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Hintergrund
der Erfindung
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Hubschrauber
sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens
einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen
mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen.
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Kleine
und leichte Hubschrauber gewinnen bei der luftgestützten Beobachtung
(Beobachtung aus der Luft, Gewinnung optischer Informationen von
einem Fluggerät
aus) zunehmend an Bedeutung. Es dominiert die klassische Ausführungsform
mit einem Hauptrotor, vornehmlich zur Auftriebserzeugung, und einem
Heckrotor für
den Drehmomentausgleich.
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Nachteile
dieses Konzepts: Etwa 20 % der Antriebsleistung werden für den Heckrotor
benötigt
und stehen nicht für
den Auftrieb zu Verfügung
(reduzierte Energieeffizienz). Weiterhin ist die Mechanik zur Steuerung relativ
aufwändig
und kompliziert (kollektive u. zyklische Blattverstellung, Stabilisierungssysteme
etc.). Außerdem
verfügen
Hubschrauber dieser Bauart über
eine eher geringe Flugstabilität.
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Bei
der Antriebstechnik von Hubschraubern zur luftgestützten Beobachtung
findet man Brennkraftmaschinen am häufigsten. Der elektrische Antrieb
ist jedoch auf dem Vormarsch. Einige Vorteile: leise, zuverlässig, wetterunabhängiges Betriebsverhalten,
feine Regelbarkeit, geringe Vibrationen. Der Trend zum Elektroantrieb
wird forciert durch die stetige Fortentwicklung elektrischer Energiespeicher,
hin zu immer höherer
Energie- und Leistungsdichte.
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Gleichwohl
ist hier noch lange nicht das Niveau fossiler Brennstoffe erreicht,
weswegen die energetische Effizienz bei der Entwicklung von Elektrohubschraubern
stets eine große
Rolle spielt, um hinreichend lange Flugzeiten und ausreichende Nutzlasten
zu erzielen. Wichtig ist vor allem konsequenter Leichtbau.
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Zur
Gewinnung der Bildinformation werden bei der luftgestützten Beobachtung
Kameras unterschiedlicher Bauart verwendet. Hohe Bildqualität war bisher
mit relativ hohem Gewicht verknüpft,
was den Einsatz in besonders kompakten Hubschraubern verbot. Mit
der fortschreitenden Miniaturisierung der Kameratechnik kann auch
dieses Anwendungsfeld erschlossen werden.
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Die
Praxistauglichkeit von Hubschraubern zur luftgestützten Beobachtung
hängt wesentlich
von der Art der Flugführung
ab. Zwei Ansätze
wurden bisher schwerpunktmäßig verfolgt:
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a) Manuelle Steuerung
auf Sicht (wie Modellhubschrauber)
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Ein
am Boden stehender Pilot sieht und beurteilt Fluglage und Bewegung
des Hubschraubers und steuert das Gerät manuell mit einem Fernsteuersender.
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Vorteile:
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- • Relativ
geringer technischer Aufwand
- • Große Variabilität bei den
Flugbewegungen – schnelle Änderungen
möglich.
Auch plötzlichen
Hindernissen kann ausgewichen werden. Zielverfolgung möglich.
- • Schnelle
Inbetriebnahme (keine Flugplanung an einer Bodenstation)
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Nachteile:
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- • Schwierige
Bedienung
Es ist besonderes fliegerisches Geschick erforderlich,
was den Anwenderkreis dieser Art der Steuerung empfindlich einschränkt. Schwierigkeiten
bereiten vor allem die Erkennung der Fluglage sowie die sinnrichtige
Betätigung
der Steuerfunktionen in den verschiedenen Flugsituationen. Fliegt
der Hubschrauber z. B. auf den Piloten zu, sind "rechts und links vertauscht": Steuert der Pilot
nach rechts, fliegt der Hubschrauber vom Piloten aus gesehen nach
links.
