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Vorliegende Erfindung betrifft einen modularen, schwebeflugfähigen Multikopter umfassend eine zentrale Einheit mit einer Flugsteuerung und Empfangsmitteln zum Empfang von Daten, insbesondere Steuerbefehlen oder Zieldaten, drei oder mehr Rotoreinheiten mit Motoren und damit mechanisch gekoppelten Rotoren, wobei die Rotoreinheiten mit der Zentraleinheit über Auslegerarme verbunden sind und die Flugsteuerung die Motoren der Rotoreinheiten in Abhängigkeit der empfangenen Daten steuert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rekonfiguration eines solchen Multikopters.
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Schwebeflugfähige Multikopter werden heute bereits in unterschiedlichen Einsatzspektren zur Durchführung einer Vielzahl von Aufgaben eingesetzt. Hierunter fallen beispielsweise die Luftfotographie, das Überwachen und Aufklären von Gebieten im Rahmen militärischer oder auch ziviler Luftüberwachung sowie, zumindest testweise, das Transportieren von Lasten bei der Auslieferung von Waren an gewerbliche Abnehmer oder auch Verbraucher.
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Hierbei werden gemäß dem Stand der Technik Multikopter eingesetzt, welche hinsichtlich ihrer Größe, Ladekapazität und Konfiguration an Motor- bzw. Rotoreinheiten an ein spezielles Einsatzprofil hinsichtlich Flugdauer, Flughöhe, Reichweite, Art und Größe der Nutzlast abgestimmt sind. Die Konfiguration dieser Multikopter ist also bezüglich ihrer Geometrie, d. h. der Anordnung der an den Enden von Auslegerarmen angebrachten Rotoreinheiten um den zentralen Rumpf fest vorgegeben. Eine nachträgliche Änderung dieser Konfigurationen ist nicht vorgesehen und ist auch nicht leicht durchführbar, weder in physischer Hinsicht als auch hinsichtlich einer korrekten Flugsteuerung, denn hierfür wäre ein aufwendiges Anmontieren neuer Auslegerarme mit Motoreinheiten, deren Anschluss an die Energieversorgung und Steuerdatennetz des Multikopters sowie deren softwaremäßige Einwilligung in die Flugsteuerung nötig.
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Sofern ein weites Spektrum an Flugdauern und/oder Gewichten von Nutzlasten sowie zurückgelegten Distanzen abgedeckt werden soll, ist man bei dem Einsatz bekannter Multikopter daher darauf angewiesen, eine große Zahl unterschiedlicher Multikopter zu beschaffen und zu unterhalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen rekonfigurierbaren Multikopter zu finden, der einfach, schnell und flexibel an das gewünschte Einsatzprofil anpassbar ist, so dass das aufwendige und teure Beschaffen oder Vorhalten einer Vielzahl von Fluggeräten entfällt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Multikopter gemäß einem der Ansprüche 1-6, der unter Einsatz des Verfahrens eines der Ansprüche 7-10 rekonfigurierbar ist.
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Der erste Aspekt der Erfindung, der modulare Multikopter, ist hierbei dadurch ausgezeichnet, dass die einzelnen Elemente des Multikopters, d. h. die zentrale Einheit, welche neben der Flugsteuerung auch die Empfangsmittel zum Aufbau einer Datenverbindung zu einer mobilen Fernsteuerung oder einer ortsfesten Einsatzzentrale umfasst sowie die Rotoreinheiten und die zur Verbindung der Zentraleinheit mit den Rotoreinheiten eingesetzten Verbindungselemente in der Form von Steckmodulen ausgeführt sind, welche zum Anschluss anderer Module jeweils mindestens einen (Steck)Verbinder und/oder eine (Steck-)Buchse aufweisen.
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Verbinder und Buchse der Steckverbindungen sorgen in einer einfachsten Ausführung lediglich für eine robuste mechanische Verbindung zwischen den Steckmodulen. Es wird beispielsweise vorgeschlagen, dass die Buchsen der Steckverbindung einen hohlen, zylinderförmigen Anschlussstutzen eines bestimmten Außen- und Innendurchmessers umfassen und die damit zu verbindenden Stecker der Steckverbindung einen zylinderförmigen, insbesondere hohlzylinderförmigen, Anschlussstutzen mit einem Außendurchmesser umfassen, der nur ein wenig größer als Innendurchmesser des Anschlussstutzens der Buchse gewählt ist. Hierdurch kann eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Mantelfläche des Steckers und der Innenfläche Buchse hergestellt werden.
