DE102019130804A1

DE102019130804A1 - Drone, method for operating a drone and electronic control and regulating device for controlling and regulating the operation of a drone

Info

Publication number: DE102019130804A1
Application number: DE102019130804.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Molter; Michael Frangenberg; Pascal Groß
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: DE102019130804B4

Abstract

Eine Drohne (10) umfasst eine Basisstruktur (12) und mindestens drei in einer horizontalen Draufsicht an unterschiedlichen Stellen angeordnete Schuberzeugungseinrichtungen (14a-d), die im Betrieb einen Schub mit einer Schubrichtung (28a-d) erzeugen, die zumindest auch eine vertikal nach unten gerichtete Schubkomponente aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Schubrichtungen (28a-d) von mindestens zwei Schuberzeugungseinrichtungen (14a-d) relativ zu der Basisstruktur (14) während des Fluges unabhängig voneinander schwenkbar sind.A drone (10) comprises a base structure (12) and at least three thrust generating devices (14a-d) which are arranged at different points in a horizontal plan view and which, during operation, generate a thrust with a thrust direction (28a-d) which is at least also vertically after has downward thrust component. It is proposed that the thrust directions (28a-d) of at least two thrust generating devices (14a-d) can be pivoted independently of one another relative to the base structure (14) during flight.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drohne, ein Verfahren zum Betreiben einer Drohne und eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung des Betriebs einer Drohne nach den Oberbegriffen des jeweiligen nebengeordneten Anspruchs.The invention relates to a drone, a method for operating a drone and an electronic control and regulating device for controlling and regulating the operation of a drone according to the preambles of the respective independent claim.

Ganz allgemein sind Drohnen in Form von unbemannten Multicoptern bekannt, die als fliegende Plattformen für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden. Zu diesen gehören die Aufnahmen von Bildern, die Vornahme von Messungen, etc. In general, drones in the form of unmanned multicopters are known, which are used as flying platforms for various tasks. These include taking pictures, taking measurements, etc.

Die EP 2 942 688 A1 beschäftigt sich insbesondere mit der Steuerung von Drohnen, um diese bei einem Problem entlang einer bestimmten Flugbahn zurückzuholen. Die US 8 473 125 B2 beschreibt, dass die Motoren einer Drohne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden können, um sowohl die Lage als auch die Geschwindigkeit der Drohne zu steuern. Die US 10 222 7 19 B2 beschreibt einen Touchscreen zum Steuern einer Drohne. US 2018/0314251 A1 schließlich beschreibt die Steuerung einer Drohne derart, dass sie einer Person folgt.The EP 2 942 688 A1 deals in particular with the control of drones in order to bring them back along a certain trajectory in the event of a problem. The US 8 473 125 B2 describes that the motors of a drone can be operated at different speeds in order to control both the position and the speed of the drone. The US 10 222 7 19 B2 describes a touch screen for controlling a drone. US 2018/0314251 A1 finally describes the control of a drone in such a way that it follows a person.

Bekannt ist ferner das Projekt „Lilium“ (https://lilium.com/), bei dem es sich um ein unbemanntes Fluggerät handelt, welches senkrecht starten und landen kann. Hierzu verfügt es sowohl über einen im Horizontalflug einen Auftrieb erzeugenden Tragflügel als auch über eine Vielzahl von schwenkbaren Schuberzeugungseinrichtungen. Schließlich kennt man auch das vertikal startende und landende Flugzeug Bell-Boeing V-22 Osprey, welches an den beiden Tragflügelenden schwenkbare Rotoren aufweist.Also known is the “Lilium” project (https://lilium.com/), which is an unmanned aerial vehicle that can take off and land vertically. For this purpose, it has both a wing that generates lift in horizontal flight and a large number of pivotable thrust generating devices. Finally, the vertical take-off and landing Bell-Boeing V-22 Osprey aircraft is also known, which has pivotable rotors at the two ends of the wing.

Insbesondere beim Einsatz von Drohnen zur schwebenden Windmessung hat sich herausgestellt, dass es wünschenswert wäre, die Lage der Drohne schneller und präziser als Reaktion auf schwankende Windstärken und Windrichtungen (Windböen) korrigieren und somit stabilisieren zu können. Auch soll die Flugzeit einer solchen Drohne verlängert werden.In particular, when using drones for hovering wind measurements, it has been found that it would be desirable to be able to correct and thus stabilize the position of the drone faster and more precisely in response to fluctuating wind strengths and wind directions (wind gusts). The flight time of such a drone should also be extended.

Die sich hieraus ergebende Aufgabe wird durch eine Drohne mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des entsprechenden nebengeordneten Anspruchs, und eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung mit den Merkmalen des entsprechenden nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.The object resulting from this is achieved by a drone with the features of claim 1, a method with the features of the corresponding subordinate claim, and an electronic control and regulating device with the features of the corresponding subordinate claim. Advantageous further developments of the invention are given in the dependent claims.

Dadurch, dass die Schubrichtungen der Schuberzeugungseinrichtungen relativ zu der Basisstruktur während des Fluges unabhängig voneinander schwenkbar sind, kann beispielsweise bei plötzlichen Windrichtungs- oder Windstärkeänderungen etwa doppelt so schnell wie bisher ein neues Kräftegleichgewicht erreicht werden. Somit kann eine bestimmte Position über Grund auch bei starkem und böigem Wind sehr gut und stabil gehalten werden. Dabei können unterschiedliche Windrichtungen und Windstärken ausgeglichen werden, ohne dass die Basisstruktur ihre Lage im Raum verändern muss. Hierdurch kann die Basisstruktur immer so ausgerichtet sein, dass der Luftwiderstand minimal ist. Dies verlängert die Flugzeit bei starkem Wind gegenüber einer herkömmlichen Drohne, die für die Steuerung und Regelung ihrer Position ihre Neigung verändern muss. Durch die individuell schwenkbaren Schubrichtungen kann die Drohne auch bei sehr starkem Wind so reagieren, dass die Basisstruktur immer stabil in der Horizontalen bleibt bzw. die Drohne mit ihrer Basisstruktur in derselben Position und Ausrichtung bleibt, was von großem Vorteil insbesondere für Windmessungen ist.Because the thrust directions of the thrust generating devices can be pivoted independently of one another relative to the base structure during flight, a new equilibrium of forces can be achieved, for example in the event of sudden changes in wind direction or wind strength, about twice as quickly as before. This means that a certain position above the ground can be kept very well and stable even in strong and gusty winds. Different wind directions and wind strengths can be compensated for without the basic structure having to change its position in space. As a result, the basic structure can always be aligned in such a way that the air resistance is minimal. This extends the flight time in strong winds compared to a conventional drone, which has to change its inclination to control and regulate its position. Thanks to the individually swiveling thrust directions, the drone can react even in very strong winds so that the base structure always remains stable in the horizontal or the drone with its base structure remains in the same position and orientation, which is a great advantage, especially for wind measurements.

Konkret wird eine Drohne mit einer Basisstruktur und mindestens drei in einer horizontalen Draufsicht an unterschiedlichen Stellen angeordneten Schuberzeugungseinrichtungen vorgeschlagen. Als Drohne wird erfindungsgemäß ein unbemanntes Flugobjekt verstanden, beispielsweise und besonders bevorzugt ein Multicopter, also ein Fluggerät, dessen Schuberzeugungseinrichtungen einen Propeller oder Rotor umfassen. Möglich ist hierbei, dass die Drohne vier Schuberzeugungseinrichtung aufweist, also ein Quatrocopter geschaffen wird. Möglich ist aber beispielsweise auch die Realisierung eines Octocopters, bei dem 4 x 2 Propeller oder Rotoren paarweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.Specifically, a drone with a basic structure and at least three thrust generating devices arranged at different points in a horizontal plan view is proposed. According to the invention, a drone is understood to be an unmanned flying object, for example and particularly preferably a multicopter, that is to say an aircraft whose thrust generating devices comprise a propeller or rotor. It is possible here for the drone to have four thrust generating devices, that is to say a quatrocopter is created. However, it is also possible, for example, to implement an octocopter in which 4 x 2 propellers or rotors are arranged in pairs on a common axis.