- • Einsatzradius
eng begrenzt
Die Reichweite ist durch die Sichtweite limitiert,
bei der die Fluglage noch sicher erkannt werden kann. Sie beträgt je nach
Größe und Geometrie
des Hubschraubers nur etwa 50 bis mehrere hundert Meter, bei üblichen
Gesamtabmessungen von ca. 0,5 bis ca. 3 m. Eine Unterbrechung der
Sichtverbindung führt
in der Regel nach kurzer Zeit zum Absturz, weil notwendige Steuerkorrekturen
ausbleiben. Für
die luftgestützte Beobachtung
in urbanem Gelände
(zwischen Gebäuden,
Bewuchs) daher nur bedingt geeignet (Sichtverbindung öfter unterbrochen).
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b) Automatische Flugführung
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Der
Flug wird an einer Bodenstation, z. B. einem speziellen Computer,
geplant. Dazu werden typischerweise Wegkoordinaten vorgegeben, die
das Fluggerät
anschließend
ohne manuelle Steuereingriffe automatisch abfliegt.
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Vorteile:
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- • Kein
fliegerisches Geschick erforderlich
- • Funktioniert
auch ohne Sichtverbindung
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Nachteile:
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- • Zeitverlust
bis zum Einsatz durch vorherige Flugplanung
- • Hoher
technischer Aufwand, teuer
- • (Noch)
eher größeren Hubschraubern
vorbehalten (aufwändige,
schwerere Technik benötigt
höhere
Nutzlast)
- • Geringe
Variabilität
bei den Flugbewegungen – keine
schnellen Änderungen
möglich.
Eine neue Flugroute bedarf neuer zeitaufwändiger Eingaben. Hindernissen
ausweichen kaum möglich.
Zu unflexibel für Zielverfolgung.
Für die
luftgestützte
Beobachtung in urbanem Gelände – zwischen
Hindernissen – daher
schlecht geeignet.
- • Mobilität des Bedieners
durch sperrige Bodenstation eingeschränkt.
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Ein
zentrales Problem der luftgestützten
Beobachtung ist die Ausrichtung der Kamera auf das zu beobachtende
Zielobjekt (Szenerie, Gebäude,
Fahrzeug, Mensch etc.). Mit starr am Hubschrauber montierten Kameras
ist die gewünschte
Bildeinstellung oft nicht möglich.
Je nach Flugsituation wünscht
man sich eine andere Kameraausrichtung. Besonders heikel ist die
Verfolgung von bewegten Zielobjekten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, bevorzugt
manuell ferngesteuerten, elektrisch angetriebenen, leicht beherrschbaren
und energieeffizienten Hubschrauber zur luftgestützten Beobachtung anzugeben,
bei dem die Sichtweite nicht limitierend ist, der einen Rundumblick
einschließlich
Blick nach unten ermöglicht
und für
die Beobachtung in urbanem Gelände
geeignet ist, auch für
die Verfolgung bewegter Ziele. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur luftgestützten Beobachtung
bereitzustellen.
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Kurzer Abriss
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst
mit einem unbemannten, funkferngesteuerten, zur luftgestützten Beobachtung
vorgesehenen Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils
wenigstens einem Rotor und wenigstens einem den Rotor antreibenden
Elektromotor, wobei am Hubschrauber wenigstens eine ferngesteuert
schwenkbare Kamera vorgesehen ist, mit einem Sender zur Funkübertragung
der Kamerabilder.
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Die
Schwenkbarkeit einer Kamera kann unterschiedlich gestaltet sein.
Eine Kamera kann vorzugsweise um eine Achse schwenkbar am Hubschrauber
angebracht sein, die näherungsweise
parallel zur Querachse des Hubschraubers liegt. Die optische Achse
einer Kamera (Achse der Kameraoptik, Aufnahmerichtung) kann in einer
Kameraposition im Schwebeflug des Hubschraubers näherungsweise
waagrecht liegen, z. B. für
den Kamerablick nach vorne ("Cockpit-Sicht"). Die optische Achse
kann in einer Kameraposition näherungsweise parallel
zur Längsachse
des Hubschraubers verlaufen. Die Kamera kann bevorzugt derart schwenkbar
ausgeführt
sein, dass die optische Achse in einer Kameraposition nach schräg unten
gerichtet ist, oder auch senkrecht nach unten.
