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Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Luftfahrzeug, welches zumindest vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu generieren. Dieses unbemannte Luftfahrzeug kann zu der Gruppe der Drehflügelflugzeuge gezählt werden und kann wie diese senkrecht starten und landen.
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Diese unbemannten Luftfahrzeuge werden auch Multikopter genannt, wobei diese insbesondere viermotorig (Quadrokopter), sechsmotorig (Hexakopter) oder achtmotorig (Oktokopter) verwendet werden.
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Die Benennung der Multikopter, beispielsweise beim Quadrokopter, erfolgt nach der Anzahl der eingesetzten Motoren, wobei es regelmäßig mehrere Varianten gibt. Beim Quadrokopter beispielsweise eine Variante mit vier Auslegern und eine Variante mit drei Auslegern, wobei dabei an zwei Auslegern jeweils ein Motor und an dem dritten Ausleger zwei Motoren übereinander angeordnet sind.
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Bei Multikoptern mit mehr als vier Motoren, wie beispielsweise Dodekakopter oder Hexadekakopter, gibt es mehrere zweckmäßige Varianten, wobei diese allgemein bekannt sind.
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Das technische Grundprinzip der Multikopter ist, dass diese direkt angetriebene starre Propeller mit Wirkrichtung nach unten besitzen. Eine Drehzahlsteuerung, jedoch keine weitere Mechanik, wie z. B. schwenkbare Motorträger oder Leitflächen, ist notwendig, jedoch erst ab vier Motoren möglich, beispielsweise bei einem Quadrokopter mit zwei rechtsläufigen und zwei linksläufigen Motoren. So können Bewegungen in allen Raumachsen lediglich durch Drehzahländerungen realisiert werden.
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Alternativ zu starren Propeller kann eine Steuerung in allen Raumachsen auch über Propeller mit konstanter Drehzahl, aber verstellbarem Anstellwinkel realisiert werden (Variable Pitch), was bei Verbrennungsantrieben Stand der Technik ist, jedoch ungleich komplexere Mechanik erfordert und bei Multikoptern bisher unüblich ist.
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Multikopter sind senkrecht startende Drehflügelgeräte mit einem üblichen Startgewichtsbereich von 1 bis 5 kg, wobei auch wesentlich leichtere (< 50 g) oder schwerere (bis 120 kg) verwendet werden.
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Alle diese Multikopter sind jeweils für einen speziellen Anwendungsbereich konzipiert, wobei beispielsweise ein bezüglich seiner wesentlichen Parameter vergleichbarer Oktokopter eine höhere Traglast transportieren kann als ein Quadrokopter.
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Prinzipiell eignet sich ein bestimmtes Multikopter-Modell mehr oder weniger gut für bestimmte Einsätze, je nachdem was für Anforderungen an Nutzlastfähigkeit, Flugzeit, Agilität, Stabilität bei Wind usw. gestellt werden.
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Je nach Bauweise, Motorisierung und angestrebtem Einsatzweck werden unbemannte, fern- oder autonom gesteuerte Multikopter gebaut.
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Ein schwereres Fluggerät hat im allgemeinen eine stärkere Motorisierung und/oder mehr Motoren und damit üblicherweise eine höhere Nutzlast und eine höhere Stabilität bei Wind als ein leichteres, jedoch eine geringere Agilität und Reaktionsfähigkeit bzw. eine erhöhte Trägheit.
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Eine höhere Nutzlast, insbesondere im Vergleich zum Schubvermögen, erfordert am selben Multikopter höhere elektrische Ströme als eine leichtere Nutzlast, so daß die Energiereserve schneller verbraucht ist und die mögliche Flugzeit entsprechend sinkt.
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Längere Flugzeiten zu erzielen erfordert hingegen einen höheren Gewichtsanteil der elektrischen Akkus am Gesamtgewicht, auf Kosten der möglichen Nutzlasten.
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Zu viele bzw. schwere Akkus jedoch beeinflussen als zusätzliches Gewicht selbst wieder die Flugzeit und die Agilität, so dass ab einem bestimmten Punkt noch größere Akkus die Flugzeit sogar wieder verringern.
