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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit einer Kollisionsschutzvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Luftfahrzeugs mit einer Kollisionsschutzvorrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Der Markt für nicht-kommerzielle und kommerzielle Anwendungen von Luftfahrzeugen, insbesondere von zivilen, en Luftfahrzeugen, auch Drohnen genannt, wächst weltweit. Insbesondere Multikopter, wie beispielsweise Quadrokopter werden zum Filmen bzw. zum Fotografieren von Landschaften, Sportereignissen und/oder Musikveranstaltungen eingesetzt. Es sind ferner auch flugzeugähnliche, e Luftfahrzeuge bekannt, die im Gegensatz zu Quadrokoptern eine Start- und Landebahn benötigen. In der
CN 103043219 A ist ein solches es Luftfahrzeug beschrieben, das mit einem Airbag ausgestattet ist, um den Aufprall des en Luftfahrzeugs bei der Landung zu dämpfen und um somit das e Luftfahrzeug vor einer Beschädigung zu schützen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Durch die wenigstens eine entfaltbare Hülle, die die Kollisionsschutzvorrichtung aufweist, hat das Luftfahrzeug mit der an dem Luftfahrzeug angebrachten Kollisionsschutzvorrichtung den Vorteil, dass bei einer möglichen Kollision des Luftfahrzeugs mit einem anderen Luftfahrzeug oder mit einem Objekt, wie beispielsweise einem Haus oder einem Fahrzeug auf dem Boden, das gesamte Luftfahrzeug geschützt wird, da sich die entfaltbare Hülle schützend um das Luftfahrzeug legt. Des Weiteren wird dadurch auch das andere Luftfahrzeug, mit welchem das Luftfahrzeug kollidiert bzw. das Objekt, wie beispielsweise das Haus oder das Auto, vor einer zu starken Beschädigung geschützt. Insbesondere besteht ein weiterer Vorteil darin, dass Menschen bei einem Zusammenstoß mit dem Luftfahrzeug vor größeren Verletzungen geschützt werden. So kann beispielsweise der Fall eintreten, dass nach einem Defekt des Luftfahrzeugs während des Flugbetriebs oder nach einem Zusammenstoß des Luftfahrzeugs mit einem anderen Luftfahrzeug das Luftfahrzeug zu Boden fällt, wo es auf Menschen oder andere Lebewesen auftreffen könnte. Die entfaltbare Hülle, die sich um das Luftfahrzeug herum entfaltet hat, schützt hierbei die Menschen oder andere Lebewesen vor größeren Verletzungen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die wenigstens eine entfaltbare Hülle aufblasbar ist. Denn dadurch kann in einfacher Weise gewährleistet werden, dass sich die wenigstens eine entfaltbare Hülle komplett entfaltet und sich so schützend um das Luftfahrzeug legt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die wenigstens eine entfaltbare Hülle ein Mittel, vorzugsweise wenigstens ein Ventil, zum Entlüften der wenigstens einen entfaltbaren, aufblasbaren Hülle aufweist. Hierdurch kann der Druck, der beim Aufblasen und/oder bei einer Kollision mit einem anderen en Luftfahrzeug in der entfaltbaren, aufblasbaren Hülle entsteht bzw. lokal entstehende Druckspitzenreguliert werden. Damit wird unter anderem ein Zerplatzen der entfaltbaren, aufblasbaren Hülle verhindert, sowie die Gefahr eines zu harten Aufpralls des en Luftfahrzeugs bei entfalteter, aufgeblasener Hülle mit einem anderen Luftfahrzeug bzw. mit einem stationären Objekt verringert.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die wenigstens eine entfaltbare Hülle doppelwandig ausgestaltet ist. Denn dadurch wird die Robustheit der entfaltbaren Hülle erhöht.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die wenigstens eine entfaltbare Hülle derart ausgestaltet ist, dass sie das e Luftfahrzeug wenigstens teilweise umschließt.
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Hierbei kann ein besonders guter Schutz im Falle einer Kollision mit einem anderen en Luftfahrzeug bzw. mit Menschen oder anderen Lebewesen auf dem Boden erzielt werden. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass in einem Schadens- bzw. Defektfall des en Luftfahrzeugs keine Teile des en Luftfahrzeugs abbrechen und somit unkontrolliert zu Boden fallen.