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Zusätzlich zu einer einfachen reibschlüssigen Verbindung zwischen Zylinderelementen können auch weitere Sicherungsmittel, wie beispielsweise Rastnasen und dazu kongruente Ausnehmungen oder dergleichen vorgesehen werden, um ein ungewolltes Lösen der Steckverbindungen, etwa unter Einfluss von beim Flug entstehender Vibrationen, zu verhindern.
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Eine rein mechanische Verbindung der Steckmodule ist in den Fällen ausreichend, in denen die Zentraleinheit die Ansteuerung der Rotor- oder Motoreinheiten drahtlos vornimmt und die Motoreinheiten darüber hinaus auch die zur Stromversorgung der Motoren nötigen Batterien enthalten. Beispielsweise können die Motoreinheiten per Bluetooth oder einem anderen kurzreichweitigen Drahtloskommunikationsprotokoll angesteuert werden.
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Zweckmäßigerweise werden die Motoren der Rotoreinheiten jedoch von einer zentralen, üblicherweise in oder in der Nähe der Zentraleinheit angebrachten Batterie gespeist. Zur Übertragung der nötigen Leistung sind elektrische Leitungen von dieser Batterie zu den einzelnen Motoreinheiten nötig. Die Steckverbindungen weisen daher in manchen Ausführungsformen zum Anschluss dieser Leitungen elektrische Kontakte auf.
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Eine drahtlose Ansteuerung der Motorelemente ist technisch möglich, jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden. Bevorzugt erfolgt die Steuerung daher mittels einer drahtgebundenen Verbindung zwischen Flugsteuerung in der Zentraleinheit und den Rotoreinheiten und der darin angeordneten Elektronik, wie beispielsweise einer elektronischen Motordrehzahlsteuerung (ESC) und/oder einer Inertialmesseinheit (IMU). Die Steckverbindungen zwischen den Modulen weisen daher, insbesondere zusätzlich zu elektrischen Kontakten zur Stromübertragung, ebenfalls elektrische Kontakte zum Herstellen einer Datenverbindung auf.
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Die Motoreinheiten verfügen erfindungsgemäß über zumindest eine Steckverbindung der oben beschriebenen Art, bevorzugt eine Steckbuchse. Die Zentraleinheit verfügt über mindestens zwei, insbesondere gegenüberliegend angeordnete Steckverbindungen zum Anschließen von Verbindungselementen und/oder Motorelementen. Sie kann jedoch auch über mehr als zwei, insbesondere drei, vier, fünf oder sechs Steckverbindungen verfügen, welche bevorzugt gleichmäßig, ein, insbesondere regelmäßiges, Polygon oder einen Polyeder bildend um die Zentraleinheit angeordnet sind, beispielsweise ein gleichseitiges Dreieck, Quadrat, Fünfeck oder Sechseck oder einen Tetraeder oder Oktaeder.
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Bevorzugt ist die Zentraleinheit ausschließlich mit Steckerbuchsen ausgestattet. Alternativ können aber auch Steckverbinder vorhanden sein. Dies würde beispielsweise den direkten Anschluss einer Rotoreinheit erlauben.
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Die zur Verbindung der Rotoreinheiten mit der Zentraleinheit eingesetzten Verbindungselemente können erfindungsgemäß verschiedene Ausgestaltung annehmen. Die einfachste Form sind gerade Verbindungselemente mit jeweils einer Steckverbindung an den gegenüberliegenden Enden. Bevorzugt sind jeweils gleichartige Steckverbindungen an den Enden der Geraden Verbindungselements vorgesehen, besonders bevorzugt sind dies Stecker bzw. Steckverbinder. Diese geraden Verbindungselemente können in verschiedenen Längen ausgeführt werden, beispielsweise einer ersten kleineren und einer zweiten, mittleren und einer dritten, größeren Länge.
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Darüber hinaus können gemäß vorliegender Erfindung auch T-förmige Verbindungselemente vorhanden sein, welche an jedem Ende einen Steckverbinder und/oder eine Steckbuchse aufweisen. Bevorzugt werden T-Stücke mit ausschließlich Steckbuchsen eingesetzt.
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Gleiches gilt für X-, Y- oder sternförmige Verbindungselemente. Letztere können beispielsweise eine tetraedrische oder oktaedrische Strahlenanordnung besitzen, also Strahlen mit endständigen Steckverbindern aufweisen, welche entlang der dreizähligen Symmetrieachsen eines Tetraeders oder den Diagonalen eines Oktaeders ausgerichtet sind.
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T- oder X- oder Y-förmige Verbindungselemente erlauben hierbei den Aufbau eines Multikopters mit Rotoreinheiten, welche in einer horizontalen Ebene liegen, wohingegen sternförmige Verbindungselemente darüber hinausgehend den Aufbau von Multikoptern mit in verschiedenen Ebenen liegenden Rotorelementen ermöglichen.
