ist dabei typischerweise unterhalb des Rumpfs angebracht. Der Rumpf 6 selbst ist dabei unterhalb der Rotoren 2, 3, 4, 5 vorgesehen um die Aufnahmen nicht durch die Rotoren 2, 3, 4, 5 zu beeinträchtigen und eine hohe Qualität zu gewährleisten. Messgeräte sind dabei bevorzugt weiter entfernt vom Rumpf angebracht. Dadurch werden Luftverwirbelungen durch die Rotoren 2, 3, 4, 5 im Bereich der Messgeräte vermieden und Fehler bei der Messung verhindert.
-
In der dargestellten Ausführungsform der Drohne 1 ist der Rumpf 6 derart aerodynamisch geformt ist, dass der Querschnitt des Rumpfs 6 entlang der Längsachse als ein Tragflächenprofil ausgebildet ist. Dabei erzeugt das Tragflächenprofil beim Horizontalflug einen Auftrieb. Die Form des Tragflächenprofils dient einerseits dazu, möglichst viel Auftrieb bei möglichst wenig Strömungswiderstand zu erreichen, und andererseits dazu, einen möglichst großen Anstellwinkelbereich ohne Strömungsabriss zu ermöglichen. Beim Vorwärtsflug erhält der Rumpf 6 aufgrund der Neigung der Drohne 1 den optimalen Anstellwinkel, um den Auftrieb zu maximieren und den Luftwiderstand zu minimieren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Drohne
- 2
- Rotor
- 3
- Rotor
- 4
- Rotor
- 5
- Rotor
- 6
- Rumpf
- 7
- Landevorrichtung
- 8
- Strebe
- 9
- Strebe
- 10
- Halterohr
- 11
- Rohr
- 12
- Ansatzfläche
- 13
- Befestigungsvorrichtung
