DE202013008284U1

DE202013008284U1 - UL quadrocopter with central rotor control and rotor composite drive

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Publication number: DE202013008284U1
Application number: DE202013008284U
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Priority date: 2013-09-14
Filing date: 2013-09-14
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-09-15

Abstract

UL-Quadrocopter mit Zentralrotorsteuerung und Rotorverbundantrieb dadurch gekennzeichnet, dass dieser entgegen klassischer Ausführungen keine um den Fluggeräterumpf diametral aufgeteilte Vierfachanordnung erhält, sondern nur von drei um 120 Grad versetzt angeordneten Rotoren (2, 3 und 4) umgeben ist. Der Rotor 1 ist von wesentlich größerem Druchmesser, so dass er das Gesamtgewicht tragen kann in zweiter Ebene oberhalb dieser Dreiergruppe und dem Schwerpunktzentrum angelenkt und ist über den Steuerknüppel in Längs- und Querrichtung schwenkbar ausgelegt.UL quadrocopter with central rotor control and rotor composite drive, characterized in that this is contrary to classical versions no diametrically divided around the aircraft sump quadruple arrangement receives, but only by three offset by 120 degrees arranged rotors (2, 3 and 4) is surrounded. The rotor 1 is of significantly larger diameter, so that he can carry the total weight articulated in the second plane above this group of three and the center of gravity and is designed to pivot over the joystick in the longitudinal and transverse directions.

Description

Der beschriebene Vorschlag betrifft den unkonventionellen Aufbau von personentragenden Quadrokoptern, insbesondere solche mit Antrieb durch Verbrennungsmotoren. Durch die dabei gewählte Rotortechnik und -anordnung mit unterschiedlicher Aufgabenzuordnung sind diese sehr einfach zu steuern. Darüber hinaus fallen hier die sonst vielen aufwendigen technischen Steuer- und Übertragungselemente klassischer Helikopter weg.The proposal described relates to the unconventional structure of personal carrying quadrocopter, especially those powered by internal combustion engines. Due to the selected rotor technology and arrangement with different task assignment, these are very easy to control. In addition, fall away the otherwise many complex technical control and transmission elements of classic helicopters here.