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Von Vorteil ist ferner, wenn die wenigstens eine entfaltbare Hülle eine Oberflächenstruktur zur Vergrößerung eines Luftwiderstands der wenigstens einen entfaltbaren Hülle aufweist. Denn durch eine Vergrößerung des Luftwiderstands der wenigstens einen entfaltbaren Hülle wird der freie Fall des en Luftfahrzeugs nach einer Kollision mit einem anderen en Luftfahrzeug bzw. mit einem stationären Objekt sowie nach einem Defektfall des en Luftfahrzeugs, wobei die Kollisionsschutzvorrichtung ein Entfalten der Hülle ausgelöst hat, verlangsamt. Somit wird die Verletzungsgefahr von Menschen bzw. anderen Lebewesen oder Objekten auf dem Boden durch flugunfähige, e Luftfahrzeuge weiter verringert.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Kollisionsschutzvorrichtung wenigstens ein Dämpfungselement zur Dämpfung einer bei einer Kollision auftretenden Kollisionsenergie aufweist. Denn hierdurch wird einerseits die Gefahr einer Beschädigung des en Luftfahrzeugs bei einer Kollision mit einem anderen en Luftfahrzeug bzw. mit einem stationären Objekt verringert und insbesondere die Sicherheit der auf dem Erdboden befindlichen Lebewesen wie Menschen, Tiere bzw. anderer Objekte erhöht.
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Ein es Luftfahrzeug mit einer Kollisionsschutzvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Entfalten der Hülle in Abhängigkeit von einer Kollisionswahrscheinlichkeit und/oder Kollision, bestimmt durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kollisionswahrscheinlichkeit und/oder der Kollision, auszulösen, hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Beschädigung des en Luftfahrzeugs im Falle einer hohen Kollisionswahrscheinlichkeit bzw. im Falle einer Kollision mit einem anderen en Luftfahrzeug bzw. einem stationären Objekt deutlich verringert wird. Des Weiteren wird hierdurch auch die Sicherheit der am Boden befindlichen Lebewesen, wie Menschen und Tiere, aber auch der am Boden befindlichen Objekte weiter erhöht.
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Von Vorteil ist es, wenn die Vorrichtung zur Bestimmung der Kollisionswahrscheinlichkeit und/oder der Kollision eine Sensorik zur Erfassung eines Abstandes zu einem Hindernis und/oder einer Berührung eines Hindernisses aufweist. Dadurch lässt sich in einfacher Weise ein Ort, bzw. ein Zeitpunkt bestimmen, an welchem die Kollisionsschutzvorrichtung ein Entfalten der wenigstens einen entfaltbaren Hülle auslöst.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Sensorik zur Erfassung des Abstands zu dem Hindernis und/oder der Berührung des Hindernisses Mittel zur Erkennung einer Umgebung des en Luftfahrzeugs, vorzugsweise eine Kamera, ein Ultraschallsensor, ein Radarsensor, ein Lidarsensor und/oder eine Inertialsensorik, aufweist. Denn durch einen bzw. einer Kombination der aufgezählten Sensoren ist eine präzise Erfassung des Abstands zu dem Hindernis und/oder der Berührung des Hindernisses in zuverlässiger Weise gegeben.
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Die vorstehend genannten Vorteile für das e Luftfahrzeug mit einer an dem Luftfahrzeug angebrachten Kollisionsschutzvorrichtung gelten in entsprechender Weise auch für das Verfahren zum Betreiben einer Kollisionsschutzvorrichtung an dem en Luftfahrzeug mit den Schritten eines Bestimmens einer Kollisionswahrscheinlichkeit mit einem Objekt und/oder eines Erfassens einer Kollision mit einem Objekt und eines Auslösens eines Entfaltens wenigstens einer entfaltbaren Hülle an dem en Luftfahrzeug in Abhängigkeit von der Kollisionswahrscheinlichkeit und/oder der Kollision.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Quadrokopter mit einer Kollisionsschutzvorrichtung in einer Seitenansicht;
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2 einen erfindungsgemäßen Quadrokopter mit einer Kollisionsschutzvorrichtung in der Draufsicht;
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3 einen erfindungsgemäßen Quadrokopter mit einer ausgelösten Kollisionsschutzvorrichtung, wobei eine entfaltbare Hülle den Quadrokopter wenigstens teilweise umschließt, in einer Seitenansicht;
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4 ein erfindungsgemäßer Quadrokopter mit einer ausgelösten Kollisionsschutzvorrichtung, wobei mehrere entfaltbare Hüllen den Quadrokopter wenigstens teilweise umschließen, in einer Draufsicht;
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5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines en Luftfahrzeugs mit einer an dem Luftfahrzeug angebrachten Kollisionsschutzvorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend wird ein es Luftfahrzeug mit einer an dem Luftfahrzeug angebrachten Kollisionsschutzvorrichtung beschrieben, wobei die Kollisionsschutzvorrichtung wenigstens eine entfaltbare Hülle aufweist. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kollisionsschutzvorrichtung an einem en Luftfahrzeug beschrieben.
