DE102005010336B4

DE102005010336B4 - Speed controlled helicopter

Info

Publication number: DE102005010336B4
Application number: DE102005010336A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dolch
Original assignee: Dolch Stefan Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Dolch Stefan Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2004-11-06
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: WO2006048205A1; DE102005010336A1

Abstract

Drehzahlgesteuerter Hubschrauber (10), der drei oder mehr Hubeinheiten (12) mit jeweils wenigstens einem Rotor (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubschrauber ferner wenigstens einen den Rotor (14) antreibenden, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (16) umfasst, dass für wenigstens eine der Hubeinheiten (12) wenigstens ein Sensor (22) zur Erfassung der Drehbewegung einer rotierenden Komponente (30) der Hubeinheit (12) vorgesehen ist, und dass wenigstens ein Drehzahlsteller (24) zur Ansteuerung wenigstens eines der Gleichstrommotoren (16) unter Berücksichtigung des Sensorsignals vorgesehen ist, wobei der Drehzahlsteller (24) eine Ansteuerfrequenz von mehr als 50 Hz verwirklicht.Speed-controlled Helicopter (10), which has three or more lifting units (12) each at least one rotor (14), characterized in that the helicopter further comprises at least one rotor (14) driving, electronically commutated DC motor (16) includes that for at least one of the lifting units (12) at least one sensor (22) for detection the rotational movement of a rotating component (30) of the lifting unit (12) is provided, and that at least one speed controller (24) for controlling at least one of the DC motors (16) below Consideration of the Sensor signal is provided, wherein the speed controller (24) a Drive frequency of more than 50 Hz realized.

Description

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Hubschrauber sind Drehflügler-Fluggeräte, mit wenigstens einem motorisch angetriebenen Rotor. Hubschrauber gibt es in zahlreichen Ausführungsformen.helicopter are rotorcraft aircraft, with at least one motor-driven rotor. Helicopter gives it in numerous embodiments.

Am meisten verbreitet sind solche mit einem Hauptrotor vornehmlich zur Auftriebserzeugung (Hubrotor) und einem Heckrotor zum Drehmomentausgleich des Hauptrotors. Anstelle des Heckrotors findet man auch steuerbare Düsen, bei denen die Rückstoßkraft eines Gasstrahls für den Ausgleich des Drehmoments genutzt wird. Beide Lösungen, das Drehmoment des Hauptrotors zu kompensieren, haben einen Nachteil: Der Drehmomentausgleich kostet Energie, die nicht für die Auftriebserzeugung genutzt wird. Je nach Auslegung müssen hierfür ungefähr 20 % der gesamte Antriebsleistung aufgewendet werden.At the Most common are those with a main rotor primarily for lift generation (lifting rotor) and a tail rotor for torque compensation of the main rotor. Instead of the tail rotor one finds also controllable nozzles, where the repulsive force of a Gas jet for the compensation of the torque is used. Both solutions, To compensate for the torque of the main rotor, have a disadvantage: The torque compensation costs energy, not for the lift generation is being used. Depending on the design, this requires about 20% of the total drive power be spent.

Daneben findet man Hubschraubertypen mit mehreren Rotoren zur Auftriebserzeugung. Von denen haben vor allem Hubschrauber mit zwei gegenläufigen Rotoren Bedeutung erlangt. Diese sind dann entweder nebeneinander (kämmend oder weiter auseinander), koaxial übereinander oder hintereinander (Tandemhubschrauber) angeordnet.Besides One finds helicopter types with several rotors for the lift generation. Most of them have helicopters with two counter-rotating rotors Gained importance. These are then either side by side (combing or further apart), coaxial one above the other or consecutively (tandem helicopter) arranged.

Seltener sind Hubschrauber mit drei und mehr Hubrotoren. Besondere Beachtung verdient hier der 4-rotorige Hubschrauber, weil er systembedingte Vorteile hat. Der 4-rotorige Hubschrauber ist vor allem mit Elektroantrieb wirtschaftlich interessant. Bis auf ganz wenige Ausnahmen sind die vier Hubrotoren in der Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft sogar an den Ecken eines Quadrats. Die Achsabstände der Rotoren sind typischerweise so groß, dass sich die von den Rotoren definierten Kreisflächen in der Draufsicht nicht überschneiden. Eine Ausnahme wird im deutschen Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 016 509.0 beschrieben. Der Drehmomentausgleich wird meist dadurch erreicht, dass ein diagonal gegenüberliegendes Rotorpaar in die eine Richtung dreht und das andere in die entgegengesetzte Richtung. Davon abweichend wurde im deutschen Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 010 057.6 der Drehmomentausgleich durch schräggestellte Rotorachsen vorgeschlagen, bei voller Steuerbarkeit um alle Achsen.Less common are helicopters with three or more lifting rotors. Special attention here the 4-rotor helicopter deserves because it is systemic Has advantages. The 4-rotor helicopter is mainly with electric drive economically interesting. With a few exceptions, the four lifting rotors arranged in plan view at the corners of a quadrangle, often even at the corners of a square. The center distances of the rotors are typically so big that the circular surfaces defined by the rotors are in do not overlap the top view. An exception is in the German utility model no. 20 2004 016 509.0 described. The torque compensation is usually achieved by that one diagonally opposite Rotor pair turns in one direction and the other in the opposite direction Direction. Deviating from this, in German utility model no. 20 2004 010 057.6 the torque compensation by tilted Rotor axes proposed, with full controllability around all axes.