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Bei
der Schwenkbewegung einer Kamera können verschiedene Freiheitsgrade
genutzt werden. Oder auch nur ein einziger.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann eine Kamera eine sogenannte Platinenkamera sein
bzw. eine solche beinhalten. Hier ist die Kameraoptik direkt an
einer (kleinen) Auswerteelektronik (Platine) angeschlossen – eine kompakte
Leichtbauweise.
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Ferner
ist es möglich,
eine Kamera schwingungsisoliert am Hubschrauber zu befestigen, um
beispielsweise Bildunschärfen
durch mechanische Schwingungen zu unterbinden.
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Bei
der Mechanik zum Schwenken einer Kamera gibt es viele Gestaltungsvarianten.
Der Schwenkmechanismus kann ein Rudermaschine enthalten. Die Drehachse
des Abtriebs einer Rudermaschine kann gleichzeitig auch eine Drehachse
einer Schwenkbewegung einer Kamera darstellen. Die Lagerung des
Abtriebs einer Rudermaschine und die Lagerung des Schwenkmechanismus' einer Kamera können identisch
sein. Eine Kamera kann am Abtrieb einer Rudermaschine angebracht
sein.
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Es
können
wenigstens zwei Kameras am Hubschrauber vorgesehen sein. Die optischen
Achsen der beiden Kameras können
näherungsweise
in gleicher Richtung orientiert sein und die Schwenkbewegungen der
beiden Kameras können
gekoppelt sein, z. B. logisch, elektrisch oder mechanisch. Die beiden
Kameras können
ferner in einem Abstand von 5 cm bis 50 cm angeordnet sein, bevorzugt
im Abstand von 7 cm bis 20 cm.
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Zur Übertragung
der Kamerabilder zum Betrachter gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann für
zwei Kameras je ein Sender zur Funkübertragung der Kamerabilder
vorgesehen sein. Damit können
die Bildinformationen für
jede Kamera getrennt zum Boden gelangen, dort getrennt empfangen
und einem Betrachter als dreidimensionales Bild bereitgestellt werden.
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Gewicht
und Größe des Hubschraubers
können
variieren. Bevorzugt ist eine Abflugmasse unter ungefähr 5 kg,
besonders bevorzugt unter ungefähr
1 kg. Die größte Abmessungen
kann vorzugsweise unter ungefähr
1,2 m liegen.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Verfahren zur luftgestützten
Beobachtung mithilfe eines funkferngesteuerten Hubschraubers mit
drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und
wenigstens einem den Rotor antreibenden Elektromotor bereitgestellt.
Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- • Ubertragung
der Kamerabilder per Funk zum Boden;
- • Darstellen
der Kamerabilder mit einem bildgebenden System im Blickfeld eines
Betrachters, z. B. einer speziellen Brille;
- • Anfliegen
eines zu beobachtenden Zielobjekts mithilfe von Kamerabildern; und
- • Ausrichten
wenigstens einer ferngesteuert schwenkbaren Kamera auf ein Zielobjekt
per Fernsteuerung.
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Die
von einem bildgebenden System dargestellten Kamerabilder von zwei
Kameras können
einen dreidimensionalen Bildeindruck beim Betrachter erzeugen.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens können
zwei Kameras gemeinsam auf ein Zielobjekt ausgerichtet werden.
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Das
Verfahren kann in urbaner Umgebung eingesetzt werden, vorzugsweise
in einem Umkreis von ungefähr
1 km.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.