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Um die maximale Nutzlast eines bestehenden Multikopters ohne Umbauten zu erhöhen, kann nur an den Akkus Gewicht gespart werden. Dies bewirkt kürzere Flugzeiten, erhöht die mögliche Nutzlast aber nur bis zu dem bestimmten Punkt, an dem der kleiner dimensionierte Akku nicht mehr den notwendigen elektrischen Strom zu liefern vermag, den die Nutzlast erfordert, oder die Flugzeit eine einsatzabhängig sinnvolle Mindestzeit unterschreitet. Außerdem birgt ein zu klein dimensionierter Akku die Gefahr eines plötzlichen Schubverlustes durch Überlastung bei Leistungsspitzen.
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Um die Flugzeit eines bestehenden Multikopters ohne Umbauten zu erhöhen, muss die maximale Nutzlast zugunsten eines höheren Gewichtsanteils des Akkus verringert werden. Außerdem kann bis zu einem gewissen Punkt ein Teil der möglichen Nutzlast durch mehr bzw. größere Akkus ersetzt werden.
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Der mögliche Spielraum zur Erhöhung der maximal möglichen Einsatzparameter ist ohne aufwendigere technische Änderungen jedoch sowohl bei Nutzlast als auch Flugzeit gering. Um wesentlich schwerere (Faktor 2 und mehr) Nutzlasten verwenden zu können oder wesentliche längere Flugzeiten zu erzielen, sind die Nutzung anderer Multikopter mit stärkereren Motoren (für mehr Nutzlast), auf niedrige Drehzahlen optimierte größere, steilere Propeller (für mehr Flugzeit) oder eine höhere Anzahl Antriebsmotoren unumgänglich. Bisher bedeutete dies aufwendige Umbaumaßnahmen oder die Verwendung eines größeren bzw. leistungsstärkeren Multikopters.
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Das Dokument
DE 20 2006 013 909 U1 beschreibt ein modular aufgebautes Fluggerät, insbesondere einen Quadrokopter, welches mit einem zentral angebrachten Basiselement und insbesondere über Steck- und Schraubverbindungen lösbar am Basiselement angebrachten Auslegern ausgerüstet ist.
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Bisher aus dem Stand der Technik bekannte Multikopter sind vom Konzept und der Konstruktion allein auf einen Quadrokopter, einen Hexakopter, einen Oktokopter oder dergleichen ausgelegt. Es besteht jedoch ein Bedarf nach einem Multikopter, welcher insbesondere für mehrere der speziellen Anwendungsbereiche sicher verwendbar und effektiv einsetzbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein unbemanntes Luftfahrzeug bereit zu stellen, welches zumindest wahlweise bezüglich seiner wesentlichen Parameter in einfacher Art und Weise zu variieren ist, um für unterschiedliche Anwendungsbereiche sicher verwendbar und effektiv einsetzbar zu sein. Dieses Luftfahrzeug soll modular aufgebaut sein und möglichst wenige Baugruppen umfassen, welche diesbezüglich für eine Umrüstung auf einen anderen Anwendungsbereich notwendig sind. Das Umrüsten soll in einfacher Art und Weise, möglichst ohne dass Werkzeuge verwendet werden müssen, ermöglicht sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein unbemanntes Luftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungswesentlich ist, dass die Motoreinheit zumindest einen Motor oder zwei Motoren besitzt, wobei die jeweils montierten Motoreinheiten sich in der Anzahl der Motoren, der Art der Motoren und der Art der Propeller der Motoren unterscheiden können und das Luftfahrzeug wahlweise mit vier oder acht Motoren ausrüstbar ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass je nach Anwendungsbereich bzw. Einsatzszenario, Mindest-Nutzlast-Gewicht und Mindest-Flugzeit die günstigste Konfiguration, ohne aufwendige Umbauten, welche Werkzeuge erfordern, oder Neuanschaffung eines kompletten leistungsfähigeren Fluggeräts, hergestellt werden kann. Durch die Anbringung von Auslegern mit Motorträgern mit einer höheren Anzahl von Motoren oder mit einem anderen Typ Motoren oder Propeller kann die mögliche Nutzlastbereich oder die Flugzeit beträchtlich vergrößert werden. Weiterhin ist eine bessere Skalierbarkeit des Systems des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs insbesondere je nach benötigter Nutzlast und/oder Flugzeit ermöglicht.