Typischerweise ist jeder Rotor mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet. Die Steuerung des Fluggeräts um alle Achsen (Hoch-, Längs- und Querachse) ist dann allein durch Drehzahländerungen der Antriebe möglich. Voraussetzung für dieses Steuerprinzip ist, dass jeder Motor einzeln angesteuert wird. Mit der Drehzahl ändern sich Rotorschub und -drehmoment. Diese Kräfte und Momente wirken auf das Fluggerät ein und verändern dessen Lage im Raum. Bei Bewegungen um die Längs- und Querachse ändert sich die Richtung der resultierenden Auftriebskraft. Damit wiederum wird das Gerät in eine Raumrichtung beschleunigt oder verzögert. Drehungen um die Hochachse werden durch unausgeglichene Drehmomente um die Hochachse erzeugt.typically, Each rotor is equipped with its own drive. The control of the aircraft at all Axles (vertical, longitudinal and transverse axis) is then possible only by speed changes of the drives. requirement for this Control principle is that each motor is controlled individually. With change the speed Rotor thrust and torque. These forces and moments work the aircraft and change its location in the room. When moving around the longitudinal and transverse axis changes the direction of the resulting buoyancy. This will turn the device accelerated or decelerated in a spatial direction. Spins around the vertical axis are generated by unbalanced torques around the vertical axis.

Die folgende Tabelle zeigt das Funktionsprinzip eines 4-rotorigen Hubschraubers im Detail:

The following table shows the functional principle of a 4-rotor helicopter in detail:

Die Steuerung von Mehrrotorenhubschraubern – der Begriff wird hier verwendet für Hubschrauber mit drei und mehr Rotoren – allein über die Drehzahl der Rotoren bedarf nicht zwangsläufig genau vier Rotoren. Damit die Steuerfunktionen Nicken, Rollen und Gieren getrennt voneinander gesteuert werden können, sind mindestens vier Rotoren erforderlich. Wenn man jedoch darauf verzichtet Rollen und Gieren getrennt zu steuern, reichen drei Rotoren.The control of multi-rotor helicopters - the term is used here for helicopters with three or more rotors - just about the speed of the rotors does not necessarily require exactly four rotors. To control the pitch, roll and yaw control functions separately, at least four rotors are required. However, if one refrains from controlling roles and yaw separately, three rotors suffice.

Das Steuerprinzip eines 3-rotorigen Hubschraubers (mit Windfahne am Heck) ergibt sich aus der folgenden Tabelle:

The control principle of a 3-rotor helicopter (with wind vane at the rear) is shown in the following table:

Bei Mehrrotorenhubschraubern, deren Rotoren von getrennten Motoren mit Drehzahlsteuerung angetrieben werden, kann auf die sonst übliche Steuerungsmechanik (kollektive und zyklische Rotorblattverstellung, Klappen im Rotorstrahl, etc.) verzichtet werden. Mechanisch bewegte Teile sind auf drehende Antriebe beschränkt. Das Fluggerät wird dadurch einfach und robust im Aufbau. Die Nachteile der sonst üblichen Mechanik (viele Teile, Verschleiß, aufwändige Einstellarbeiten, etc.) entfallen.at Mehrrotorenhubschraubern whose rotors of separate engines with Speed control can be driven on the usual control mechanism (collective and cyclic rotor blade adjustment, flaps in the rotor jet, etc.) are waived. Mechanically moving parts are turning on Drives limited. The aircraft This makes it simple and robust in construction. The disadvantages of the usual Mechanics (many parts, wear, elaborate adjustments, etc.) omitted.

Wegen der im Vergleich zu fossilen Brennstoffen niedrigeren Energiedichte elektrischer Energiespeicher, z. T. auch wegen der Kosten, sind elektrisch angetriebene Hubschrauber derzeit hauptsächlich für kleine Baugrößen (Flugmodelle, Mikrodrohnen, fliegende Kameraträger, etc.) interessant. Beim elektrisch angetriebenen Hubschrauber kommt es daher auch auf Energieeffizienz an, um eine ausreichend lange Flugzeit und hinreichend hohe Nutzlast bei nicht zu großem Rotordurchmesser zu erzielen.Because of the lower energy density compared to fossil fuels electrical energy storage, z. T. also because of the costs are electrically driven helicopters currently mainly for small sizes (model aircraft, Micro drones, flying camera carriers, etc.) interesting. When electrically powered helicopter comes It therefore also depends on energy efficiency to last a sufficiently long time Flight time and sufficiently high payload with not too large rotor diameter to achieve.

Die Drehzahlsteuerung kompakter Mehrrotorenhubschraubern ist kein triviales Problem und gewinnt mit abnehmender Baugröße an Bedeutung. Ohne zusätzliche Stabilisierungstechnik ist in der Regel kein kontrollierter Flug möglich. Hintergrund ist die fast immer fehlende Flugstabilität, oft gepaart mit zu geringer Massenträgheit. Anhand von Modellhubschraubern mit drei und vier Rotoren wurde gezeigt, dass die menschliche Reaktion ohne Stabilisierungsmaßnahmen nicht ausreicht, das Fluggerät manuell gesteuert sicher zu beherrschen, nicht einmal für Sekun den. Das Gerät kippt so schnell ab, dass der Pilot nicht mehr rechtzeitig eingreifen kann.The Speed control of compact multi-rotor helicopters is not trivial Problem and wins with decreasing size in importance. Without additional Stabilization technology is usually not a controlled flight possible. Background is the almost always missing flight stability, often paired with too low inertia. Using model helicopters with three and four rotors, it was shown that human reaction without stabilization measures insufficient, the aircraft controlled by hand, not even for seconds. The device tilts so fast that the pilot does not intervene in time can.