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1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel eines en Luftfahrzeugs einen Quadrokopter 1 mit einer Kollisionsschutzvorrichtung 10 in einer Seitenansicht. Der Quadrokopter 1 verfügt über vier Rotoren 2, wobei in der Seitenansicht nur zwei Rotoren 2 dargestellt sind. Die Rotoren 2 sind über Antriebswellen 3, welche durch ein Gestänge 4 geführt werden, mit einem Antriebsmotor 5 verbunden. Jedes der vier Gestänge 4 ist mechanisch fest mit einem Rumpf 6 des Quadrokopters 1 verbunden. Im Wesentlichen sind die vier Gestänge 4 samt ihrer vier Rotoren 2 symmetrisch um den Rumpf 6 des Quadrokopters 1 angeordnet, wobei der Schwerpunkt des Quadrokopters 1 im Rumpf 6 liegt. Der Rumpf 6 des Quadrokopters 1 weist neben dem Antriebsmotor 5 eine Steuereinheit 7 zur Steuerung des Quadrokopters 1 und der Kollisionsschutzvorrichtung 10, eine Kommunikationsschnittstelle 8 zur Kommunikation mit einer externen Kontrolleinheit 88, ein Akkumodul 55 zur Energieversorgung des Quadrokopters 1 sowie eine Intertialsensorik 9 zur Bestimmung einer Position bzw. Positionsänderung und/oder einer Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung in einer bestimmten Richtung des Quadrokopter 1 auf.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann es sich um einen Multikopter mit einem bis drei Rotoren 2 oder mit mehr als vier Rotoren 2 handeln.
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Die Steuereinheit 7 empfängt über die Kommunikationsschnittstelle 8 von der externen Kontrolleinheit 88 Daten, die unter anderem als direkte Steuerbefehle übermittelt werden können oder die jeweils nur ein Flugziel, eine bestimmte Flugroute, Zwischenziele, gewünschte Ankunftszeiten, etc. enthalten können. Die Steuereinheit 7 berechnet dann mit einer nicht gezeigten Recheneinheit die entsprechenden Steuerbefehle und gibt diese an den Antriebsmotor 5 weiter. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass jeder Rotor 2 ein eigenes Antriebselement bzw. einen eigenen Antriebsmotor 5 aufweist, um einen flexibleren Flugmodus zu ermöglichen. Die Steuereinheit 7 ist sowohl mit dem Akkumodul 55 als auch mit dem Antriebsmotor 5 elektrisch verbunden und steuert somit die Stromversorgung des Antriebsmotors 5. Die Steuereinheit 7 ist weiterhin mit der Inertialsensorik 9 elektrisch verbunden. Die Inertialsensorik 9 kann hierbei als mechanische Sensorik oder mikromechanische Sensorik wie beispielsweise Beschleunigungssensoren oder Drehradensensoren ausgestaltet sein, mit der die Position, die translatorische und rotatorische Geschwindigkeit und/oder die translatorische und rotatorische Beschleunigung in allen drei Raumrichtungen des Quadrokopters 1 bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Intertialsensorik 9 ein GPS Modul aufweist, mit welchem der Quadrokopter 1 satellitengestützt navigieren kann.
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Der Quadrokopter 1 weist ferner eine Kamera 20, einen Ultraschallsensor 21, einen Radarsensor 22, sowie einen Lidarsensor 23 auf. Vorteilhafterweise ist das Gestänge 4 so ausgestaltet, dass ein Teil des Gestänges 4, insbesondere unterhalb der Rotoren 2, parallel zu einer Drehrichtung der Rotoren 2 ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform der Erfindung sind dabei die Kamera 20, der Ultraschallsensor 21, der Radarsensor 22 und der Lidarsensor 23 auf dem senkrechten Teil des Gestänges 4 angebracht. Hierbei können die zuvor genannten Sensoren beispielsweise übereinander an dem Gestänge 4 angeordnet sein, wobei sie in einer Richtung ausgerichtet sind, die vom Rumpf 6 des Quadrokopters 1 weg zeigt. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung weist jeder vertikale Teil des Gestänges 4 der Rotoren 2 wenigstens eine Kamera 20, einen Ultraschallsensor 21, einen Radarsensor 22, sowie einen Lidarsensor 23 auf. Diese zuvor aufgezählten Sensoren sind mit der Steuereinheit 7 elektrisch verbunden, wobei diese Verbindungen der Übersicht wegen hier nicht dargestellt sind. Über die Sensorsignale der Umfeldsensorik 20 bis 22 kann die Steuereinheit 7 bzw. die Recheneinheit das Umfeld des Quadrokopters 1 in allen drei Raumrichtungen erfassen und aus diesen Daten eine Kollisionswahrscheinlichkeit des Quadrokopters 1 mit einem anderen Flugobjekt wie beispielsweise einem weiteren Multikopter oder einem Objekt, wie beispielsweise einem Hochhaus, einem Baum oder einem am Boden fahrenden Fahrzeug, ableiten.