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Auf diesen Grundelementen lässt sich eine beliebige Vielzahl von Konfigurationen aufbauen.
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Z. B. kann aus einer Zentraleinheit mit zwei gegenüberliegenden Steckverbindern sowie zwei geraden, zwei T-förmigen Verbindungselementen und vier Rotoreinheiten ein Multikopter mit einer sogenannten Q4-Konfiguration mit zwei Auslegerarmen aus jeweils einem geraden, einem T-förmigen und zwei endständigen Rotoreinheiten zusammengesteckt werden. Werden bei der eben beschriebenen Q4-Konfiguration die T-förmigen Verbindungsmodule durch X-förmige ersetzt, so kann, entweder falls möglich direkt oder über ein weiteres gerades Verbindungselement an jeden Auslegerarm eine weitere Motoreinheit angeschlossen werden, wodurch eine Q6-Konfiguration hergestellt ist.
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Alternativ ist auch eine Q6-Konfiguration mit asymmetrischen Auslegerarmen denkbar, bei denen der eine Auslegerarm wie bei obiger Q4-Konfiguration gestaltet ist, der andere Auslegerarm jedoch aus einem durch ein gerades Verbindungselement verbundenen X-förmigen und einem T-förmigen Modul besteht, welche jeweils zwei Motoreinheiten tragen, wobei diese insgesamt über einen am X-förmigen Verbindungsmodul ansetzendes gerades Verbindungselement an die Zentraleinheit angeschlossen sind.
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Der Schwerpunkt eines solchen asymmetrischen Multikopters liegt außerhalb der Zentraleinheit, was bei der Einstellung bzw. dem Anlernen (teaching) der Flugsteuerung entsprechend zu berücksichtigen ist.
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Eine Q8-Konfiguration ist mit der bisher beschriebenen Zentraleinheit mit zwei gegenüberliegenden Anschlüssen ebenfalls herstellbar, beispielsweise indem zwei Auslegerarme mit jeweils drei T-förmigen und sieben geraden Verbindungsmodulen, etwa einem langen, zwei mittellangen und vier kurzen Verbindungsmodulen, aufgebaut werden, wobei jeder der Auslegerarme vier Motoreinheiten trägt.
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Bei der Verwendung von Zentraleinheiten mit mehr als zwei Anschlüssen ist noch eine Vielzahl weiterer Konfiguration denkbar, welche entsprechend der Zentraleinheit drei, vier oder auch höherzählige Symmetrien aufweisen können.
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Der zweite Aspekt vorliegender Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonfiguration eines modularen Multikopters der vorstehend beschriebenen Art umfassend einen Anlernvorgang (Teaching), bei welchem unter Rotation um den Rotorelementen zugeordneten Achsen durch die Flugsteuerung mit Hilfe einer oder mehrerer Inertialmesseinheiten (IMU) die Konfiguration des Multikopters erfasst und gespeichert wird.
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Konkret umfasst dieses Verfahren die Schritte des Bereitstellens einer Zentraleinheit, von drei oder mehr Rotoreinheiten, sowie Verbindungselementen zum Anschluss der Rotoreinheiten. Diese werden in einem weiteren Schritte zu einer gewünschten Konfiguration, beispielsweise einer der oben beschriebenen, oder einer der unten in den Ausführungsbeispielen angeführten Konfigurationen zusammengesteckt. Anschließend erfolgt das Anlernen der Flugsteuerung, wozu diese zunächst in einen Anlernmodus versetzt wird, indem intern eine neue, noch leere Konfiguration erstellt wird.
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Zum Anlernen wird der Multikopter für jede der Rotoreinheiten um eine der Rotoreinheit zugeordnete Rotationsachse rotiert. Diese Rotation kann immer in dieselbe Drehrichtung erfolgen. Es kann jedoch auch ein ein- oder mehrmaliger Wechsel der Drehrichtung erfolgen, so dass der Multikopter um einen gewissen Winkel hin und her gedreht bzw. gekippt wird, beispielsweise etwa 10-90°, bevorzugt 30-60°.
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Der konkrete Rotationswinkel ist im Rahmen vorliegender Erfindung weitgehend beliebig, es muss lediglich ausreichend sein, dass anhand der im Multikopter vorhandenen Sensoren die relative Lage einer Rotoreinheit zur Zentraleinheit und zum Schwerpunkt des Multikopters mit ausreichender Genauigkeit für einen sicheren Flug erfasst werden können. Der zu verwendende Rotationswinkel ist demnach abhängig unter anderem von der Genauigkeit der Inertialmesseinheiten, welche gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt zum Erfassen dieser relativen Abstandsdaten eingesetzt werden. Es ist zwar denkbar, dass ein Benutzer diese Positionsdaten und die Konfiguration durch manuelle Eingabe der Flugsteuerung der Zentraleinheit mitteilt, jedoch würde dies den Anlernvorgang in der Regel über Gebühr verlangsamen.
