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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der autonomen Luftfahrzeuge und betrifft insbesondere das Landen und das automatische Aufladen solcher Fahrzeuge.
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STAND DER TECHNIK
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Autonome Luftfahrzeuge, wie zum Beispiel vertikal startende und landende Flugzeuge (Vertical Takeoff and Landing Aircraft, VTOL), weisen eine begrenzte Autonomie auf, die es ihnen nicht erlaubt, langfristige Einsätze durchzuführen, ohne regelmäßig wiederaufgeladen zu werden. Die Batterie dieser Luftfahrzeuge muss daher regelmäßig gewechselt werden oder die Fahrzeuge müssen während des Einsatzes an eine oder mehrere Ladestationen angeschlossen werden.
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Es ist bereits eine Ladestation zum Wiederaufladen einer Drohne während eines Einsatzes vorgeschlagen worden. Zu diesem Zweck wird die Drohne automatisch zur Ladestation geführt, um dort zu landen, und wird dann von einem Bediener am Boden per Kabel oder drahtlos mit der Station verbunden, um ihre Batterie oder Batterien wiederaufzuladen. Das Wiederaufladen erfordert daher menschliches Zutun, um das autonome Fahrzeug anzuschließen.
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Parallel dazu sind einige autonome Fahrzeuge, insbesondere VTOLs, so eingerichtet, dass sie im Fesselflugmodus über der Ladestation Einsätze fliegen können. Während dieser Einsätze schwebt die Drohne über der Station, um als Beobachtungspunkt, Kommunikationsrelais usw. zu dienen. Die Ladestationen sind dann entweder relativ zum Boden ortsfest oder sie sind mobil und befinden sich zum Beispiel an Bord eines stillstehenden oder langsam fahrenden Fahrzeugs, wie zum Beispiel einem Boot. Im Fesselflugmodus befindet sich das VTOL in einer Höhe von einigen Dutzend Metern, während es elektrisch und mechanisch über ein Kabel mit der Ladestation verbunden bleibt, wodurch das VTOL ohne Unterbrechung rund um die Uhr fliegen kann.
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Wenn das VTOL jedoch einen Aufklärungsflug durchführen muss, so muss es von der Ladestation abgekoppelt und nach Rückkehr zur Station am Ende des Einsatzes manuell wieder angeschlossen werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs vorzuschlagen, das kein manuelles Zutun eines Bedieners am Boden erfordert und dessen Abmessungen und Masse keine nachteiligen Auswirkungen für das Luftfahrzeug haben.
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Zu diesem Zweck wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein System zum Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs vorgeschlagen, das umfasst:
- - eine Basis,
- - einen Versorgungsausleger, der eine Spitze und ein erstes Wiederauflademittel umfasst,
- - einen Aufnahmekorb, der eine Innenwand umfasst, die einen Hohlraum begrenzt, der dafür eingerichtet ist, die Spitze des Versorgungsauslegers aufzunehmen, wobei der Aufnahmekorb ein zweites Wiederauflademittel umfasst, das zu dem ersten Wiederauflademittel komplementär ist,
wobei eines von dem Versorgungsausleger und dem Aufnahmekorb an dem autonomen Luftfahrzeug montiert ist, während das andere von dem Ausleger und dem Korb an der Basis montiert ist, und
- - Mittel zum Zentrieren der Spitze des Versorgungsauslegers in dem Hohlraum des Aufnahmekorbes.
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Einige bevorzugte, jedoch nicht-einschränkende Charakteristiken des Systems gemäß dem ersten Aspekt sind die folgenden, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können:
- - Die Zentriermittel werden ganz oder teilweise von der Spitze des Versorgungsauslegers und/oder von der Innenwand des Aufnahmekorbes gebildet.
- - Die Spitze des Versorgungsauslegers weist vollständig oder teilweise eine im Wesentlichen konvergente Form auf und/oder die Innenwand des Aufnahmekorbes weist vollständig oder teilweise eine im Wesentlichen divergente Form auf, in der Regel eine konische und/oder kegelstumpfförmige Gestalt.
- - Der Versorgungsausleger ist über mindestens ein flexibles Element, bevorzugt einen Satz Federn, an der Basis oder an dem autonomen Luftfahrzeug montiert.
- - Das System umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zum mechanischen Verriegeln des Versorgungsauslegers in dem Aufnahmekorb, wobei die Verriegelungsvorrichtung durch einen Controller gesteuert wird.
- - Die mechanische Verriegelungsvorrichtung umfasst Klemmbacken.
- - Das zweite Wiederauflademittel ist an der mechanischen Verriegelungsvorrichtung und/oder an der Innenwand des Aufnahmekorbes montiert.