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Am Rumpf 6 des Quadrokopters 1 ist eine Haltevorrichtung 11 angebracht. Die Haltevorrichtung 11 besteht aus einer Aufnahmefläche 12, die im Wesentlichen waagerecht ausgeführt ist, und zwei im Wesentlichen senkrecht dazu ausgeführten Streben 13, die die Aufnahmefläche 12 mit dem Rumpf 6 verbinden. Die Haltevorrichtung 11 kann dazu verwendet werden, um Lasten, wie beispielsweise Pakete aufzunehmen, die der Multikopter 1 von einem Ort zu einem anderen Ort transportieren soll. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Haltevorrichtung 11 auch seitlich am Rumpf 6 oder oberhalb des Rumpfes 6 Lasten aufnehmen. Die Haltevorrichtung 11 eignet sich ferner, um weitere Umfeldsensorik, wie beispielsweise ein Thermometer, oder ein Hygrometer zur Erfassung von meteorologischen Daten oder ein Mikrofon zur Erfassung von akustischen Signalen aufzunehmen.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Kollisionsschutzvorrichtung 10 unterhalb der Haltevorrichtung 11 angebracht. Die Kollisionsschutzvorrichtung 10 kann über eine nicht gezeigte elektrische Verbindung mit der Steuereinheit 7 ausgelöst werden. Ferner kann die Kollisionsschutzvorrichtung 10 fakultativ über eine Funkverbindung ausgelöst, oder über eine Mechanik und/oder Hydraulik aktuiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass ein direkter Steuerbefehl von der externen Kontrolleinheit 88 über die Kommunikationsschnittstelle 8 an die Steuereinheit 7 übermittelt wird, um die Kollisionsschutzvorrichtung direkt auszulösen.
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In einer alternative Ausgestaltungsform der Erfindung ist es möglich, dass im Falle einer bevorstehenden Kollision zweier Luftfahrzeuge mit Kollisionsschutzvorrichtungen 10 die Steuereinheit 7 des einen Luftfahrzeugs nicht nur die eigene Kollisionsschutzvorrichtung 10 sondern auch die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des anderen Luftfahrzeugs auslöst, indem die Steuereinheit 7 des einen Luftfahrzeugs über die Kommunikationsschnittstelle 8 des einen Luftfahrzeugs ein von der Kommunikationsschnittstelle 8 des anderen Luftfahrzeugs empfangenen Auslösesignal an die Steuereinheit 7 des anderen Luftfahrzeugs sendet, welche die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des anderen Luftfahrzeugs schließlich auslöst.
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In 2 ist der erfindungsgemäße Quadrokopter 1 mit der Kollisionsschutzvorrichtung 10 in einer Seitenansicht dargestellt, wobei die Kollisionsschutzvorrichtung 10 ausgelöst ist. Die ausgelöste Kollisionsschutzvorrichtung 10 weist hierbei eine entfaltete, aufgeblasene, doppelwandige Hülle 25 auf, die den Quadrokopter 1 zumindest teilweise umhüllt. Die Hülle 25 ist derart ausgestaltet, dass sie sich bei Auslösen der Kollisionsschutzvorrichtung 10, beispielsweise durch Aufblasen der Hülle 25, zunächst in einem ersten Bereich 26 unterhalb der Kollisionsschutzvorrichtung 10 ähnlich einem konventionellen Airbag bzw. Prallsack entfaltet, und dann allmählich in einem zweiten Bereich 27 bis hin zu einem dritten Bereich 28 weiter entfaltet. Hierbei liegt der dritte Bereich 28, der das obere Ende der Hülle 25 bildet, über dem höchsten Punkt bzw. über den Rotoren 2 des Quadrokopters 1. Die Form der entfalteten, aufgeblasenen, doppelwandigen Hülle 25 gleicht hierbei näherungsweise einer Kugelschale, wobei die Kugelschale oberhalb des Quadrokopters 1 zumindest teilweise geöffnet sein kann. Die Hülle 25 kann beispielsweise durch Druckluft, die in einem nicht gezeigten Gasspeicher gespeichert ist, aufgeblasen werden. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es denkbar, dass ein pyrotechnischer Gasgenerator das zum Entfalten der Hülle 25 notwendige Gas generiert.
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Es ist möglich, dass der erste Bereich 26 der Hülle 25 materialverstärkt ausgeführt ist. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet sein, indem die Wandung der Hülle 25 in diesem ersten Bereich 26 in der doppelten bis mehrfachen Dicke ausgeführt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass es aufgrund des hohen Anfangsdrucks bei der Entfaltung der Hülle 25 nicht zu einer Beschädigung der Wandung der Hülle 25 in dem ersten Bereich 26 kommt.
