-
Vorliegende Erfindung betrifft ein schwebeflugfähiges Fluggerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
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.
-
Eine weitere interessante Anwendung ist die Untersuchung von Röhren, beispielsweise Abwasserleitungen oder Kanälen. Beispielsweise sollen aus Gründen der Sicherheit und Sauberkeit in Deutschland Kanäle alle 10 Jahre inspiziert werden. Im Stand der Technik werden hierfür üblicherweise am Boden fahrende Roboter eingesetzt, die mit geeigneten Sensoren zur Inspektion und Untersuchung des Rohres bzw. der Kanalhülle ausgestattet sind. Hierunter fallen beispielsweise Kameras (optisch und/oder infrarot) sowie Radar- oder Lidar oder Ultraschall-Sensoren.
-
Der Nachteil solcher fahrbaren Roboter ist, dass diese nicht während des Normalbetriebs des Kanals eingesetzt werden können. Vielmehr muss der Kanal außer Betrieb genommen und soweit wie möglich trockengelegt und unter Umständen auch gereinigt werden, bevor er durch den fahrbaren Roboter inspiziert werden kann.
-
Hier haben Fluggeräte einen Vorteil, denn, vorausgesetzt die zu untersuchende Röhre ist im Betrieb nur teilweise mit (Ab-)Wasser gefüllt, sie können zwischen Wasser und Röhrendecke die Röhre entlangfliegen, sind also nicht auf eine Trockenlegung angewiesen. Grundsätzlich müsste das Fluggerät hierfür nicht unbedingt schwebeflugfähig sein. Die üblicherweise beengten Verhältnisse machen jedoch eine für einen ausreichenden dynamischen Auftrieb (Flügel) nötige Fluggeschwindigkeit praktisch unmöglich und somit die Fähigkeit zum Schwebeflug eine Notwendigkeit. Zudem kann ein schwebeflugfähiges Gerät während der Inspektion an interessanten Stellen verharren und diese genauer untersuchen.
-
Ein schwimmfähiger Roboter wäre zwar ebenfalls denkbar und grundsätzlich attraktiv, da Schwimmen wesentlich energieeffizienter ist als Fliegen. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass im zu untersuchenden Kanal bzw. Abwasserrohr eine teils erhebliche Strömung herrschen kann und ein Schwimmroboter auch mit treibenden Objekten kollidieren würde. Zudem sind die nach dem Einsatz in jedem Fall nötigen Reinigungsmaßnahmen zu bedenken, welche bei Einsatz eines Fluggeräts in der Regel weitgehend vermieden werden können.
-
Der Nachteil bekannter schwebeflugfähiger Klein- und Kleinstfluggeräte wie beispielsweise sogenannten Multikoptern ist aber, dass auch für sie die Fortbewegung in den engen Kanalröhren sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Präzision der Steuerung stellt. Ein aus dem Stand der Technik bekannter, des eigentlichen Fluggerät samt Rotoren umgebender Schutzrahmen macht zwar einen einzelnen Wandkontakt in der Regel ohne Beschädigung überlebbar, trotzdem kann in einem solchen Fall die Kontrolle verloren gehen. Um dies zu vermeiden ist eine mögliche Fortbewegung entlang der Röhre nur mit sehr geringer Geschwindigkeit möglich.
-
Die Druckschrift
JP 2018-112536 A beschreibt ein schwebeflugfähiges Fluggerät in Form eines Quadkopters mit einer Deckenfahreinrichtung in Form von endständig an Verlängerungen der vier propellereinheittragenden Auslegerarmen befestigten Räder. Eine Anbindung der Räder über Stoßdämpfer oder der Einsatz von Gleitrampen, Walzenrollen, oder Kufen als Deckenkontaktmittel oder eine Ausgestaltung der Deckenfahreinreichtung als segmentförmige Kuppe ist nicht offenbart.
-
In der Druckschrift
JP 2018-118525 A ist ein Fluggerät mit einer gelenkig angebundenen Deckenfahreinrichtung offenbart, welche als Deckenkontaktmittel drei oder vier Räder aufweist. Die Deckenfahreinrichtung weist dabei keine Krümmung auf.