Quadro- und Multikopter wurden bisher fast nur als unbemannte Modelle mit Elektroantrieb für z. B. Foto- und Polizeieinsätze sowie als Drohnen im Militärbereich eingesetzt. Entscheidend dafür ist die Tatsache, dass bei diesen kleinen Geräten die gesamte Fluglagen- und Richtungssteuerung einfach nur über die gezielt differenzierte Leistungsregulierung der vier diametral um das Rumpfgerüst angeordneten Rotordirektantriebe erfolgen kann und elektronisch leicht stabilisierbar ist. Ein fundamentaler Nachteil dieses einfachen Systems ist allerdings, dass bei Ausfall nur eines Motors das Gerät unkontrollierbar wird und deshalb abstürzt. Zur Lösung dieses Problems wurde die Anzahl der Motoren und Rotoren erhöht, es entstand der Multikopter mit Sicherheitsreserven. So wird es im Patent US 7699260 beschrieben. Darüber hinaus gibt es die Patentanmeldung LT 2012007-en.pdf zu einer erweiterten aktiven und automatisch wirkenden Sicherheitsbeeinflussungsmöglichkeit bei Ausfallsituationen von Rotorantrieben. Gegenwärtig sind personentragende Multikopter mit 16 Rotoren und E-Antrieb in der Entwicklung bzw. im Erprobungsstadium, wie z. B. der Volokopter. Der Schwachpunkt dabei sind z. Z. noch, genau wie beim Elektroauto, die fehlenden geeigneten Energiespeicher. So sind z. B. mit dem Erprobungsmuster mit 16 Motoren und Propeller maximale Flugzeiten von 10 bis 30 Minuten je nach Zuladung und Batteriekapazität möglich. Zu bedenken ist hierbei auch, dass im Flugzustand bei einem solchen System die Lagestabilisierung und die Steuerung durch eine komplexe Elektronik gewährleistet werden muß und dies auch bei elektromagnetischen Schocksituationen, z. B. durch Blitzentladungen bei hoher Luftelektrizität. Es gab aber auch eine Quadrokopterentwicklung mit Verbrennungsmotor, der WGM-21, nach Patentschrift Nr. 1225966. Daran war eine einfache Mehrmotorensteuertechnik, wie bei den Elektromultikoptern, über die Drehzahlveränderungen einzelner Rotoren nicht möglich, da Verbrennungsmotoren dabei viel zu träge auf die erforderlichen Leistungskorrekturen reagieren. Deshalb wurde dieses Einmotorengerät zur Höhensteuerung über Anstellwinkelveränderungen des Gesamtrotorsystems und die Fluglage- und -richtung über die der jeweils einzeln in Frage kommenden Rotoren gewährleistet. Dies ist eine grundsätzlich mögliche Lösung, die jedoch mit erheblichem technischen und somit auch permanent wartungsintensiven Aufwand zur Aufrechterhaltung der Flugsicherheit verbunden ist.Quadro and multicopter have been almost exclusively used as unmanned models with electric drive for z. B. Photo and police missions and used as drones in the military sector. Crucial for this is the fact that in these small devices, the entire attitude and direction control can be done simply on the targeted differentiated power regulation of the four diametrically arranged around the fuselage rotor direct drives and is easily stabilized electronically. A fundamental disadvantage of this simple system, however, is that if one motor fails, the device becomes uncontrollable and therefore crashes. To solve this problem, the number of motors and rotors was increased, it was the multicopter with safety reserves. This is what the patent says US 7699260 described. In addition, there is the patent application LT 2012007-en.pdf to an extended active and automatically acting security influencing possibility in case of failure situations of rotor drives. At present, personal carrying multicopters with 16 rotors and electric drive are in development or in the testing stage, such. B. the Volocopter. The weak point are z. Z. still, just like the electric car, the lack of suitable energy storage. So z. B. with the test pattern with 16 engines and propeller maximum flight times of 10 to 30 minutes depending on the payload and battery capacity possible. It should also be borne in mind that, in the flight state, the position stabilization and the control by complex electronics must be ensured in such a system and this is also the case in electromagnetic shock situations, eg. B. by lightning discharges at high air electricity. However, there was also a Quadrokopterentwicklung with internal combustion engine, the WGM-21, according to Patent No. 1225966. This was a simple multi-engine control technology, as in the electric multicopters, on the speed changes of individual rotors not possible because internal combustion engines react much too slow to the required power corrections , Therefore, this single-engine device was provided for height control over pitch changes of the overall rotor system and the attitude and direction over the each individually eligible rotors. This is a fundamentally possible solution, but with considerable technical and thus permanently maintenance-intensive effort to maintain the flight safety is connected.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen personentragenden Quadrokopter zu schaffen, der die Vorteile dieser Fluggeräteart auch mit Verbrennungsmotoren, nämlich u. a. den wesentlich besseren Wirkungsgrad als klassische Helikopter, da hierbei mehr Antriebsenergie in Auftrieb umgesetzt wird, nutzt. Zudem werden damit bei weniger steuermechanischem Aufwand und somit weniger möglichen Störquellen gute Flugstabilität bei einfachem Steuerverhalten erreicht. Überdies ist damit, was bei bisherigen Quadrocoptern nicht möglich war, die Voraussetzung einer Autorotation für etwaige Notlandungen gegeben.The protection specified in claim 1 invention is based on the problem of creating a person-wearing quadrocopter, the benefits of this type of aircraft also with internal combustion engines, namely u. a. the much better efficiency than classic helicopters, since this more drive energy is converted into buoyancy uses. In addition, with less control mechanical effort and thus less possible sources of interference good flight stability with simple control behavior can be achieved. Moreover, what is not possible with previous quadrocopters is the requirement of autorotation for possible emergency landings.

