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Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Kompensationsvorrichtung für eine Drohne zur Minenauslösung, wobei die Kompensationsvorrichtung ein flussführendes Element und einen Aufnahmeraum für die Drohne umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Änderung der temporären Kompensation des Magnetfelds einer Drohne mittels einer solchen Vorrichtung.
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Bei bekannten Systemen zur Fernräumung von Seeminen werden unbemannte Drohnen eingesetzt, die zur Auslösung von Magnetminen mit magnetischen Spulen oder mit Permanentmagneten ausgestattet sind. Diese Spulen oder Permanentmagnete erzeugen starke Magnetfelder, die die Seeminen zur Detonation bringen können. Dabei sind die Drohnen so ausgeführt, dass sie durch die Detonation bei dem für die Auslösung typischen Abstand keinen Schaden nehmen.
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Solche Drohnen können über ein eigenes Antriebssystem verfügen, beispielsweise verfügt die Deutsche Marine über fernsteuerbare Boote des Typs „Seehund“, welche mit einem Dieselmotor ausgestattet sind. Das Magnetsystem zur Auslösung der Minen ist hierbei in den Rumpf der fernsteuerbaren Boote integriert. Neben solchen an der Oberfläche schwimmenden Drohnen sind auch Unterwasserdrohnen zur Minenräumung bekannt, die entweder auch über einen eigenen Antrieb verfügen oder von anderen (Unter-)Wasserfahrzeugen gezogen werden können.
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Nachteilig an den bekannten Minenräumdrohnen mit Magnetspulen ist, dass diese durch das große Gewicht der für die starken Magnetfelder benötigten Magnetspulen sehr schwer und meist auch relativ groß sind. So ist der Transport solcher Drohnen zu unterschiedlichen Einsatzorten relativ aufwendig, besonders ein Transport mit dem Flugzeug wird durch das hohe Gewicht erheblich erschwert. Beim Einsatz normalleitender Magnetspulen wird zusätzlich eine permanente Energiezufuhr benötigt, die ebenfalls zum Gewicht beiträgt. Bei Drohnen mit eigenem Antrieb trägt der Antriebsmotor zusätzlich zum hohen Gewicht und Volumen bei. Weiterhin ist für den Antrieb auch noch zusätzlich eine Energiezufuhr nötig, beispielsweise in Form von Treibstoff für einen Dieselmotor oder auch in Form von elektrisch gespeicherter Energie für einen Elektromotor.
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So können Minenräumdrohnen mit Permanentmagneten anstelle von Magnetspulen unter Umständen mit vergleichsweise geringerem Gewicht ausgeführt werden und sind dann entsprechend leichter zu transportieren. Außerdem sind sie vergleichsweise robust. Ein Nachteil bei Drohnen mit Permanentmagneten ist jedoch, dass das starke Magnetfeld für einen solchen Transport nicht abgeschaltet werden kann. Aufgrund des Problems elektromagnetischer Störungen werden solche Drohnen daher bisher typischerweise nicht mit dem Flugzeug transportiert. Ein Transport mit einem Luftfahrzeug wäre aber in vielen Fällen sehr vorteilhaft, um eine solche Drohne möglichst schnell an einen gewünschten Einsatzort verlegen zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine magnetische Kompensationsvorrichtung für eine Drohne zur Minenauslösung zur Verfügung zu stellen, mit der das Magnetfeld einer solchen Drohne für den Transport zumindest teilweise kompensiert werden kann. Insbesondere soll eine solche Kompensationsvorrichtung mit möglichst geringem Gewicht ausgeführt werden, um nicht zu stark zum Transportgewicht beizutragen. Sie sollte weiterhin möglichst robust und möglichst einfach einzusetzen sein. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Änderung der temporären Kompensation des Magnetfelds einer Drohne mit einer solchen Vorrichtung anzugeben. Mit anderen Worten soll mit diesem Verfahren entweder eine solche temporäre Kompensation bewirkt werden oder es soll eine bestehende temporäre Kompensation aufgehoben werden.
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Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Kompensationsvorrichtung und das in Anspruch 7 beschriebene Verfahren gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung ist zur magnetischen Kompensation für eine Drohne zur Minenauslösung ausgelegt. Sie umfasst wenigstens ein flussführendes Element aus einem weichmagnetischen Material, welches die Struktur eines offenen oder geschlossenen Rings aufweist. Sie umfasst ferner einen Aufnahmeraum für die Minenräumdrohne, in dem diese gehalten werden kann, und zusätzlich wenigstens eine elektrische Spuleneinrichtung, welche derart magnetisch mit dem flussführenden Element gekoppelt ist, dass mit der Spuleneinrichtung ein vorgegebener magnetischer Fluss in das flussführende Element eingekoppelt werden kann. Dabei sind das flussführende Element und der Aufnahmeraum so zueinander angeordnet, dass sich ein durch die Drohne bewirktes Magnetfeld in dem flussführenden Element ringförmig schließen kann.
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Unter dem genannten Aufnahmeraum für die Drohne soll hierbei nicht unbedingt ein geschlossener Raum verstanden werden, sondern allgemein ein Ort im Bereich der Kompensationsvorrichtung, an dem die Drohne gehalten werden kann. Insbesondere kann die Drohne in diesem Aufnahmeraum so gehalten werden, dass sie zusammen mit der Kompensationsvorrichtung transportiert werden kann.