-
Die Druckschrift
CN 105730173 A beschreibt einen schwebeflugfähigen Land/Wasser/Luft Roboter mit vier seitlich angebrachten Antriebsrädern. Diese erstrecken sich zwar über die gesamte Höhe des Roboters, reichen jedoch kaum über die Propellerebene ist, so das der Roboter nicht deckenfahrfähig ist. Eine derartige Verwendung wird auch nicht beschrieben, sondern lediglich ein Wandklettermodus offenbart, bei dem die Rumpfunterseite der Wand zugewandt ist.
-
Die Druckschrift
CN 106814091 A beschreibt einen Wandfahrroboter, um Tunnelrisse mit Hilfe von Bodenradar zu identifizieren. Für Deckenfahrten ist der Roboter nicht ausgelegt.
-
Die japanische Offenlegungsschrift
JP 2016-211878 A stellt einen Hexakopter-Flugroboter mit einer Deckenfahreinrichtung in Form eines vierrädrigen, planebenen Chassis vor, wobei die Räder beim Deckenflug an der Deckenoberfläche entlangrollen.
-
Die Offenlegungsschrift einer internationalen Anmeldung
WO 2019/198155 A1 offenbart einen Flugroboter mit vier eingehausten Auftriebspropellern und vier oberseitigen Rädern als Deckenfahreinreichtung.
-
In der Druckschrift
US 2014 / 0 034 775 A1 ist ein Quadkopter offenbart, dessen vier Propellereinheiten jeweils von Schutzeinrichtungen umgeben sind, welche ein auch als Deckenkontaktmittel verwendbares, schräg angebrachtes Zahnrad umfassen. Durch eine entsprechende Aufhängung des Ladekäfigs kann die Ladung unabhängig von den individuellen Rotorenachsen in der horizontalen gehalten werden.
-
Die
JP 2019-82379 A beschreibt einen Flugroboter mit Antriebsketten. Diese sind unterhalb der Propellerebene angeordnet und daher als Deckenkontaktmittel oder gar für eine Deckenfahrt ungeeignet.
-
Die Druckschrift
JP 2017-61298 A offenbart Steuerungsvefahren für Fluggeräte bei Fortbewegung entlang von Decken. Als lediglich schematisch angedeutete Deckenfahrmittel werden Räder, insbesondere Omni-Räder vorgeschlagen.
-
Die japanische Offenlegungsschrift
JP 2016- 26 946 A beschreibt ein schwebeflugfähiges Fluggerät mit einer dieses Rundum vor Oberlächen-, insbesondere Decken-, Kontakt schützenden einreichtung, In konkreten Ausführungen umfasst diese Einrichtung zwei Räder, welche über Stoßdämpfer seitlich ant dem Quadkopterrumpf angebunden sind, und deren Durchmesser so groß bemessen ist, dass sie bis deutlich oberhalb der Propellerebene reichen, um dadurch eine sichere Fortbewegung entlang einer Raumdecke zu ermöglichen.
-
Die Druckschrift
JP 2005-199 902 A beschreibt ein schwebeflugfähiges Fluggerät in Form eines Luftschiffs mit einer oberseitigen Deckenfahreinrichtung in Form von einem Chassis getragener Rollen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein alternatives schwebeflugfähiges Fluggerät, insbesondere einen Multikopter, so zurschnellen und gefahrlosen Fortbewegung entlang einer zu inspizierenden Röhre zu entwickeln.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Multikopter gemäß einem der Ansprüche 1-8, der unter Einsatz des Verfahrens des Anspruchs 9 gesteuert wird.
-
Das erfindungsgemäße schwebeflugfähige Fluggerät, insbesondere ein Multikopter, hat hierbei als wesentliches Merkmal eine Deckenfahreinrichtung, dass über Deckenkontaktmittel verfügt, die es dem Fluggerät erlauben unter Beibehaltung eines dauerhaften Deckenkontakts die Röhre entlangzufliegen. Der Deckenkontakt wird hierbei mit einer gewissen Anpresskraft gehalten, indem eine entsprechende, über die Gewichtskraft des Fluggeräts hinausgehende Auftriebskraft erzeugt wird. Der Deckenkontakt wird richtungsstabilisierend, so dass kleine auf das Fluggerät wirkende Seitenkräfte besser tolerierbar werden.
-
Die Steuerung der Bewegung entlang der Röhre wird auch dadurch wesentlich vereinfacht, dass, analog zum Fahren entlang des Bodens der Röhre lediglich ein Freiheitsgrad, nämlich die Querrichtung zu kontrollieren ist, während in der Vertikalen durch den mit einer gewünschten Anpresskraft beibehaltenen Deckenkontakt ein definierte Lage relativ zur Röhrendecke eingehalten wird.