Die Basisstruktur der erfindungsgemäßen Drohne kann eine beinahe beliebige Form aufweisen. Bevorzugt ist jedoch eine langgestreckte Basisstruktur, die in einer Längsrichtung somit einen vergleichsweise geringen Querschnitt aufweist, und die dennoch geräumig genug ist, um die notwendigen Energiespeicher und elektronischen Bauteile aufzunehmen. Die Schuberzeugungseinrichtungen sind, wenn man im normalen Betrieb von oben auf die Drohne blickt, an unterschiedlichen Stellen angeordnet. Es wird also an mindestens drei diskreten und horizontal voneinander beabstandeten Stellen Auftrieb erzeugt, indem die Schuberzeugungseinrichtungen einen Schub mit einer Schubrichtung erzeugen, die zumindest auch eine vertikal nach unten gerichtete Schubkomponente aufweist.The basic structure of the drone according to the invention can have almost any shape. However, an elongated basic structure is preferred which thus has a comparatively small cross section in a longitudinal direction, and which is nevertheless spacious enough to accommodate the necessary energy stores and electronic components. If you look at the drone from above during normal operation, the thrust generating devices are arranged in different places. Buoyancy is thus generated at at least three discrete and horizontally spaced locations, in that the thrust generating devices generate a thrust with a thrust direction which also has at least a vertically downward thrust component.

Dabei sind erfindungsgemäß die Schubrichtungen von mindestens zwei der mindestens drei Schuberzeugungseinrichtungen relativ zu der Basisstruktur während des Fluges unabhängig voneinander schwenkbar. Jede Schubrichtung der schwenkbaren Schubrichtungen kann also individuell eingestellt werden. Um die Schwenkbarkeit („Tilt“) während des Fluges realisieren zu können, sind vorzugsweise elektrische Antriebe vorgesehen, die über eine beispielsweise in der Basisstruktur untergebrachte Steuerelektronik angesteuert werden.According to the invention, the thrust directions of at least two of the at least three thrust generating devices can be pivoted independently of one another relative to the base structure during flight. Any thrust direction of the pivotable thrust directions can therefore be set individually. In order to be able to implement the pivotability (“tilt”) during flight, electrical drives are preferably provided, which are controlled via control electronics housed in the basic structure, for example.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens eine Schuberzeugungseinrichtung als Ganzes relativ zu der Basisstruktur um eine Schwenkachse schwenkbar angeordnet ist. Dies ist einfach zu realisieren und besonders effizient, da der gesamte von der Schuberzeugungseinrichtung erzeugte Schubstrahl geschwenkt wird. Alternativ könnten im Schubstrahl angeordnete und ansteuerbare Steuerflächen vorgesehen sein, durch die der Schubstrahl in eine bestimmte Richtung abgelenkt wird.In a further development it is provided that at least one thrust generating device is arranged as a whole so as to be pivotable about a pivot axis relative to the base structure. This is easy to implement and particularly efficient, since the entire thrust jet generated by the thrust generating device is swiveled. Alternatively, controllable control surfaces arranged in the thrust jet could be provided, by means of which the thrust jet is deflected in a certain direction.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Basisstruktur eine Längsachse aufweist, und dass die Schubrichtung um eine im Betrieb wenigstens in etwa horizontale Achse, die wenigstens im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse ist, schwenkbar ist. Die Schubrichtung kann also aus der vertikalen Richtung nach vorne und zurück geschwenkt werden, wodurch die Drohne mittels der schwenkbaren Schubrichtungen vor allem in einer Richtung parallel zu der Längsachse gesteuert werden kann. Insbesondere kann hierdurch die Geschwindigkeit der Drohne in der Längsrichtung und somit deren Position durch das Schwenken der Schubrichtungen beeinflusst werden.In a further development, it is provided that the basic structure has a longitudinal axis and that the thrust direction can be pivoted about an axis which is at least approximately horizontal during operation and which is at least substantially orthogonal to the longitudinal axis. The thrust direction can therefore be pivoted forwards and backwards from the vertical direction, whereby the drone can be steered by means of the pivotable thrust directions primarily in a direction parallel to the longitudinal axis. In particular, the speed of the drone in the longitudinal direction and thus its position can be influenced by pivoting the thrust directions.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass an der Basisstruktur ein sich vorzugsweise in einer Längsrichtung der Basisstruktur erstreckender Ausleger angeordnet ist, an dessen abragendem Ende eine Sensoreinrichtung und/oder oder ein Werkzeug angeordnet ist. Werden als Schuberzeugungseinrichtungen Propeller oder Rotoren verwendet, sollte der Abstand einer Sensoreinrichtung von den Schuberzeugungseinrichtungen mindestens ungefähr das Dreifache des Durchmessers der Propeller bzw. Rotoren betragen, um im Bereich der Sensoreinrichtung von den Schuberzeugungseinrichtungen wenigstens im wesentlichen unbeeinflusste Strömungsverhältnisse vorzufinden. Durch einen solchen Ausleger kann dieser Abstand auf einfache Art und Weise hergestellt werden.In a further development, it is provided that a cantilever is arranged on the base structure, preferably extending in a longitudinal direction of the base structure, on the protruding end of which a sensor device and / or a tool is arranged. If propellers or rotors are used as thrust generating devices, the distance between a sensor device and the thrust generating devices should be at least approximately three times the diameter of the propellers or rotors in order to find at least essentially unaffected flow conditions in the area of the sensor device by the thrust generating devices. This distance can be produced in a simple manner by means of such a boom.

Bei einer konkreten Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung einen Strömungssensor zur Erfassung einer Geschwindigkeit und/oder Richtung der Luftströmung relativ zu dem Strömungssensor umfasst. Die erfindungsgemäße Drohne kann somit zur schwebenden Windmessung eingesetzt werden und hierbei sehr präzise Messergebnisse liefern. Dies hängt insbesondere auch damit zusammen, dass Bewegungen der Sensoreinrichtung durch ein Kippen („Pitch“) und/oder ein Gieren („Yaw“), wie es bisher zur Steuerung einer Drohne notwendig war, und hierdurch induzierte Luftströmungen an der Sensoreinrichtung vermieden werden. Stattdessen kann die erfindungsgemäße Drohne ihre Lage im Raum ohne wesentliche Änderungen auch bei böigen Windverhältnissen beibehalten.In a specific development of this, it is provided that the sensor device comprises a flow sensor for detecting a speed and / or direction of the air flow relative to the flow sensor. The drone according to the invention can thus be used for hovering wind measurements and thereby deliver very precise measurement results. This is particularly related to the fact that movements of the sensor device caused by tilting (“pitch”) and / or yawing (“yaw”), as was previously necessary to control a drone, and air currents induced by this at the sensor device are avoided. Instead, the drone according to the invention can maintain its position in space without significant changes even in gusty wind conditions.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Schubstärke mindestens einer Schuberzeugungseinrichtung unabhängig von der Schubstärke einer anderen Schuberzeugungseinrichtung während des Fluges gesteuert bzw. geregelt veränderbar ist. Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit bereitgestellt, die Drohne zu steuern, wobei diese Möglichkeit der bisher üblichen klassischen Steuerung von Drohnen entspricht.In a further development, it is provided that a thrust strength of at least one thrust generating device can be changed in a controlled or regulated manner during the flight, independently of the thrust strength of another thrust generating device. This provides a further option for controlling the drone, this option corresponding to the conventional conventional control of drones.

Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Drohne der oben beschriebenen Art. Dabei beschäftigt sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem mit der Steuerung und Regelung wichtiger Flugparameter der Drohne, beispielsweise der Geschwindigkeit, der Position, der Lage der Basisstruktur im Raum und/oder der Winkelgeschwindigkeit der Basisstruktur. Bisherige Verfahren umfassten hintereinander geschaltete Regler, nämlich beispielsweise zunächst einen Positionsregler, dann einen Geschwindigkeitsregler, dann einen Lageregler und schließlich einen Drehratenregler. Aus diesem wurden dann die benötigten Steuermomente um den Schwerpunkt der Drohne berechnet, damit sich die gewünschte Drehrate einstellt. Diese Steuermomente wurden dann über einen Mischer durch unterschiedliche Schubstärken der Schuberzeugungseinrichtungen realisiert.The invention also includes a method for operating a drone of the type described above. The method according to the invention is primarily concerned with the control and regulation of important flight parameters of the drone, for example the speed, the position, the location of the basic structure in space and / or the angular velocity of the base structure. Previous methods included controllers connected in series, namely, for example, first a position controller, then a speed controller, then a position controller and finally a yaw rate controller. From this, the required control torques around the drone's center of gravity were calculated so that the desired rate of rotation is set. These control torques were then implemented by means of a mixer using different thrust strengths of the thrust generating devices.

Aufgrund der Schwenkbarkeit der Schubrichtungen bei der erfindungsgemäßen Drohne steht nun jedoch ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Flugsteuerung der Drohne zur Verfügung. Dieser wird genutzt, um erfindungsgemäß eine Position und/oder eine Geschwindigkeit der Drohne wenigstens im Wesentlichen nur über die Schubrichtungen zu regeln. Für die Regelung der Position bzw. der Geschwindigkeit der Drohne ist somit ein Kippen der Drohne durch eine Änderung der Schubstärken einzelner Schuberzeugungseinrichtungen nicht mehr erforderlich, sondern dies kann unmittelbar durch das Schwenken der Schubrichtungen erfolgen. Wegen der geringeren Massenträgheit ist dies viel schneller möglich, so dass eine quasi sofortige Umsetzung eines entsprechenden Steuerwunsches möglich ist.Due to the pivotability of the thrust directions in the drone according to the invention, however, an additional degree of freedom is now available for the flight control of the drone. This is used to regulate, according to the invention, a position and / or a speed of the drone at least essentially only via the thrust directions. To regulate the position or the speed of the drone, tilting the drone by changing the thrust strengths of individual thrust generating devices is no longer necessary, but this can be done directly by pivoting the thrust directions. Because of the lower mass inertia, this can be done much faster, so that a corresponding tax request can be implemented almost immediately.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Regelung einer Lage der Basisstruktur im Raum und/oder einer Winkelgeschwindigkeit der Basisstruktur wenigstens im Wesentlichen über die Schubstärken erfolgt. Somit werden im Grunde zwei parallele und im Wesentlichen unabhängig voneinander arbeitende Regelstrecken geschaffen. Die Regelung der Position bzw. Geschwindigkeit der Drohne erfolgt dabei vorwiegend über die Schubrichtungen. Die Regelung der Lage der Basisstruktur im Raum bzw. einer Winkelgeschwindigkeit der Basisstruktur erfolgt dagegen vorwiegend über die Schubstärken. Letztlich wird auf diese Weise möglich, die Lage der Basisstruktur im Raum wenigstens im Wesentlichen stationär, beispielsweise wenigstens im Wesentlichen horizontal zu halten, und gleichzeitig dennoch die Drohne im Fluge an einer bestimmten Stelle zu positionieren bzw. mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu bewegen. Wird die Drohne beispielsweise durch eine Windböe hinter die gewünschte Position versetzt, kommandiert der Positionsregler eine höhere Geschwindigkeit, was direkt durch ein Schwenken der Schubrichtungen umgesetzt werden kann. Möglich ist auch, beispielsweise für Start und Landung eine bestimmte Längsneigung der Basisstruktur gegenüber der Horizontalen vorzugeben, ohne dass hierdurch eine Geschwindigkeitskomponente der Drohne erzeugt wird.In a further development, it is provided that a position of the base structure in space and / or an angular velocity of the base structure is regulated at least essentially via the thrust strengths. This basically creates two parallel and essentially independent controlled systems. The regulation the position or speed of the drone is mainly determined by the thrust directions. The regulation of the position of the basic structure in space or an angular velocity of the basic structure, on the other hand, takes place primarily via the thrust forces. Ultimately, this makes it possible to keep the position of the basic structure in space at least essentially stationary, for example at least essentially horizontal, and at the same time to position the drone in flight at a certain point or to move it at a desired speed. If the drone is moved behind the desired position by a gust of wind, for example, the position controller commands a higher speed, which can be implemented directly by swiveling the thrust directions. It is also possible, for example, to specify a specific longitudinal inclination of the basic structure relative to the horizontal for takeoff and landing, without a speed component of the drone being generated as a result.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schubrichtungen auf der Basis des Signals eines Strömungssensors vorgesteuert werden, der eine Geschwindigkeit und/oder Richtung der Luftströmung relativ zu dem Strömungssensor erfasst. Durch eine solche Vorsteuerung kann eine weitere Verbesserung beim Ausgleichen von Windböen erreicht werden. Windböen können noch schneller ausgeglichen werden, da nicht gewartet werden muss, bis die Auswirkung einer Windböe als Bewegung der Drohne von einer gewünschten Soll-Position weg durch entsprechende Sensoren gemessen wird. Vielmehr wird die Windböe als solche durch das Signal des Strömungssensors erkannt, wodurch unmittelbar ein Ausgleich durch ein Schwenken der Schubrichtungen kommandiert werden kann.In a further development, it is provided that the thrust directions are pre-controlled on the basis of the signal from a flow sensor which detects a speed and / or direction of the air flow relative to the flow sensor. Such a pre-control can achieve a further improvement in the compensation of gusts of wind. Wind gusts can be compensated even more quickly, as there is no need to wait until the effect of a wind gust as movement of the drone away from a desired target position is measured by appropriate sensors. Rather, the gust of wind is recognized as such by the signal from the flow sensor, so that compensation can be commanded directly by pivoting the thrust directions.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Regelung eines Gierens durch ein differenzielles, vorzugsweise gegensinniges Schwenken von Schubrichtungen erfolgt. Hierdurch kann auf ein großes Leitwerk, welches verbunden ist mit einem erhöhten Luftwiderstand, beispielsweise am Heck der Drohne verzichtet werden. Stattdessen kann beispielsweise eine Schubrichtung einer Schuberzeugungseinrichtung auf der einen Seite der Drohne gegensinnig zu einer Schubrichtung einer Schuberzeugungseinrichtung auf der anderen Seite der Drohne geschwenkt werden, wodurch ein Giermoment, also ein Moment um die Hochachse der Drohne, erzeugt wird. Dies hat besonders dann Vorteile, wenn die Drohne den oben erwähnten Ausleger umfasst. Bei Seitenwindböen wird eine Kraftkomponente an diesem Ausleger erzeugt, die versucht, die Drohne um die Hochachse zu verschwenken. Dies kann sofort durch das beschriebene differenzielle Schwenken der Schubrichtungen kompensiert werden.In a further development, it is provided that yawing is regulated by a differential, preferably opposing, pivoting of thrust directions. This means that there is no need for a large tail unit, which is associated with increased air resistance, for example at the rear of the drone. Instead, for example, a thrust direction of a thrust generating device on one side of the drone can be pivoted in the opposite direction to a thrust direction of a thrust generating device on the other side of the drone, whereby a yaw moment, i.e. a moment about the vertical axis of the drone, is generated. This is particularly advantageous if the drone includes the boom mentioned above. With gusts of wind, a force component is generated on this boom, which tries to pivot the drone around the vertical axis. This can be compensated immediately by the differential pivoting of the thrust directions described.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Regelung einer Position und/oder einer Geschwindigkeit der Drohne durch ein gleichsinniges Schwenken von Schubrichtungen erfolgt. Dies ist besonders effizient, da auch bei einem vergleichsweise kleinen Schwenkwinkel eine vergleichsweise große Gesamt-Schubkomponente in horizontaler Richtung bereitgestellt wird.In a further development, provision is made for a position and / or a speed of the drone to be regulated by pivoting thrust directions in the same direction. This is particularly efficient, since a comparatively large total thrust component is provided in the horizontal direction even with a comparatively small swivel angle.