Dieses Problem nach Anspruch 1 wird dadurch gelöst, indem das vorgeschlagene Gerät als Quadrocopter eine dafür unkonventionelle Rotorkonstellation in zwei Ebenen mit einem Verbundantrieb erhält. Ein mittig angeordneter oberer Rotor (1) wird von den Rotoren (2, 3 und 4) in einer unteren Ebene und in einem Umkreis von jeweils 120 Grad umgeben, wobei Rotor (4) in Längsrichtung hinten angeordnet ist. Dabei ist Rotor (1) mit einem wesentlich größeren Durchmesser als die weiteren Rotoren des Rotorverbundes (2, 3 und 4) als zentrales Auftriebs- und Steuerelement oberhalb des Schwerpunktzentrums dieser Gerätekonstruktion am dort befinlichen Ende eines abgestrebten Rotormastes (5) über eine an sich bekannte Rotor-Kopf-Kipp-Steuereinheit (6) mit integriertem Rotorendgetriebe (7) mit Freilauf (7a), wie sie ähnlich für Tragschraubervorbeschleuniger bzw. auch an einigen klassischen Minihelicoptern allgemein zur Anwendung kommen, angelenkt. Hier ist dieser Rotorendtrieb allerdings in einem Getriebegehäuse mit Ölbadfüllung untergebracht. Dieser über den Steuerknüppel um die Längs- und Querachse schwenkbar ausgelegte Rotor (1) ist nur mit einer kollektiven Blattwinkelverstellung mit zwei rastbaren Fixstellung durch die Rotorachse ausgestattet. Der Auftrieb wird nur über die Motorleistung gesteuert, dafür gibt es den Hubschraubermodus mit dementsprechenden maximalen Einstellwinkel und für Ausfallsituationen, aber auch zum schnelleren Hochfahren des Rotors in der Startphase, die Autorotationsstellung mit Niedrigeinstellwinkel. Die Antriebsenergiezuführung zu diesem oberen Rotor (1) erfolgt von unten über eine hinter dem Rotormast befindliche Gelenkwelle (8) mit Schiebestück (8b) und dem anschließenden Rotorkopfendtrieb (7), in dem außer der erforderlichen Drehzahlübersetzung, eine Drehrichtungsumkehr für den Rotor erfolgt. Die Gelenkwelle ist unten direkt oder über einen Kettenverteilertrieb (9) mit der Antriebseinheit je nach Geräteausstattung, bestehend aus einem oder zwei Verbrennungsmotoren (10 und 11) mit Fliehkraftkupplungen, verbunden. In dem Motorabtrieb sind zudem die Rotoren (2, 3 und 4) bei einem rein mechanischen Rotorverbund über Ketten- oder Riementriebe (12) kraftschlüssig mit eingebunden. Diese peripheren Rotoren (2, 3 und 4) bestehen aus leichten Karbonluftschrauben von etwa je 1.2 m Durchmesser. Die Rotoren (2, 3) sind mit einem gewissen Höhenabstand über der frontalen Querachse mit den Vorderrädern des t-förmig ausgelegten Fahrgestelles (13) des Gerätes und der Rotor (4) an dessen Kielrohrende über den lenkbaren Spornrad angeordnet. In diesen vorhandenen Zwischenräumen unter den Rotoren und dem Fahrwerksgestell sind Strahlruder (14) in Längsrichtung installiert, die vom Pilotensitz aus über Fußpedale bedient werden können. Diese Ruder dienen zur Hochachsensteuerung und der Drehmomentenrestkompensation, wobei die Ruderausschläge unter den vorderen Rotoren (2, 3) entgegengesetzt zu dem unter dem hinteren Rotor (4) erfolgen. Alternativ dazu können diese drei Strahlruder auch parallel mit Zwischenräumen nur unter dem Rotor 4) angeordnet sein. Unabhängig von dem Strahlrudersystem ist über dem Rotor (4) eine ungedämpft arbeitende Leitwerksflosse für die Hochachsensteuerung angebracht. Diese ist mechanisch mit in die Strahlrudersteuerung eingebunden und unterstützt insbesondere bei evtl. Autorotationsnotlandungen die Richtungshaltung- und -steuerung.This problem is solved according to claim 1, by the proposed device as Quadrocopter receives a unconventional rotor constellation in two levels with a compound drive. A centrally located upper rotor ( 1 ) is from the rotors ( 2 . 3 and 4 ) are surrounded in a lower plane and within a radius of 120 degrees, wherein rotor ( 4 ) is arranged in the longitudinal direction behind. Where rotor ( 1 ) with a substantially larger diameter than the other rotors of the rotor assembly ( 2 . 