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Unter der ersten genannten Alternative eines „offenen Rings“ soll hier allgemein eine ringartige Form verstanden werden, welche eine Lücke beziehungsweise einen offenen Schenkel aufweist. Unter einer solchen Form soll insbesondere auch eine U-Form mit eingeschlossen sein.
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Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung ist, dass sich in dem flussführenden Element ein Magnetfeld derartig ringförmig schließen kann, dass das Magnetfeld der Drohne zur äußeren Umgebung hin abgeschirmt wird. Dabei kann entweder die in den Aufnahmeraum einzuführende Drohne Teil des magnetischen Ringschlusses innerhalb des flussführenden Elements sein (Variante „offener Ring“) oder aber das flussführende Element umschließt die einzuführende Drohne ringförmig (Variante „geschlossener Ring“).
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Die innerhalb der Kompensationsvorrichtung vorliegende elektrische Spuleneinrichtung bewirkt, dass sich das Magnetfeld der Drohne in der Kompensationsvorrichtung nicht nur schließen kann, sondern dass es auch aktiv kompensiert werden kann. Insbesondere kann mit der Spuleneinrichtung ein magnetischer Fluss in das flussführende Element eingekoppelt werden, welcher dem dort durch die Drohne ein gekoppelten magnetischen Fluss entgegengesetzt ist. Eine solche magnetische Kompensation muss nicht vollständig sein, aber es kann vorteilhaft zumindest ein Teil des durch die Drohne ein gekoppelten magnetischen Flusses innerhalb des flussführenden Elements kompensiert werden.
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In jedem Fall wird das Magnetfeld der Drohne durch das flussführende Element effektiv nach außen hin abgeschirmt, sodass ein Transport der Drohne durch das wesentlich geringere in der äußeren Umgebung wirksame Magnetfeld ermöglicht wird. Insbesondere kann durch eine solche Abschirmung sogar ein Transport mit einem Luftfahrzeug ermöglicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Änderung der temporären Kompensation des Magnetfelds einer Drohne zur Minenauslösung mittels einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Einspeisung eines elektrischen Stroms in die elektrische Spuleneinrichtung, wodurch ein vorgegebener magnetischer Fluss in das flussführende Element eingekoppelt wird,
- - Einführung der Drohne in den Aufnahmeraum oder Entfernung der Drohne aus dem Aufnahmeraum.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung. Insbesondere kann bei dem Verfahren ein elektrischer Strom derart in die Spuleneinrichtung eingespeist werden, dass der hierdurch eingekoppelte vorgegebene magnetische Fluss den durch die Drohne im flussführenden Element verursachten magnetischen Fluss zumindest teilweise ausgleicht.
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Unter der beschriebenen Änderung der temporären Kompensation soll insbesondere verstanden werden, dass entweder die Drohne in den Aufnahmeraum eingeführt wird, um eine temporäre Kompensation zu erzeugen, oder dass die Drohne aus dem Aufnahmeraum entfernt wird, um eine vorhandene temporäre Kompensation aufzuheben. In jedem Fall soll durch eine relative Bewegung der Drohne relativ zum Aufnahmeraum eine Änderung der magnetischen Kompensation bewirkt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 7 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Kompensationsvorrichtung und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kompensationsvorrichtung wenigstens eine Sensoreinheit, mittels derer eine physikalische Eigenschaft gemessen werden kann, welche von der relativen Position von flussführendem Element und Drohne abhängt. Zusätzlich kann die Vorrichtung dann wenigstens eine Regelungseinrichtung umfassen, mittels derer ein in die elektrische Spulenwicklung eingespeister Strom in Abhängigkeit von der gemessenen Größe der physikalischen Eigenschaft geregelt werden kann. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Einführen der Drohne in den Aufnahmeraum oder das Entfernen daraus (beziehungsweise allgemein eine Relativbewegung zwischen Drohne und Kompensationsvorrichtung) deutlich erleichtert wird. Ohne derartige Maßnahmen ist das Einführen oder Entfernen der Drohne mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da durch die hohen Magnetfelder bei der Relativbewegung zwischen Drohne und Kompensationsvorrichtung sehr hohe Kräfte wirken. Unter dem Einfluss dieser hohen Kräfte muss trotzdem eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden, da nur in einem eng begrenzten Bereich für die Sollposition der Drohne eine optimale Kompensation des außen wirksamen Magnetfelds erzielt wird. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, kann das Einführen beziehungsweise Entfernen der Drohne bei dieser vorteilhaften Ausführungsform bei variabler Einspeisung eines Kompensationsmagnetfeldes durch die Spuleneinrichtung erfolgen. Insbesondere kann der jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt eingespeiste Strom so eingestellt werden, dass die zwischen Vorrichtung und Drohne wirkenden magnetischen Kräfte verringert oder sogar minimiert werden. Dabei ist prinzipiell unerheblich, über welche physikalische Eigenschaft die relative Position zwischen Drohne und Vorrichtung verfolgt wird. Wesentlich ist nur, dass durch die Messung der physikalischen Eigenschaft zumindest eine Teilinformation über diese relative Position vorliegt und somit der Strom in der Spuleneinrichtung derart eingestellt werden kann, dass eine Relativbewegung zwischen Drohne und Vorrichtung erleichtert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann das flussführende Element die Struktur eines geschlossenen Rings aufweisen, welcher den Aufnahmeraum für die Drohne umgibt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann beispielsweise darin liegen, dass die Vorrichtung annähernd symmetrisch ausgeführt werden kann und so gut auf die Form einer symmetrischen Drohne angepasst werden kann. So kann beispielsweise das flussführende Element eine hohlzylindrische Grundform mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen und damit eine kreiszylindrische Drohne relativ passgenau umschließen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass das flussführende Element unter Umständen ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen kann, da es mit vergleichsweise geringerem Materialaufwand ausgebildet werden kann, wenn es die Drohne symmetrisch und eng umschließt. Da die Drohne bei dieser Ausführungsvariante so eng von dem flussführenden Element umschlossen werden kann und da dieses Element ringförmig geschlossen ist, ist der unerwünschte Streufluss hier sehr gering. Insbesondere entweicht bei dieser Ausführungsform vorteilhaft kaum „Schlitzstrahlung“.