-
Die Anpresskraft ist hierbei so gewählt, dass der Deckenkontakt auch beim „Überfahren“ von Unebenheiten und Sprüngen oder Stufen in der Decke, wie sie etwa an Verbindungsstellen von Röhrenabschnitten auftreten können, nicht oder nur möglichst kurz verlorengeht. Daher ist bei glatteren, stufenfrei(er)en Röhren und/oder bei niedrigeren Bewegungsgeschwindigkeiten eine geringere Anpresskraft ausreichend als bei uneben(er)en Röhren und/oder bei höheren Geschwindigkeiten.
-
Die vom Fluggerät erzeugte Auftriebskraft über das zum Ausgleich der Gewichtskraft Nötige zu erhöhen, bedingt einen erhöhten Energieverbrauch, welcher sich negativ auf die Flugzeit bzw. die Reichweite auswirkt. Dies wird jedoch zumindest teilweise dadurch kompensiert oder sogar überkompensiert, dass die Annäherung des Fluggeräts an die, üblicherweise geschlossene, Röhrendecke einen Saugeffekt bewirkt, der die Erzeugung einer gewissen Auftriebskraft nötige Motorleistung zum Teil deutlich reduziert. Dieser dem bekannten Bodeneffekt ähnliche „Deckeneffekt“ bewirkt also, dass die zur Erzeugung der Anpresskraft nötige Zusatzleistung verringert wird, oder sogar negativ wird, sprich zum Entlangfahren an der Decke weniger Leistung benötigt wird, als für einen freien Flug.
-
Ein freier Flug ist hierbei ein Flug in einem Abstand zum Boden und zur Decke, welcher deutlich größer ist als die Erstreckung des Fluggeräts. Die Zusatzleistung ist hierbei abhängig von der gewünschten Anpresskraft und von der Stärke des Deckeneffekts. Daher kann immer eine Netto-Verringerung der nötigen Motorleistung erreicht werden, solange die gewünschte Anpresskraft klein genug gewählt ist.
-
Die Stärke des Deckeneffekts wird wesentlich mitbestimmt von dem das Verhältnis des Durchmessers der Röhre zur Erstreckung des Fluggeräts in Längs- und Querrichtung, also entlang seiner Roll- und Nickachse. Größere Verhältnisse von Röhrendurchmesser zu Erstreckung führen hierbei zu einer Verringerung des Deckeneffekts und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren sieht vor, ein Fluggerät mit Deckenfahreinrichtung, welches eine Röhre in eine bestimmte gewünschte Richtung entlangfliegen soll, zunächst im Röhreninneren in die Nähe der Decke zu manövrieren und dann vorsichtig einen Deckenkontakt herzustellen, bei dem die Deckenfahreinrichtung an mindestens drei, entsprechend drei verschiedenen Kontaktmitteln, die Röhrendecke berührt. Wie beim Aufsetzen auf dem Boden ist auch hier darauf zu achten, dass die Annährungsgeschwindigkeit an die Decke nicht zu hoch ist, um zum einen Beschädigungen zu vermeiden, aber auch um einem unkontrollierten Hüpfen entlang der Decke entgegenzuwirken. Um dies auszugleichen, können die Kontaktmittel bevorzugt mit Dämpfungselementen, wie beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen Stoßdämpfern ausgestattet sein.
-
Sobald ein stabiler Deckenkontakt hergestellt ist, wird die Motorleistung erhöht, bis eine gewünschte Anpresskraft, also Differenz zwischen von den Rotoreinheiten erzeugter Auftriebs- und Gewichtskraft des Fluggeräts erreicht ist, welche dazu beiträgt, das Fluggerät auch nach dem Überfahren von Unebenheiten der Röhrendecke in Deckenkontakt zu halten.