Weiterhin gehört zu der Erfindung eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung des Betriebs einer Drohne. Es wird vorgeschlagen, dass diese Steuer- und Regeleinrichtung einen Speicher und einen Mikroprozessor aufweist und zur Ausführung eines Verfahrens der obigen Art programmiert ist. Dabei kann die Steuer- und Regeleinrichtung in die Drohne integriert sein, so dass diese autonom betrieben werden kann. Sie kann aber auch entfernt von der Drohne angeordnet sein und mit den in der Drohne vorhandenen Einrichtungen drahtlos kommunizieren. Schließlich ist es auch möglich, dass Teile der Steuer- und Regeleinrichtung in der Drohne und andere Teile entfernt von der Drohne angeordnet sind.The invention also includes an electronic control and regulating device for controlling and regulating the operation of a drone. It is proposed that this control and regulating device has a memory and a microprocessor and is programmed to carry out a method of the above type. The control and regulation device can be integrated into the drone so that it can be operated autonomously. However, it can also be arranged remotely from the drone and communicate wirelessly with the devices present in the drone. Finally, it is also possible that parts of the control and regulating device are arranged in the drone and other parts are arranged remotely from the drone.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische schematische Darstellung einer als Octocopter ausgebildeten Drohne in einer horizontalen Betriebslage während eines Flugs;
2 eine Darstellung ähnlich zu 1, wobei die Drohne in einer für Start und Landung angestellten Betriebslage gezeichnet ist;
3 eine schematische Darstellung der Drohne der 1 und 2 von vorne in einer ersten Betriebssituation;
4 eine schematische Darstellung der Drohne der 1 und 2 von vorne in einer zweiten Betriebssituation;
5 eine Prinzipdarstellung eines Verfahrens zum Steuern und Regeln der Drohne der 1 und 2; und
6 ein Blockschaltbild der Steuerung und Regelung der Drohne der 1 und 2.

An embodiment of the invention is explained below with reference to the accompanying drawing. In the drawing show:

1 a perspective schematic representation of a drone designed as an octocopter in a horizontal operating position during a flight;
2 a representation similar to 1 , the drone being drawn in an operating position employed for take-off and landing;
3 a schematic representation of the drone's 1 and 2 from the front in a first operating situation;
4th a schematic representation of the drone's 1 and 2 from the front in a second operating situation;
5 a schematic diagram of a method for controlling and regulating the drone of the 1 and 2 ; and
6th a block diagram of the control and regulation of the drone 1 and 2 .

Ein Fluggerät in Form einer Drohne trägt in den Figuren insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst eine Basisstruktur 12 und vorliegend beispielhaft vier Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d. Die Basisstruktur 12 hat eine langgestreckte flache Form, wodurch eine strichpunktiert gezeichnete Längsachse 16 definiert wird. Die Basisstruktur 12 kann insoweit auch als „Rumpf“ bezeichnet werden. Seitlich von der Basisstruktur 12 sind vier Ausleger 18a-d an ihr angebracht. Die Ausleger 18a-d erstrecken sich orthogonal zu der Längsachse 16 und zu einer Hochachse 20. In der in 1 gezeigten Betriebslage erstrecken sich die Ausleger 18a-d längs zu einer horizontalen Achse 22a-d.An aircraft in the form of a drone bears the overall reference number in the figures 10 . It comprises a basic structure 12th and in the present example four thrust generating devices 14a-d . The basic structure 12th has an elongated flat shape, creating a long axis drawn in dash-dotted lines 16 is defined. The basic structure 12th can in this respect also be referred to as a "fuselage". To the side of the base structure 12th are four outriggers 18a-d attached to her. The boom 18a-d extend orthogonally to the longitudinal axis 16 and to a vertical axis 20th . In the in 1 the operating position shown extend the booms 18a-d along a horizontal axis 22a-d .

Am Ende eines jeden Auslegers 18a-d ist eine der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d angeordnet. Die Schuberzeugungseinrichtung 14a ist, in Richtung der Längsachse 16 (Pfeilrichtung bzw. Flugrichtung) gesehen, links vorne, die Schuberzeugungseinrichtung 14b links hinten, die Schuberzeugungseinrichtung 14c rechts hinten, und die Schuberzeugungseinrichtung 14b rechts vorne angeordnet. Die horizontalen Achsen 22a und 22b der Ausleger 18a und 18d der vorderen Schuberzeugungseinrichtungen 14a und 14d sind koaxial, und die horizontalen Achsen 22b und 22c der Ausleger 18b und 18c der hinteren Schuberzeugungseinrichtungen 14b und 14c sind ebenfalls koaxial. Auf diese Weise sind die Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d in einer Draufsicht, also einer Sicht längs der Hochachse 20, an unterschiedlichen Stellen angeordnet. Die vorliegende Anordnung der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d wird auch als „H-Anordnung“ bezeichnet.At the end of every boom 18a-d is one of the thrust generating devices 14a-d arranged. The thrust generating device 14a is, in the direction of the longitudinal axis 16 (Direction of arrow or direction of flight) seen, front left, the thrust generating device 14b left behind, the thrust generating device 14c right behind, and the thrust generating device 14b arranged on the right front. The horizontal axes 22a and 22b the boom 18a and 18d the front thrust generating devices 14a and 14d are coaxial, and the horizontal axes 22b and 22c the boom 18b and 18c the rear thrust generators 14b and 14c are also coaxial. This is how the thrust generators are 14a-d in a plan view, i.e. a view along the vertical axis 20th , arranged in different places. The present arrangement of the thrust generating devices 14a-d is also referred to as an "H arrangement".

Die Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d sind identisch aufgebaut. Der Einfachheit halber wird daher nachfolgend nur die linke vordere Schuberzeugungseinrichtung 14a stärker im Detail erläutert. Die Schuberzeugungseinrichtung 14a umfasst zwei Elektromotoren 24a und 24b. Der Elektromotor 24a ist oben angeordnet mit einer in der dargestellten Betriebslage senkrecht nach oben weisenden Antriebswelle (ohne Bezugszeichen), die einen Propeller 26a trägt. Der Elektromotor 24b ist unten angeordnet mit einer in der dargestellten Betriebslage senkrecht nach unten weisenden Antriebswelle (ohne Bezugszeichen), die einen Propeller 26b trägt. Der Einfachheit halber werden die Elektromotoren nachfolgend insgesamt mit 24 und die Propeller nachfolgend insgesamt mit 26 bezeichnet werden. Die Antriebswellen der Elektromotoren 24a und 24b sind koaxial. Bei der vorliegenden Drohne 10 handelt es sich also im Hinblick auf die Anordnung der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d um einen Quatrocopter, im Hinblick auf die Anzahl der Propeller jedoch um einen Octocopter. Dies ist jedoch nur beispielhaft. Grundsätzlich könnte die Drohne 10 auch eine fast beliebige andere Anzahl und Anordnung von Schuberzeugungseinrichtungen aufweisen, solange die Anzahl mindestens drei beträgt und die Schuberzeugungseinrichtungen von oben gesehen an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind.The thrust generating devices 14a-d are constructed identically. For the sake of simplicity, therefore, only the left front thrust generating device is shown below 14a explained in more detail. The thrust generating device 14a includes two electric motors 24a and 24b . The electric motor 24a is arranged at the top with a drive shaft pointing vertically upwards in the operating position shown (without reference numerals), which has a propeller 26a wearing. The electric motor 24b is arranged at the bottom with a drive shaft pointing vertically downwards in the operating position shown (without reference numerals), which has a propeller 26b wearing. For the sake of simplicity, the electric motors will hereinafter be referred to as a whole with 24 and the propellers as a whole with 26 below. The drive shafts of the electric motors 24a and 24b are coaxial. With the present drone 10 So it is with regard to the arrangement of the thrust generating devices 14a-d a quatrocopter, but an octocopter in terms of the number of propellers. However, this is only an example. Basically, the drone could 10 also have almost any other number and arrangement of thrust generating devices, as long as the number is at least three and the thrust generating devices are arranged at different locations when viewed from above.