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Gemäß einer alternativen und unter Umständen ebenfalls zu bevorzugen Ausführungsvariante kann das flussführende Element aber auch die Struktur eines offenen Rings aufweisen, wobei der Aufnahmeraum im offenen Bereich der Ringstruktur angeordnet ist. Insbesondere kann der Aufnahmeraum also im Bereich des offenen Schenkels einer annähernd U-förmigen Struktur angeordnet sein. Ein Vorteil einer solchen Ausführungsform kann darin liegen, dass der Aufnahmeraum hier nicht auf allen Seiten umschlossen ist und somit leichter zugänglich ist, beispielsweise um die Drohne beim Einführen oder Entfernen besser führen zu können. Ebenso steht hier ein von der Drohne abgewandter Schenkel des flussführenden Elements zur Verfügung, der hier für das Aufbringen der elektrischen Spuleneinrichtung besonders gut zugänglich ist.
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Unter Umständen kann auch bei dieser Ausführungsform das flussführende Element besonders materialsparend und somit sehr leicht ausgeführt werden, da die Drohne nicht auf allen Seiten von dem weichmagnetischen Material umschlossen sein muss. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die elektrische Spule zur Einkopplung des Kompensationsfeldes an einem von der Drohne entfernt liegenden Bereich des Rings angeordnet werden kann.
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Allgemein kann das wenigstens eine flussführende Element in dem an den Aufnahmeraum angrenzenden Bereich zumindest einen Kollektor, besonders bevorzugt aber zwei Kollektoren aufweisen. Unter einem derartigen Kollektor soll eine Struktur verstanden werden, welche das Aufsammeln und Bündeln des von der Drohne ausgehenden magnetischen Flusses in dem flussführenden Element erleichtert. Insbesondere können derartige Kollektoren nach der Art von magnetischen Polschuhen ausgestaltet sein. Sie können also im Bereich der Drohne eine besonders hohe Auflagefläche (beziehungsweise magnetische Wechselwirkungsfläche, wenn keine direkte mechanische Auflage vorliegt) aufweisen. Eine solche „Wechselwirkungsfläche“ kann insbesondere deutlich größer sein als der Querschnitt des flussführenden Elements in den übrigen von der Drohne weiter entfernt liegenden Bereichen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform mit wenigstens einem Kollektor ist, dass ein größerer Teil des von der Drohne ausgehenden magnetischen Flusses in dem flussführenden Element gebündelt wird und somit Streuflüsse in der Umgebung der Kompensationsvorrichtung verringert werden. Die Ausgestaltung des flussführenden Elements mit wenigstens einem Kollektor ist insbesondere im Zusammenhang mit den Ausführungsformen mit einem offenen Ring besonders bevorzugt.
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Die Sensoreinheit zur Messung der positionsabhängigen physikalischen Eigenschaft kann grundsätzlich verschiedenartig ausgestaltet sein. So kann beispielsweise nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante die Sensoreinheit allgemein einen Abstandssensor umfassen. Beispielsweise kann es sich um einen Abstandssensor handeln, welcher auf einer optischen Abstandsmessung basiert. Unter diesem Begriff soll grundsätzlich auch eine infrarotbasierte Abstandsmessung mit erfasst sein. Alternativ kann die Sensoreinheit einen Positionssensor - insbesondere einen optischen Positionssensor - umfassen, welcher neben dem reinen Abstand der beiden relevanten Objekte beispielsweise auch ihre rotatorische Ausrichtung zueinander bestimmen kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Sensoreinheit einen magnetischen Sensor fassen. Beispielsweise kann der magnetische Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte und/oder der Veränderung der magnetischen Flussdichte innerhalb des flussführenden Elements oder zwischen flussführendem Element und Drohne ausgestaltet sein. Alternativ kann der magnetische Sensor aber auch zur Messung eines Streuflusses in der Umgebung der Kompensationsvorrichtung ausgelegt sein. Beispielsweise kann es sich bei dem magnetischen Sensor um einen Hall-Sensor handeln.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Sensoreinheit einen Kraftsensor umfassen. Ein solcher Kraftsensor kann beispielsweise zur Messung der Amplitude und/oder Richtung einer zwischen Drohne und flussführendem Element wirkenden Kraft ausgebildet sein.