- - Das System umfasst des Weiteren mindestens einen Präsenzsensor, der an dem autonomen Luftfahrzeug und/oder an der Basis montiert und dafür eingerichtet ist, ein Signal zu generieren, wenn der Versorgungsausleger in dem Aufnahmekorb aufgenommen ist, wobei der Controller dafür eingerichtet ist, das Verriegelungsmittel als eine Funktion des durch den Präsenzsensor generierten Signals zu verriegeln.
- - Der Versorgungsausleger ist über ein Kabel an der Basis montiert, wobei die Basis des Weiteren eine Wickelvorrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, das Kabel automatisch auf- und abzuwickeln, und/oder
- - Das System umfasst des Weiteren eine Sicherheitsvorrichtung, die entweder einen Zugspannungssensor umfasst, der dafür eingerichtet ist, eine auf das Kabel wirkende Zugspannung zu detektieren, oder einen Druckbegrenzer umfasst, der an der Verriegelungsvorrichtung montiert ist, wobei der Controller dafür eingerichtet ist, das Verriegelungsmittel als eine Funktion eines Wertes der durch den Zugspannungssensor gemessenen Zugspannung oder des durch den Druckbegrenzer gemessenen Drucks zu steuern.
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Gemäß einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung auch ein Verfahren zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs unter Verwendung eines Wiederaufladesystems, wie oben beschrieben, vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- S1: Führen eines autonomen Luftfahrzeugs zu der Basis
- S2: Positionieren des autonomen Luftfahrzeugs senkrecht über der Basis, so dass sich der Versorgungsausleger im Wesentlichen vor dem Aufnahmekorb befindet
- S3: Zentrieren der Spitze des Versorgungsauslegers relativ zu dem Hohlraum des Aufnahmekorbes und Landen des autonomen Fahrzeugs auf der Basis, wobei der Versorgungsausleger allmählich in den Aufnahmekorb eintritt, und
- S4: Herstellen einer elektrischen Verbindung des autonomen Luftfahrzeugs mit der Basis durch Verbinden des ersten Wiederauflademittels mit dem zweiten Wiederauflademittel.
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Einige bevorzugte, jedoch nicht-einschränkende Charakteristiken des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt sind die folgenden, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können:
- - Der Versorgungsausleger ist über ein Kabel an der Basis montiert, wobei die Basis des Weiteren eine Wickelvorrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, das Kabel automatisch auf- und abzuwickeln, wobei das Verfahren des Weiteren die folgenden Schritte vor Schritt S1 umfasst:
- S10: Verriegeln des Versorgungsauslegers in dem Aufnahmekorb
- S11: Abwickeln des Kabels, damit das autonome Luftfahrzeug im Fesselflugmodus über der Basis fliegen kann
- S13: Lösen des Versorgungsauslegers von dem Aufnahmekorb
- S14: Aufwickeln des Kabels, um den Versorgungsausleger zurück zur Basis zu bringen.
- - Schritt S13 wird initiiert, wenn eine Zugspannung des Kabels und/oder ein Verriegelungsdruck detektiert werden, die größer als eine vorgegebene Schwelle sind.
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Figurenliste
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Weitere Charakteristiken, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die rein veranschaulichend und nicht-einschränkend ist und die in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen werden muss, in denen Folgendes dargestellt ist:
- 1 veranschaulicht schematisch ein System zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei sich das autonome Luftfahrzeug im Fesselflugmodus befindet.
- 2 veranschaulicht schematisch das System zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs von 1, wobei das autonome Luftfahrzeug kurz davor steht, sich mit der Basis elektrisch zu verbinden.
- 3 ist ein Flussdiagramm von Schritten eines Verfahrens zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs im Wiederauflademodus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 4 ist ein Flussdiagramm von Schritten eines Verfahrens zum automatischen Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs im Fesselflugmodus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein autonomes Luftfahrzeug 2 umfasst in an sich bekannter Weise:
- - einen Rahmen 3, der einen oder mehrere Propeller trägt, die durch einen oder mehrere jeweilige Motoren angetrieben werden,
- - ein Führungsmittel 4 vom GPS-Typ (für das Global Positioning System 1),
- - einen Computer 5,
- - eine oder mehrere Batterien 6, die mit einem Stromversorgungssystem 7 für das Luftfahrzeug 2 verbunden sind,
- - ein Kommunikationsmittel 8 mit einer Bodenstation, in der Regel eine Hochfrequenzschnittstelle,
- - ein Trägheitsnavigationssystem 9 vom Trägheitseinheit- und Barometer-Typ,
- - optional eine oder mehrere Videokameras 10, die so an dem Rahmen 3 montiert sind, dass sie auf den Boden gerichtet sind, wenn das autonome Luftfahrzeug 2 in Betrieb, in der Regel in dem Flug, ist,
- - optional einen Entfernungsmesser 11, in der Regel einen Ultraschall-Entfernungsmesser, der so an dem Rahmen 3 montiert ist, dass er auf den Boden gerichtet ist, wenn das autonome Luftfahrzeug 2 in Betrieb ist.