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Die Rotationsachse, welche einer Rotoreinheit zugeordnet ist, ist hierbei dadurch definiert, dass sie einerseits in einer für den Multikopter festgewählten Horizontalebene liegt, welche beispielsweise diejenige Ebene ist, in der die Rotoreinheiten geordnet sind. Sofern der Multikopter mehrere solcher Ebenen umfasst, kann eine dieser Ebenen oder ein Durchschnittsebene als Horizontalebene definiert werden. Weiterhin soll die Rotationsachse senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen Zentraleinheit bzw. einem Differenzpunkt in der Zentraleinheit, beispielswiese einem Symmetriepunkt und der Rotoreinheit bzw. einem Referenzpunkt der Rotoreinheit stehen.
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Dabei sind erfindungsgemäß drei Varianten des Verfahrens denkbar, die sich danach unterscheiden, ob die Rotationsachse durch die Zentraleinheit, durch den Schwerpunkt des Multikopters oder durch die jeweilige Rotoreinheit geht.
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Im ersten Fall wäre die Zentraleinheit, zumindest ihr Referenzpunkt, während der Rotation des Multikopters um die Rotationsachse ortsfest, und lediglich die Rotoreinheit und ggf., sofern nicht mit dem Referenzpunkt der Zentraleinheit identisch, ebenfalls der Schwerpunkt einer Bewegung unterworfen. Die durch die Rotoreinheit bzw. den Schwerpunkt beschriebenen Bahnen sind hierbei kreis- oder kreissegmentförmige Bahnen um den in diesem Fall feststehenden Referenzpunkt als Mittelpunkt. Sofern eine Inertialmesseinheit in der anzulernenden Rotoreinheit angeordnet ist, kann diese die kreisförmige Trajektorie erfassen und hieraus die Lage der Rotoreinheit, d.h. Richtung und Abstand, relativ zur Zentraleinheit im körperfesten Koordinatensystem des Multikopters bestimmen. Gleiches gilt für den Fall, dass im Schwerpunkt eine Inertialmesseinheit angeordnet ist. Sofern jedoch lediglich in der Zentraleinheit selbst eine Inertialmesseinheit vorhanden ist, ist anhand der Rotationsachse nicht die vollständige Lage, sondern lediglich die Richtung der Verbindungslinie zwischen Zentraleinheit und Rotoreinheit bestimmbar. Um darüber hinaus den Abstand der Rotoreinheit zur Zentraleinheit zu bestimmen, ist eine manuelle Benutzereingabe oder zusätzliche Messung notwendig.
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Diese zusätzliche Messung kann erfindungsgemäß derart ausgestaltet sein, dass in einem zweiten Schritt nach der Rotation des Multikopters um die Rotationsachse, welche hier ja durch die Zentraleinheit geht, eine lineare Translation des Multikopters entlang der Verbindungslinie zwischen Zentraleinheit bzw. deren Referenzpunkt und Rotoreinheit bzw. dem dortigen Referenzpunkt erfolgt, wobei die Translationsstrecke dem Abstand zwischen Zentraleinheit und Motoreinheit entspricht. Hierbei würde, sofern diese Translation durch die Benutzer durchgeführt wird, der Benutzer den Multikopter unter möglichst exakter Beibehaltung seiner Orientierung entlang der Verbindungslinie zwischen Zentraleinheit und Rotoreinheit verschieben und zwar derart, dass am Ende des Verschiebevorgangs der Referenzpunkt der Zentraleinheit die Position im Raum einnimmt, die zu Beginn der Referenzpunkt der jeweiligen Rotoreinheit eingenommen hatte oder umgekehrt. Diese Translation würde durch die Inertialmesseinheit erfasst und daraus die zurückgelegte Strecke ermittelt, welche dem Abstand zwischen Zentraleinheit und Rotoreinheit entspricht.