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Ganz allgemein kann die Sensoreinheit aber auch verschiedene mögliche Kombinationen der oben beschriebenen Sensorarten umfassen.
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Die Vorrichtung weist vorteilhaft ein oder mehrere Abstandshalter zwischen dem flussführenden Element und dem Aufnahmeraum auf, welche bevorzugt aus amagnetischem Material ausgebildet sind. Derartige Abstandshalter können vorteilhaft dazu dienen, eine genauere Positionierung zwischen Drohne und flussführendem Element zu ermöglichen und/oder die Drohne nach erfolgter Positionierung in ihrer Sollposition zu halten. Die amagnetische Ausführung der Abstandshalter ist besonders bevorzugt, da sonst die magnetischen Kräfte zwischen Drohne und der Vorrichtung so groß werden könnten, dass die Drohne und die Kompensationsvorrichtung kaum noch relativ zueinander bewegt werden können. Bevorzugt kann die Breite des Spalts zwischen der in dem Aufnahmeraum anzuordnenden Drohne und den weichmagnetischen Teilen der Vorrichtung (also dem flussführenden Element) in einem Bereich zwischen 0,1 cm und 10 cm liegen. In diesem Bereich der Spaltbreiten kann gleichzeitig eine gute magnetische Flussführung und trotzdem eine gute Positionierung der Drohne (zumindest bei Einspeisung eines Kompensationsfeldes über die Spuleneinrichtung) erreicht werden.
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Das weichmagnetische Material des flussführenden Elements kann vorteilhaft eine magnetische Permeabilitätszahl von wenigstens 300, insbesondere wenigstens 1000 oder sogar wenigstens 3000 aufweisen. Insbesondere kann das weichmagnetische Material Eisen, Kobalt und/oder Nickel sowie Legierungen mit den genannten Metallen umfassen. Besonders bevorzugt kann der Hauptbestandteil eines der genannten Metalle sein. Derartige weichmagnetische Materialien sind besonders geeignet, um mit dem flussführenden Element auch einen hohen magnetischen Fluss der Drohne effektiv einzusammeln und ringförmig zu schließen, bei vergleichsweise geringem magnetischem Streufeld in der äußeren Umgebung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das flussführende Element aus mehreren separaten Einzelelementen zusammengesetzt sein. Eine derartige mehrstückige Ausführung kann die Einführung der Drohne in die Kompensationsvorrichtung beziehungsweise deren Entfernung deutlich erleichtern. Insbesondere kann das flussführende Element ein Gelenk oder ein Scharnier aufweisen (oder auch mehrere davon). Dies kann vor allem im Zusammenhang mit einer Ausführungsform als offener Ring vorteilhaft sein, da dann mit dem Gelenk oder Scharnier die Lücke in dem Ring zeitweilig weiter vergrößert werden kann, um die Drohne darin aufzunehmen. Nach einem Schließen des Gelenks oder Scharniers kann das flussführende Element die Drohne relativ eng umschließen.
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Die Kompensationsvorrichtung und/oder das Verfahren zur Kompensation kann vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass auch ohne Einspeisung eines Kompensationsfeldes durch die Spuleneinrichtung der außerhalb der Vorrichtung vorliegende magnetische Fluss einen Wert von 500 µT (insbesondere sogar nur 100 µT) nicht übersteigt. Dies soll insbesondere für eine Drohne erreicht werden, deren unkompensiertes Magnetfeld in einem Bereich außerhalb der Drohne einen magnetischen Fluss von 100 mT oder mehr aufweist.
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Bei dem Verfahren zur Magnetfeldkompensation und dessen im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten ist die Reihenfolge der genannten Schritte nicht zwangsläufig auf die angegebene Reihenfolge festgelegt. Insbesondere kann die Reihenfolge auch umgekehrt sein und/oder die Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden und/oder es können mehrere derartige Schritte im Wechsel nacheinander ausgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte umfassen:
- - Messung einer physikalischen Eigenschaft, welche von der relativen Position von flussführendem Element und Drohne abhängt, mittels der Sensoreinheit während des Einführens oder Entfernens,
- - Regelung des in die Spuleneinrichtung eingespeisten Stroms in Abhängigkeit von dem Messwert der Sensoreinheit während des Einführens oder Entfernens.
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Hierdurch werden analoge Vorteile erzielt wie oben im Zusammenhang mit der entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung beschrieben wurde. Auch hier ist die ist die Reihenfolge der Schritte „Messung der Eigenschaft“, „Bewegung der Drohne“ und „Regelung des Stroms“ nicht zwangsläufig auf die angegebene Reihenfolge festgelegt. Insbesondere kann die Reihenfolge auch umgekehrt sein und/oder die Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden und/oder es können mehrere derartige Schritte im Wechsel nacheinander ausgeführt werden. Insbesondere wird das Einführen oder Entfernen der Drohne besonders erleichtert, wenn Messung, Bewegung und Regelung entweder gleichzeitig oder in einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schritte iterativ erfolgen.