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System 1 zum automatischen Wiederaufladen einer Drohne 2 unter Verwendung des Wiederaufladesystems 1
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Im Folgenden wird die Erfindung insbesondere für den Fall eines autonomen Luftfahrzeugs 2 vom Drohnen-Typ, in der Regel eines VTOL, beschrieben. Dies ist jedoch nicht einschränkend, da die Erfindung entsprechend für jedes autonome Luftfahrzeug gilt, wie zum Beispiel, jedoch nicht ausschließlich, eine Team-Drohne, eine Taxidrohne oder eine Packdrohne (Ablage und Auslieferung von Paketen).
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Um das automatische Wiederaufladen eines autonomen Luftfahrzeugs 2, zum Beispiel einer Drohne 2, zu ermöglichen, ohne dass ein Bediener am Boden mitwirken muss, schlägt die Erfindung ein Wiederaufladesystem 1 vor, das umfasst:
- - eine Ladebasis 20,
- - einen Versorgungsausleger 21, der einen Körper 22 und einer Spitze 23 sowie ein erstes Wiederauflademittel 24 umfasst,
- - einen Aufnahmekorb 12, der eine Innenwand 13 umfasst, die einen Hohlraum 14 begrenzt, der dafür ausgelegt ist, die Spitze 23 des Versorgungsauslegers 21 und ein zweites Wiederauflademittel 15 aufzunehmen, und
- - Mittel zum Zentrieren 23, 13 des Versorgungsauslegers 21 in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12.
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Einer des Versorgungsauslegers 21 und des Aufnahmekorbes 12 ist an der Basis 20 montiert, während der andere an der Drohne 2 montiert ist. In einer Ausführungsform ist der Versorgungsausleger 21 an der Basis 20 montiert, um das Volumen des Systems 1 innerhalb der Drohne 2 zu verringern. In dieser Ausführungsform wird dann der Aufnahmekorb 12 an der Drohne 2 montiert. Alternativ kann der Versorgungsausleger 21 jedoch auch an der Drohne 2 montiert sein. In diesem Fall ist der Versorgungskorb an der Basis 20 montiert.
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Im Folgenden, und zur Vereinfachung der Beschreibung, wird die Erfindung für den Fall beschrieben, dass der Versorgungsausleger 21 an der Basis 20 montiert ist, während der Aufnahmekorb 12 an der Drohne 2 montiert ist, ohne dass dies als Einschränkung zu verstehen ist.
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In einer Ausführungsform sind die Zentriermittel 23, 13 ganz oder teilweise von der die Spitze 23 des Versorgungsauslegers 21 und/oder von der Innenwand 13 des Aufnahmekorbes 12 gebildet. Genauer gesagt, weist die Spitze 23 ganz oder teilweise eine im Wesentlichen konvergierende Form auf und/oder die Innenwand 13 weist ganz oder teilweise eine im Wesentlichen divergierende Form auf, die zu der Form der Spitze 23 komplementär sein kann, um eine progressive Führung der Spitze 23 in dem Hohlraum 14 während ihrer Kopplung zu ermöglichen. Zum Beispiel können die Spitze 23 und die Innenwand 13 eine im Wesentlichen konische oder kegelstumpfförmige Gestalt aufweisen. Der Fachmann erkennt, dass in einer Variante nur die Spitze 23 oder die Wand eine solche konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt haben muss, um die Zentriermittel 23, 13 zu bilden; die andere kann eine beliebige Form aufweisen, zum Beispiel zylindrisch oder rotationszylindrisch.
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In dem in den Figuren veranschaulichten Beispiel weist die gesamte Innenwand 13, die den Hohlraum 14 der Spitze 23 begrenzt, eine konische Form auf, während die Spitze 23 eine kegelstumpfförmige Gestalt aufweist. Alternativ könnte die Innenwand 13 einen konischen oder kegelstumpfförmigen Boden und eine beliebig geformte Mündung aufweisen, während die Spitze 23 kegelstumpfförmig oder konisch ist und dafür eingerichtet ist, in den Hohlraum 14 einzudringen, und der Körper 22 eine beliebige oder eine zu der Mündung komplementäre Form aufweist.