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Als weitere Variante des Verfahrens kann die Rotationsachse auch durch den Schwerpunkt des Multikopters gehen. Sofern nicht der Schwerpunkt mit dem Referenzpunkt der Zentraleinheit zusammenfällt, muss hierbei im Falle einer in der Zentraleinheit angeordneten Inertialmesseinheit die relative Lage von Schwerpunkt zur Zentraleinheit bestimmt werden. Dies kann wie oben beschrieben durch Rotation des Multikopters um eine weitere, dem Schwerpunkt zugeordnete Rotationsachse erfolgen. Alternativ kann diese jedoch auch aus den Schnittpunkt zweier der Rotationsachsen, bestimmbar als die Mittensenkrechten der kreis(segment)förmigen Trajektorien, bestimmt werden, welche die Zentraleinheit bei der Rotation um die den Rotoreinheiten zugeordneten Rotationsachsen beschreibt. Das Ergebnis der mindestens einen weiteren Rotation (der Multikopter hat mindestens drei Rotoreinheiten) kann zur Verringerung des Messfehlers in der so bestimmten relativen Schwerpunktlage eingesetzt werden. Die relative Lage von der jeweiligen Rotoreinheit zum Schwerpunkt kann jedoch in einem Schritt bestimmt werden, sofern eine in der Rotoreinheit angeordnete Inertialmesseinheit vorhanden ist. Alternativ kann auch wie vorstehend beschrieben eine Translation durchgeführt werden, wobei jedoch an die Stelle des Referenzpunktes der Zentraleinheit der Schwerpunkt des Multikopters tritt.
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Die dritte und letzte Variante besteht darin, dass die Rotationsachse, um welche der Multikopter zu rotieren ist, durch die Rotoreinheit bzw. deren Referenzpunkt geht. Hierdurch ist auch dann die relative Lage von Rotoreinheit und Zentraleinheit exakt bestimmbar, falls nur in der Zentraleinheit eine Inertialmesseinheit eingebaut ist. Sofern Schwerpunkt und Referenzpunkt der Zentraleinheit des Multikopters auseinanderfallen, kann dies entweder dadurch berücksichtigt werden, dass in der bereits mehrfach beschriebenen Weise eine zusätzliche Rotation des Multikopters um eine weitere Rotationsachse erfolgt, welche durch den Schwerpunkt geht und senkrecht zur Verbindungslinie Zentraleinheit und Schwerpunkt ist. Alternativ könnte auch zumindest für zwei der Rotoreinheiten eine Rotation um eine zusätzlich durch die Rotoreinheit gehende Rotationsachse erfolgen, welche nicht senkrecht auf der Verbindungslinie Zentraleinheit-Rotoreinheit, sondern Schwerpunkt-Rotoreinheit steht. Da dies jedoch zwei zusätzliche Rotationsvorgänge im Rahmen des Anlernens erfordert, ist der ersten Variante mit einer zusätzlich Rotation um eine zur Verbindungslinie Zentraleinheit-Schwerpunkt senkrechten Achse vorzuziehen.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, in besonderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens den Anlernvorgang für symmetrisch konfigurierte Multikopter dadurch abzukürzen, dass dies der Flugsteuerung, etwa über eine manuelle Benutzereingabe, mitgeteilt wird. Beispielsweise könnte in einem dem oben beschriebenen schrittweisen Rotieren des Multikopters um jede der den Rotoreinheiten zugeordneten Rotationsachsen vorgeschalteten Vorgang der Flugsteuerung Paare, Tripel oder höherzahlige Tupel symmetrisch angeordneter Rotoreinheiten mitgeteilt werden, in dem der Benutzer manuell die Rotoren der symmetrisch angeordneten Rotoreinheiten bewegt und die Flugsteuerung den hierdurch erzeugten Stromimpuls erfasst. Beginn und/oder Ende der Eingabe eines Symmetrietupels von Rotoreinheiten könnte durch eine besondere Bewegung bei dem manuellen Bewegen der Rotoren, beispielsweise einem Bewegen in beide Drehrichtungen, angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte auch eine Verbindung zwischen einem Datenverarbeitungsgerät des Benutzers und der Zentraleinheit aufgebaut werden und die Eingabe der symmetrisch angeordneten Rotoren darüber erfolgen.
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In einem zu oben beschriebenen manuellen Rotieren des Multikopters durch einen Benutzer alternativen Konfigurationsverfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Multikopter während des Anlernvorgangs in seinem Schwerpunkt aufgehängt wird und sodann die Flugsteuerung automatisch die Lage der Rotationselemente erfasst, indem schrittweise für jede Rotoreinheit nacheinander diese aktiviert und der Schub erhöht wird bis eine ausreichend starke Rotation des Flugkörpers erreicht ist. Hierfür werden insbesondere kurze, ausreichend starke Schubimpulse von ca. 0,5 - 5 Sekunden Dauer vorgeschlagen.