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Der modulare Aufbau des Luftfahrzeugs ermöglicht einfachere und preiswertere Hardware-Updates, z. B. in dem Fall, wo neue Motorregler oder stärkere Motoren erstmals in das erfindungsgemäße Luftfahrzeug integriert werden. Damit ist in einfachster Art und Weise der Austausch eines Auslegers bzw. die erstmalige Integration eines solchen, insbesondere ohne zusätzliche Servicearbeiten die Zentral Elektronik betreffend ermöglicht.
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Die Zentral-Elektronik mit integrierter Kontroll- und Überwachungseinheit kann über einen bi-direktionalen CAN Bus, über den die Motorregler in üblicher Art und Weise angesteuert und überwacht werden, verfügen. Über diesen können beispielsweise ca. 800 mal pro Sekunde in die eine Richtung Datenpakete mit Informationen wie Motor Start/Stopp oder der Soll-Drehzahl an den Motorregler gesendet werden; in die andere Richtung als Antwort-Datenpakete insbesondere Statusmeldungen des Motorreglers zur Zentralelektronik.
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Diese Datenpakete enthalten verschiedene Status-Informationen wie:
- – die Adresse des Motors,
- – die Motorgruppe (= Ausleger),
- – die Konfiguration des Motor-Regler-Gespanns, u. a. wesentlich für die dynamische Motor-Mixertabelle, also die Drehrichtung und Position am Fluggerät und damit den Wirkungsvektor des Motors auf die Bewegung in allen Raumachsen,
- – aktuelle Drehzahl,
- – den aktuell verbrauchten elektrischen Strom.
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Auch werden Informationen über Störungen, z. B. Blockierung des Motors, und Hardwareprobleme, z. B. defekte Leistungsstufen, defekte Regler-Logik oder Stromversorgung, durch die Kontroll- und Überwachungseinheit detektiert und in üblicher Art und Weise software-gestützt verarbeitet.
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Die abhängigen Ansprüche 2 bis 14 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, ohne diese damit zu begrenzen.
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Bevorzugt ist, dass die lösbare Verbindung zwischen der Zentraleinheit und dem Ausleger elektrisch über Steckverbinder und mechanisch über Bajonettverschlüsse erfolgt.
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Damit ist ein werkzeugloses sicheres Verbinden in mechanischer und elektrischer Hinsicht technisch einfach gelöst.
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Bevorzugt ist, dass eine Kontroll- und Überwachungseinheit, bevorzugt ein Bestandteil der Zentral-Elektronik, in der Zentraleinheit angeordnet ist.
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Dies ermöglicht insbesondere folgende erfindungsgemäße Funktionen:
- 1.) Beim Einschalten der Zentral-Elektronik wird automatisch erkannt, welche der Auslegervarianten, die sich in ihren Parametern unterscheiden können, beispielsweise in der Anzahl der Motoren, an der Zentraleinheit angesteckt ist, und die Ansteuerung der Motoren wird automatisch angepasst.
- 2.) Erkennung fehlerhaft angesteckter, defekter oder an der falschen Position angesteckter (d. h. für diese Position falsch adressierter) Ausleger, mit präziser Fehlerangabe per an sich bekannter Telemetrie, so dass u. a. aus dieser Erkennung erforderlich werdende Servicearbeiten erleichtert werden,
(Jeder Motorregler ist adressiert und hat aufgrund der Motorposition und Motordrehrichtung eine bestimmte Wirkung auf jede Raumachse. Beispielsweise führt eine Drehzahlerhöhung von Motor-Adresse 1 (rechtsdrehend, vorn links montiert) zu Linksdrehung des Fluggeräts und Kippen/Bewegung nach hinten rechts.)