Abhilfe schaffen gezielte Maßnahmen zur Stabilisierung der Fluglage. Bewährt haben sich spezielle Sensoren, die die Drehbewegung des Fluggeräts erfassen, sogenannte Kreisel- oder Gyros-Sensoren. Deren Signale werden in einer Elektronik erfasst, weiterverarbeitet und Drehzahlstellern der entsprechenden Motoren zugeführt. Das alles geschieht in Bruchteilen einer Sekunde.remedy create targeted measures to stabilize the attitude. Proven have special sensors, the rotational movement of the aircraft capture, so-called gyro or gyros sensors. Their signals are recorded in an electronic system, further processed and speed controllers supplied to the corresponding motors. It all happens in fractions of a second.

Um eine noch bessere Stabilisierung der Fluglage von Mehrrotorenhubschraubern zu gewährleisten, gibt es Ansätze, neben der rotatorischen auch die translatorische Bewegung in allen drei Raumrichtungen zu erfassen und signaltechnisch zu verarbeiten. Hierzu wird eine Sensorik zur Erfassung aller sechs Freiheitsgrade im Raum verwendet.Around an even better stabilization of the attitude of Mehrrotorenhubschraubern to guarantee it approaches, in addition to the rotatory and the translational movement in all to capture three spatial directions and to process them by signal technology. For this purpose, a sensor for detecting all six degrees of freedom used in the room.

Trotz erheblicher Anstrengungen auch namhafter Unternehmen ist es bisher nicht gelungen, die Fluglage insbesondere von kleinen Mehrrotorenhubschraubern so zu stabilisieren, dass das Gerät ohne Steuereingriff längere Zeit in der Luft an einer Stelle stehen bleibt. Dieser selbststabilisierte Schwebeflug ist jedoch Voraussetzung für zahlreiche Anwendungen. Außerdem ist er die Grundlage für eine automatische Flugführung (z. B. Flug nach vorgegebenen Raumkoordinaten) oder eine autonome Flugführung (z. B. Gerät sucht selbsttätig Flugbahn zwischen Hindernissen).Despite considerable efforts even well-known companies, it has not been able to stabilize the attitude of small multi-rotor helicopters in particular so that the device without tax handle for a long time in the air at one point stops. However, this self-stabilized hovering is a prerequisite for many applications. In addition, it is the basis for automatic flight guidance (eg flight according to given space coordinates) or autonomous flight guidance (eg device searches automatically for trajectory between obstacles).

Die am besten stabilisierten Mehrrotorenhubschrauber fliegen recht passabel, erfordern jedoch immer noch besonderes fliegerisches Geschick des Piloten, was den Kreis der Anwender empfindlich einschränkt.The best stabilized multi-rotor helicopters fly quite passable, But still require special flying skills of the Pilots, which severely limits the circle of users.

Die DE 20 2004 010 057 U1 beschreibt einen Elektrohubschrauber mit vier Hubrotoren, die in einer Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet sind. Die Steuerung des Elektrohubschraubers erfolgt durch Verstellen der Drehzahlen der elektrischen Antriebe.The DE 20 2004 010 057 U1 describes an electric helicopter with four lifting rotors, which are arranged in a plan view at the corners of a quadrangle. The control of the electric helicopter is done by adjusting the speeds of the electric drives.

Die DE 296 07 484 U1 offenbart einen bürstenlosen Gleichstrommotor zum Antreiben einer Luftschraube eines Flugmodells. Die Ansteuerung des Gleichstrommotors erfolgt unter Berücksichtigung von Schaltsignalen, die von Hallsensoren erzeugt werden. Die Hallsensoren sind an einer Sensorplatine angebracht und tasten eine Drehstellung von Magneten eines Außenläufers des Gleichstrommotors ab.The DE 296 07 484 U1 discloses a brushless DC motor for driving an air propeller of a flying model. The control of the DC motor takes place taking into account switching signals which are generated by Hall sensors. The Hall sensors are mounted on a sensor board and sense a rotational position of magnets of an external rotor of the DC motor.

Die DE 195 43 284 A1 betrifft eine Antriebseinheit für ein Modellflugzeug, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor zum Antreiben eines Rotors umfasst. Die Stellung des Rotors wird mit Hilfe von Hallsensoren erfasst.The DE 195 43 284 A1 relates to a propulsion unit for a model airplane comprising a brushless DC motor for driving a rotor. The position of the rotor is detected by means of Hall sensors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch angetriebene Mehrrotorenhubschrauber zu schaffen, dessen Fluglage besser stabilisiert und dessen Dynamik verbessert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ansteuerungsverfahren für Antriebe von Mehrrotorenhubschraubern anzugeben.Of the Invention is based on the object, an electrically driven To create multi-rotor helicopters whose attitude stabilizes better and whose dynamics are improved. The invention is also the task underlying, an improved driving method for drives of multi-rotor helicopters.