-
Anschließend an die Erhöhung der Auftriebskraft oder auch in einem kombinierten Vorgang zeitlich parallel hierzu, wird die Bewegungsgeschwindigkeit in die gewünschte Richtung entlang der Röhre auf eine Zielgeschwindigkeit erhöht. Bei einer Anwendung des Verfahrens, bei welcher die Inspektion der Röhre auf Beschädigungen oder andere Unregelmäßigkeiten beabsichtigt ist, wird diese Geschwindigkeit bevorzugt so gewählt, dass mit den vorhandenen Sensoren noch eine ausreichend genaue Begutachtung möglich ist. Der Deckenkontakt wird hierbei sowie auch im weiteren Fahren entlang der Röhrendecke durchgehend beibehalten, um zum einen den Deckeneffekt und zum anderen die Richtungsstabilisierenden Effekt des Entlangfahrens an der Röhrendecke maximal zu nutzen.
-
Letzterer besteht aus zwei Komponenten. Wie oben bereits erwähnt bewirkt der Deckenkontakt zum einen, dass nur noch die Querrichtung zu steuern ist, weil in vertikaler Richtung ein konstanter Abstand relativ zur Decke „automatisch“ eingehalten wird. Hierzu kommt jedoch der zusätzliche Vorteil, dass durch die Krümmung der Decke in Querrichtung das an der Decke entlangfahrende Fluggerät beim Verlassen des höchsten Punktes der Röhre, genauer einer Lage, welche diesem Punkt bzw. dieser Linie möglichst nahe ist, durch die Tangentialkomponente der Anpresskraft automatisch wieder zurück zum höchsten Punkt geleitet wird. Es kommt also zu einer stabilisierenden (negativen) Rückkopplung, bei der die Tangentialkomponente der Anpresskraft das Fluggerät wieder in eine stabile, bei symmetrischen Röhren mittige Lage an der Decke zurücktreibt. Dies vereinfacht die ausschließlich noch nötig Querlagensteuerung deutlich gegenüber dem Fahren auf einer ebenen (Decken-)Fläche, wodurch insgesamt der Steuerungsaufwand gegenüber einem freien Flug durch die Röhre sehr stark reduziert ist.
-
Es sind grundsätzlich verschieden Ausführungsformen der Deckenfahreinrichtung denkbar.
-
In einer ersten, nicht beanspruchten, Ausführungsform besteht die Deckenfahreinrichtung ausschließlich aus oberseitig am Fluggerät befestigten Rädern oder Rollen, insbesondere Lenkrollen, welche bevorzugt mit Stoßdämpfern ausgestattet sind, um ein schwer kontrollierbares Hüpfen nach der Herstellung des Deckenkontakts zu vermeiden.
-
In einer zweiten Ausführungsform umfasst die Deckenfahreinrichtung eine in zwei Richtungen gekrümmte etwa kugel- oder hyperboloidsegmentförmige Kuppel, welche starr oberhalb des Fluggerätrumpfes befestigt ist. Die Kuppel kontaktiert die Decke unmittelbar mit einer bevorzugt glatten und abriebfesten Oberfläche, oder kann mit zusätzlichen Deckenkontaktmitteln, etwa in Form von Walzen oder Kugelrollen ausgestattet sein.
-
Eine dritte Ausführungsform umfasst wie die zweite eine Kuppel mit oder ohne zusätzliche Kontaktmittel, deren Durchmesser und/oder Krümmung jedoch aktiv oder passiv anpassbar ist.
-
In einer vierten Ausführungsform ist ein flächiger Schlitten, bevorzugt in einer leichten und offenen Konstruktion, vorgesehen, welcher zumindest in einer Richtung gekrümmt und über ein mehrachsiges Gelenk mit dem Rumpf verbunden ist.
-
Kombinationen dieser Varianten sind auch denkbar, etwa des Schlittens der vierten Ausführungsform mit den Rädern der ersten, oder des Gelenks der vierten Ausführungsform mit der Kuppel der Zweiten oder Dritten.
-
Für einen stabilen Deckenkontakt verfügt die Deckenfahreinrichtung über drei oder mehr, bevorzugt vier oder mehr, besonders bevorzugt vier oder fünf Deckenkontaktmittel.
-
Die Deckenkontaktmittel der Deckenfahreinrichtung des erfindungsgemäßen Fluggeräts umfassen bevorzugt Rollen und/oder Gleitrampen. In ersterem Fall können diese starr sein, d.h. eine feste Fahrrichtung vorgeben. Besonders bevorzugt sind es jedoch Lenkrollen, die um eine zur Drehrichtung der Rollenachse senkrechte Richtung, welche üblicherweise vertikal ausgerichtet ist, drehbar gelagert sind. Die Fahrrichtung ist hierdurch leichter veränderbar. Allerdings wird hierdurch auch der Richtungsstabilisationseffekt des erfindungsgemäßen Fahrens entlang der Decke vermindert.