Im Betrieb erzeugt jede der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d einen Schub mit einer Schubrichtung, die in den Figuren durch Pfeile mit den Bezugszeichen 28a-d bezeichnet ist. Durch Doppelpfeile 30a-d ist angedeutet, dass die Ausleger 18a-d mit den an diesen befestigten Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d als Ganzes relativ zu der Basisstruktur 12 um die jeweilige horizontale Achse 22a-d schwenkbar sind. Hierzu verfügt jeder Ausleger 18a-d über einen eigenen Schwenkantrieb, beispielsweise einen Elektromotor. Diese sind getrennt und unabhängig voneinander auch während des Flugs ansteuerbar. Auf diese Weise kann die Schubrichtung 28a-d jeder Schuberzeugungseinrichtung 14a-d auch während des Flugs individuell eingestellt werden. Die Einstellung kann dabei stufenweise erfolgen, bevorzugt ist jedoch eine stufenlose Einstellbarkeit. Alternativ zu einer Schwenkbarkeit der Ausleger 18a-d könnten die Ausleger 18a-d auch starr sein, und stattdessen könnten die Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d schwenkbar an den Auslegern 18a-d befestigt sein.In operation, each of the thrust generating devices generates 14a-d a thrust with a thrust direction indicated in the figures by arrows with the reference numerals 28a-d is designated. By double arrows 30a-d it is indicated that the boom 18a-d with the thrust generating devices attached to them 14a-d as a whole relative to the basic structure 12th around the respective horizontal axis 22a-d are pivotable. Every boom has this 18a-d via its own swivel drive, for example an electric motor. These can be controlled separately and independently of one another, even during the flight. This way the direction of thrust can be changed 28a-d any thrust generating device 14a-d can also be set individually during the flight. The setting can be made in stages, but infinitely variable adjustability is preferred. As an alternative to swiveling the boom 18a-d could the boom 18a-d also be rigid, and instead the thrust generators could 14a-d pivotable on the outriggers 18a-d be attached.

Wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich ist, verjüngt sich die Basisstruktur 12 in ihrem vorderen Bereich aerodynamisch, also so, dass der Luftwiderstand bei einem Flug in Flugrichtung (Pfeilrichtung der Längsachse 16) minimiert wird. In Verlängerung zu der Basisstruktur 12 ist an dieser ein sich parallel zur Längsachse 16 nach vorne erstreckender stabartiger Ausleger 32 angeordnet, dessen Länge fast der Länge der Basisstruktur 12 entspricht und dessen abragendes Ende um etwas mehr als das Dreifache des Durchmessers der Propeller 26a und 26b von den in Flugrichtung 16 gesehen vorderen Schuberzeugungseinrichtungen 14a und 14d entfernt ist.As in particular from the 1 and 2 As can be seen, the basic structure tapers 12th aerodynamic in their front area, i.e. in such a way that the air resistance during a flight in the direction of flight (arrow direction of the longitudinal axis 16 ) is minimized. As an extension of the basic structure 12th is on this one parallel to the longitudinal axis 16 forward extending rod-like boom 32 arranged, the length of which is almost the length of the basic structure 12th and its protruding end by a little more than three times the diameter of the propeller 26a and 26b of those in the direction of flight 16 seen forward thrust generators 14a and 14d away.

An dem abragenden Ende ist eine Sensoreinrichtung in Form eines Strömungssensors 34 angeordnet. Mit diesem kann insbesondere eine Geschwindigkeit einer Luftströmung relativ zu dem Strömungssensor 34 erfasst werden. Die Luftströmung ist in 1 durch einen Pfeil 36 angedeutet. Durch die Verwendung des Auslegers 32 beeinflusst die Strömung der Propeller 26 die Messung durch den Strömungssensor 34 nicht. Mittels eines solchen Strömungssensors 34 kann die Drohne 10 als fliegende Windmessstation genutzt werden, wie weiter unten noch erläutert werden. Alternativ könnte der Strömungssensor 34 zusätzlich auch die Richtung der Luftströmung 36 relativ zu dem Strömungssensor 34 erfassen. Ferner könnte alternativ an dem abragenden Ende des Auslegers 32 auch ein Werkzeug, beispielsweise ein Manipulator, o. ä., angeordnet sein.At the protruding end is a sensor device in the form of a flow sensor 34 arranged. With this, in particular, a speed of an air flow relative to the flow sensor 34 are recorded. The air flow is in 1 by an arrow 36 indicated. By using the boom 32 affects the flow of the propellers 26th the measurement by the flow sensor 34 Not. By means of such a flow sensor 34 can the drone 10 can be used as a flying wind measuring station, as will be explained below. Alternatively, the flow sensor could 34 also the direction of the air flow 36 relative to the flow sensor 34 capture. Furthermore, it could alternatively be at the protruding end of the boom 32 a tool, for example a manipulator, or the like can also be arranged.

Die 1 zeigt die Drohne 10 in ihrer normalen Betriebslage, in der die Basisstruktur 12 und der Ausleger 32 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind. Die Längsachse 16 und die Achsen 22a-d sind also im Wesentlichen horizontal, und die Hochachse 20 ist im Wesentlichen vertikal. Bei Windstille wären die Schubrichtungen 28a-d ebenfalls im Wesentlichen vertikal. Soll die Drohne 10 beispielsweise eine stationäre Position beibehalten und weht ein Wind entgegen der Flugrichtung 16 entsprechend dem Pfeil 36, würden die Schubrichtungen 28a-d durch ein Schwenken der Ausleger 18a-d leicht gekippt werden, sodass die Schubrichtungen 28a-d eine nach hinten weisende Komponente aufweisen, durch die die Drohne 10 eine Geschwindigkeit in Flugrichtung 16 erhält, die der Geschwindigkeit der Luftströmung 36 entspricht.The 1 shows the drone 10 in their normal operating position, in which the basic structure 12th and the boom 32 are oriented essentially horizontally. The longitudinal axis 16 and the axes 22a-d are therefore essentially horizontal, and the vertical axis 20th is essentially vertical. If there was no wind, the thrust directions would be 28a-d also essentially vertical. Should the drone 10 for example, maintain a stationary position and blow in Wind against the direction of flight 16 according to the arrow 36 , the thrust directions would 28a-d by pivoting the boom 18a-d be tilted slightly so that the thrust directions 28a-d have a rearward facing component through which the drone 10 a speed in the direction of flight 16 that receives the speed of the air flow 36 corresponds to.