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Um die Zentrierung der Spitze 23 in dem Hohlraum 14 zusätzlich zu unterstützen, ist der Versorgungsausleger 21 über mindestens ein flexibles Element 25, 26, wie zum Beispiel eine oder mehrere Federn, an der Basis 20 montiert. Das Halten der Spitze 23 an der Basis 20 ist daher flexibel, was ihr Einführen in den Hohlraum 14 während der Kopplung der Basis 20 mit der Drohne 2 erleichtert, indem der Spielraum beim Zentrieren der Spitze 23 in dem Hohlraum 14 vergrößert wird.
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Die Basis 20 kann zum Beispiel eine Ummantelung die dafür eingerichtet ist, den Körper 22 des Versorgungsauslegers 21 ganz oder teilweise aufzunehmen, so dass die Spitze 23 des Versorgungsauslegers 21 von der Ummantelung und, allgemeiner, von der Basis 20 vorsteht. Die Ummantelung selbst wird dann in eine in der Basis 20 ausgebildete Kammer eingesetzt und in dieser Kammer durch die eine oder die mehreren Federn 25 in Position gehalten. In der Regel kann die Ummantelung durch ein oder mehrere Paare von Federn 25, die paarweise auf jeder Seite der Ummantelung angeordnet sind, aufgehängt werden. Durch die Wahl der Steifigkeit jeder Feder 25, der Anzahl der Federn und der Positionierung jeder Feder relativ zu der Ummantelung kann die Flexibilität der Verbindung zwischen der Ummantelung (und damit dem Versorgungsausleger 21) und der Basis 20 eingestellt werden.
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Optional umfasst die Ummantelung ein komprimierbares Element 26 (Druckfeder, Schaumstoff usw.), das am Boden der Ummantelung aufgenommen ist und dafür eingerichtet ist, mit dem Körper 22 des Versorgungsauslegers 21 in Kontakt zu kommen, wenn es in der Ummantelung angeordnet ist. Während der Kopplung des Versorgungsauslegers 21 mit dem Aufnahmekorb 12 ermöglicht das komprimierbare Element 26 somit eine Vergrößerung des Positionierungsspielraums der Drohne 2 relativ zu der Basis 20, indem es eine vertikale Verschiebung (Achse Z) des Versorgungsauslegers 21 gestattet. Somit erhöht der Satz Federn 25 den Positionierungsspielraum in der horizontalen Ebene (X, Y) (allgemein parallel zum Boden), während das komprimierbare Element 26 den Positionierungsspielraum entlang der vertikalen Achse vergrößert.
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Das Ende des Körpers 22 des Versorgungsauslegers 21, das der Spitze 23 gegenüberliegt (und gegebenenfalls mit dem komprimierbaren Element 26 in Kontakt kommt), kann einen reduzierten Querschnitt aufweisen, um das Einführen des Versorgungsauslegers 21 in die Ummantelung zu erleichtern. Dieses Ende kann zum Beispiel im Wesentlichen kegelstumpfförmig oder halbkugelförmig sein.
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Optional umfasst das Wiederaufladesystem 1 des Weiteren eine Vorrichtung zur Verriegeln 27 des Versorgungsauslegers 21 in dem Aufnahmekorb 12, um die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Wiederauflademittel 15 zu gewährleisten. Diese Verriegelungsvorrichtung 27 wird durch einen Controller 18 gesteuert, der an der Basis 20 angeordnet sein kann, auf der Drohne 2 montiert sein kann oder in einer Entfernung von der Basis 20 und der Drohne 2, zum Beispiel auf der Höhe einer von der Basis 20 getrennten Bodenstation, angeordnet sein kann. Der Controller 18 kann zum Beispiel in den Computer 5 der Drohne 2 integriert sein.
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In einer Ausführungsform umfasst die Verriegelungsvorrichtung 27 Klemmbacken 28, die dafür eingerichtet sind, mit einem oder mehreren komplementären Stützen 29 in Eingriff zu gelangen, um den Versorgungsausleger 21 in seiner Position in dem Hohlraum 14 zu arretieren. Die Klemmbacken 28 können insbesondere durch jeweilige Motoren betätigt werden. Gegebenenfalls ist jeder Klemmbacken 28 auf der Abtriebswelle eines entsprechenden Motors, in der Regel eines Linearservomotors und Elektromagneten, über eine Druckfeder 25, 26 montiert, die dafür eingerichtet ist, den Klemmbacken 28 gegen die zugewandte Stütze 29 zu drücken und so der Verbindung zwischen der Spitze 23 und dem Aufnahmekorb 12 Flexibilität zu verleihen.
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Die Klemmbacken 28 können an dem Versorgungsausleger 21 oder in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 montiert sein, wobei die komplementären Stützen 29 an dem komplementären Teil montiert sind. Bevorzugt sind die Backen 28 an der Innenwand 13, in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12, montiert und die komplementären Stützen 29 sind an dem Körper 22 der Spitze 23 montiert.