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Hierbei kann neben der rein geometrischen Informationen auch die dynamische Informationen über das Gewicht bzw. des Trägheitsmomentes der jeweiligen Achsen durch Messung bestimmt werden. Sofern jede der Rotoreinheiten über eine Inertialmesseinheit verfügt, kann über dieses Verfahren die exakte geometrische Konfiguration des Multikopters erfasst werden. Sofern lediglich die Zentraleinheit über eine Inertialmesseinheit verfügt, ist ein Erfassen der Geometrie zwar nicht exakt möglich, da lediglich die Richtungen der jeweiligen Rotoreinheiten zur Zentraleinheit und/oder dem Schwerpunkt gemessen werden können, jedoch ist dies auch nicht unbedingt nötig, da aus der Reaktion des Multikopters auf die definierte Schubgabe mit der Rotoreinheit die dynamischen Eigenschaften des Multikopters wie das Trägheitsmoment um die jeweiligen Rotationsachsen messbar sind. Der exakte Abstand der Rotoreinheit zum Schwerpunkt oder zur Zentraleinheit muss daher nicht bekannt sein. Sofern Schwerpunkt und Referenzpunkt der Zentraleinheit auseinander fallen, ließe sich die relative Lage von Schwerpunkt und Zentraleinheit in vorbeschriebener Weise bereits aus zwei Messungen anhand des Schnittpunktes der Drehachsen ermitteln. Darüber hinausgehende Messungen können zur Erhöhung der Genauigkeit dieses Ergebnisses verwendet werden. Die relative Lage von Zentraleinheit und Rotoreinheit lässt sich zwar nur indirekt hieraus bestimmen, beispielsweise in dem aus den gemessenen dynamischen Antworten des Multikopters auf definierte Schubgaben der Rotoreinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Dimensionen der möglichen Verbindungselemente die jeweilige Konfiguration des Multikopters abgeleitet wird und hieraus der Abstand zwischen Schwerpunkt und Rotoreinheit anhand der ebenfalls bekannten Masse der Verbindungselemente berechnet wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Diese sollen in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.
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Es zeigen:
- 1 A: Eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen modularen Multikopters mit einer Q4-Konfiguration in zerlegtem Zustand.
- 1B: Eine weitere Ausführungsform eines modularen erfindungsgemäßen Multikopters mit einer Q8-Konfiguration.
- 2: Eine Vorderansicht eines Steckverbinders einer Rotoreinheit gemäß vorliegender Erfindung.
- 3: Eine schematische Darstellung eines Multikopters mit sechs Rotoreinheiten und einer Zentraleinheit mit Inertialmesseinheit.
- 4A: Eine schematische Darstellung der Komponenten eines Multikopterbausatzes.
- 4B: Eine mit Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multikopters, welche aus einem Teil der Komponenten aus 3A zusammensteckbar ist.
- 4C: Eine weitere Ausführungsform mit sechs Motoreinheiten, welche aus den Komponenten gemäß 3A zusammensteckbar ist.
- 4D: Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multikopters Q6-Konfiguration, welche mit den Komponenten aus 3A ähnlich ist.
- 4E: Eine weitere aus den Komponenten der 3A zusammensteckbare Multikopter in Q8-Konfiguration.
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In 1A ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen modularen Multikopters in einer Konfiguration mit vier Rotoreinheiten an zwei Auslegerarmen im zerlegten Zustand gezeigt.
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Die Zentraleinheit ZE, welche die Flugsteuerung 11 und die Datenempfangsmittel 12 beherbergt, verfügt über zwei Anschlussmöglichkeiten oder Steckverbinder für periphere Steckmodule. In der hier dargestellten Ausführungsformen sind an den beiden gegenüberliegenden Anschlüssen zwei gerade Verbindungselemente G eingesteckt. An jedes der Verbindungsmodule schließt je ein T-förmiges Verbindungsstück T an. Diese haben, wie hier dargestellt, an allen drei Enden gleichartige Anschlussbuchsen, welche mit den komplementären Steckern der geraden Verbindungsstücke G zusammenwirken. Die Rotoreinheiten M verfügen je über eine Steckerbuchse und können über je ein weiteres gerades Verbindungsmodul G mit einer freien Buchse des T-Stücks T verbunden werden. Die Steckerbuchsen von Zentraleinheit ZE, T-Stück T und Rotoreinheiten M sind jeweils gleichartig ausgeführt. Der Multikopter gemäß dieser Ausführungsform hat insgesamt bei Draufsicht eine H-förmige Grundstruktur, wobei an jedem Ende des H's eine Rotoreinheit M sitzt.
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1B zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen modularen Multikopters in einer Q8-Konfiguration.