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Besonders vorteilhaft kann die Drohne, die in die Kompensationsvorrichtung eingebracht oder aus dieser entfernt wird, eine Magnetvorrichtung mit wenigstens einem Permanentmagneten aufweisen. Gerade im Zusammenspiel mit Permanentmagneten ist die Wirkung der Kompensationsvorrichtung besonders vorteilhaft, da bei derartigen Drohnen das Magnetfeld nicht einfach abgeschaltet werden kann ohne eine solche Vorrichtung ein Transport insbesondere per Flugzeug nicht ohne weiteres möglich ist. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Drohne alternativ oder zusätzlich eine Magnetvorrichtung mit wenigstens einer elektromagnetischen Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist. Dabei kann es sich insbesondere um eine supraleitende Spule handeln, welche beispielsweise in einem Quasi-Dauerkurzschlussstrommodus (engl.: "quasipersistent-mode) betrieben wird. Auch bei derartigen Spulen kann es vorteilhaft sein, den Stromfluss für einen Transport nicht zu unterbrechen und stattdessen das Magnetfeld mit der beschriebenen Vorrichtung zu kompensieren.
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Bei dem Verfahren kann die elektrische Spuleneinrichtung so betrieben werden, dass das Magnetfeld der Drohne im flussführenden Element zumindest teilweise kompensiert wird. Mit anderen Worten kann die Spuleneinrichtung so betrieben werden, dass ein durch sie in das flussführende Element eingekoppelter magnetischer Fluss dem durch die Drohne dort ein gekoppelten magnetischen Fluss entgegengesetzt ist. Eine solche Kompensation muss jedoch nicht vollständig sein, sondern es genügt für diese Ausführungsform eine anteilige Kompensation, also das Vorliegen von Flussbeiträgen mit unterschiedlichen Vorzeichen. Besonders vorteilhaft wird die Spuleneinrichtung so betrieben dass der magnetische Fluss der Drohne im flussführenden Element zu wenigstens 10 % kompensiert wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der magnetische Fluss sogar zu wenigstens 50 % kompensiert werden.
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Das Verfahren kann bevorzugt zusätzlich den Schritt des gemeinsamen Transports von magnetischer Kompensationsvorrichtung und Drohne umfassen. Hierbei kommen die Vorteile der Magnetfeldkompensation besonders gut zum Tragen, da ein solcher Transport ohne diese Kompensation oft nicht möglich ist. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Transport um einen Transport durch ein Luftfahrzeug.
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Bei einer unter Umständen vorteilhaften Ausführungsvariante dieses Verfahrens, welches den Transport mit umfasst, wird auch während des Transports ein elektrischer Strom in die Spuleneinrichtung eingespeist, um das Magnetfeld der Drohne im flussführenden Element zumindest teilweise zu kompensieren. Bei dieser Variante liegt also auch während des Transports eine zusätzliche Kompensation des Magnetfelds der Drohne vor, die über den reinen Ringschluss des magnetischen Flusses im flussführenden Element hinausgeht. So kann das magnetische Restfeld in der Umgebung der mit der Drohne bestückten Kompensationsvorrichtung besonders wirkungsvoll reduziert werden.
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Alternativ und unter Umständen besonders bevorzugt ist es jedoch auch möglich, dass während des Transports die Spuleneinrichtung stromlos ist. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil dann während des Transports keine zusätzliche Einspeisevorrichtung für den Strom der Spuleneinrichtung benötigt wird und deren Gewicht entsprechend eingespart werden kann. Weiterhin könnte auch bei einem Flugtransport der Betrieb der elektrischen Spuleneinrichtung zu zusätzlichen Störungen führen, welche bei dieser Variante vermieden werden. So wird bei dieser Variante die Spuleneinrichtung nur mit Strom beaufschlagt, um während des Einführens und/oder Entfernens der Drohne deren Magnetfeld zu kompensieren. Während des Transports ist es dann ausreichend, wenn das Magnetfeld der Drohne durch die Flussführung im flussführenden Element ringförmig geschlossen wird und hierdurch keine großen magnetischen Feldanteile in die äußere Umgebung der Kompensationsvorrichtung gelangen. Insbesondere kann der magnetische Fluss in der Umgebung außerhalb der Kompensationsvorrichtung auch bei dieser Variante vorteilhaft auf <100 µT begrenzt sein.
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Auch bei dem Verfahren kann die gemessene physikalische Eigenschaft vorteilhaft der Abstand und/oder die räumliche Ausrichtung zwischen flussführendem Element und Drohne sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die gemessene physikalische Eigenschaft eine magnetische Flussdichte und/oder eine Veränderung der magnetischen Flussdichte innerhalb des flussführenden Elements und/oder im Bereich zwischen Drohne und flussführendem Element und/oder im Umfeld der Drohne sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die gemessene physikalische Eigenschaft die Amplitude und/oder Richtung einer Kraft zwischen flussführendem Element und Drohne sein.
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Die mit diesen einzelnen Varianten verbundenen Vorteile entsprechen den Vorteilen der analogen Ausführungsformen der Vorrichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine Drohne im schematischen Längsschnitt zeigt,
- 2 eine Kompensationsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit eingeführter Drohne im schematischen Querschnitt zeigt,
- 3 eine Kompensationsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit eingeführter Drohne im schematischen Längsschnitt zeigt und
- 4 eine Kompensationsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel mit eingeführter Drohne im schematischen Längsschnitt zeigt.