-
In manchen bevorzugten Ausführungen des erfindungsgemäßen Fluggeräts umfasst die Deckenfahreinrichtung an der Oberseite des Rumpfes und/oder eines das Fluggerät umgebenden Schutzrahmens angebrachte Räder oder Rollen, insbesondere Lenkrollen. Ein Schutzrahmen, also eine möglichst leichte und offene Rahmenkonstruktion, welche möglicherweise das Fluggerät als Ganzes, aber zumindest die Propeller der Rotoreinheiten umgibt und vor einem Wandkontakt schützt.
-
Für die Rollen oder Räder dieser Ausführungsformen wird ein bevorzugter Durchmesser von zwischen 1 und 5 cm, besonders bevorzugt 2 bis 3 cm oder zwischen 1/100 und 1/10, besonders bevorzugt zwischen 1/30 und 1/15 der Quererstreckung des Fluggeräts vorgeschlagen.
-
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Deckenfahreinrichtung einen flächigen Schlitten, welches die Kontaktmittel trägt. Die Deckenkontaktmittel dieser Ausführungsformen können Räder bzw. Rollen sein. Bevorzugt werden jedoch Gleitrampen eingesetzt, welche als Kufen mit nach gebogenen, insbesondere symmetrisch an einem Mittelabschnitt ansetzende Kufenabschnitte umfassen. Die Kufenabschnitte stellen sicher, dass die Deckenfahreinrichtung nicht an Vorsprüngen und Stufen in der Röhrendecke hängen bleibt. Der Mittelabschnitt beherbergt bevorzugt mindestens eine, zumindest an der Oberseite überstehende Rolle, insbesondere eine Walzenrolle, um die beim Fahren entlang der Decke auftretende Reibung zu minimieren.
-
Der flächige Schlitten ist bevorzugt in wenigstens einer Querrichtung gekrümmt, besonders bevorzugt ausschließlich in der Querrichtung gekrümmt, in der Längsrichtung jedoch eben.
-
Der Schlitten ist besonders bevorzugt eine H-förmige Konstruktion mit einem oder mehr, bevorzugt zwei, parallelen, beabstandeten, geraden Längsverbindern in der Längsrichtung, welche in einem Mittelbereich durch eine Verbindungsplatte und in den Bereichen ihrer beiden Enden durch insbesondere senkrecht zu den Längsverbindern, also parallel zur Querrichtung, verlaufenden Querträgern ausgebildet. An jedem Ende eines Querträgers ist bevorzugt ein Deckenkontaktmittel angebracht.
-
Die Querträger sind bevorzugt gekrümmt, so dass der Schlitten als Ganzes eine Krümmung in der Querrichtung aufweist. Besonders bevorzugt ist diese Krümmung variabel einstellbar. Hierzu wird vorgeschlagen, die Querträger aus drei Abschnitten zusammenzusetzen, wobei zwei Endabschnitte, ein vorderer- und ein hinterer Abschnitt, gelenkig an den gegenüberliegenden Enden eines Mittelabschnittes befestigt sind. Eine Mechanik, etwa in Form eines Gestänges mit variabler Länge, welches die Endabschnitte verbindet, erlaubt es, den Winkel zwischen den Endabschnitten und dem Mittelabschnitt zu verändern, wodurch sich die effektive Krümmung, d.h. die Krümmung des Umkreises, den die Enden der Abschnitte definieren, einstellen lässt.
-
Die Verbindungsplatte erlaubt den Anschluss des Schlittens an den Rumpf des erfindungsgemäßen Fluggeräts. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Schlitten mit dem Rumpf über ein Axialgelenk verbunden. Dieses erlaubt zumindest eine relative Gier- und Nickbewegung zwischen Rumpf und Schlitten, so dass das Fluggerät unter Beibehaltung des Deckenkontakts mit der Röhrendecke zum Manövrieren Gieren und Nicken um seine Richtung zu steuern oder Geschwindigkeit aufzunehmen oder abzubremsen. Zusätzlich wird jedoch vorgeschlagen, das Axialgelenk so auszugestalten, dass auch eine relative Rollbewegung möglich ist.