Ein Anstecken eines falschen Auslegers an einer Stelle würde ohne das funktionsgerechte Arbeiten der Kontroll- und Überwachungseinheit zu falschem Regelungsverhalten führen.
- 3.) Erkennung von Motorausfällen, Motorreglerausfällen oder Propellerverlusten im Flug; die übrigen Motoren (bei mindestens sechs) werden daraufhin verändert angesteuert, so dass das Fluggerät so gut steuerbar wie möglich bleibt für einen kontrollierten Abstieg.
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Bevorzugt ist, dass zumindest ein Motorregler und zumindest ein Motor integrale Bestandteile des Auslegers sind.
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Damit ist u. a. ermöglicht, die erfindungsgemäße Lösung mit wahlweise unterschiedlichen Ausleger in technisch einfacher Art und Weise zu realisieren, da der Anschluss an die Zentraleinheit technisch bzw. konstruktiv gleich ausgeführt werden kann.
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Bevorzugt ist, dass der Motorregler am Ausleger, besonders bevorzugt direkt am Motor, angeordnet ist.
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Der Motorregler ist aus mehreren Gründen außen am Ausleger direkt am Motor statt in der Zentraleinheit montiert:
Der Motorregler ist bei dieser Anordnung im Luftstrom des Propellers angeordnet und ist somit einer effektiven Luftkühlung ausgesetzt, so dass damit insbesondere eine unerwünschte Überhitzung der Motorregler-Leistungsendstufe vermieden wird und damit eine höhere Belastbarkeit und Nutzlast möglich ist.
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Bei dieser Anordnung sind kurze Motoranschlussleitungen zwischen Motorregler und Motor realisierbar, deshalb treten nur minimale elektromagnetische Störungen durch den hohen gepulsten Ausgangsstrom des Motorreglers auf.
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Es sind nur zwei statt ansonsten drei Anschlussleitungen (bei einem Motor) oder sechs (bei zwei Motoren) und Steckkontakte pro Ausleger notwendig. Außerdem ist durch diese Anordnung u. a. ermöglicht, die erfindungsgemäße Lösung mit wahlweise unterschiedlichen Ausleger in technisch einfacher Art und Weise zu realisieren, da der Anschluss an die Zentraleinheit gleich ausgeführt werden kann.
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Bevorzugt ist, dass die Motoren bei mehr als einem Motor pro Ausleger zumindest an einem Motorträger am Ausleger koaxial übereinander und/oder in mehreren separaten Motorträgern nebeneinander angeordnet sind.
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Motorträger in folgenden Varianten sind insbesondere im Sinne der Erfindung beansprucht:
- – ein Motor zum Aufbau eines Quadrokopters, der senkrecht nach unten wirkt und auf dem Ausleger am äußeren Ende, beispielsweise mittels Rohrschellen, montiert ist,
- – zwei Motoren mit gegenläufiger Drehrichtung zum Aufbau eines Koaxial-Oktokopters, die beide senkrecht nach unten wirken und koaxial oben und unten am äußeren Auslegerende montiert sind,
- – ein Motor pro Ausleger, senkrecht nach unten wirkend, auf dem Ausleger am äußeren Ende montiert, zum Aufbau eines Quadrokopters, jedoch anderer Motor/Propellertyp, z. B. größerer, steilerer Propeller, schneller oder langsamer drehender Motor
- – einzelner Motor unter dem Ausleger (Schub-Propeller, Vorteil: keine Abschattung und daher kein Schubverlust durch Abschattung durch Ausleger,
- – zwei Motoren auf jeweils einzelnen Motorträgern in einer Ebene an verschiedenen Positionen auf dem Ausleger,
- – Kombination von Einzel- und Koaxial-Motorträgern (drei und mehr Motoren pro Ausleger auf mindestens zwei an verschiedenen Positionen montierten Motorträgern
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne damit alle Einsatzmöglichkeiten der Erfindung abschließend dargestellt zu haben.
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Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Explosionsdarstellung der Zentraleinheit,
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2 einen Ausleger mit einem Motor und
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3 einen Ausleger mit zwei Motoren.