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Die Hülle 25 kann aus handelsüblichem Airbag- bzw. Prallsackmaterial, wie beispielsweise reißfestem Kunststoff, bestehen.
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Um die Dämpfungseigenschaften der entfalteten, aufgeblasen, doppelwandigen Hülle 25 zu verbessern, kann ein Ventil 29 in die Wandung der Hülle 25 eingebracht sein, um im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 mit einem anderen en Luftfahrzeug bzw. mit einem stationären Objekt eventuell auftretende Gasdruckspitzen innerhalb der Hülle 25 abzufedern. Dadurch wird gewährleistet, dass im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 möglichst viel der Energie, die bei der Kollision entsteht, durch Abbauen des Gasdrucks in der Hülle 25 absorbiert wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Hülle 25 Dämpfungselemente 30 aufweist. Die Dämpfungselemente 30 können innerhalb der Wandung der Hülle 25 angebracht sein und/oder außerhalb der Hülle 25 angebracht sein. Es kann sich dabei um schockabsorbierende Gummi bzw. Schaumstoffelemente handeln, die derart in oder an der Hülle 25 angeordnet sind, dass sie im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 mit einem weiteren Quadrokopter und/oder einem stationären Objekt einen Großteil der Kollisionsenergie aufnehmen können. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung kann das Verhältnis zwischen dem Teil der Hülle 25, der keine Dämpfungselemente 30 aufweist, und dem Teil der Hülle 25, der Dämpfungselemente aufweist, eins zu eins betragen.
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Es ist weiterhin möglich, dass die Dämpfung durch in die doppelwandige Hülle 25 integrierte Trenn- bzw. Schottwände mit verengten Gasdurchtrittsöffnungen realisiert werden kann.
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Ferner kann die Oberfläche der Hülle 25 mit Bremselementen 31 versehen bzw. strukturiert sein. Diese Strukturierung kann flächendeckend oder nur teilweise ausgestaltet sein. Die Bremselemente 31 können beispielsweise Einzelelemente oder Büschel von langen, flexiblen Materialien wie Fäden, Stofffetzen und/oder Federn oder dergleichen sein. Die Bremselemente 31 erhöhen einerseits durch ihre große Oberfläche und andererseits durch ihr Umherwirbeln während des Fallens des Quadrokopters 1 samt der entfalteten aufgeblasenen doppelwandigen Hülle 25 den Luftwiderstand der Hülle 25 und bremsen somit die Hülle 25 bzw. den Quadrokopter 1 im freien Fall ab. Dadurch wird die Sicherheit von am Boden befindlichen Menschen bzw. Lebewesen weiter erhöht.
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Während des Flugbetriebs des Quadrokopters 1 wird über eine Umfeldsensorik, bestehend unter anderem aus einer Kamera 20, einem Ultraschallsensor 21, einem Radarsensor 22 und/oder einem Lidarsensor 23 die Umgebung des Quadrokopters 1 erfasst. Weiterhin ist es möglich, dass die Steuereinheit 7 über die Kommunikationsschnittstelle 8 von der externen Kontrolleinheit 88 oder von einer anderen externen Kontrollinstanz Informationen über in der Umgebung des Quadrokopters 1 befindliche stationäre Objekte wie beispielsweise Häuser, Bäume und/oder Strommasten übermittelt bekommt. Ferner ist es möglich, dass die Steuereinheit 7 über die Kommunikationsschnittstelle 8 Karten bzw. Kartenausschnitte mit Topologieinformationen übermittelt bekommt, wobei die Steuereinheit 7 durch die Intertialsensorik 9 jederzeit ihre Position, ihre momentane Geschwindigkeit und/oder ihre momentane Richtung bestimmen kann. Die Intertialsensorik 9 kann hierbei als GPS-Modul und/oder aus mikromechanischen Sensoren bestehend ausgestaltet sein. Sobald die Kamera 20, der Ultraschallsensor 21, der Radarsensor 22 und/oder der Lidarsensor 23 ein anderes Objekt detektieren, dessen Abstand zum Quadrokopter 1 einen Mindestabstand unterschreitet, also eine Kollision unmittelbar bevorsteht, gibt die Steuereinheit 7 an die Kollisionsschutzvorrichtung 10 ein Auslösesignal aus. Dadurch wird beispielsweise über einen Gasspeicher oder einen pyrotechnischen Gasgenerator Luft bzw. Gas mit hohem Druck in eine sich in zusammengefaltetem Zustand in der Kollisionsschutzvorrichtung 10 befindlichen Hülle 25 geblasen. Dadurch entfaltet sich die Hülle 25 und legt sich, abhängig von ihrer Form, schützend um den Quadrokopter 1 herum. Dadurch wird nicht nur der Quadrokopter 1 sondern auch die Umgebung, wie beispielsweise Menschen oder andere Lebewesen, bei einem Zusammenstoß geschützt. Die Form der aufgeblasenen Hülle 25 wird maßgeblich dadurch bestimmt, wie das Material der Hülle 25 im nicht entfalteten Zustand geometrisch aufgebaut ist. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise vielfältige Formen der aufgeblasenen Hülle 25 realisieren.