Kurzer Abriss der ErfindungShort outline the invention

Erfindungsgemäß wird ein drehzahlgesteuerter Hubschrauber zur Verfügung gestellt, der die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Der erfindungsgemäße Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens einem, den Rotor antreibenden elektrisch kommutierten Gleichstrommotor umfasst für wenigstens eine Hubeinheit oder alle Hubeinheiten jeweils wenigstens einen Sensor zur Erfassung der Drehbewegung einer rotierenden Komponente der Hubeinheit.According to the invention is a Speed-controlled helicopter provided, the in the claim 1 features mentioned. The helicopter according to the invention with three or more lifting units, each with at least one rotor and at least a, the rotor driving electrically commutated DC motor includes for at least one lifting unit or all lifting units each at least one Sensor for detecting the rotational movement of a rotating component the lifting unit.

Zusätzlich ist ein Drehzahlsteller zur Ansteuerung wenigstens eines der Gleichstrommotoren unter Berücksichtung der Sensorsignale vorgesehen. Die Ansteuerfrequenz des Drehzahlstellers beträgt mehr als 50 Hz und kann mehr als 100 Hz oder auch mehr als 200 Hz betragen.In addition is a speed controller for controlling at least one of the DC motors under consideration the sensor signals provided. The drive frequency of the speed controller is more than 50 Hz and can be more than 100 Hz or even more than 200 Hz be.

Die Sensoren zur Erfassung der Drehbewegung können nach einem magnetischen Prinzip arbeiten. Beispielhaft genannt seien Hall-Sensoren. Es können auch optische Sensoren oder Sensoren verwendet werden, die auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen. Die Sensorik kann auf inkrementellen Messverfahren beruhen, mit unterschiedlich feiner Stufung. Es kann zum Beispiel eine gezahnte Scheibe verwendet werden. Strichmarken sind ebenso möglich.The Sensors for detecting the rotational movement can after a magnetic Principle work. Examples include Hall sensors. It can too optical sensors or sensors are used on others based on physical principles. The sensors can be incremental Measuring methods are based, with different levels of fine gradation. It can For example, a toothed disc can be used. hash marks are also possible.

Bei einer ersten Variante genügt ein Sensor je Motor. Es können jedoch auch mehrere Sensoren pro Motor verwendet werden, vorzugsweise drei (z. B. für jede Motorphase einer). Die Sensorsignale können auch für andere Zwecke verwendet werden.at a first variant is sufficient one sensor per motor. It can However, several sensors per engine are used, preferably three (eg for every motor phase one). The sensor signals can also be used for other purposes.

So können Signale z. B. in die zentrale Steuereinheit eingespeist und/oder in die Logik der Fluglagestabilisierung eingebunden werden.So can Signals z. B. fed into the central control unit and / or be integrated into the logic of flight attitude stabilization.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren außen an den Gleichstrommotoren angebracht. Dieser Ansatz ermöglicht das Nachrüsten herkömmlicher Antriebe. Gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die Sensoren in die Gleichstrommotoren integriert. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Sensoren im Rotorbereich angeordnet, insbesondere im Bereich der jeweiligen Rotorwelle.According to one first embodiment In accordance with the invention, the sensors are external to the DC motors appropriate. This approach allows the retrofitting conventional Drives. According to one second embodiment the sensors are integrated in the DC motors. At a another embodiment the sensors are arranged in the rotor area, in particular in the area the respective rotor shaft.

Die Gleichstrommotoren können Außenläufer oder Innenläufer sein. Bevorzugt sind Außenläufer, die auf dem LRK-Prinzip (Lucas, Retzbach, Kühfuss) basieren. Gemäß dem LRK-Prinzip wird der Stator nach einem speziellen Wickelschema bewickelt, z. B. nur jeder zweite Zahn. Die Maßnahme wirkt drehmomentsteigernd.The DC motors can Outrunner or internal rotor be. External rotors are preferred based on the LRK principle (Lucas, Retzbach, Kühfuss). According to the LRK principle the stator is wound according to a special winding scheme, z. B. only every second tooth. The measure increases the torque.

Die einzelnen Hubeinheiten sind zweckmäßigerweise getriebelos ausgebildet. Beispielsweise lässt sich eine getriebelose Ausbildung dadurch erzielen, dass der Gleichstrommotor einer Hubeinheit eine Motorwelle aufweist, die gleichzeitig die Rotorwelle der Hubeinheit darstellt. Die Motorwellen sind vorzugsweise wenigstens zweifach wälzgelagert. Als Wälzlager können Rillenkugellager zum Einsatz gelangen.The individual lifting units are expediently gearless. For example, can be achieve a gearless training in that the DC motor a lifting unit has a motor shaft, which at the same time Rotor shaft represents the lifting unit. The motor shafts are preferably at least twice stored. As a rolling bearing can Deep groove ball bearings are used.

Die Gleichstrommotoren können jeweils ein gewichtsbezogenes spezifisches Drehmoment von wenigstens 1 Nmm/g aufweisen. Auch Gleichstrommotoren mit einem Drehmoment von mehr als ungefähr 3 Nmm/g können Verwendung finden. Die entsprechenden Werte können durch die Kombination verschiedener konstruktiver Merkmale und Parameter erzielt werden, insbesondere durch Außenläufer mit größerer Polzahl.The DC motors can each a weight-specific specific torque of at least 1 Nmm / g. Also DC motors with a torque from more than about 3 Nmm / g can Find use. The corresponding values can be determined by the combination different constructive features and parameters are achieved, in particular by external rotor with larger number of poles.