3 and 4 ) as a central buoyancy and control element above the center of gravity of this device construction at the end of an aimed rotor mast (see FIG. 5 ) via a per se known rotor head tilt control unit ( 6 ) with integrated rotor end gear ( 7 ) with freewheel ( 7a ), as they are similarly used for gyroplane pre-accelerator or on some classic mini helicopters commonly used. Here, however, this rotor drive is housed in a gear housing with Ölbadfüllung. This rotor is rotatable about the longitudinal and transverse axis via the control stick ( 1 ) is only equipped with a collective blade angle adjustment with two lockable fixed position by the rotor axis. The lift is controlled only by the engine power, there is the helicopter mode with corresponding maximum adjustment angle and for failure situations, but also for faster startup of the rotor in the start phase, the Autorotationsstellung with low setting. The drive power supply to this upper rotor ( 1 ) takes place from below via a drive shaft located behind the rotor mast ( 8th ) with sliding piece ( 8b ) and the subsequent rotor head end drive ( 7 ), in which in addition to the required speed ratio, a reversal of the direction of rotation of the rotor. The PTO shaft is at the bottom directly or via a chain distributor drive ( 9 ) with the drive unit depending on the equipment, consisting of one or two combustion engines ( 10 and 11 ) with centrifugal clutches connected. In the engine output are also the rotors ( 2 . 3 and 4 ) in a purely mechanical Rotor assembly via chain or belt drives ( 12 ) positively integrated with. These peripheral rotors ( 2 . 3 and 4 ) consist of light carbon propellers of about 1.2 m in diameter. The rotors ( 2 . 3 ) are at a certain height distance above the frontal transverse axis with the front wheels of the T-shaped chassis ( 13 ) of the device and the rotor ( 4 ) is arranged at the keel tube end over the steerable tail wheel. In these existing spaces under the rotors and the chassis frame are thrusters ( 14 ) installed in the longitudinal direction, which can be operated from the pilot's seat via foot pedals. These rudders are used for the Hochachsensteuerung and the torque compensation, the rudder deflections under the front rotors ( 2 . 3 ) opposite to that under the rear rotor ( 4 ) respectively. Alternatively, these three thrusters can also be parallel with spaces only under the rotor 4 ) can be arranged. Regardless of the thruster system is above the rotor ( 4 ) mounted an undamped tail fin for the high-axis control. This is mechanically integrated into the thruster control and supports in particular in case of emergency car emergency landing direction control.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rotorverbundsystems ist die Anwendung eines seriellen Hybridantriebes für die peripheren Rotoren. Von der Triebwerkseinheit wird dabei außer dem Zentralrotor, unter Wegfall aller Sekundärketten- oder Riemenantriebe (12), auch ein Syncrongenerator angetrieben, welcher die drei Motoren von ca. je 10 kW-Antriebsleistung für die Sekundärrotoren speist. Abgesehen von der Minimierung mechanischer verschleißbehafteter Übertragungselemente ergeben sich damit große Möglichkeiten, das Steuerverhalten und die Flugstabilität durch Einbindung von Steuerelektronik wesentlich zu optimieren. Eine Ausführungsgestaltung nach Anspruch 1 wird anhand der 1 und 2 aufgezeigt.An advantageous embodiment of the rotor composite system is the application of a serial hybrid drive for the peripheral rotors. Of the engine unit is doing except the central rotor, omitting all secondary chain or belt drives ( 12 ), also driven by a Syncrongenerator, which feeds the three motors of approximately 10 kW drive power for the secondary rotors. Apart from the minimization of mechanical wear-related transmission elements, this results in great opportunities to optimize the control behavior and flight stability by integrating control electronics significantly. An embodiment according to claim 1 is based on the 1 and 2 demonstrated.