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1 zeigt
eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit zwei Kameras
nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
eine Längsschnittansicht
des Hubschraubers nach 1;
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
von 1;
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4 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
von 2;
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5 zeigt
eine Darstellung wie 4, jedoch mit einer anderen
Kameraposition;
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6 zeigt
eine Darstellung wie 4, jedoch mit einer weiteren
Kameraposition;
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7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
wie 3 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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8 zeigt
einen Betrachter der Kamerabilder.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Für die luftgestützte Beobachtung
gemäß dieser
Patentanmeldung ist eine bestimmte Bauart von Hubschraubern vorgesehen,
nämlich
die mit drei oder mehr Hubeinheiten (sogenannte Mehrrotorenhubschrauber).
Unter Hubeinheit wird die Kombination mindestens eines Rotors mit
mindestens einem den Rotor antreibenden Motor verstanden. Die Hubeinheiten
können
auch andere Komponenten enthalten, z. B. Getriebe oder Drehzahlsteller.
Die Kombination von genau einem Rotor mit genau einem Motor ist
die häufigste
Ausführung einer
Hubeinheit. Die Achsen der Rotoren stehen typischerweise (annähernd) senkrecht.
Die Rotoren dienen vornehmlich der Auftriebserzeugung – daher
der Name Hubeinheit.
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Hervorzuheben
ist der 4-rotorige Hubschrauber, der systembedingte Vorteile hat
und dessen wirtschaftlicher Nutzen zunimmt, forciert durch aktuelle
Entwicklungen verbesserter Techniken zur Stabilisierung der Fluglage,
die sich bei diesem Hubschraubertyp besonders wirkungsvoll umsetzen
lassen. Zu den Vorteilen des 4-Rotoren-Konzepts zählt die
Möglichkeit
einer Steuerung um alle Achsen allein über die Drehzahl von vier starren
Rotoren, also ohne Mechanik außer
drehenden Wellen, insbesondere ohne kollektive und zyklische Rotorblattverstellung
(siehe nachfolgende Tabelle). 4-rotorige Hubschrauber können demnach
mechanisch sehr minimalistisch aufgebaut werden.
- Anmerkung:
Im Beispiel laut Tabelle liegen die 4 Rotoren "auf Achse", im Ausführungsbeispiel nach 1 um 45
Grad versetzt.
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In
der Draufsicht sind die Hubeinheiten von 4-rotorigen Hubschraubern
fast immer an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft an den Ecken
eines Quadrats. Die Achsabstände
sind meist so groß,
dass sich die durch die Rotoren definierten Kreisflächen gerade
nicht überschneiden.
Damit können
die Rotoren auf einer Ebene angeordnet sein, ohne sich zu berühren.
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Aus
Gründen
der aerodynamischen Effizienz sollten die Rotoren eher große Durchmesser
aufweisen (niedrige Kreisflächenbelastung).
Diese Forderung konkurriert mit dem Streben nach kompakten Abmessungen.
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Die 1 und 2 zeigen
einen drehzahlgesteuerten, 4-rotorigen Hubschrauber 1,
der zur Beobachtung aus der Luft in urbanem Gelände geeignet ist. Der Hubschrauber 1 umfasst
insgesamt vier Hubeinheiten 2. Die Hubeinheiten 2 besitzen
jeweils einen im Ausführungsbeispiel
zweiblättrigen
Rotor 3 sowie einen den Rotor antreibenden Elektromotor 4.
Die Hubeinheiten 2 sind an einem Traggerüst 11 befestigt
und durch dieses miteinander verbunden. Das Traggerüst 11 trägt ferner
eine zentrale Steuereinheit 12 und zwei Kameras 5.
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In
der Steuereinheit 12 integriert sind zwei (logisch getrennte)
Sender für
die Funkübertragung
der Kamerabilder zum Boden, ein Empfänger zum Empfang der Fernsteuersignale
vom Boden, Elektronik zur Stabilisierung der Fluglage und zur Ansteuerung
der Hubeinheiten sowie die zentrale Energieversorgung (Akku).