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In 1 ist eine einzelne Drohne 1 zur Minenauslösung im schematischen Längsschnitt gezeigt, wie sie in den darauffolgenden Ausführungsbeispielen der Kompensationsvorrichtung zum Einsatz kommen kann. Gezeigt ist eine länglich geformte Drohne 1 mit einem Außengehäuse 2, die zur Fortbewegung unter Wasser ausgelegt ist. Sie weist in ihrem hinteren (in der Zeichnung links dargestellten) Teil eine Antriebsschraube 5 auf, welche beispielsweise von einem Elektromotor 3 über eine Rotorwelle 7 angetrieben werden kann. Diese drei Elemente 3,5 und 7 bilden hier also zusammen eine Antriebseinheit aus. Der Elektromotor 3 ist durch eine Trennwand 9 von dem Bereich der Drohne 1 abgetrennt, der die Magnetvorrichtung 11 zur magnetischen Auslösung von Minen enthält. Weiterhin kann ein hier nicht gezeigter Energiespeicher, beispielsweise in Form einer Batterie, im Inneren der Drohne vorhanden sein. Oder aber, der Elektromotor 3 kann über ein hier nicht gezeigtes Elektrokabel mit Energie versorgt werden. Andere Antriebsvarianten sind ebenfalls denkbar, beispielsweise mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb der Drohne oder mit einem zusätzlichen Generator, der die elektrische Energie für den Elektromotor liefert. Alternativ kann die Drohne aber auch beispielsweise durch ein Seil geschleppt werden. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform könnte in dem in 1 für die Antriebseinheit vorgesehenen Bereich stattdessen beispielsweise ein Generator vorgesehen sein, mit dem auch optional vorhandene Magnetspulen mit elektrischer Energie versorgt werden können.
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Die Magnetvorrichtung 11 umfasst bei der Drohne der 1 drei separate Permanentmagnete 13, deren räumliche Ausrichtung unterschiedlich ist, sodass Magnetfelder mit unterschiedlichen Ausrichtungen erzeugt werden. Prinzipiell ist es jedoch ausreichend, wenn nur ein solcher Permanentmagnete 13 vorliegt, um ein zur Minenauslösung ausreichend starkes Magnetfeld außerhalb der Drohne zu erzeugen. Die drei unterschiedlichen Permanentmagnete 13 sind hier also nur beispielhaft für die verschiedenen Ausrichtungen zu verstehen. Es kann jedoch grundsätzlich auch wie hier dargestellt eine Kombination mehrerer solcher Magnete vorliegen. Oder die Permanentmagnete können auch teilweise oder vollständig durch Magnetspulen ersetzt sein.
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2 zeigt eine Kompensationsvorrichtung 21 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt, also quer zur Hauptrichtung der einzuführenden Drohne. Diese Kompensationsvorrichtung 21 weist einen Aufnahmeraum 25 auf, in den hier bereits eine Drohne 1 mit einem innen liegenden Permanentmagneten 13 eingeführt ist. Dieser Permanentmagnete 13 ist hier so orientiert, dass der stärkste magnetische Fluss bezüglich der Längsachse der Drohne in radialer Richtung ausgerichtet ist. Die Kompensationsvorrichtung 21 weist ein flussführendes Element 23 auf, welches hier als U-förmiges Eisenjoch ausgebildet ist. Der Aufnahmeraum 25 für die Drohne ist hier durch den offenen Schenkel der U-Form gebildet. Wenn die Drohne 1 wie hier gezeigt in diesen Aufnahmeraum eingeführt ist und mit der Richtung des innen liegenden Permanentmagneten 13 entsprechend ausgerichtet ist, dann kann sich der durch die Drohne bedingte magnetische Fluss 37 wie dargestellt innerhalb des flussführenden Elements 23 schließen. Die Drohne selbst schließt also den offenen Teil des Rings des flussführenden Elements. Durch das Schließen des magnetischen Flusses 37 innerhalb des flussführenden Elements 23 wird bereits ein großer Teil des magnetischen Flusses nach außen hin abgeschirmt.