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Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Kollisionsschutzvorrichtung 10 dann von der Steuereinheit 7 ausgelöst wird, wenn die Steuereinheit 7 über die Inertialsensorik 9 registriert, das gerade ein Kollisionsvorgang stattfindet. Dadurch, dass das Aufblasen der Hülle 25 im Millisekundenbereich ausführbar ist, bietet diese Art der Kollisionsdetektion immer noch einen ausreichenden Schutz, um den Quadrokopter 1 bzw. das mit ihm kollidierende Objekt oder Lebewesen zu schützen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des Quadrokopters 1 bei Annäherung an sein Ziel, beispielsweise wenn der Abstand des Quadrokopters 1 zu seinem Ziel weniger als 50 m beträgt, teilweise deaktiviert wird. Unter teilweise deaktiviert kann hierbei verstanden werden, dass die Kollisionsschutzvorrichtung 10 nur noch dann auslöst, wenn eine Kollision mit einem anderen Objekt oder Lebewesen durch die Inertialsensorik registriert wird und somit tatsächlich stattfindet. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des Quadrokopters 1 bei einem gewöhnlichen Landeanflug bzw. Landevorgang nicht ungewollt auslöst.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quadrokopters 1 mit der Kollisionsschutzvorrichtung 10 in der Draufsicht dargestellt. Der Rumpf 6 des Quadrokopters 1 kann, wie hier dargestellt, eine quadratische Grundfläche aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Grundfläche des Rumpfs 6 eine andere Form, beispielsweise eine Kreisform, aufweist. An jeweils einer Ecke des Rumpfs 6 sind die Gestänge 4 angebracht, an deren vertikalen Teilen die Rotoren 2 angebracht sind. Ebenfalls an den vertikalen Teilen der Gestänge 4 können die Kamera 20, der Ultraschallsensor 21, der Radarsensor 22 sowie der Lidarsensor 23 angebracht sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind an jeder der vier Seiten des Rumpfes 6 des Quadrokopters 1 Kollisionsschutzvorrichtungen 10 angebracht. Es ist ferner möglich, alternativ oder zusätzlich an der Ober- und Unterseite des Rumpfes 6 Kollisionsschutzvorrichtungen 10 anzubringen.
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In 4 ist der erfindungsgemäße Quadrokopter 1 aus 3 mit ausgelösten Kollisionsschutzvorrichtungen 10 in einer Draufsicht dargestellt. Aus den ausgelösten Kollisionsschutzvorrichtungen 10 ragen aufgeblasene Prallkissen 35, die derart aufgeblasen sind, dass ihre laterale und vertikale Ausdehnung die laterale und vertikale Ausdehnung des Quadrokopters 1 im Wesentlichen überragt. Dadurch ist gewährleistet, dass im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 mit einem weiteren Quadrokopter bzw. einem en Luftfahrzeug oder einem stationären Objekt der Quadrokopter 1 sowie die an einer Kollision beteiligten Objekte vor größerer Beschädigung geschützt sind. Durch die räumliche Ausdehnung der Prallkissen 35 kann der Quadrokopter 1 wenigstens teilweise oder sogar ganz umhüllt werden. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Prallkissen 35 insbesondere in vertikaler Richtung beim Aufblasen stark ausdehnbar sind, so dass die Ober- und Unterseite des Quadrokopters 1 umhüllt wird.