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In 1 ist in einer schematischen Explosionsdarstellung die Zentraleinheit 1 des erfindungsgemäßen unbemannten Luftfahrzeugs dargestellt.
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Die Zentraleinheit 1 kann mehrteilig aufgebaut sein, wobei diese ein Oberteil 1.2, ein Basisteil 1.1 und ein Unterteil 1.3 besitzt, welche miteinander, bevorzugt wasserdicht, verbunden sind.
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Das Basisteil 1.1 besteht aus einem Kunststoff-Formteil, welches durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt ist. Das Oberteil 1.2 und das Unterteil 1.3 dienen u. a. zur Versteifung des Basisteils 1.1, insbesondere dessen zentralen Multikopterrahmens.
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Am Basisteil 1.1 sind zum Anschluss von vier Auslegern 2 vier Ausleger-Aufnahmeöffnungen 1.4 mit elektrischen Leitungen und Kontakten zur Motor-Spannungsversorgung und Datenübertragung am inneren Ende angeordnet, welche beim Anstecken eines Auslegers 2 zumindest eine elektrische Verbindung herstellen.
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Jede der Ausleger-Aufnahmeöffnungen 1.4 kann insbesondere mit einer Verriegelungs-Vorrichtung, Führungs-Nuten sowie elektrischen Ausleger-Anschluss-Kontakten, in 1 nicht dargestellt, versehen sein.
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Im Hohlraum des Basisteils 1.1 ist die Zentral-Elektronik 1.5 untergebracht, wobei im Oberteil 1.2 eine Öffnung, in 1 nicht dargestellt, angeordnet ist, so dass ein Zugang zum Hohlraum und damit zur Zentral-Elektronik 1.5 besteht. Diese Öffnung kann im Betrieb vom Akku 1.7 verdeckt bzw. verschlossen sein. Damit besteht die Möglichkeit eines unkomplizierten Austausches, beispielsweise für Hardware-Upgrades und Servicearbeiten.
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Eine Kontroll- und Überwachungseinheit 1.6 für verschiedene elektrische und elektronische Bauteile des Fluggeräts ist ein Bestandteil der Zentral-Elektronik 1.5.
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Die Zentral-Elektronik 1.5 ist somit mechanisch gut geschützt und in der Zentraleinheit 1 im oder möglichst nahe am Schnittpunkt der Raum-Rotationsachsen des Luftfahrzeugs zum Zwecke einer möglichst präzisen Lageregelung angeordnet.
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Ein Bestandteil der Zentral-Elektronik 1.5 ist ein bidirektionaler Datenbus, welcher insbesondere zur Steuerung und Überwachung der Motorregler 2.3 und u. a. auch der Erkennung der angeschlossenen Auslegervariante dient.
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Im Inneren des Basisteils sind die Stromverteilungs- und Datenleitungen in üblicher Art und Weise untergebracht, wobei diese, insbesondere die strom- und/oder signalführende Leitungen, als Leiterplatten-Kupferbahnen ausgeführt sind.
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Das Basisteil 1.1 verfügt über Verriegelungs-Vorrichtungen zum Sichern der angesteckten Ausleger 2 gegen versehentliches Lösen, auf welche der Bajonettverschluss des Auslegers 2 festgedreht wird.
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Am Oberteil 1.2 können Führungsschienen, Anschlüsse und eine Verriegelung zur Befestigung des Flugakkus 1.7, in 1 nicht dargestellt, befinden, so dass das Gehäuse des Flugakkus 1.7 sich optisch in das Gehäuse der Zentraleinheit 1 einfügen kann. Es kann ein mit dem Basisteil 1.1 wasserdicht bzw. wetterfest verschließbares Gehäuse zur Unterbringung des Flugakkus 1.7 angeordnet sein.
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Das Unterteil 1.3 kann Führungsschienen, Anschlüsse und eine Verriegelung für verschiedene Nutzlasten oder -adapter bzw. Landegestelle, in 1 nicht dargestellt, besitzen.