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In einer in den Figuren nicht veranschaulichten Variante ist die Verriegelungsvorrichtung 27 an den Füßen 17 der Drohne 2 und/oder an der Basis 20 in einem den Füßen 16 zugewandten Bereich angeordnet, wenn die Spitze 23 in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 positioniert ist. Auf diese Weise arretiert die Verriegelungsvorrichtung 27, wenn sich die Drohne 2 auf die Basis 20 herabsenkt, die Füße 16 der Drohne 2 und hält sie so relativ zu der Basis 20 in Position.
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Das erste und das zweite Wiederauflademittel 15, 24 können insbesondere elektrische Kontakte, elektrische Steckdosen, induktive Ladespulen oder andere geeignete elektrischen Verbindungsmittel umfassen.
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Das erste Wiederauflademittel 24 kann zum Beispiel an den Abschnitten der Spitze 23, die mit der Innenwand 13 des Hohlraums 14 in Kontakt kommen, und/oder gegebenenfalls an den Stützen 29, die mit den Klemmbacken 28 in Kontakt kommen, angeordnet sein, während das zweite Wiederauflademittel 15 in den dem Aufnahmekorb 12 zugewandten Bereichen, in der Regel an dem konischen (oder kegelstumpfförmigen) Teil der Innenwand 13 und/oder gegebenenfalls an den Klemmbacken 28, angeordnet sind. Zum Beispiel können im Fall von Wiederauflademitteln 15, 24, die elektrische Kontakte umfassen, die Masse entsprechenden elektrischen Kontakte an den konischen (oder kegelstumpfförmigen) Flächen der Spitze 23 und der Innenwand 13 des Hohlraums 14 angeordnet sein, während die der Stromversorgung 7 entsprechenden elektrischen Kontakte an den Stützen 29 und in den Klemmbacken 28 angeordnet sind.
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In einer in den Figuren nicht veranschaulichten Ausführungsvariante sind die Wiederauflademittel 15, 24 einerseits an den Füßen 16 der Drohne 2 und andererseits auf der Oberfläche der Basis 20 in einem den Füßen 16 zugewandten Bereich angeordnet, wenn die Spitze 23 in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 positioniert ist. Gegebenenfalls können die Wiederauflademittel an der Verriegelungsvorrichtung 27 angeordnet sein, wenn sich diese an den Füßen 16 der Drohne 2 und/oder an der Basis 20 befindet.
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Die Steuerung der Verriegelungsvorrichtung 27 durch den Controller 18 kann automatisch oder manuell ausgelöst werden.
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Zu diesem Zweck umfasst das Wiederaufladesystem 1 in einer ersten Ausführungsform einen Präsenzsensor 17, der an der Drohne 2 und/oder an der Basis 20 montiert ist. Der Präsenzsensor 17 kann zum Beispiel in der Nähe des Versorgungsauslegers 21 und/oder des Aufnahmekorbes 12 angeordnet sein und kann dafür eingerichtet sein, ein Signal zu generieren, wenn der Versorgungsausleger 21 in dem Aufnahmekorb 12 detektiert wird. Der Präsenzsensor 17 kann insbesondere eine optische Gabel umfassen, die dafür eingerichtet ist, ein Signal (Zugspannung) zu generieren, wenn der Versorgungsausleger 21 in dem Hohlraum 14 detektiert wird, oder umgekehrt. Der Präsenzsensor 17 kann insbesondere so eingestellt werden, dass ein solches Signal generiert wird, wenn die Spitze 23 zentriert ist und sich in der Verriegelungsposition in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 befindet. Der Controller 18 ist dann dafür eingerichtet, das Verriegelungsmittel bei Empfang dieses Präsenzsignals zu verriegeln. Diese Ausführungsform ermöglicht somit das automatische Verriegeln des Versorgungsauslegers 21 in dem Aufnahmekorb 12, wenn sich die Spitze 23 in ihrer Position in dem Hohlraum 14 befindet.
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In einer zweiten Ausführungsform kann der Controller 18 von einer Bodenstation aus, zum Beispiel durch einen Bediener, ferngesteuert werden. Insbesondere, wenn sich die Drohne 2 in Position an der Basis 20 befindet und der Versorgungsausleger 21 in dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 angeordnet ist, kann der Bediener den Controller 18 so steuern, dass er das Verriegelungsmittel betätigt.
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Ein autonomes Luftfahrzeug 2, und insbesondere eine Drohne 2 vom VTOL-Typ, kann insbesondere drei Betriebsmodi aufweisen: den Wiederauflademodus an der Basis 20, den Fesselflugmodus und den autonomen Modus.