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Die Kompensationsvorrichtung 21 weist eine Spuleneinrichtung 31 auf, welche um einen Schenkel des flussführenden Elements 23 herum angeordnet ist. Mittels einer Stromquelle 35 kann über einen eigenen Stromkreis 33 ein elektrischer Strom in dieser Spuleneinrichtung 31 eingespeist werden, sodass durch die Spuleneinrichtung 31 ein weiteres Magnetfeld erzeugt wird. Hierdurch wird ein zusätzlicher magnetischer Fluss 39 in das flussführende Element 23 angekoppelt. Dieser magnetische Fluss 39 ist dem durch die Drohne bewirkten magnetischen Fluss 37 entgegengesetzt, wie durch die Richtung der Pfeile angedeutet. Der durch die Spuleneinrichtung 31 bewirkte magnetische Fluss ist in diesem Beispiel geringer als der durch die Drohne bewirkte magnetische Fluss 39, was durch die gestrichelte Linie angedeutet sein soll. Es handelt sich hier also nur um eine anteilige Kompensation des innerhalb des Elements 23 verlaufenden magnetischen Flusses. Die Stärke dieser anteiligen Kompensation kann jedoch variiert werden. Hierzu ist die Kompensationsvorrichtung 21 mit einer Sensoreinheit 41 ausgestattet, welche ein oder mehrere Sensoren 43 aufweist. In 2 sind beispielhaft zwei solche Sensoren gezeigt. Bei diesen Sensoren kann es sich um unterschiedliche Arten von Sensoren handeln, wie weiter oben in allgemeiner Form beschrieben. Beispielsweise kann hier eine Kombination von einem optischen Sensor und einem Kraftsensor vorliegen, wobei der Kraftsensor die zwischen Drohne und Kompensationsvorrichtung wirkende magnetische Kraft misst. Die Sensoreinrichtung 41 ist (unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Sensors oder der Sensoren) mit einer Regelungseinrichtung 45 verbunden, über welche der mittels der Stromquelle 35 in die Spuleneinrichtung 31 eingespeiste Strom variiert werden kann.
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Hierdurch wird also auch der magnetische Flussanteil 39 variiert, also der Grad der magnetischen Kompensation. Abhängig von dem von der Sensoreinheit 41 gemessenen Signal - also abhängig von der aktuellen Position der Drohne relativ zu der Kompensationsvorrichtung - werden somit die momentan wirkenden magnetischen Kräfte beeinflusst. Dies erleichtert wesentlich das Einführen und Entfernen der Drohne in den beziehungsweise aus dem Aufnahmeraum.
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Um die Drohne möglichst genau an dem gewünschten Ort im Aufnahmeraum positionieren können und dort möglichst gut fixieren zu können, sind im gezeigten Beispiel zwischen der Drohne 1 und dem flussführenden Element 23 zwei Abstandselemente 27 eingebracht, welche aus amagnetischem Material gebildet sind. Durch diese Abstandshalter wird ein magnetisch nicht wirksamer Spalt 47 zwischen der Drohne und dem flussführenden Element gebildet, welcher beispielsweise eine Breite von 1 cm aufweisen kann.
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Um den von diesem Permanentmagneten 13 ausgebildeten magnetischen Fluss möglichst gut aufsammeln und in dem flussführenden Element bündeln zu können, ist das flussführende Element 23 hier mit zwei Kollektoren 29 ausgestattet, welche sich mit einer verbreiterten Auflagefläche (wobei die Auflage hier indirekt über die Abstandshalter 27 realisiert ist) an die Drohne 1 anschmiegen. So können magnetische Streufelder wirksam verringert werden.
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Um die Drohne leichter in den Aufnahmeraum 25 hinein oder aus diesem heraus bewegen zu können, kann optional eine hier nicht dargestellte Führung vorhanden sein. Beispielsweise kann die Drohne über ein Schienensystem an den gewünschten Ort im Aufnahmeraum 25 gefahren werden.
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3 zeigt eine Kompensationsvorrichtung 21 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt, ebenfalls mit eingeführter Drohne 1 in dem dafür vorgesehenen Aufnahmeraum. Die Kompensationsvorrichtung 21 dieses Beispiels weist ein flussführendes Element 23 auf, welches hier einen geschlossenen Ring ausbildet und kreiszylinderförmig ausgestaltet ist. Ähnlich wie in 1 ist hier ein schematischer Halbschnitt gezeigt, sodass auch nur die hintere Hälfte des zylindrischen flussführenden Elements 23 gezeigt ist. Insgesamt umgibt das flussführende Element 23 die Drohne 1 jedoch ringförmig. Das Element 23 umgibt die Drohne 1 in einem Bereich, in dessen Innerem ein Permanentmagnet 13 wiederum so angeordnet ist, dass seine magnetische Achse in radialer Richtung orientiert ist. Unter der magnetischen Achse wird hier die Achse verstanden, die den magnetischen Nordpol N und den magnetischen Südpol S miteinander verbindet. Die Hauptrichtung des stärksten magnetischen Flusses außerhalb des Permanentmagneten 13 ist also hier im Wesentlichen nach oben und unten ausgerichtet, wie durch die Feldlinie 37 beispielhaft angedeutet ist. Dieser durch die Drohne bewirkte magnetische Fluss 37 kann sich innerhalb der beiden Hälften des flussführenden Elements 23 schließen, wie hier für die hintere Hälfte schematisch dargestellt. Somit wird auch bei dieser Anordnung ein Ausdringen von Streufluss in die äußere Umgebung der Kompensationsvorrichtung 21 weitgehend vermieden. In analoger Weise zu der hier dargestellten Feldlinie 37 kann sich der magnetische Fluss auch in der hier nicht dargestellten vorderen Hälfte des kreiszylindrischen Elements 23 schließen. Um den magnetischen Fluss innerhalb des Elements 23 zumindest teilweise kompensieren zu können ist auch hier eine elektrische Spuleneinrichtung 31 um einen Teilbereich des flussführenden Elements herum geführt. Beispielhaft ist hier nur eine solche Spuleneinrichtung dargestellt. Dies reicht aus, um zumindest in der hinteren Hälfte eine anteilige Magnetfeldkompensation zu bewirken. Grundsätzlich kann jedoch auch eine oder mehrere weitere solche Spuleneinrichtung vorliegen, beispielsweise um auch in der nicht dargestellten vorderen Hälfte eine Flusskompensation zu bewirken. Bei der dargestellten Position der Spuleneinrichtung 31 handelt es sich nur um eine beispielhafte Ausgestaltung, um die Spuleneinrichtung visualisieren zu können. Prinzipiell kann die Lage jedoch auch an einer anderen Stelle des Umfangs des zylindrischen Elements 23 vorgesehen sein, beispielsweise vorteilhaft weiter hinten in einem von den Permanentmagneten 13 abgewandten Bereich des sich ringförmig schließenden magnetischen Flusses. Der Übersichtlichkeit halber ist hier der magnetische Fluss, welcher durch die Spuleneinrichtung 31 in das flussführende Element 23 eingekoppelt wird, nicht dargestellt. Ähnlich wie in 2 soll jedoch dieser magnetische Fluss dem von der Drohne verursachten magnetischen Fluss 37 entgegengesetzt sein zumindest anteilig kompensieren.