-
Um zu verhindern, dass der relative Gierwinkel zwischen Schlitten und Rumpf des erfindungsgemäßen Fluggeräts sich völlig frei verändern kann, besitzen besondere bevorzugte Ausführungsformen ein Axialgelenk mit Gierwinkelbeschränkungsmitteln. Diese können eine Gabel oder eine Öse auf einer Seite des Gelenks und einen die Gabel oder Öse durchgreifenden Zapfen auf der anderen Seite des Gelenks umfassen. Der maximal mögliche relative Gierwinkel sollte bevorzugt auf zwischen +-5 bis +-20 Grad, besonders bevorzugt auf +-10 bis +-15 Grad beschränkt sein.
-
Ein wichtiger Aspekt bei der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Fluggeräts ist der relative Abstand den es beim Entlangfahren an der Decke zu dieser hat. Ein großer Abstand erleichtert das Manövrieren und erlaubt schärfere Nick- und/oder Rollbewegungen hierbei, ein kleiner Abstand erhöhte den oben beschriebenen Deckeneffekt und vermindert so die benötigte Motorleistung, was sich positiv auf die Reichweite auswirkt.
-
Vorliegend wird empfohlen, den Abstand zwischen der obersten Rotorenebene des Fluggeräts und dem obersten Punkt der Deckenfahreinrichtung so zu wählen, das dieser zwischen 2 und 20 cm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 cm liegt oder zwischen der halben und 1/10, besonders bevorzugt zwischen ¼ und /16 der Erstreckung des Fluggeräts in Quer- oder Längsrichtung, d.h. entlang seiner Roll oder Nickachse, beträgt.
-
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Fluggerät mit Schwimmkörpern ausgestattet, welche eine Landung auf einer Wasseroberfläche gestatten, etwa um sich mit der Strömung aus einer inspizierten Röhre wieder heraustreiben zu lassen, oder auch um bei einem Steuerfehler ein Eintauchen des Rumpfes oder der Rotoreinheiten zu vermeiden.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Diese sollen die Erfindung lediglich erläutern aber in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.
-
Es zeigen:
- 1: In perspektivischer Ansicht eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts mit einer Deckenfahreinrichtung.
- 2A: In perspektivischer Ansicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggeräts mit einer Deckenfahreinrichtung.
- 2B: Eine perspektivische Seitenansicht des Fluggeräts in der zweiten Ausführungsform aus 2A.
- 2C: Eine Detailansicht der Gierwinkelbeschränkung des Axialgelenks aus 2B.
- 2D: Eine Detailansicht einer Gleitrampe der Deckenfahreinrichtung des Fluggeräts aus 2A.
- 3: In zwei Teilfiguren, eine schematische Vorder- und Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit einer in zwei Richtungen gekrümmten Deckenfahreinrichtung.
- 4: ein funktionales Diagramm der Komponenten bevorzugter Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit Deckenfahreinrichtung.
-
In 1 ist in einer überhöhten perspektivischen Ansicht eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluggeräts in Form eines Quadkopters mit Deckenfahreinrichtung gezeigt.
-
Das Fluggerät 1 umfasst hierbei einen Rumpf 2, welcher die Sensoren zur Umgebungserfassung, die Steuerung sowie eine Batterie (nur teilweise sichtbar) beherbergt, die vier Rotoreinheiten 3, welche jeweils am Ende eines sie mit dem Rumpf 2 verbindenden Auslegerarms befestigt sind und deren Propeller die einzige Rotorenebene RE, die daher zugleich die oberste Rotorenebene ist, definieren. Das Fluggerät 1 umfasst weiterhin einen Schutzkäfig 5 bestehend aus vier radialen Bogenarmen 51, welche an ihren rumpffernsten Scheitelpunkten den umlaufenden Schutzkäfigring 50 tragen. Der Schutzkäfig 5 bestimmt die Quererstreckung QE des Quadkopters 1.
-
An den vier Verbindungspunkten der Bogenarme 51 mit dem Schutzkäfigring sind oberseitig als Teil der Deckenfahreinrichtung 4 jeweils eine nach oben weisende Lenkrolle 41' angebracht. Eine weitere Lenkrolle 41' oberhalb des Rumpfes 2 vervollständigt die Deckenfahreinrichtung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluggeräts.
-
In den 2A - 2D wird eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit Deckenfahreinreichung vorgestellt.