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Im Fesselflugmodus schwebt die Drohne 2 über der Basis 20. Damit die Drohne 2 in diesem Modus länger verbleiben kann, als sie es autonom könnte, ohne zum Wiederaufladen auf der Basis 20 landen zu müssen, ist der Versorgungsausleger 21 mit der Basis 20 über ein Kabel 19 verbunden, das automatisch ab- und aufgewickelt werden kann, um die Länge des Kabels 19 an die für den Einsatz erforderliche Höhe anzupassen. Zu diesem Zweck ist das Kabel 19 an einer in der Basis 20 untergebrachten Wickelvorrichtung 30 montiert, die zum Auf- und Abwickeln des Kabels 19 durch einen speziellen Motor 31 angetrieben wird.
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Gegebenenfalls kann das Kabel 19 auch verwendet werden, um eine PLC-Kommunikation zwischen der Drohne 2 und der Basis 20 zu ermöglichen, ohne die Kommunikationsschnittstelle zu durchlaufen. Der Datenaustausch ist daher diskreter.
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Wenn die Drohne 2 in den autonomen Modus wechseln muss, um einen Einsatz fernab der Basis 20 durchzuführen, so kann der Controller 18 den Versorgungsausleger 21 automatisch frei geben, indem er die Entriegelung der Verriegelungsvorrichtung 27 steuert. Der Versorgungsausleger 21 fällt dann auf den Boden oder auf die Basis 20, wodurch sich die Drohne 2 von der Basis 20 entfernen und ihren Einsatz autonom ausführen kann. Die Wickelvorrichtung 30 kann dann automatisch das Kabel 19 aufwickeln, um den Ausleger in seine Ummantelung zurückzubringen, damit die Drohne 2 später wieder elektrisch verbunden werden kann. Optional umfasst die Basis 20 des Weiteren einen Detektor, der an der Ummantelung oder in der Ummantelung positioniert und dafür eingerichtet ist zu detektieren, dass der Versorgungsausleger 21 korrekt in die Ummantelung eingeführt wurde, um das automatische Anhalten der Wickelvorrichtung 30 zu ermöglichen.
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Nachdem der Einsatz zu Ende gebracht ist, wird die Drohne 2 über der Basis 20 positioniert, um den Versorgungsausleger 21 im Wesentlichen auf den Aufnahmekorb 12 auszurichten. Dann landet die Drohne auf ihm, wodurch das erste und das zweite Wiederauflademittel 15 miteinander in Kontakt gebracht werden. Gegebenenfalls kann der Controller 18 die Verriegelungsvorrichtung 27 verriegeln. Das Verfahren zum Koppeln der Drohne 2 mit der Basis 20 wird im Folgenden näher erläutert.
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Optional umfasst die Basis 20 des Weiteren eine Sicherheitsvorrichtung 31, die dafür eingerichtet ist, das Sicherheitssystem 1 zu entriegeln und die Drohne 2 freizugeben, wenn sie sich im Fesselflugmodus befindet, um zu verhindern, dass sie an der Basis 20 angebracht bleibt und unter ungünstigen Bedingungen, zum Beispiel bei starken Windböen, beschädigt wird.
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Die Sicherheitsvorrichtung 32 kann insbesondere einen Zugspannungssensor 32 (wie in den 1 und 2 veranschaulicht) für das Kabel 19 (wie in den 1 und 2 veranschaulicht) umfassen, der dafür eingerichtet ist, eine auf das Kabel 19 wirkende Zugspannung zu bestimmen, oder kann alternativ einen Druckbegrenzer umfassen, der an dem Verriegelungsmittel, in der Regel an den Klemmbacken 28, angeordnet ist. Die Sicherheitsvorrichtung 32 ist mit dem Controller 18 verbunden, so dass, wenn die Zugspannung des Kabels 19 oder der auf die Klemmbacken 28 wirkende Druck eine vorgegebene Schwelle überschreitet, der Controller 18 die Verriegelungsvorrichtung 27 veranlasst zu entriegeln, um die Drohne 2 freizugeben. Der Versorgungsausleger 21 fällt dann auf den Boden oder auf die Basis 20 zurück, so dass sich die Drohne 2 von der Basis 20 entfernen kann. Die Wickelvorrichtung 30 kann dann automatisch das Kabel 19 aufwickeln, um den Ausleger in seine Ummantelung zurückzubringen, damit die Drohne 2 später wieder elektrisch verbunden werden kann.
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Falls der Versorgungsausleger 21 an der Drohne 2 und der Aufnahmekorb 12 an der Basis 20 montiert ist, sind die Wickelvorrichtung 30, ihr Motor 31 und die Sicherheitsvorrichtung 32 natürlich an der Drohne 2 montiert.