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Die
technischen Daten des Hubschraubers 1 sind wie folgt:
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| Rotordurchmesser: |
380
mm |
| Leistungsbedarf
(Schwebeflug): |
25
W |
| Flugzeit: |
20
min |
| Abflugmasse: |
350
g |
| Abmessungen über alles
(Länge,
Breite): |
800
mm |
| Kameraabstand
s: |
130
mm |
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Bei
den zwei Kameras 5 handelt es sich um Platinenkameras.
Die Kameraoptik ist jeweils direkt an der Platine 6 befestigt
(3), welche die zur Kamera gehörige Elektronik beherbergt.
Eine solche Einheit wiegt nur ca. 20 g, je nach Qualität.
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Die
Platine 6 wiederum ist direkt am Drehabtrieb 8 der
Rudermaschine 7 (Servo) gehaltert.
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Die
Rudermaschinen 7 sind über
die Schwingungsisolierungen 13 am Traggerüst 11 befestigt.
Die Schwingungsisolierungen 13 sind aus einem weichen,
vibrationsdämpfenden
Material gefertigt. Damit werden störende Schwingungen von den
Kameras ferngehalten.
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Mit
Drehung des Abtriebs 8 der Rudermaschine 7 wird
auch die daran befestigte Kamera 5 geschwenkt. Somit ist
die Kamera schwenkbar um eine Achse, die parallel zur Querachse
des Hubschraubers orientiert ist. Die Anordnung erlaubt je nach
Position des Drehabtriebs 8 einen Kamerablick waagrecht
nach vorne, also in Richtung der Längsachse des Hubschraubers
(Cockpit-Sicht, 4), schräg nach unten (5),
oder auch senkrecht nach unten (6). Optional
sind auch andere Kamerapositionen möglich, z. B. Blick nach oben.
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Die
Drehlagerung von Kamera 5 und Abtrieb 8 sind jeweils
identisch. Zur Lagerung der Kamera 5 ist keinerlei Aufwand
erforderlich, weil die Lagerung mit den Rudermaschinen 7 bereits
mitgeliefert wird. Die Lösung
ist mechanisch einfach, reibungsarm und gewichtsgünstig zugleich.
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Mit
den flexiblen elektrischen Leitungen 14 sind die Kameras 5 und
die Rudermaschinen 7 mit der zentralen Steuereinheit 12 elektrisch
verbunden. Die Kabel sind im Innern des Traggerüsts 11 verlegt.
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Der
horizontale Öffnungswinkel
der Kameraoptik beträgt
im Ausführungsbeispiel
40 Grad, der vertikale 30 Grad. Mit diesen Daten wird dem am Boden
befindlichen Betrachter 9 eine realistische Cockpit-Sicht
aus dem Hubschrauber geboten („natürlicher
Bildausschnitt").
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Im
Ausführungsbeispiel
sind zwei Kameras vorhanden, um dem Betrachter 9 (8)
einen dreidimensionalen Eindruck zu vermitteln. Hierzu liegen die
optischen Achsen der zwei Kameras parallel, mit einem Abstand von
130 mm. Die Parallelität
wird auch bei Schwenken der Kameras gewährleistet, weil die Rudermaschinen
synchron bewegt werden. Beide Kameras nehmen somit (fast) das gleiche
Bild auf, allerdings aus einer geringfügig anderen Perspektive. Der
Betrachter 9 trägt
ein bildgebendes System 17 am Kopf. Dem rechten Auge des
Betrachters wird das Bild der rechten Kamera angeboten, dem linken
Auge das der linken Kamera. So entsteht ein dreidimensionaler Bildeindruck
beim Betrachter, mit dem er Entfernungen viel besser einschätzen kann.
Er kann den Hubschrauber sicherer steuern, insbesondere Hindernisse
leichter erkennen und ausweichen.
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Der
im Ausführungsbeispiel
vorgesehene Abstand der beiden Kameras von 130 mm ist etwas größer als
der menschliche Augenabstand. Damit wird der 3D-Effekt gegenüber der
normalen Sicht verstärkt.