Je nach Leistungsfähigkeit der Hubeinheiten (und vor allen der Motoren) kann der Hubschrauber eine höhere oder niedrigere Abflugmasse besitzen. So kann die Abflugmasse weniger als ungefähr 10 kg betragen. Bevorzugt ist eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5,0 kg und insbesondere von weniger als ungefähr 0,75 kg.ever for efficiency the lifting units (and above all the engines) can be the helicopter a higher one or lower take-off mass. So the take-off mass can be less as about 10 kg. A take-off mass of less than about 5.0 kg is preferred and in particular less than about 0.75 kg.

Der Hubschrauber kann drei, vier oder mehr Hubeinheiten aufweisen. Sind vier Hubeinheiten vorhanden, können diese in einer Draufsicht an den Ecken eines Vierecks, insbesondere eines Quadrats angeordnet sein.Of the Helicopter can have three, four or more lifting units. are four lifting units available, can these in a plan view at the corners of a quadrilateral, in particular a square arranged.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hubschrauber mit drei oder mehr, insbesondere mit vier getriebelos ausgebildeten Hubeinheiten mit jeweils ei nem Rotor und einem den Rotor antreibenden, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor geschaffen, wobei der Gleichstrommotor jeweils als Außenläufer ausgebildet ist.According to one Another aspect of the invention is a helicopter with three or more, especially with four gearless lifting units each with a rotor and a rotor driving the electronic Commutated DC motor created, the DC motor each formed as an external rotor is.

Schließlich stellt die Erfindung auch noch ein Verfahren zur verbesserten Antriebssteuerung von Mehrrotorenhubschraubern, mit wenigstens drei Rotoren, angetrieben von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bereit. Das Verfahren enthält die Schritte des (vorzugsweise kontinuierlichen) Erfassens der Drehbewegung einer rotierenden Komponente einer Hubeinheit (beispielsweise einer Rotorposition, insbesondere der Position einer Rotorwelle, oder einer Drehzahl einer Komponente des Gleichstrommotors) mittels eines Sensors sowie des Ansteuerns eines den Rotor antreibenden, elektronisch kommutierten Gleichsstrommotors mittels eines Drehzahlstellers unter Berücksichtigung des Sensorsignals mit einer Ansteuerfrequenz von mehr als 50 Hz.Finally, poses the invention also a method for improved drive control multi-rotor helicopters, with at least three rotors driven of electronically commutated DC motors. The procedure contains the steps of (preferably continuously) detecting the rotational movement a rotating component of a lifting unit (for example a Rotor position, in particular the position of a rotor shaft, or a speed of a component of the DC motor) by means of a Sensors and the driving of a rotor driving, electronically commutated direct current motor by means of a speed controller consideration the sensor signal with a drive frequency of more than 50 Hz.

Die Erfassung der Drehbewegung kann inkrementell erfolgen. Das jeweilige Inkrement kann konstant oder veränderlich sein. Als zweckmäßig hat sich ein Inkrement- von weniger als ungefähr 5° oder weniger als ungefähr 2°, vorzugsweise von kleiner als ungefähr 0,5°, erwiesen.The Detection of the rotational movement can be done incrementally. The respective Increment can be constant or changeable be. As appropriate has an increment of less than about 5 ° or less than about 2 °, preferably less than about 0.5 °, proved.

Ferner hat sich herausgestellt, dass die Sensorsignale auch für andere Zwecke als für die Motorsteuerung Verwendung finden können. Diesbezügliche Beispiele werden weiter unten näher erläutert.Further has been found that the sensor signals for others Purposes as for the engine control can be used. Related examples get closer to below explained.

Kurze Beschreibung der Zeichnungenshort Description of the drawings

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren erläutert werden:Further Aspects and advantages of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments, which will be explained with reference to the following figures:

1 zeigt eine Draufsicht auf einen 4-rotorigen Hubschrauber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 shows a plan view of a four-rotor helicopter according to an embodiment of the invention;

2 zeigt eine Seitenansicht des Hubschraubers gemäß 1; 2 shows a side view of the helicopter according to 1 ;

3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und 3 shows a cross-sectional view of a lifting unit according to a first embodiment of the invention; and

4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und 4 shows a cross-sectional view of a lifting unit according to a second embodiment of the invention; and

5 zeigt eine schematische Darstellung der Verarbeitung eines Sensorsignals bei einer Hubeinheit gemäß 3 oder 4. 5 shows a schematic representation of the processing of a sensor signal in a lifting unit according to 3 or 4 ,

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindungdescription preferred embodiments the invention

Grundlage für eine verbesserte Fluglagestabilisierung ist eine hinreichende Dynamik der Rotorantriebe. Die Drehzahl der Motoren sollte sich sehr schnell ändern können. Hierzu wird in den Ausführungsbeispielen jeweils ein Sensor zur Erfassung der Drehbewegung verwendet. Dessen echtzeitnahes Signal wird bei der Kommutierung des zugehörigen Motors verwendet. Mit Hilfe der Sensorsignale wird die Ansteuerung der Motoren derart verbessert, dass die Antriebe Drehzahländerungen schneller folgen können. Auch in Kombination mit anderen Maßnahmen wird damit die Flugstabilität erhöht.basis for one improved attitude stabilization is a sufficient dynamic the rotor drives. The speed of the motors should be able to change very quickly. For this is in the embodiments each used a sensor for detecting the rotational movement. Whose Real-time signal is at the commutation of the associated motor used. With the help of the sensor signals, the control of the Engines improved so that the drives speed changes can follow faster. In combination with other measures, this also increases flight stability.