In der 1 ist die für Quadrocopter unkonventionelle Rotoranordnung in der Draufsicht von oben auf das Gerät dargestellt und zeigt den Verbundantrieb der vier Rotoren.In the 1 is the unconventional for Quadrocopter rotor assembly in plan view from above the device shown and shows the compound drive of the four rotors.

In 2 ist eine Detailansicht der Antriebszuführung zu den steuerbaren Zentralrotor (1) dargestellt.In 2 is a detailed view of the drive input to the controllable central rotor ( 1 ).

Mit der aufgezeigten Geräteausführung steht ein UL-Quadrocopter zur Verfügung, der durch die Einbindung eines Rotors größeren Durchmessers schwenkbar und im Mittelpunkt der restlichen drei Rotoren angeordnet ist, welcher in Ausfallsituationen Autorotationslandungen ermöglicht. Die drei restlichen Rotoren sind dabei durch den Freilauf im Rotorendtrieb entkoppelt. Zudem ist er leicht fliegbar, da über die äußeren kleinen drei entgegengesetzt drehenden Rotoren einen automatischen groben Drehmomentenausgleich erfährt, welcher überdies leicht über die Hochachsensteuerung durch die Strahlruder beeinflussbar ist. Für die Richtungshaltung- und -steuerung wird bei diesem Gerätekonzept wenig Antriebsenergie benötigt, da diese nur durch Auftriebsablenkung erfolgt.With the shown device version, a UL quadrocopter is available, which is pivotally arranged by the integration of a rotor of larger diameter and in the center of the remaining three rotors, which allows in case of failure autorotation landings. The three remaining rotors are decoupled by the freewheel in the rotor drive. In addition, it is easily flyable, as learns about the outer small three oppositely rotating rotors an automatic coarse torque compensation, which is also easily influenced by the high-axis control by the thruster. For the directional attitude and control little drive energy is required in this device concept, as this is done only by Auftriebsablenkung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7699260 [0002]
LT 2012007 [0002]

Claims

UL quadrocopter with central rotor control and rotor assembly drive characterized in that this receives contrary to classic designs no diametrically divided around the aircraft sump quad assembly, but only by three offset by 120 degrees rotors arranged ( 2 . 3 and 4 ) is surrounded. The rotor 1 is of significantly larger diameter, so that he can carry the total weight articulated in the second level above this group of three and the center of gravity and is designed to pivot over the joystick in the longitudinal and transverse directions.

UL quadrocopter with central rotor control and rotor composite drive according to claim 1, characterized in that rotor 1 as a controllable central rotor over a certain speed graduation and a reversal of the direction of rotation by the rotor end drive ( 9 ) frictionally in a rotational direction via a freewheel with the rotors ( 2 . 3 and 4 ) and the engine is coupled. The blade pitch is designed in a known manner collectively adjustable pitch lever with two Endlagenverriegelungen for helicopter or Autorotationsmodus.

UL quadrocopter with central rotor control and rotor composite drive according to claim 1, characterized in that the rotors ( 2 . 3 and 4 ) small diameter of light propeller with fixed angle, which are opposite to the direction of rotation of the rotor 1 operate. The drive assembly with the engine and the central rotor takes place either in mechanical design via Senkundärketten or belt drive ( 12 ) or in a hybrid version via a serial electric transmission, consisting of an engine-mounted syncronous generator connected to the three rotor drive motors.

UL quadrocopter with central rotor control and rotor composite drive according to claim 1, characterized in that under the rotors ( 2 . 3 and 4 ), which should be sheathed, thruster ( 14 ) or in a parallel arrangement with sufficient lateral spacing as a compact system under the rotor ( 4 ) are pivotable.