-
Wie in 2A zu erkennen, handelt es sich ebenfalls um einen Quadkopter mit einem Rumpf 2 der über Auslegerarme mit vier Rotoreinheiten 3 verbunden ist. Die Rotoreinheiten 3, deren Propeller alle in derselben Rotorenebene RE liegen, werden von einem die Quererstreckung QE bestimmenden Schutzkäfig 5 umgeben, der jedoch nur den unteren Teil 2u des Rumpfes 2 umschließt. Der obere Teil 2o des Rumpfes 2 trägt auf seiner Oberseite die Deckenfahreinrichtung 4 umfassend den Schlitten 40, welches über das dreiachsige Axialgelenk 42 mit dem Rumpfoberteil 2o verbunden ist und als H-förmige Konstruktion aus zwei parallelen, zueinander beabstandeten stangenförmigen Längsverbindern 43, eine diese verbindende und als Festpunkt für das Axialgelenk 42 dienende Platte 45 und an den Enden der Längsverbindern 43 quer zu diesen verlaufend befestigten Querträgern 44 ausgebildet ist. Die Querträger 44 tragen an jedem ihrer Enden je eine Deckenkontaktmittel 41 und sind, um sich dem Verlauf einer Röhrendecke anzupassen, bogenförmig gekrümmt.
-
Das Axialgelenk 42 ist in 2B, welche den Quadkopter aus 2A in einer perspektivischen Seitenansicht zeigt, deutlicher zu erkennen. Es umfasst einen oberen Teil 42o und einen unteren Teil 42u welche über eine Gelenkkugel 420 verbunden sind. Das Gelenk hat in vorliegender Ausführung die drei Freiheitgrade, namentlich zwei Kippfreiheitsgrade, einmal in Längs- und einmal in Querrichtung, sowie einen Drehfreiheitsgrad um die Achse des Gelenks, welche wie hier dargestellt parallel zur Vertikale steht. Diese drei Freiheitsgrade erlauben relative Gier-, Nick- und Rollbewegungen des Rumpfes 2 relativ zum Schlitten 40, so dass das Fluggerät 1 auch unter Beibehaltung des Kontakts mit der Röhrendecke nahezu frei manövrieren kann.
-
Es ist jedoch zu vermeiden, dass beim Manövrieren, egal ob im freien Flug oder während des erfindungsgemäßen Entlangfahrens an einer Röhrendecke die gemeinsame Ausrichtung zwischen den Längsrichtungen des Rumpfes und des Schlittens verlorengeht. Denn hierdurch könnte die autonome Annährung an die Röhrendecke erschwert werden. Bei einem relativen Gierwinkel von etwa 90 Grad könnte es beispielsweise vorkommen, dass die in ihrer Querrichtung gekrümmte Deckenfahreinrichtung sich der Röhrendecke nicht wie vorgesehen anschmiegt, sondern quer stehen bleibt, was ein Entlangfahren erschwert oder verhindert.
-
Um diese zu vermeiden, ist das Axialgelenk 42 in vorliegender Ausführung, im Detail dargestellt in 2C, mit Gierwinkelbeschränkungsmitteln ausgestattet, welche aus einer am Gelenkunterteil 42u befestigten Gabel 421 besteht, die von einem im Träger 422 des Gelenkoberteils 42o festgelegten, Stift 421 durchgriffen wird.
-
Der maximal mögliche relative Gierwinkel zwischen Gelenkoberteil 42o und -unterteil 42u, und damit zwischen Rumpf 2 und Schlitten 40 wird durch den Abstand der Zinken der Gabel 421 bestimmt und beträgt vorliegend etwa +-15 Grad.
-
2D zeigt eine vergrößerte Darstellung der Kontaktmittel 41 gemäß der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluggeräts. Diese sind als symmetrische Gleitrampen 41 mit einem eine Walzenrolle beherbergenden Mittelabschnitt 412 und an diesem winklig anschließenden Kufenabschnitten 411 ausgebildet. Der Winkel zwischen Mittelteil 412 und den jeweiligen Kufenabschnitten 411 beträgt etwa 35 Grad. Alternativ wäre anstelle eines Knickes auch ein kontinuierlich gebogener Übergang ähnlich einer Schlittenkufe möglich. Die über die Oberseite des Mittelabschnitts 412 hervorragende Walzenrolle 410 verringert die beim Entlangfahren an einer Röhrendecke auftretende Reibung erheblich und erhöht so die Reichweite des Fluggeräts und verringert den Verschleiß der Deckenfahreinrichtung vorteilhaft.