Die 1 und 2 zeigen einen 4-rotorigen Hubschrauber 10, der als Mikrodrohne zur Luftaufklärung in urbanem Gelände geeignet ist. Der Hubschrauber 10 umfasst ins gesamt vier Hubeinheiten 12. Die Hubeinheiten 12 besitzen jeweils einen im Ausführungsbeispiel zweiblättrigen Rotor 14 sowie einen den Rotor 14 antreibenden elektronisch kommutierten (bürstenlosen) Gleichstrommotor 16. In der Draufsicht gemäß 1 ist gut zu erkennen, dass die Hubeinheiten 12 und auch deren Rotoren 14 an den Ecken eines Vierecks, genauer gesagt eines Quadrats, angeordnet sind. Die Hubeinheiten 12 sind an einem Traggerüst 18 befestigt und durch dieses miteinander verbunden. Das Traggerüst 18 trägt ferner eine Nutzlast 20. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 handelt es sich bei der Nutzlast 20 um eine Kamera. Die Kamera funkt ein Videobild echtzeitnah zum Boden. Dort wird es in einer Videobrille oder auf einem Monitor dargestellt. So kann der Hubschrauber 10 über eine "Cockpit-Sicht" gesteuert werden, auch ohne direkten Sichtkontakt vom Bediener zum Hubschrauber.The 1 and 2 show a 4-rotor helicopter 10 , which is suitable as a micro drone for aerial reconnaissance in urban terrain. The helicopter 10 includes a total of four lifting units 12 , The lifting units 12 each have one in the embodiment zweiblättrigen rotor 14 and one the rotor 14 driving electronically commutated (brushless) DC motor 16 , In the plan view according to 1 It is good to see that the lifting units 12 and also their rotors 14 at the corners of a quadrilateral, more precisely a square. The lifting units 12 are on a support frame 18 attached and connected by this. The shoring 18 also carries a payload 20 , In the embodiment according to the 1 and 2 it is the payload 20 to a camera. The camera sparks a video picture realtime close to the ground. There it is displayed in a video glasses or on a monitor. So can the helicopter 10 be controlled via a "cockpit view", even without direct visual contact from the operator to the helicopter.

Die technischen Daten des Hubschraubers 10 sind wie folgt: Abflugmasse: 0.50 kg Abmessungen über alles: 0.95 m Rotordurchmesser: 0.38 m Motormasse: 4 × 0.035 kg Rotordrehzahl (Schwebeflug): 1,500 1/min Leistungsbedarf (Schwebeflug): 40 W Flugzeit mit einer Akkuladung: 50 min The technical data of the helicopter 10 are as follows: Take-off weight: 0.50 kg Dimensions over everything: 0.95 m Rotor diameter: 0.38 m Motor mass: 4 × 0.035 kg Rotor speed (hover): 1,500 1 / min Power requirement (hover): 40W Flight time with one battery charge: 50 min

In den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Hubeinheiten 12 für den Hubschrauber 10 gemäß den 1 und 2 im Querschnitt dargestellt. Identische oder übereinstimmende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.In the 3 and 4 are two different lifting units 12 for the helicopter 10 according to the 1 and 2 shown in cross section. Identical or matching elements are provided with the same reference numerals.

Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform der Hubeinheit 12 umfasst die Hubeinheit 12 zusätzlich zu dem Rotor 14 und dem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 16 einen auf dem Hall-Prinzip basierenden Sensor 22 und einen Drehzahlsteller 24. Der Sensor 22 ist über eine elektrische Zuleitung 26 mit dem Drehzahlsteller 24 und dieser wiederum über eine elektrische Zuleitung 28 mit dem Motor 16 elektrisch gekoppelt.According to the in 3 illustrated embodiment of the lifting unit 12 includes the lifting unit 12 in addition to the rotor 14 and the electronically commutated DC motor 16 a sensor based on the Hall principle 22 and a speed controller 24 , The sensor 22 is via an electrical supply line 26 with the speed controller 24 and this in turn via an electrical supply line 28 with the engine 16 electrically coupled.

Der Motor 16 besitzt eine Motorwelle 49, die gleichzeitig als Rotorwelle 30 fungiert. Die Hubeinheit 12 kommt daher im Ausführungsbeispiel ohne Getriebe aus, ist also getriebelos. Die Motorwelle 49 ist mittels zweier als Rillenkugellager ausgebildeter Wälzlager 32, 34 drehbar in einem Lagerschild 36 gelagert. Das Lagerschild 36 wie derum ist drehfest an dem auch als Motorhalterung fungierenden Traggerüst 18 befestigt.The motor 16 has a motor shaft 49 , at the same time as a rotor shaft 30 acts. The lifting unit 12 Therefore, in the embodiment without gear, so it is gearless. The motor shaft 49 is by means of two roller bearings designed as deep groove ball bearings 32 . 34 rotatable in a bearing plate 36 stored. The bearing plate 36 how in turn is rotationally fixed to the acting as a motor mount shoring 18 attached.