Dies ist schematisch und beispielhaft in den 3 und 4 gezeigt, wobei in 3 eine geringere Geschwindigkeit der Luftströmung 36 und in 4 eine größere Geschwindigkeit der Luftströmung 36 angenommen wird. Mit W ist in den 3 und 4 die in einem Schwerpunkt 44 angreifende Gewichtskraft bezeichnet, und mit Ttot ein am Schwerpunkt 44 angreifender Gesamt-Auftrieb aufgrund des Schubs der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d. T_fore bezeichnet den durch die beiden in Flugrichtung 16 gesehen vorderen Schuberzeugungseinrichtungen 14a und 14d erzeugten Auftrieb, und T_aft bezeichnet den durch die beiden in Flugrichtung 16 gesehen hinteren Schuberzeugungseinrichtungen 14b-c erzeugten Auftrieb. Man erkennt, dass dann, wenn die Drohne 10 eine stationäre Position einnehmen soll, zum Ausgleich einer stärkeren Luftströmung 36 entsprechend 4 die Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d stärker relativ zur Basisstruktur 12 geschwenkt werden müssen als zum Ausgleich einer geringeren Luftströmung 36 entsprechend 3. Dabei erkennt man auch aus beiden 3 und 4, dass hierfür ein Kippen der Basisstruktur 12 bzw. der Drohne 10 insgesamt nicht notwendig ist. Der in Flugrichtung 16 der Luftströmung 36 ausgesetzte Querschnitt und der hierdurch verursachte Luftwiderstand D sind entsprechend vergleichsweise klein.This is shown schematically and by way of example in 3 and 4th shown, where in 3 a lower speed of the air flow 36 and in 4th a greater speed of air flow 36 Is accepted. With W is in the 3 and 4th those in a focus 44 applied weight, and with Ttot a at the center of gravity 44 attacking total buoyancy due to the thrust of the thrust generating devices 14a-d . T _fore denotes the one through the two in the direction of flight 16 seen forward thrust generators 14a and 14d generated lift, and T _aft denotes that by the two in the direction of flight 16 seen rear thrust generators 14b-c generated buoyancy. You can tell that when the drone 10 to take a stationary position to compensate for a stronger air flow 36 corresponding 4th the thrust generating devices 14a-d stronger relative to the basic structure 12th have to be swiveled than to compensate for a lower air flow 36 corresponding 3 . You can also see from both 3 and 4th that this is a tilting of the basic structure 12th or the drone 10 overall is not necessary. The one in the direction of flight 16 the air flow 36 The exposed cross-section and the resulting air resistance D are correspondingly comparatively small.

2 zeigt die Drohne 10 bei Start und Landung. Um den empfindlichen Strömungssensor 34 vor Beschädigungen zu schützen, kann die Drohne 10 während Start und Landung angestellt werden. Dies bedeutet, dass die Längsachse 16 gegenüber einer Horizontalen 38 einen Winkel θ aufweist, der deutlich größer als Null ist, beispielsweise 20°-30° betragen kann. Um dies zu erreichen, ohne dass die Drohne 10 eine Geschwindigkeitskomponente in horizontaler Richtung relativ zum Boden aufweist, werden die Schubrichtungen 28a-d relativ zur Basisstruktur 12 ebenfalls um den Winkel θ verschwenkt, und werden die Schubstärken der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d durch eine entsprechende Veränderung der Drehzahlen der Propeller 26 entsprechend angepasst. Zur Stabilisierung bei Start und Landung unmittelbar vor dem Abheben bzw. unmittelbar vor dem Aufsetzen in der in 2 gezeigten Angestelltenstellung verfügt die Drohne 10 an ihrem in Flugrichtung 16 gesehen hinteren Ende über zwei bügelartige Kufen 40 und im Bereich ihres in Flugrichtung 16 gesehen vorderen Endes über eine ausfahrbare bzw. ausklappbare Stütze 42. 2 shows the drone 10 at take-off and landing. To the sensitive flow sensor 34 The drone can protect against damage 10 are employed during take-off and landing. This means that the longitudinal axis 16 opposite a horizontal 38 has an angle θ which is significantly greater than zero, for example 20 ° -30 °. To do this without the drone 10 has a component of speed in the horizontal direction relative to the ground, the thrust directions become 28a-d relative to the basic structure 12th also pivoted by the angle θ, and the thrust strengths of the thrust generating means 14a-d by changing the speed of the propellers accordingly 26th adjusted accordingly. For stabilization during take-off and landing immediately before take-off or immediately before touchdown in the in 2 The drone has shown employee position 10 at her in the direction of flight 16 seen at the rear end over two bow-like runners 40 and in the area of your in the direction of flight 16 seen from the front end via an extendable or fold-out support 42 .

Wie aus den 5 und 6 ersichtlich ist, gehört zu der Drohne 10 auch eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 46. Diese dient zur Steuerung und Regelung des Betriebs der Drohne 10. Sie umfasst unter anderem einen nicht dargestellten Speicher und einen ebenfalls nicht dargestellten Mikroprozessor, und sie ist zur Ausführung eines Verfahrens programmiert, welches nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 erläutert wird. In diesen beiden Figuren sind gewisse Grundprinzipien der Steuerung und Regelung der Drohne 10 in deren Betrieb schematisch dargestellt.As from the 5 and 6th can be seen belongs to the drone 10 also an electronic control and regulation device 46 . This is used to control and regulate the operation of the drone 10 . It includes, inter alia, a memory (not shown) and a microprocessor (also not shown), and it is programmed to carry out a method which will now be described with reference to FIG 5 and 6th is explained. In these two figures are certain basic principles of control and regulation of the drone 10 shown schematically in their operation.

Grundsätzlich stehen für die Steuerung und Regelung des Betriebs der Drohne 10 im Wesentlichen zwei Freiheitsgrade zur Verfügung: zum einen kann die Schubstärke der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d während des Fluges individuell eingestellt bzw. gesteuert verändert werden. Dies geschieht vorliegend beispielhaft durch eine Veränderung der Drehzahl der Propeller 26. Zum anderen kann, wie oben bereits erwähnt worden ist, die Schubrichtung entsprechend der Pfeile 28a-d durch ein Schwenken der Ausleger 18a-d relativ zur Basisstruktur 12 um die Achsen 22a-d ebenfalls während des Fluges individuell eingestellt bzw. gesteuert verändert werden. Diese beiden Freiheitsgrade werden in zwei getrennt voneinander arbeitenden Regelstrecken genutzt. Wie aus 5 ersichtlich ist, gibt es eine erste Regelstrecke 48 und eine zweite Regelstrecke 50, die voneinander entkoppelt sind. Die erste Regelstrecke 48 dient zur Steuerung bzw. Regelung der Lage der Drohne 10 bzw. der Basisstruktur 12 im Raum, insbesondere des Winkels θ der Längsachse 16 relativ zur Horizontalen 38. Die zweite Regelstrecke 50 dient dagegen zur Steuerung bzw. Regelung der Position der Drohne 10.Basically stand for the control and regulation of the operation of the drone 10 Essentially two degrees of freedom are available: on the one hand, the thrust strength of the thrust generating devices 14a-d can be individually set or changed in a controlled manner during the flight. In the present case, this is done, for example, by changing the speed of the propellers 26th . On the other hand, as has already been mentioned above, the direction of thrust can correspond to the arrows 28a-d by pivoting the boom 18a-d relative to the basic structure 12th around the axes 22a-d can also be individually set or changed in a controlled manner during the flight. These two degrees of freedom are used in two separate controlled systems. How out 5 can be seen, there is a first controlled system 48 and a second controlled system 50 that are decoupled from each other. The first controlled system 48 is used to control or regulate the position of the drone 10 or the basic structure 12th in space, in particular the angle θ of the longitudinal axis 16 relative to the horizontal 38 . The second controlled system 50 on the other hand, it is used to control or regulate the position of the drone 10 .