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Verfahren zum automatischen Wiederaufladen S einer Drohne 2 unter Verwendung des Wiederaufladesystems 1
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Das automatische Wiederaufladen einer Drohne 2 eines automatischen Wiederaufladesystems 1 gemäß der Erfindung kann gemäß den folgenden Schritten durchgeführt werden.
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Vorab sei angemerkt, dass sich der Versorgungsausleger 21 in der eingezogenen Position befindet, das heißt, in der Ummantelung der Basis 20 aufgenommen ist, wobei das Kabel 19 in der Wickelvorrichtung 30 aufgewickelt ist. Seine Spitze 23 steht jedoch von der Ummantelung hervor, um seine Kopplung mit dem Aufnahmekorb 12 der Drohne 2 zu ermöglichen.
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In einem Schritt S1 wird die Drohne 2 zum Beispiel mit Hilfe ihres Führungsmittels 4 (von GPS-Typ) und/oder ihres Trägheitsnavigationssystems 9, 10 zu der Basis 20 geführt.
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In einem Schritt S2 (2) wird die Drohne 2 senkrecht über der Basis 20 positioniert, so dass der Versorgungsausleger 21 im Wesentlichen dem Aufnahmekorb 12 zugewandt ist.
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Da die Genauigkeit der Führung durch die derzeitigen Führungsmittel 4 und/oder das Trägheitsnavigationssystem 9 allgemein zwischen einem Meter und etwa zehn Metern liegt, reicht diese Führung allein derzeit nicht aus, um die Drohne 2 an der Basis 20 zu platzieren. Wie im Stand der Technik kann daher im Anschluss an den Führungsschritt S1 ein Ausrichtungssystem 1 verwendet werden, um die Drohne 2 und die Basis 20 aufeinander auszurichten, damit die Drohne 2 automatisch auf der Basis 20 landen kann, indem der Versorgungsausleger 21 auf den Aufnahmekorb 12 ausgerichtet wird. In einer Ausführungsform ist das Ausrichtungssystem 1 ein optisches System 1, das eine oder mehrere Videokameras 10, den Entfernungsmesser 11 und das Trägheitsnavigationssystem 9 umfasst. Die Basis 20 umfasst darüber hinaus eine oder mehrere bekannte geometrische Strukturen, die auf ihrer Oberfläche befestigt sind. Die Videokamera 10 der Drohne 2 nimmt dann Bilder auf, die diese Strukturen umfassen, und sendet sie an den Computer 5, der durch Korrelation mit in seinem Speicher gespeicherten Bildern daraus die Position der Drohne 2 relativ zu der Basis 20 ableitet und sie führt, bis die Drohne 2 im Wesentlichen auf die Basis 20 ausgerichtet ist und der Versorgungsausleger 21 sich im Wesentlichen senkrecht (entlang der Z-Achse) über dem Aufnahmekorb 12 befindet.
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Da dieser Ausrichtungsschritt S2 im Stand der Technik bekannt ist, wird er hier nicht weiter erläutert.
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Die Ausrichtungsgenauigkeit unter Verwendung eines optischen Ausrichtungssystems 1 zwischen der Basis 20 und der Drohne 2, und genauer gesagt zwischen dem Versorgungsausleger 21 und dem Aufnahmekorb 12, liegt in der Größenordnung von zwei Zentimetern.
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In einem Schritt S3 wird die Spitze 23 des Versorgungsauslegers 21 relativ zu dem Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 zentriert und die Drohne 2 landet auf der Basis 20, so dass der Versorgungsausleger 21 allmählich in den Aufnahmekorb 12 eintritt.
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Wenn die Funktion der Zentriermittel 23, 13 durch die (zum Beispiel konische oder kegelstumpfförmige) Form der Spitze 23 und/oder der Innenwand 13 erfüllt wird, so wird der Schritt S3 mechanisch während der Landung der Drohne 2 auf der Basis 20 ausgeführt. Es wird daran erinnert, dass die Drohne 2 allgemein so positioniert wird, dass sich der Versorgungsausleger 21 im Wesentlichen senkrecht über dem Aufnahmekorb 12 befindet. Bei der Landung der Drohne 2 dringt der Versorgungsausleger 21 deshalb dank der Führung der konischen/kegelstumpfförmigen Teile der Spitze 23 und/oder der Innenwand 13 des Aufnahmekorbes 12 während der abschließenden Annäherung der Drohne 2 allmählich in den Hohlraum 14 des Aufnahmekorbes 12 ein. Dieses Eindringen kann gegebenenfalls durch die flexible Verbindung zwischen der Ummantelung und der Basis 20 (das komprimierbares Element 26 und/oder den Satz Federn) unterstützt werden, wodurch sich der Ausrichtungsspielraum zwischen dem Versorgungsausleger 21 und dem Aufnahmekorb 12 um etwa ein bis drei Zentimeter vergrößert.