Als Stator 38 umfasst der als Außenläufer ausgestaltete Motor 16 ein Blechpaket mit Wicklungen. Der Stator 38 ist starr mit dem Lagerschild 36 verbunden. Die um den Stator 38 rotierende Komponente des Motors 16 wird von einer Motorglocke 40 gebildet. Die Motorglocke 40 umfasst Magnete 42, die an einem Rückschlussring 44 befestigt sind. Der Rückschlussring 44 wiederum ist mittels eines Motorlagerschilds 46 starr mit der Motorwelle 49 gekoppelt. Auf diese Weise überträgt sich eine Drehung der Motorglocke 40 auf die Motorwelle 49, die den Rotor 14 trägt. An der Motorglocke 40 ist außerdem eine ferromagnetische Zahnscheibe 50 angebracht, deren Zähne von dem Sensor 22 abgetastet werden und die Grundlage für das Sensor-Ausgangssignal bilden.As a stator 38 includes the designed as an external rotor motor 16 a laminated core with windings. The stator 38 is rigid with the end shield 36 connected. The around the stator 38 rotating component of the engine 16 is from a motor bell 40 educated. The engine bell 40 includes magnets 42 attached to a yoke ring 44 are attached. The return ring 44 in turn is by means of a motor bearing plate 46 rigid with the motor shaft 49 coupled. In this way, a rotation of the motor bell transmits 40 on the motor shaft 49 that the rotor 14 wearing. At the engine bell 40 is also a ferromagnetic toothed disc 50 attached, their teeth from the sensor 22 be sampled and form the basis for the sensor output signal.

Während in der in 3 dargestellten Ausführungsform der Hubeinheit 12 der Motor 16 zwischen dem Traggerüst 18 und dem Rotor 14 angeordnet ist, ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Motor 16 unterhalb des Traggerüsts 18 befestigt. Mit anderen Worten, bei der Ausführungsform gemäß 4 ist das Traggerüst 18 zwischen dem Rotor 14 und dem Motor 16 angeordnet. Eine weitere Abweichung zwischen den Ausführungsformen von 3 und 4 besteht darin, dass sich der Sensor gemäß 3 radial zur Motorwelle 49 erstreckt, während der Sensor 22 gemäß 4 im Wesentlichen in einer zur Motorwelle 49 parallelen Ebene liegt.While in the in 3 illustrated embodiment of the lifting unit 12 the motor 16 between the shoring 18 and the rotor 14 is arranged at the in 4 illustrated embodiment of the engine 16 below the shoring 18 attached. In other words, in the embodiment according to 4 is the shoring 18 between the rotor 14 and the engine 16 arranged. Another deviation between the embodiments of 3 and 4 is that the sensor according to 3 radial to the engine wave 49 extends while the sensor 22 according to 4 essentially in one to the motor shaft 49 parallel plane lies.

Nachfolgend wird die Ansteuerung des Motors 16 gemeinsam für die in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen beschrieben.The following is the control of the motor 16 together for the in the 3 and 4 described embodiments described.

Über die elektrische Zuleitung 26 wird das Ausgangssignal des Sensors 22 dem Drehzahlsteller 24 zugeführt. Zusätzlich erhält der Drehzahlsteller ein Ansteuersignal über eine weitere elektrische Zuleitung 48 von einer zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt). Basierend auf dem Ausgangssignal des Sensors 22 und diesem Ansteuersignal ermittelt der Drehzahlsteller 24 ein Drehzahlsteuersignal, das sogenannte Kommutierungssignal, das dem Leistungsteil des Stellers zugeführt wird. Die Ausgänge des Leistungsteils führen über die elektrische Zuleitung 28 zum Motor 16.About the electrical supply line 26 becomes the output signal of the sensor 22 the speed controller 24 fed. In addition, the speed controller receives a drive signal via a further electrical supply line 48 from a central control unit (not shown). Based on the output signal of the sensor 22 and this drive signal determines the speed controller 24 a speed control signal, the so-called commutation signal, which is supplied to the power section of the actuator. The outputs of the power unit lead via the electrical supply line 28 to the engine 16 ,

Diese Funktionalität wird nachfolgend anhand von 5 näher erklärt.This functionality is described below by means of 5 explained in more detail.

Der obere Zeitstrahl in 5 zeigt die Zeitmarken des inkrementellen Sensorsignals bis zu einem Zeitpunkt t₀. Die drei darunterliegenden Zeitstrahlen bilden die Schalt zustände der insgesamt drei Ausgänge des Drehzahlstellers 24 ab. Im unteren Teil der Figur ist die Signalverarbeitung im Drehzahlsteller 24 schematisch dargestellt. Die Schaltzustände des Drehzahlstellers 24 werden in 5 vereinfachend bei Volllast abgebildet. In Wirklichkeit arbeiten die Antriebe fortwährend in Teillast (Pulsweitenmodulation).The upper timeline in 5 shows the timestamps of the incremental sensor signal up to a time t ₀ . The three underlying time beams form the switching states of the three outputs of the speed controller 24 from. In the lower part of the figure, the signal processing in the speed controller 24 shown schematically. The switching states of the speed controller 24 be in 5 simplified shown at full load. In fact, the drives are constantly working in partial load (pulse width modulation).