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Bei den Ausgestaltungsvarianten mit ringförmig geschlossenem flussführendem Element ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zumindest zwei Spuleneinrichtungen aufweist, welche das flussführende Element an unterschiedlichen Stellen seines Umfangs umschließen. So kann das Magnetfeld der Drohne sich in zwei Zweigen im flussführenden Element schließen, und das Magnetfeld kann in diesen beiden Zweigen durch die diesen jeweils zugeordneten Spuleneinrichtungen kompensiert werden.
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Analog zur Ausgestaltung der 2 umfasst die Kompensationsvorrichtung 21 auch hier eine Anordnung aus einer Sensoreinheit 41, mit der die relative Position der Drohne zur Kompensationsvorrichtung oder zumindest eine positionsabhängige physikalische Eigenschaft überwacht werden kann, und einer Regelungseinrichtung 45, mit der abhängig von der relativen Position ein durch die Spuleneinrichtung fließender Strom geregelt werden kann.
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4 zeigt eine Kompensationsvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, ebenfalls im schematischen Längsschnitt und mit eingeführter Drohne 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsvorrichtung 21 ein flussführendes Element 23 auf, welches als offener Ring nach Art eines U ausgebildet ist. Auch hier ist die Drohne 1 im Bereich des offenen Schenkels dieser U-Form angeordnet, sodass sich der magnetische Fluss zwischen Drohne und dem flussführenden Element 23 ringförmig schließen kann. Auch hier weist die Drohne 1 einen einzelnen Permanentmagneten 13 auf, dessen magnetische Hauptachse jedoch im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nicht radial sondern axial ausgerichtet ist. Um den von diesem Permanentmagneten 13 ausgebildeten magnetischen Fluss ringförmig schließen zu können, ist das flussführende Element 23 hier so ausgestaltet, dass es mit zwei Kollektoren 29, welche in axialer Richtung versetzt sind, den magnetischen Fluss im radial außen liegenden Bereich der Drohne aufsammeln kann. Dieser Schluss kann sich insgesamt über den übrigen Teil des flussführenden Elements 23 ringförmig schließen, wie in 4 mittels der repräsentativen Feldlinie 37 angedeutet. Im Beispiel der 4 ist das flussführende Element 23 so geformt, dass der mittlere Bereich der U-Form die Drohne 1 in ihrem axialen Ende umgibt. Alternativ zu dieser Ausgestaltung ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass ein flussführendes Element mit ähnlichen axial leicht versetzten Kollektoren vorliegt, dessen mittlerer Schenkel sich nicht im axialen Endbereich, sondern axial innen liegend über den Umfang der Drohne hinweg schließt.
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Auch beim Beispiel der 4 ist wiederum eine Spuleneinrichtung 31 vorgesehen, mittels derer ein magnetischer Fluss zur Kompensation des Magnetfelds der Drohne in das flussführende Element 23 eingekoppelt werden kann. Zur Regelung des Stroms in der Spuleneinrichtung 31 liegen auch hier eine Sensoreinrichtung 41 sowie eine Regelungseinrichtung 45 vor.
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Bei den Beispielen der 2, 3 und 4 ist im Innenraum der Drohne 1 jeweils nur ein Permanentmagnet 13 dargestellt. Grundsätzlich können jeweils auch mehrere solche Permanentmagnete innerhalb einer Drohne vorliegen, wobei dann zur Kompensation und/oder Abschirmung des ausgebildeten Magnetfeldes entweder mehrere separate oder auch eine übergeordnete Kompensationsvorrichtung 23 vorliegen können. Beispielsweise kann eine Kompensationsvorrichtung mit einem zylindrischen flussführenden Element 23, ähnlich wie in der 3 auch zur magnetischen Kompensation von mehreren radial ausgerichteten Permanentmagneten vorgesehen sein. Eine Kompensationsvorrichtung zur magnetischen Kompensation mehrerer Permanentmagnete (insbesondere mit unterschiedlicher Ausrichtung) kann auch mehrere flussführende Elemente in Form einzelner offener oder geschlossener Ringstrukturen aufweisen.