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Optional kann die Drohne 2 in einem Schritt S10 automatisch oder manuell an der Basis 20 verriegelt werden.
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Wenn das Wiederaufladesystem 1 eine Verriegelungsvorrichtung 27, in der Regel Klemmbacken 28, umfasst, so steuert der Controller 18 zu diesem Zweck die Eingriffnahme der Klemmbacken 28 des Aufnahmekorbes 12 mit den Stützen 29 des Versorgungsauslegers 21 im Anschluss an Schritt S3. Das Detektieren des Versorgungsauslegers 21 in dem Aufnahmekorb 12 kann entweder durch den Präsenzsensor 17 erfolgen, wobei in einem solchen Fall das Verriegeln der Drohne 2 an der Basis 20 automatisch erfolgen kann, oder kann durch einen Bediener erfolgen.
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In einem Schritt S4 (1) wird die Drohne 2 mit der Basis 20 elektrisch verbunden, indem das erste Wiederauflademittel 24 mit dem zweiten Wiederauflademittel 15 verbunden wird.
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Falls die Wiederauflademittel an den Füßen 16 der Drohne 2 (bzw. an der Oberfläche der Basis 20) oder an der Innenwand 13 (bzw. an dem Versorgungsausleger 21) montiert sind, so erfolgt der elektrische Anschluss zum Zeitpunkt der Landung der Drohne 2 und der mechanischen Kopplung des Versorgungsauslegers 21 mit dem Aufnahmekorb 12.
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Wenn mindestens ein Teil der Wiederauflademittel durch die Verriegelungsvorrichtung 27 getragen wird, so wird gegebenenfalls die elektrische Verbindung auch während des Verriegelns der Verriegelungsvorrichtung 27 hergestellt.
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Die Drohne 2 befindet sich dann im Wiederauflademodus, das heißt, sie liegt auf der Basis 20 und ist mit dieser elektrisch verbunden, um ihre Batterie oder Batterien 6 wiederaufzuladen.
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Wenn die Drohne 2 in den Fesselflugmodus wechseln muss, so wird in einem Schritt S11 das Kabel 19 allmählich abgewickelt, damit die Drohne 2 über der Basis 20 fliegen kann.
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Das Abwickeln des Kabels 19 kann durch die Drohne 2 selbst ausgeführt werden, indem an das Kabel 19 eine Zugspannung angelegt wird, die größer ist als die Widerstandszugspannung der Wickelvorrichtung 30 und niedriger als die vorgegebene Sicherheitsschwelle der Wickelvorrichtung 30, oder kann alternativ durch die Wickelvorrichtung 30 selbst auf Anweisung von dem Computers 5 der Drohne 2 oder der Bodenstation ausgeführt werden.
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Die abgewickelte Länge des Kabels 19 entspricht im Wesentlichen der Flughöhe der Drohne 2 während des Einsatzes im Fesselflugmodus.
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Gegebenenfalls sendet die Sicherheitsvorrichtung 32 bei Windböen oder anderen Ereignissen, die eine unkontrollierte Bewegung der Drohne 2 relativ zu der Basis 20 bewirken, in einem Schritt S13 ein Signal an der Controller 18, damit er die Verriegelungsvorrichtung 27 entriegelt. Der Versorgungsausleger 21 fällt dann auf den Boden oder auf die Basis 20, wodurch die Drohne 2 freigegeben wird und sich von der Basis 20 entfernen kann.
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In einem Schritt S14 wickelt die Wickelvorrichtung 30 das Kabel 19 auf, um den Versorgungsausleger 21 in seine Ummantelung zurückzuführen. Das Einführen des Versorgungsauslegers 21 in die Ummantelung kann insbesondere durch den reduzierten Querschnitt des Endes des Auslegerkörpers 22 unterstützt werden.
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Der Schritt S14 kann automatisch oder manuell ausgelöst werden.
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Wenn zum Beispiel die Sicherheitsvorrichtung 32 einen Zugspannungssensor für das Kabel 19 oder einen Druckbegrenzer umfasst, so kann diese Vorrichtung auch dafür eingerichtet sein, einen Kopplungsfehler zwischen dem Versorgungsausleger 21 und dem Aufnahmekorb 12 zu detektieren. Das Kopplungsfehlersignal kann dann zum Beispiel an einen speziellen Controller 18 übermittelt werden, der das Aufwickeln des Kabels 19 steuert. Optional stoppt der Controller 18 das Aufwickeln des Kabels 19, wenn der spezielle Detektor detektiert, dass sich der Versorgungsausleger 21 in der Ummantelung befindet.
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Alternativ kann das Aufwickeln des Kabels 19 auch durch einen Bediener ferngesteuert werden.