Je größer der Kameraabstand, umso leichter können auch
verschiedene, größere Entfernungen
unterschieden werden. Bei zu großem Kameraabstand treten jedoch
in der Nahsicht unangenehme „Verzerrungen" auf – mitunter geht
der 3D-Bildeindruck gänzlich
verloren. 130 mm ist ein günstiger
Wert. Je nach Entfernung der Zielobjekte und je nach Sehgewohnheit
können
jedoch auch andere Werte sinnvoll sein.
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Bei
Verzicht auf dreidimensionales Sehen kann auf die zweite Kamera
verzichtet werden (Gewichts- und Kostenersparnis).
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Optional
kann eine Kamera auch mit einem Gehäuse versehen sein. Das Gehäuse kann
auch mehrere Kameras umgeben. Es können beispielsweise zwei Kameras
zu einer „Stereokamera" zusammengefasst
sein.
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7 zeigt
eine Variante der Kameraschwenkmechanik. Gegenüber der Lösung nach 3 ist
eine Rudermaschine 7 eingespart. Beide Kameras 5 werden
mit einer einzigen Rudermaschine bewegt. Die Kameras 5 mit
den Platinen 6 sind am Rohr 16 befestigt und miteinander
verbunden. Das rechte Ende des Rohrs ist am Abtrieb 8 der
Rudermaschine 7 gehaltert, das linke im Lager 15 drehbar
geführt.
Das Gewicht der kompletten Schwenkmechanik nach 7 beläuft sich
auf 8 g inklusive Rudermaschine (3: 11 g).
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Die
luftgestützte
Beobachtung mit dem vorgestellten System kann wie folgt aussehen:
Der Bediener und Betrachter 9 (8) steuert
das Fluggerät
manuell mit einem Fernsteuersender anhand der Kamerabilder, die
laufend echtzeitnah in das bildgebende System 17 eingespeist
werden. Er sieht die Umgebung des Hubschraubers, als ob er darin
säße. Für den normalen
Flugbetrieb ist die Kamera horizontal ausgerichtet (wie in 4)
oder (leicht) nach unten geneigt (5).
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Weil
die Kamera nicht nach rechts oder links geneigt wird, eben nur um
eine zur Querachse parallelen Achse geschwenkt werden kann, ist
der Bediener stets im Bilde, wo am Hubschrauber vorne liegt, nämlich in Bildmitte.
Damit wird die Steuerung erheblich erleichtert.
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Ein
Steuerbefehl „nach
vorne fliegen" beispielsweise
führt immer
dazu, dass sich der Hubschrauber auf das im Bild dargestellte Zielobjekt
zu bewegt. Steuerbefehl „rechts" führt aus
Sicht des Bedieners stets zu einer Flugbewegung nach „rechts". Bei den anderen
Funktionen ist es analog. Eine „Umkehr" von rechts/links oder vorne/hinten
findet nicht statt.
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Für den Blick
nach rechts und links wird der ganze Hubschrauber um seine Hochachse
gedreht (Gierfunktion). Auf diese Weise kann sich der Bediener jederzeit
einen Rundumblick verschaffen, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Schwenkmechanismus
für die
Kamera erforderlich wäre
(Umsetzung Minimalprinzip durch Funktionskombination).
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Gerade
bei dieser Steuerfunktion kommen die Vorteile des 4-rotorigen Hubschraubers
zum tragen. Die Giertunktion ist entkoppelt von den anderen Steuerfunktionen.