Die erste Regelstrecke 48 erhält zunächst als Eingabewert einen Soll-Anstellwinkel θ_set, der beispielsweise von einer Bedienperson oder einem Autopiloten vorgegeben wird. Der Soll-Anstellwinkel θ_set kann beispielsweise für Start und Landung größer Null sein, beispielsweise im Bereich von 20°-30° liegen, und für den normalen Flugbetrieb gleich Null sein. Er wird in 52 mit einem gemessenen aktuellen Anstellwinkel θ verglichen. Die Differenz wird in einen Lageregler 54 eingespeist, der an seinem Ausgang eine Soll-Drehrate q_set ausgibt, die erzeugt werden soll, um die Drohne 10 bzw. deren Längsachse 16 in die gewünschte Soll-Lage (Soll-Anstellwinkel θ_set) zu bringen. Die Soll-Drehrate q_set wird in 56 mit einer gemessenen aktuellen Drehrate q verglichen. Die Differenz wird in einen Drehratenregler 58 eingespeist, der an seinem Ausgang ein benötigtes Steuermoment M um den Schwerpunkt 44 der Drohne 10 ausgibt, welches erforderlich ist, damit sich die gewünschte Soll-Drehrate q_set einstellt. Das benötigte Steuermoment M wird dann über einen Mischer 60 in individuelle Ansteuersignale (Block 62) für die Elektromotoren 24 der Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d umgewandelt, durch die individuelle Schubstärken für die Schuberzeugungseinrichtungen 14a-d realisiert werden.The first controlled system 48 initially receives a target angle of attack θ _set as an input value, which is specified, for example, by an operator or an autopilot. The target angle of attack θ _set can, for example, be greater than zero for take-off and landing, for example in the range of 20 ° -30 °, and be equal to zero for normal flight operations. It is compared in 52 with a measured current angle of attack θ. The difference is used in a position controller 54 fed, which outputs a target rate of rotation q _set at its output, which is to be generated to the drone 10 or their longitudinal axis 16 in the desired target position (target angle of attack θ _set ). The target rate of rotation q _set is compared in 56 with a measured current rate of rotation q. The difference is recorded in a yaw rate controller 58 fed, the at its output a required control torque M around the center of gravity 44 the drone 10 outputs what is required to achieve the desired _{Set the} target rate of rotation q set. The required control torque M is then via a mixer 60 into individual control signals (block 62 ) for the electric motors 24 of the thrust generating devices 14a-d converted by the individual thrust strengths for the thrust generating devices 14a-d will be realized.

Die zweite Regelstrecke 50 erhält zunächst als Eingabewert eine gewünschte Soll-Position x_set, der beispielsweise von einer Bedienperson oder einem Autopiloten vorgegeben wird. Diese Soll-Position x_set wird in 64 mit einer erfassten aktuellen Position x verglichen. Die Differenz wird in einen Positionsregler 66 eingespeist, der an seinem Ausgang eine Soll-Geschwindigkeit v_set ausgibt, mit der die Drohne 10 in Flugrichtung 16 bewegt werden soll, um sie an die gewünschte Soll-Position x_set zu bringen. Die Soll-Geschwindigkeit v_set wird in 68 mit einer gemessenen aktuellen Geschwindigkeit v verglichen. Die Differenz wird in einen Geschwindigkeitsregler 70 eingespeist, der an seinem Ausgang einen entsprechenden Schwenkwinkel Q für die Ausleger 18a-d ausgibt, der in 71 in entsprechende Ansteuersignale umgewandelt wird.The second controlled system 50 initially receives a desired target position x _set as input value, which is specified, for example, by an operator or an autopilot. This nominal position x _set is compared in 64 with a detected current position x. The difference is shown in a position controller 66 fed, which outputs a target speed v _set at its output, with which the drone 10 in the direction of flight 16 is to be moved in order to bring it to the desired target position x _set . The setpoint speed v _set is compared in 68 with a measured current speed v. The difference is shown in a speed controller 70 fed, which has a corresponding pivot angle Q for the boom at its output 18a-d which is converted in 71 into corresponding control signals.

Der aktuelle Anstellwinkel θ wird beispielsweise mittels eines Lagesensors bereitgestellt, der Teil einer inertialen Messeinheit 72 (inertial measurement unit oder IMU) sein kann. Eine solche kombiniert üblicherweise mehrere Inertialsensoren wie Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren. Die IMU wird vorzugsweise mit einem erweiterten Kalman-Filter kombiniert. Auch die Drehrate q wird von der IMU 72 bereitgestellt. Die aktuelle Position x wird vorzugsweise mittels Satellitennavigation 74 bereitgestellt, beispielsweise GPS, GLONASS, GALILEO, etc. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann beispielsweise ein Differenzial-GPS, SBAS und/oder WAAS verwendet werden. Auch die aktuelle Geschwindigkeit v mittels Satellitennavigation 74 bereitgestellt.The current angle of attack θ is provided, for example, by means of a position sensor, which is part of an inertial measuring unit 72 (inertial measurement unit or IMU). Such a device usually combines several inertial sensors such as acceleration sensors and rotation rate sensors. The IMU is preferably combined with an extended Kalman filter. The rate of rotation q is also determined by the IMU 72 provided. The current position x is preferably determined by means of satellite navigation 74 provided, for example GPS, GLONASS, GALILEO, etc. To increase the accuracy, a differential GPS, SBAS and / or WAAS, for example, can be used. Also the current speed v using satellite navigation 74 provided.

6 stellt die soeben dargestellten Zusammenhänge nochmals in einer etwas anderen Form dar. Aus dieser geht darüber hinaus hervor, dass zur Steuerung und Regelung der Drohne 10 auch eine Vorsteuerung 76 eingesetzt wird. Hierzu wird das Signal des Strömungssensors 34 verwendet, aus dem in der Vorsteuerung 76 Ansteuersignale für die Schubstärke (Block 62, Elektromotoren 24) und Ansteuersignale für die Schubrichtung 28a-d (Block 71, Ausleger 18a-d) ermittelt werden, beispielsweise mittels einer linearen, vorzugsweise einer überproportionalen, insbesondere einer quadratischen Beziehung. Der Autopilot der Drohne 10 kennt vorzugsweise jederzeit die genaue Strömungsrichtung, und daher kann er die Drohne 10 stets in Windrichtung drehen. Auf diese Weise lässt sich die beschriebene Vorsteuerung 76 realisieren. Durch diese Vorsteuerung 76 können Windböen noch schneller ausgeglichen werden, da nicht gewartet werden muss, bis die Auswirkung der Windböe (Bewegung der Drohne 10) durch die IMU 72 gemessen und dem Autopilot mitgeteilt wird. Insoweit bilden die Messtechnik und der Autopilot vorliegend ein integriertes „Windmesssystem“. 6th shows the relationships just shown in a slightly different form. This also shows that for controlling and regulating the drone 10 also a feedforward control 76 is used. For this purpose, the signal from the flow sensor 34 used from that in the feedforward control 76 Control signals for the thrust strength (block 62 , Electric motors 24 ) and control signals for the thrust direction 28a-d (Block 71 , Boom 18a-d) be determined, for example by means of a linear, preferably a disproportionate, in particular a quadratic, relationship. The drone's autopilot 10 preferably knows the exact direction of flow at all times, so he can control the drone 10 always turn in the direction of the wind. In this way, the pre-control described can be carried out 76 realize. Through this pre-control 76 gusts of wind can be compensated even more quickly, as you do not have to wait for the effects of the gust of wind (movement of the drone 10 ) by the IMU 72 measured and communicated to the autopilot. In this respect, the measurement technology and the autopilot form an integrated "wind measurement system" in the present case.

Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 46 kann in die Drohne 10 integriert sein. Sie kann aber auch von der Drohne 10 entfernt angeordnet sein, beispielsweise in einem bodengestützten Steuergerät. In diesem Fall erfolgt ein Datenaustausch drahtlos. Möglich ist auch, dass Teile der elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 46 in der Drohne 10 und Teile entfernt von der Drohne 10 angeordnet sind.The electronic control and regulation device 46 can in the drone 10 be integrated. But you can also use the drone 10 be arranged remotely, for example in a ground-based control unit. In this case, data is exchanged wirelessly. It is also possible that parts of the electronic control and regulating device 46 in the drone 10 and parts removed from the drone 10 are arranged.