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Ferner können die Prallkissen 35 Bremselemente 31 aufweisen. Die Bremselemente 31 sind im Wesentlichen aus langen flexiblen Materialien ausgebildet und auf der Oberfläche der Prallkissen 35 angebracht. Die Bremselemente 31 erhöhen den gesamten Luftwiderstand des Quadrokopters 1 bei aufgeblasenen Prallkissen 35 im Falle eines freien Falls. Sie sind weiterhin im Wesentlichen derart ausgestaltet wie unter 2 beschrieben. Des Weiteren können an den Prallkissen 35 Dämpfungselemente 30 angebracht sein, um im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 mit einem weiteren Quadrokopter oder einem stationären Objekt oder einem Lebewesen einen möglichst hohen Anteil der Kollisionsenergie zu absorbieren. Die Dämpfungselemente 30 können sowohl innerhalb der Prallkissen 35 als auch an oder auf der Hülle bzw. der Wandung der Prallkissen 35 angebracht sein.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es möglich, dass die Prallkissen 35 Entlüftungsventile aufweisen, die im Falle einer Kollision des Quadrokopters 1 mit einem weiteren en Luftfahrzeug bzw. stationärem Objekt oder Lebewesen die auftretenden Gasdruckspitzen innerhalb der Prallkissen 35 minimieren, um dadurch die auftretende Kollisionsenergie wenigstens teilweise zu absorbieren.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines en Luftfahrzeugs bzw. Quadrokopters 1 mit einer Kollisionsschutzvorrichtung dargestellt. Ausgehend von einem ersten Schritt 50, der einen Start bzw. einen Flugbetrieb des Quadrokopters 1 repräsentiert, werden durch die Steuereinheit 7 die von der Kamera 20, dem Ultraschallsensor 21, dem Radarsensor 22 und/oder dem Lidarsensor 23 erfassten Umfelddaten permanent verarbeitet bzw. ausgewertet. In einem ersten Prüfschritt 51 wird abgeprüft, ob der Abstand zwischen dem Quadrokopter 1 und einem Objekt, wie beispielsweise einem weiteren en Luftfahrzeug, einem Haus oder einem Lebewesen, einen zuvor bestimmten Mindestabstand, beispielsweise 50 Meter, eingehalten wird. Ist dies der Fall, so kann der Flugbetrieb ohne weitere Maßnahmen fortgesetzt werden und der permanente erste Prüfschritt 51 wird wiederholt. Wird der zuvor bestimmte Mindestabstand von beispielsweise 50 Metern jedoch unterschritten, so erfolgt ein zweiter Prüfschritt 52 bei welchem der Quadrokopter 1 bzw. die Steuereinheit 7 des Quadrokopters 1 prüft, ob die Trajektorie des Objekts, welches den Mindestabstand zwischen dem Quadrokopter 1 und dem Objekt unterschreitet, bekannt ist. Im Falle eines stationären Objekts, wie einem Haus, einem Strommasten oder einem hohen Baum, ist die Trajektorie keine Linie sondern ein Punkt. Die Steuereinheit 7 des Quadrokopters 1 kann hierzu über die Kommunikationsschnittstelle 8 die externe Kontrolleinheit 88 kontaktieren, um entsprechende Informationen über Flugrouten anderer Luftfahrzeuge oder auch stationäre Positionen von etwaigen Hindernissen, wie Häusern, Bäumen und/oder Strommasten, oder momentane Positionen von sich am Boden bewegenden Fahrzeugen, abzufragen. Im Folgenden wird hierbei nur noch von Objekt bzw. Objekten gesprochen. Ist die Trajektorie des Objekts, welches den Mindestabstand von beispielsweise 50 Metern zu dem Quadrokopter 1 unterschreitet bekannt, so erfolgt ein dritter Prüfschritt 53, bei welchem abgeprüft wird, ob sich die Trajektorie des Quadrokopters 1 und die Trajektorie des Objekts kreuzen. Ist dies der Fall, so erfolgt ein vierter Prüfschritt 54, bei welchem abgeprüft wird, ob ein Ausweichen des Quadrokopters 1 vor dem Objekt möglich ist. Dazu berechnet die Steuereinheit 7 unter Zuhilfenahme der Position, Richtung und Geschwindigkeit des Quadrokopters 1 und der Position, Geschwindigkeit und Richtung des Objekts den voraussichtlichen Ort und den voraussichtlichen Zeitpunkt einer bevorstehenden Kollision aus. Über bekannte Leistungsdaten des Quadrokopters 1 bzw. über gespeicherte, empirische Daten kann die Steuereinheit 7 abschätzen, ob ein Ausweichmanöver noch erfolgreich durchführbar ist.