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Auch dieser Multikopter weist symmetrisch um die Zentraleinheit eingeordnete Rotoreinheiten M auf, welche an zwei Auslegerarmen angebracht sind. Die Auslegerarme, welche jeweils über ein kurzes gerades Verbindungsstück an eine Steckerbuchse der Zentraleinheit angeschlossen sind, umfassen jeweils drei T-Stücke T, drei kurze gerade Verbindungsstücke G1 und vier mittlere gerade Verbindungsstück G2. Ein zentrales T-Stück T ist über das bereits erwähnte kurze gerade Verbindungsstück G1 mit der Zentraleinheit ZE verbunden. Symmetrisch an den Enden des zentralen T-Stücks T über kurze gerade Verbindungsstücke G1 sind weitere T-Stücke T angesteckt, welche derart orientiert sind, dass der vertikale Balken des T's von der Zentraleinheit ZE weg weist. An die vier offenen Steckerbuchsen dieser beiden T-Stücke sind über mittellange gerade Verbindungsstücke G2 vier Rotoreinheiten M angeschlossen. Insgesamt ergibt sich eine Anordnung aller Rotoreinheiten M in einer Horizontalebene, bei der Rotoreinheiten die Eckpunkte eines nahezu regelmäßigen Achtecks bilden.
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2 zeigt in Vorderansicht eine Steckerbuchse eines Rotor-elements gemäß vorliegender Erfindung.
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Das Rotorelement M verfügt über einen Motor M0 und eine aus dem Motor hervorragende Motorwelle M1, an welche ein Rotor anschließbar ist (nicht dargestellt). Die in der Vorderansicht gut zu sehende Steckerbuchse S umfasst einen ringförmigen, hohlzylindrischen Kragen S0 mit einem Innendurchmesser, welcher dem Außendurchmesser der in die Steckerbuchse einzusteckenden Stecker der geraden Verbindungselemente entspricht, so dass diese über ein Reibungsschluss in der Steckerbuchse fixiert sind (vgl. 1A und 1B). Des Weiteren sind in der Steckerbuchse S erste elektrische Kontakte S1 zur Übertragung des zum Betreiben des Motors nötigen Stroms, sowie ein weiterer elektrischer Kontakt S2 zur Herstellung einer Datenverbindung im Rotorelement M vorhanden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Multikopters aus einer zentralen Einheit mit einer Inertialmesseinheit und sechs daran angeschlossenen Rotoreinheiten.
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Die Rotoreinheiten M mit den Rotoren R sind an den Enden von sechs Auslegerarmen A in einem Sechseckmuster um die Zentraleinheit ZE angeordnet, welche in dieser Ausführungsform mit einer Inertialmesseinheit IMU ausgestattet ist. Letztere ermöglicht der Zentraleinheit zum einen während des Fluges Positionsbestimmungen anhand der auf das Fluggerät einwirkenden linearen Winkelbeschleunigung vorzunehmen, und zum anderen während des Anlernvorgangs gemäß des Verfahrens vorliegender Erfindung die relativen Positionen der Rotoreinheiten zur Zentraleinheit bzw. zum Schwerpunkt des Multikopters zu erfassen. Durch die Symmetrische Gestaltung ist einmal erreicht, dass der Schwerpunkt des Multikopters 1 innerhalb der Zentraleinheit liegt, idealerweise mit dem verwendeten Referenzpunkt der Zentraleinheit zusammenfällt. Weiterhin kann aber auch der Anlernvorgang abgekürzt werden. Vorliegend sind aufgrund der Symmetrie beim Anlernen (Teaching) lediglich zwei Rotationen durchzuführen: eine für die beiden zentralen Rotoreinheiten M und eine für die vier äußeren Rotoreinheiten M. Es kann für jeden der Fälle eine der Rotoreinheiten ausgewählt und die Rotation um deren zugeordnete Rotationsachse ausgeführt werden. Die Lage der anderen symmetrieverbundenen Rotoreinheiten folgt dann aus der gemessenen Lage der ersten Rotoreinheit nach Eingabe der jeweiligen Symmetrie(n). Diese kann manuell über ein Datenverarbeitungsgerät des Benutzers vorgenommen werden oder in einem dem eigentlichen Anlernvorgang vorgeschalteten Vorgang durch Rotation des Multikopters um die jeweiligen Symmetrieachsen erfolgen.
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4A stellt eine Auswahl von der in dem erfindungsgemäßen modularen Multikopter einsetzbaren Komponenten dar.