Man erkennt aus der oben beschriebenen Regelstrategie, dass durch das Schwenken der Schubrichtungen 28a-d eine Beschleunigung in der Horizontalen erreicht werden kann, ohne dass die gesamte Drohne 10 geneigt werden muss. Somit kann die erste Regelstrecke 48 unabhängig von der zweiten Regelstrecke 50 arbeiten. Wird die Drohne 10 beispielsweise durch eine Windböe hinter die Soll-Position x_set versetzt, kommandiert die zweite Regelstrecke 50 über den Positionsregler 66 eine höhere Geschwindigkeit v_set nach vorne. Diese kann vom Geschwindigkeitsregler 70 direkt durch ein Kippen der Schubrichtungen 28a-d (Schwenkwinkel Q) umgesetzt werden, statt dass wie herkömmlich durch den Lageregler 54 die gesamte Drohne 10 geneigt werden muss.It can be seen from the control strategy described above that by pivoting the thrust directions 28a-d an acceleration in the horizontal plane can be achieved without the entire drone 10 needs to be inclined. The first controlled system can thus 48 independent of the second controlled system 50 work. Will the drone 10 For example, offset behind the target position x _set by a gust of wind, the second controlled system commands 50 via the position controller 66 a higher speed v _set forward. This can be done by the cruise control 70 directly by tilting the thrust directions 28a-d (Swivel angle Q) instead of being implemented by the position controller as is conventional 54 the entire drone 10 needs to be inclined.

Zusätzlich kann eine Regelung eines Gierens, also einer Bewegung um die Hochachse 20 (Pfeil 78 in 1) durch differentielles, vorzugsweise gegensinniges Schwenken der Schubrichtungen 28a-d erfolgen. Beispielsweise kann die Schubrichtung 28a nach hinten geschwenkt werden, wohingegen die Schubrichtung 28c nach vorne geschwenkt wird. Hierfür kann ein bei üblichen Drohnen 10 vorhandener Gierregler verwendet werden, der jedoch anstelle mit einer Änderung der Schubstärke durch eine Drehzahländerung der Propeller 26 mit einer differenzielle Ansteuerung der Schwenkaktuatoren (nicht dargestellt) der Ausleger 18a-d arbeitet.In addition, yaw, i.e. movement around the vertical axis, can be regulated 20th (Arrow 78 in 1 ) by differential, preferably opposing, pivoting of the thrust directions 28a-d respectively. For example, the direction of thrust 28a be pivoted backwards, whereas the thrust direction 28c is pivoted forward. This can be done with conventional drones 10 Existing yaw regulator can be used, but instead of changing the thrust by changing the speed of the propeller 26th with a differential control of the swivel actuators (not shown) of the boom 18a-d is working.

Für ein Rollen der Drohne 10, also eine Bewegung um die Längsachse 16, kann eine bisher übliche Regelung verwendet werden, bei der die Schubstärken der Schuberzeugungseinrichtungen 14a und 14b auf der einen Seite und die Schubstärken der Schuberzeugungseinrichtungen 14c und 14d auf der anderen Seite während des Fluges gesteuert bzw. geregelt verändert werden.For rolling the drone 10 , that is, a movement around the longitudinal axis 16 , a previously common control can be used in which the thrust strengths of the thrust generating devices 14a and 14b on the one hand and the thrust strengths of the thrust generating devices 14c and 14d on the other hand, can be controlled or regulated changed during the flight.

Insgesamt ist festzuhalten, dass der Ausleger 32 durch die schwenkbaren Schubrichtungen 28a-d sehr genau stabilisiert werden kann. Die Flugregelung mittels der Regelstrecken 48 und 50 kann die Basisstruktur 12 inkl. Ausleger 32 praktisch immer horizontal halten. Das störende Wegdrehen der Drohne 10 (Windfahneneffekt), welches durch den langen Ausleger 32 bei Seitenwind auftritt, kann durch ein erhöhtes Giermoment durch differentielles Schwenken der Schubrichtungen 28a-d kompensiert werden. Ein großes Leitwerk, verbunden mit erhöhtem Luftwiderstand, am Heck der Drohne 10 ist nicht mehr nötig. Durch das schnelle Schwenken der Schubrichtungen 28a-d kann bei plötzlichen Windrichtungsänderungen doppelt so schnell ein neues Kräftegleichgewicht erreicht werden als mit herkömmlicher Technik. Somit kann die Position über Grund bei starkem Wind gut gehalten werden. Durch die stets horizontal ausgerichtete Drohne 10 mit ihrer Basisstruktur 12 wird der Luftwiderstand minimiert und die Flugzeit bei starkem Wind gegenüber einem herkömmlichen Multicopter verlängert, der beim Schweben mit Gegenwind bzw. beim Vorwärtsflug nach vorne geneigt werden muss. Durch die Vorsteuerung 76 kann eine weitere Verbesserung beim Ausgleichen von Windböen erreicht werden.Overall, it should be noted that the boom 32 due to the pivoting thrust directions 28a-d can be stabilized very precisely. The Flight control by means of the controlled systems 48 and 50 can be the basic structure 12th including boom 32 keep practically always horizontal. The annoying turning away of the drone 10 (Wind vane effect), which is due to the long boom 32 occurs in crosswinds, can be caused by an increased yaw moment due to differential swiveling of the thrust directions 28a-d be compensated. A large tail unit, combined with increased air resistance, at the rear of the drone 10 is no longer necessary. By swiveling the thrust directions quickly 28a-d In the event of sudden changes in wind direction, a new equilibrium of forces can be achieved twice as quickly as with conventional technology. This means that the position above the ground can be kept well in strong winds. Thanks to the always horizontally aligned drone 10 with their basic structure 12th the air resistance is minimized and the flight time is lengthened in strong winds compared to a conventional multicopter, which has to be tilted forward when hovering with a headwind or when flying forward. Through the pilot control 76 a further improvement in compensating for wind gusts can be achieved.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2942688 A1 [0003]
US 8473125 B2 [0003]
US 10222719 B2 [0003]
US 2018/0314251 A1 [0003]

Claims

Drone (10) with a base structure (12) and at least three thrust generating devices (14a-d) arranged at different points in a horizontal plan view, which during operation generate thrust with a thrust direction (28a-d) that is at least also vertically downwards directed thrust component, characterized in that the thrust directions (28a-d) of at least two thrust generating devices (14a-d) can be pivoted independently of one another relative to the base structure (14) during flight.

Drone (10) Claim 1 , characterized in that at least one thrust generating device (14a-d) is arranged as a whole so as to be pivotable relative to the base structure (12) about a pivot axis (22a-d).

Drone (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the base structure (12) has a longitudinal axis (16), and that the thrust direction (28a-d) is at least approximately horizontal during operation (22a-d) , which is at least substantially orthogonal to the longitudinal axis (16), is pivotable.

Drone (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a cantilever (32) preferably extending in a longitudinal direction (16) of the base structure (12) is arranged on the base structure (12), at the protruding end of which a sensor device ( 34) and / or or a tool is arranged.

Drone (10) Claim 4 , characterized in that the sensor device comprises a flow sensor (34) for detecting a speed and / or direction of the air flow (36) relative to the flow sensor (34).

Drone (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a thrust strength of at least one thrust generating device (14a-d) can be changed in a controlled or regulated manner during the flight, independently of the thrust strength of another thrust generating device (14a-d).

Method for operating a drone (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a control of a position (x) and / or a speed (v) of the drone (10) at least essentially via the thrust directions (28a-d) he follows.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a position (θ) of the base structure (12) in space and / or an angular velocity (q) of the base structure (12) is regulated at least essentially via the thrust forces.

Method according to at least one of the Claims 7 or 8th , characterized in that the thrust directions (28a-d) are pre-controlled on the basis of the signal from a flow sensor (34) which detects a speed and / or direction of the air flow (36) relative to the flow sensor (34).

Method according to at least one of the Claims 7 - 9 , characterized in that a yaw (78) is regulated by a differential, preferably opposing pivoting of thrust directions (28a-d).

Method according to at least one of the Claims 7 - 10 , characterized in that a position (x) and / or a speed (v) of the drone (10) is regulated by pivoting thrust directions (28 down) in the same direction.

Electronic control and regulating device (46) for controlling and regulating the operation of a drone (10), characterized in that it has a memory and a microprocessor and for carrying out a method according to at least one of the Claims 7 - 11 is programmed.