Bei irgendeinem Steuerbefehl (Nicken, Rollen, Gieren oder Auf/Ab)
des Hubschraubers muss kein anderer Steuerbefehl zur Kompensation
von Nebeneffekten ausgelöst
werden. (Beim konventionellen Hubschrauber hingegen sind solche
unerwünschten
Koppelungen bekannt. Beispiel: Auf/Ab verändert Drehmoment – Kompensation
durch Heckrotor erforderlich.) Außerdem hat der 4-rotorige Hubschrauber
keine Vorzugsflugrichtung wie konventionelle Typen. Er kann nach
vorne/hinten, rechts/links gleichermaßen bewegt werden. Damit ist
es möglich,
den Hubschrauber jederzeit in eine solche Position um seine Hochachse
zu drehen, dass die gewünschte
Szenerie im Kamerabild zu sehen ist. Der Hubschrauber kann dabei
an einem Ort fliegend verweilen (Schwebeflug), nach vorne, hinten
oder zur Seite bewegt werden, bei stets neutralem Steuerverhalten,
insbesondere ohne sich selbsttätig
in Flugrichtung nach vorne auszurichten. (Die Neigung „mit der
Nase voraus zu fliegen" kennt
man von herkömmlichen
Hubschraubern. Grund ist die Windfahnenwirkung von Heckausleger
und Heckrotor.)
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Dieses
besondere Flugverhalten von 4-Rotorenhubschraubern bleibt auch bei
Wind erhalten (vorausgesetzt die Anströmgeschwindigkeit am Hubschrauber
liegt unter der Auslegungsfluggeschwindigkeit). Der Schwebeflug
ist bei jeder beliebigen Windrichtung möglich, ohne störenden Momente
um die Hochachse. (Konventionelle Hubschrauber drehen sich mehr
oder weniger in den Wind.) Als Flugmanöver des erfindungsgemäßen Hubschraubers
seien beispielhaft genannt: Verfolgung eines flüchtigen Bankräubers in
der Stadt (Vorwärtsflug). „Abfliegen" der Parkreihen eines
Parkhauses mit Identifikation der Autokennzeichen (Querflug). Umkreisen
eines Zielobjekts, z. B. eines brennenden Gebäudes, das permanent im Bild
bleibt (Querflug mit Drehung).
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Beim
Ausführungsbeispiel
wurde die Schwenkbarkeit der Kamera mit nur einem einzigen Freiheitsgrad
umgesetzt, nämlich
Schwenken um eine querliegende Achse. Mit diesem Freiheitsgrad allein
kann – in Kombination
mit der Gierfunktion des Hubschraubers – die Kamera in jeder möglichen
Fluglage in jede beliebige Richtung gedreht werden (Umsetzung des
Minimalprinzips durch Verzicht auf entbehrliche Freiheitsgrade).
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Gegenüber der
Alternative, mehreren (starr montierte) Kameras für verschiedene
Richtungen zu verwenden, hat das vorgestellte Konzept mit schwenkbaren
Kameras Vorteile bei Kosten und Gewicht.
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Die
Kameras sind schwerpunktnah am Hubschrauber angebracht (wichtig
wegen Massenträgheit,
Gesamtschwerpunkt und Flugverhalten), mit nahezu freier Sicht in
alle relevanten Richtungen. (Nur die Rotorblätter durchkämmen das Bild bei bestimmten
Kamerapositionen.)
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Die
Schwenkbarkeit der Kameras leistet im Flugbetrieb wertvolle Dienste.
Für den
Marschflug (nach vorne) wird man die Kameras vorzugsweise horizontal
nach vorne ausrichten, bei hoher Fluggeschwindigkeit ggf. zur Längsachse
leicht nach oben stellen, um die „Schräglage" des Hubschraubers im Schnellflug zu
kompensieren. Manches Zielobjekt kann nur von oben eingesehen werden,
beispielsweise ein Innenhof zwischen Gebäuden. Hier wird man die Kameras
vorübergehend
in eine senkrechte Position bringen. Eine günstige Kamerastellung für viele
Flugsituationen ist leicht nach unten geneigt. Man sieht im unteren
Bildteil den Untergrund (wichtig bei der Landung) und im oberen
gerade noch den Horizont (hilfreich zur Orientierung).
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Der
Bediener steuert insgesamt 5 Funktionen: Rollen, Nicken, Gieren,
Auf/Ab sowie den Schwenkwinkel der Kamera(s). Diese Funktionen können in
2 Klassen eingeteilt werden:
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- a) Rollen, Nicken und Auf/Ab dienen vornehmlich
der Bewegung des Fluggeräts
im Raum.