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Gezeigt sind eine Rotoreinheit M, eine Zentraleinheit ZE, gerade Verbindungsmodule G verschiedener Längen, nämlich ein kurzes Verbindungsmodul G1, ein langes Verbindungsmodul G3 sowie ein mittellanges Verbindungsmodul G2 sowie vier T-förmige Verbindungsmodule T und X-förmiges Verbindungsmodul X. Aus dieser kleinen Zahl von Modulen lässt sich bereits eine große Vielfalt an verschiedenen möglichen Multikopterkonfigurationen realisieren, wobei eine beliebige Anzahl an Rotorelemente M sowie eine beliebige Anzahl gerader Stücke verschiedener Längen verwendet werden kann. Die hieraus erstellten Multikopter sind auf die Anordnung der Rotorelemente M in einer Horizontalebene beschränkt. Für die Zentraleinheit ZE wird zudem angenommen, dass diese lediglich zweizählige Symmetrie verfügbar, d. h. lediglich zwei gegenüberliegend angeordnete Anschlussbuchsen für andere Steckelemente aufweist.
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Eine erste mögliche Konfiguration eines aus den in vorstehender 4A vorgestellten Elementen zusammensteckbaren H-förmigen Multikopters mit vier Rotorelementen (Q4-Konfiguration) ist in 4B gezeigt.
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Der Multikopter 1 verfügt über zwei gleichartige, symmetrisch an der Zentraleinheit angeschlossene Auslegerarme, welche jeweils aus einem langen geradem Verbindungselement G3 und einem daran angebrachten T-Stück T bestehen. Jeweils zwei Rotorelemente M sind an den Balkenenden des T-Stücks T angesteckt.
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4C zeigt eine weitere aus den Elementen der 4A zusammensteckbare Konfiguration mit sechs Motoreinheiten (Q6).
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Diese Konfiguration geht aus der in 3B gezeigten hervor, indem die T-förmigen Verbindungsmodule T durch X-förmige Verbindungsmodule X ersetzt werden, wobei an dem der Zentraleinheit ZE abgewandten freien Ende des X-förmigen Verbindungselements X über ein zusätzliches kurzes gerades Verbindungsstück G1 ein weiteres Rotorelement M angesteckt ist.
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4D stellt eine weitere Ausführungsform eines modularen Multikopters mit insgesamt sechs Rotoreinheiten dar, in welcher zwei ungleiche Auslegerarme an die Zentraleinheit eingeschlossen sind.
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Der erste, kleinere Auslegerarm, welcher nur zwei Rotoreinheiten M umfasst, entspricht einem der Auslegerarme A des Multikopters in 4B. Der andere Auslegerarm umfasst dem gegenüber ein über ein langes gerades Stück G3 verbundenes X-förmiges Verbindungselement X und T-förmiges Verbindungselement T, an welche jeweils spiegelsymmetrisch zwei Rotoreinheiten M angeschlossen sind, so dass dieser Auslegerarm insgesamt vier Rotoreinheiten trägt. Der Anschluss an die Zentraleinheit erfolgt über ein weiteres gerades Verbindungsstück, welches hier als langes gerades Stück G3 dargestellt ist. Alternativ könnten auch gerade Verbindungsstücke anderer Länge eingesetzt werden, wobei darauf zu achten ist, dass sich die Rotorkreise der Rotoren der Rotorelemente M nicht überschneiden.
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4E zeigt einen erfindungsgemäßer Multikopter, welcher ebenfalls über zwei symmetrisch an die Zentraleinheit angeschlossene Auslegerarme mit jeweils vier Rotorelementen verfügt, so dass insgesamt eine Q8 Konfiguration mit acht Rotoreinheiten erreicht ist.
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Jeder der Auslegerarme besteht aus drei T-förmigen Elementen, wovon ein zentrales T-förmiges Element über ein langes gerades Verbindungsstück G3 mit der Zentraleinheit ZE verbunden ist. Die offenen Enden des Balkens des T's sind über mittellange gerade Verbindungsmodule G2 an vertikalen Balken jeweils zwei weiterer T-Stücke angesteckt, welche über kurze Verbindungsstücke G1 angesteckte Rotorelemente M verfügen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Multikopter
- 11
- Flugsteuerung
- 12
- Datenempfangsmittel
- ZE
- Zentraleinheit
- IMU
- Inertialmesseinheit
- M
- Rotoreinheit
- R
- Rotor, Rotorkreis
- G,G1,G2,G3
- gerade Verbindungsstücke
- T
- T-förmiges Verbindungsstück
- X
- X-förmiges Verbindungsstück
- S
- Steckverbindungsbuchse
- S0
- zylinderförmiger Kragen
- S1
- elektrische Kontaktmittel zur Stromübertragung
- S2
- elektrische Kontakte zur Datenübertragung