-
3 zeigt eine schematische Vorder- und Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit einer in zwei Richtungen gekrümmten Deckenfahreinrichtung.
In der dargestellten Situation hält das Fluggerät 1 über die auf dem Rumpf 2 oberseitig angebrachte Deckenfahreinrichtung 4 einen Kontakt mit der Decke 101 einer Röhre. Wie in der in Teilfigur A gezeigten Vorderansicht zu erkennen, hat die Deckenfahreinrichtung eine Krümmung, welche sich der Krümmung der Decke 101 anschmiegt. Hierdurch ist ein Verkippen der Deckenfahreinrichtung um ihre Längsachse, parallel zur Rollachse des Fluggeräts 1, nicht möglich. Um dem Fluggerät ein Rollen zu ermöglichen, muss die Verbindung 42 zwischen Rumpf 2 und Deckenfahreinrichtung 4 eine entsprechende relative Bewegung zulassen.
-
In der Längsrichtung ist die hier gezeigte Deckenfahreinrichtung 4 jedoch auch gekrümmt, so dass, wie aus der Seitenansicht von Teilfigur B ersichtlich, ein Verkippen der Deckenfahreinrichtung relative zur Röhrendecke möglich ist. Eine derart ausgestaltete, in zwei Richtungen gekrümmte Deckenfahreinrichtung 4 benötigt daher keinen Nickfreiheitsgrad in seiner Verbindung 42 zum Rumpf 2.
-
In 4 ist ein schematisches Schaubild der Komponenten eines erfindungsgemäßen Fluggeräts und deren Zusammenwirken dargestellt.
-
Das Fluggerät 1 umfasst Umgebungserfassungsmittel in Form der Inertial Measurement Unit (IMU) 21, und aus Redundanzgründen zweier unabhängiger rundum Abstandssensoriken 21, 22. Die von diesen Umgebungserfassungsmitteln aufgenommenen Umgebungsdaten werden jeweils an eine zugeordnete Signalverarbeitung 11, 12, 13 weitergeleitet. Unter dem Begriff „Signalverarbeitung“ werden die zum Zweck der Signalverarbeitung der Umgebungsdaten nötigen Hard- und Softwaremittel zusammengefasst. Die Signalverarbeitungsmittel Signalverarbeitung Lage 11, Signalverarbeitung Höhe 12, und Signalverarbeitung Situationserfassung 13 leiten aus den Umgebungsdaten Situationsinformationen ab, welche sie an die Steuerung 10, 20 abgeben. Die Steuerung umfasst als Hardwarekomponente Datenverarbeitungsmittel 20 und darauf ausgeführte Steuerungssoftware 10. Die Steuerung generiert unter Berücksichtigung der Umgebungsinformationen und vorprogrammierter oder über eine Datenverbindung von einer externen Quelle, etwa einem Fernsteuergerät, empfangener Ziel- und Missionsdaten Handlungsanweisungen an die Lageregelung 14, die Höhenregelung 15 und die Abstandsregelung 16.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fluggerät
- 10
- Steuerung (Software)
- 11, 12, 13
- Signalverarbeitung
- 2
- Rumpf
- 2o
- Rumpfoberteil
- 2u
- Rumpunterteil
- 20
- Steuerung (Hardware)
- 21
- Inertial Measurement Unit
- 22, 23
- Abstandsensoriken (rundum)
- 3
- Rotoreinheit mit Propeller
- 4
- Deckenfahreinrichtung
- 40
- Schlitten
- 41'
- Deckenkontaktmittel, Lenkrolle
- 41
- Deckenkontaktmittel, Gleitrampe
- 410
- Walzenrolle
- 411
- Kufenabschnitt
- 412
- Mittelabschnitt
- 42
- Axialgelenk
- 42o
- Gelenkoberteil
- 42u
- Gelenkunterteil
- 420
- Gelenkkugel
- 421
- Gierwinkelbegrenzungsgabel
- 422
- Gierwinkelbegrenzungsstiftträger
- 423
- Gierwinkelbegrenzungsstift
- 43
- Längsverbinder
- 44
- Querträger
- 45
- Verbindungsplatte
- 5
- Schutzrahmen
- 50
- Schutzkäfigring
- 51
- Bogenarme
- RE
- (oberste) Rotorenebene
- QE
- Quererstreckung