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Angenommen, es fliegen der Quadrokopter 1 und ein Objekt frontal aufeinander zu, wobei jedes der Flugobjekte eine Geschwindigkeit von 10 m/s aufweist, dann bestünde für den Quadrokopter 1, nachdem der Mindestabstand zwischen den beiden Flugobjekten von 50 m unterschritten worden ist, ein Zeitfenster von 2,5 s bis beide Flugobjekte miteinander kollidieren würden. Sofern sich an der Trajektorie des Objekts nichts ändert, kann der Quadrokopter 1 innerhalb von 2,5 s ein Ausweichmanöver einleiten und durchführen. Bei einer angenommenen Zeitdauer eines solchen Ausweichmanövers, wobei der Abstand des Quadrokopters 1 zu dem vormals berechneten Ort der potentiellen Kollision mit dem Objekt mindestens 5 m betragen soll, von ca. einer halben Sekunde, kann in diesem Ausführungsbeispiel von einem erfolgreich durchführbaren Ausweichmanöver ausgegangen werden. Dies wird in einem zweiten Schritt 55, wie zuvor beschrieben, durchgeführt. Nun erfolgt wieder der dritte Prüfschritt 53, in welchem abgeprüft wird, ob die Trajektorie des Objekts die Trajektorie des Quadrokopters 1 kreuzt. Ist dies immer noch der Fall, und ist ein Ausweichen nicht mehr möglich, so wird in einem dritten Schritt 56 die Kollisionsschutzvorrichtung 10 ausgelöst, woraufhin eine entfaltbare, aufblasbare, doppelwandige Hülle 25 entfaltet wird, die sich zum Schutze vor der Kollision wenigstens teilweise um den Quadrokopter 1 legt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass als weiterer Schutz, insbesondere von Passanten, die Rotoren zum Stillstand gebracht werden können. Dies kann beispielsweise über eine Abschaltung des Stroms zu dem Antriebsmotor 5 und/oder durch aktives Bremsen der Rotoren 2 realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Hülle 25 Bremselemente 31 in Form von einer Oberflächenstrukturierung oder langen, flexiblen Fäden oder Fähnchen, aufweisen. Durch diese Bremselemente 31 wird im Falle einer in der Luft stattgefundenen Kollision des Quadrokopters 1 mit einem weiteren Quadrokopter oder einem stationären Objekt der darauffolgende freie Fall des Quadrokopters 1 abgebremst, so dass auf dem Boden befindliche Menschen oder Tiere sowie Objekte vor größeren Verletzungen und/oder Beschädigungen geschützt werden.
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Fakultativ ist es möglich, dass der beispielsweise nach einer Kollision flugunfähig gewordene Quadrokopter 1 beim Fallen ein akustisches Warnsignal an seine Umgebung abgibt, um z.B. am Boden befindliche Lebewesen, insbesondere Menschen, vor einer Kollision mit dem abstürzenden Quadrokopter 1 zu warnen. Das akustische Warnsignal kann beispielsweise über einen Lautsprecher, bevorzugt über einen ferroelektrischen Lautsprecher, besonders bevorzugt über einen Piezolautsprecher, abgegeben werden.
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Fällt der dritte Prüfschritt 53 negativ aus, d. h. die Trajektorien des Quadrokopters 1 und des Objekts kreuzen sich nicht, so kann die Steuereinheit 7 in einem vierten Schritt 59 ein Flugmanöver einleiten, um den Abstand des Quadrokopters 1 zu dem Objekt wieder auf den Mindestabstand von beispielsweise 50 m zu vergrößern. Ist der Mindestabstand von beispielsweise 50 m erreicht, so erfolgt wieder der erste Prüfschritt 51.
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Fällt der zweite Prüfschritt 52 negativ aus, d. h. die Trajektorie des Objekts bzw. die Position des stationären Objekts ist nicht bekannt, so erfolgt ein fünfter Prüfschritt 57, bei welchem abgeprüft wird, ob sich der Abstand zwischen Quadrokopter 1 und Objekt verkleinert. Fällt der Prüfschritt 57 negativ aus, so kann die Steuereinheit 7 in dem vierten Schritt 59 wieder ein Ausweichmanöver einleiten, um den Abstand zwischen dem Quadrokopter 1 und dem Objekt auf den Mindestabstand von beispielsweise 50 m anzuheben. Danach erfolgt wieder der erste Prüfschritt 51. Stellt sich in dem fünften Prüfschritt 57 heraus, dass der Abstand zwischen dem Quadrokopter 1 und dem Objekt sinkt, so erfolgt in einem sechsten Prüfschritt 58 die Prüfung, ob ein Ausweichen möglich ist. Ist ein Ausweichen nicht mehr möglich, d. h. steht eine Kollision unmittelbar bevor, so wird in dem dritten Schritt 56 die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des Quadrokopters 1 ausgelöst. Ist ein Ausweichen des Quadrokopters 1 möglich, so leitet die Steuereinheit 7 in dem vierten Schritt 59 ein Ausweichmanöver ein, und es erfolgt wieder der fünfte Prüfschritt 57, in welchem abgefragt wird, ob sich der Abstand zwischen dem Quadrokopter 1 und dem Objekt verkleinert.
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Bei einem Landeanflug bzw. Landevorgang des Quadrokopters 1, beispielsweise wenn der Abstand des Quadrokopters 1 zu seinem Ziel weniger als 50 m beträgt, wird die Kollisionsschutzvorrichtung 10 teilweise deaktiviert. Die Kollisionsschutzvorrichtung 10 löst nur noch dann aus, wenn eine Kollision mit einem anderen Objekt oder Lebewesen durch die Inertialsensorik registriert wird und somit tatsächlich stattfindet. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kollisionsschutzvorrichtung 10 des Quadrokopters 1 bei einem gewöhnlichen Landeanflug bzw. Landevorgang nicht ungewollt auslöst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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