- b) Mit Gieren und Schwenkwinkel wird im Raum „optisch
navigiert" und das
jeweilige Zielobjekt fokussiert (Gieren für „rechts-links-scrollen", Schwenkwinkel für „rauf-runter-scrollen).
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass diese 5 Funktionen von einem einzigen
Bediener simultan beherrscht werden können, insbesondere wenn die
beiden Funktionsklassen auf verschiedene Bedienelemente verteilt sind.
Wären weitere
Funktionen implementiert (z. B. weitere Kameraverstellmöglichkeiten)
wäre der
Bediener überfordert,
je nach Flugaufgabe. Die Bedienbarkeit wird entscheidend geprägt von den
Flugeigenschaften und dem Steuerverhalten des Hubschraubers. Mit
4-rotorigen Hubschraubern wurden die besten Ergebnisse erzielt.
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Die
Arbeit des Bedieners kann durch zusätzliche Ausstattung und elektronische
Hilfen (weitergehende Fluglagestabilisierung, GPS, Zoomfunktion
an Kameras etc.) unterstützt
und erleichtert werden.
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Bei
vielen Einsätzen
in urbanem Gelände
darf vom Fluggerät
selbst keine Gefahr ausgehen, weder für Personen, noch für Sachen
(Fahrzeuge, Gebäude etc.).
Auch in diesem Punkt besticht der in den Ausführungsbeispielen vorgestellte
Hubschrauber. Die kinetische Energie bei einem Absturz ist klein,
wegen des niedrigen Abfluggewichts von nur 350 g.
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Auch
beim Gefährdungspotenzial
durch die drehenden Rotoren hat das vorgestellte Konzept Vorteile. 4
kleine Rotoren sind weniger gefährlich
als ein großer
wie beim konventionellen Hubschrauber. Die jeweilige Antriebsleistung
(hier ca. 6 W) ist viel kleiner und die Rotoren sind viel leichter
(hier ca. 7 g). Beides zusammen bewirkt, dass die Rotoren ohne ernsthafte
Verletzungen mit der Hand angehalten werden können. (Beim konventionellen
Hubschrauber hingegen geht eine erhebliche Gefahr vom Hauptrotor
aus. Rotormasse und Massenträgheitsmoment
steigen überproportional
mit dem Durchmesser an. Hinzu kommt, dass konventionelle Rotoren
oft ganz gezielt mit höherem
Massenträgheitsmoment
konzipiert werden, um die Autorotationseigenschaften zu verbessern.
Manchmal werden sogar zusätzliche
Gewichte angebracht.) Das Gefährdungspotenzial
beim erfindungsgemäßen Hubschrauber
kann durch Kollisionsschutzsysteme weiter reduziert werden (z. B.
mit am Traggerüst
gehalterten Schutzringen oder Schutzbügeln an den Rotoren).
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Fazit:
Der erfindungsgemäße Mehrrotorenhubschrauber
mit ferngesteuert schwenkbarer Kamera erfüllt die Anforderungen an ein
Fluggerät
zur Gewinnung optischer Informationen aus der Luft in idealer Weise. Rundumsicht
ist nach allen Richtungen und in jeder Flugsituation möglich. Der
Hubschrauber ist gut beherrschbar, leicht, energieeffizient, preiswert,
zuverlässig,
leise und ungefährlich.
Er ist universell verwendbar, auch in urbanem Gebiet, auf engstem
Raum, zwischen Hindernissen, über
Menschenmengen und im Innern von Gebäuden. Bewegte Zielobjekte können verfolgt
werden.
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- 1
- Hubschrauber
- 2
- Hubeinheit
- 3
- Rotor
- 4
- Elektromotor
- 5
- Kamera
- 6
- Platine
- 7
- Rudermaschine
- 8
- Abtrieb
- 9
- Betrachter
- 11
- Traggerüst
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Schwingungsisolierung
- 14
- elektrische
Leitung
- 15
- Lager
- 16
- Rohr
- 17
- bildgebendes
System