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In 2 ist in einer schematischen Seitenansicht ein Ausleger des erfindungsgemäßen unbemannten Luftfahrzeugs dargestellt.
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Das eine Ende des Auslegers 2 ist der Art gestaltet, so dass sich dieses mit der Steckverbindungs-Kappe 2.5 in die Ausleger-Aufnahmeöffnung 1.4 des Basisteils 1.1 zur Herstellung zumindest des notwendigen elektrischen Kontaktes einführen und mechanisch verriegeln lässt.
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Die Steckverbindungs-Kappe 2.5 dient der sicheren Herstellung der Datenverbindung zwischen Motorregler 2.3 und Zentral-Elektronik 1.5 und der elektrischen Stromversorgung des Motorreglers 2.3, welche durch im Ausleger verlegte Motor- und Datenkabel erfolgen kann.
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Der Ausleger 2 verfügt über einen das Auslegerrohr 2.1 umschließenden, verdreh- und verschiebbaren Bajonettverschluss 2.6 zur Verriegelung an der Ausleger-Aufnahmeöffnung 1.4 der Zentraleinheit 1. Diese ist derart gestaltet, dass sich im geschlossenen Zustand durch mechanische Materialspannung im Bajonettverschluss 2.6 die Sicherheit der Verriegelung erhöht.
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Der Ausleger 2 verfügt über einen Anschlagsbolzen, welcher dazu dient, die Haltekraft des Bajonettverschluss 2.6 auf das Auslegerrohr 2.1 und die Zentraleinheit 1 zu übertragen, und im Zusammenspiel mit den Führungsnuten an den Ausleger-Aufnahmeöffnungen 1.4 der Zentraleinheit 1 das vollständige Einführen und Verriegeln des Auslegers 2 nur in der richtigen Position zu ermöglichen.
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Am anderen Ende des Auslegers 2 ist ein Motorträger 2.2 angeordnet. Am Motorträger 2.2 ist eine Motoreinheit mit einem elektrischen Motor 2.4, bevorzugt ein Brushless-Motor, der einen direkt angetriebenen, starren Propeller besitzt, und ein Motorregler 2.3 angeordnet.
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Ein Motorregler 2.3 und ein Motor 2.4 sind in diesem Ausführungsbeispiel integrale Bestandteile des Auslegers 2.
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Der Motorregler 2.3 ist am Ausleger 2 direkt am Motor 2.4 angeordnet.
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In 3 ist in einer schematischen Seitenansicht ein alternativer Ausleger 2 des erfindungsgemäßen unbemannten Luftfahrzeugs dargestellt.
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Der Grundaufbau des Auslegers 2 entspricht dem des Auslegers 2 gemäß 2. Am anderen Ende des Auslegers 2 ist ein Motorträger 2.2 angeordnet. Am Motorträger 2.2 ist eine Motoreinheit mit zwei elektrischen Motoren 2.4, welche jeweils einen direkt angetriebenen, starren Propeller besitzen, und zwei Motorregler 2.3 angeordnet.
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Die beiden Motorregler 2.3 und Motoren 2.4 sind in diesem Ausführungsbeispiel integrale Bestandteile des Auslegers 2.
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Der Motorregler 2.3 ist am Ausleger 2 direkt am Motor 2.4 angeordnet.
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Die Motoren 2.4 sind am Motorträger 2.2 des Auslegers 2 koaxial übereinander angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentraleinheit
- 1.1
- Basisteil
- 1.2
- Oberteil
- 1.3
- Unterteil
- 1.4
- Ausleger-Aufnahmeöffnung
- 1.5
- Zentral-Elektronik
- 1.6
- Kontroll- und Überwachungseinheit
- 1.7
- Elektrischer Akkumulator(Akku)
- 2
- Ausleger
- 2.1
- Auslegerrohr
- 2.2
- Motorträger
- 2.3
- Motorregler
- 2.4
- Motor(en)
- 2.5
- Steckverbindungs-Kappe
- 2.6
- Bajonettverschluss
- 2.7
- Anschlagsbolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006013909 U1 [0018]