Eine Basisschaltung 51 des verwendeten Drehzahlstellers 24 ist für den Betrieb an Motoren ohne Sensoren konzipiert. Ein von der Basisschaltung 51 erzeugtes Kommutierungssignal B wird daher auf herkömmliche Weise aus dem jeweils offenen Ausgang A der Motorwicklung generiert. Hierzu wird der Nulldurchgang der magnetischen Induktionsspannung herangezogen.A basic circuit 51 the speed controller used 24 is designed for operation on motors without sensors. One from the base circuit 51 generated commutation signal B is therefore generated in a conventional manner from the respective open output A of the motor winding. For this purpose, the zero crossing of the magnetic induction voltage is used.

Dieses (rohe) Kommutierungssignal B wird einer zusätzlichen, (logisch) getrennten Schaltung 52 des Drehzahlstellers 24 zugeführt, die außerdem das Sensorsignal D empfängt und aufbereitet. In der Schaltung 52 wird das Kommutierungssignal B mit dem (aufbereiteten) Sensorsignal D korrigiert. Ein korrigiertes Kommutierungssignal C wird anschließend einem Leistungsteil 53 des Drehzahlstellers 24 zugeführt, welches die Motorwicklungen bestromt. Bei der Korrektur werden auch die jeweiligen Motorströme berücksichtigt.This (raw) commutation signal B becomes an additional, (logically) separate circuit 52 the speed controller 24 supplied, which also receives the sensor signal D and processed. In the circuit 52 the commutation signal B is corrected with the (processed) sensor signal D. A corrected commutation signal C is then a power part 53 the speed controller 24 supplied, which energizes the motor windings. During the correction, the respective motor currents are also taken into account.

Das korrigierte Kommutierungssignal C liegt näher am jeweiligen zeitlichen Optimum. Das jeweilige Optimum ist der ideale Zeitpunkt (Timing) für die Kommutierung, bei dem der Motor sein maximales, bauartbedingtes Drehmoment entfaltet. Wenn Mehrleistung abgefordert wird, steigt das Drehmoment des Motors daher früher und steiler an, und damit auch der Auftrieb am Rotor.The corrected commutation signal C is closer to the respective temporal Optimum. The respective optimum is the ideal time (timing) for the Commutation in which the motor is its maximum, design-related Torque unfolds. If more power is required, increases Therefore, the torque of the engine earlier and steeper, and thus also the buoyancy on the rotor.

Optional können Sicherheitsschaltungen inplementiert werden, die die Korrektur des Kommutierungssignals unterbinden, wenn unplausible Signale vorliegen (Fail-Safe-Funktion).optional can Safety circuits are implemented, the correction of the Prevent commutation signal if implausible signals are present (Fail-safe function).

Im vorliegenden Beispiel nach 5 wird der Kommutierungszeitpunkt t₁ an einem beispielhaften Ausgang 3 aus Informationen erzeugt, die bis zum Zeitpunkt t₀ gesammelt wurden. Die jüngsten Informationen stammen vom Sensor (Zeitmarken unmittelbar vor t₀). So werden selbst die aktuellsten Drehzahltrends noch bei der Kommutierung berücksichtigt. Veranschaulicht bedeutet dies, dass bis kurz vor der jeweiligen Kommutierung deren "geplanter" Zeitpunkt immer wieder neu berechnet wird, mit den jeweils neuesten Sensordaten und optional weiteren (anderen) Parametern. Die einzelnen vorausberechneten Kommutierungszeitpunkte können etwas vor (–) oder nach (+) t₁ liegen. Der letzte Wert wird unmittelbar vor der Kommutierung "freigegeben" und definiert den tatsächlichen Zeitpunkt der Kommutierung. Letztlich werden in der vorgestellten Schaltung 52 zwei Drehzahlinformationen verarbeitet, die aus den Induktionsspannungen gewonnene zum einem und die aus dem Sensorsignal gewonnene zum anderen. Die Drehzahlinformation ist also redundant, abgesehen von Qualität und Aktualität.In the present example 5 the commutation time t ₁ at an exemplary output 3 from information that was collected until time t ₀ . The most recent information comes from the sensor (timestamps immediately before t ₀ ). Even the most recent speed trends are taken into account during commutation. Illustratively, this means that until shortly before the respective commutation their "planned" time is calculated again and again, with the latest sensor data and optional other (other) parameters. The individual precalculated commutation times may be slightly before (-) or after (+) t ₁ . The last value is "released" immediately before the commutation and defines the actual time of the commutation. Ultimately, in the featured circuit 52 processed two speed information, the one obtained from the induction voltages for one and the sensor signal derived from the other. The speed information is therefore redundant, apart from quality and timeliness.

Je niedriger die Drehzahl ist, umso schlechter ist die Drehzahlinformation aus der Induktionsspannung. Die Qualität der Drehzahlinformation aus dem Sensor ist hingegen näherungsweise unabhängig von der Drehzahl. Wegen der höheren aerodynamischen Effizienz und aus Geräuschgründen werden häufig große und langsam drehende Rotoren verwendet. Hier lohnt sich der Einsatz von Sensoren also besonders.ever the lower the speed, the worse the speed information from the induction voltage. The quality of the speed information the sensor is approximate independently from the speed. Because of the higher Aerodynamic efficiency and noise are often large and slow used rotating rotors. Here, the use of sensors is worthwhile so special.

Der verwendete Motor des Ausführungsbeispiel ist in vielerlei Hinsicht auf ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen optimiert: Rund 400 mm Rotordurchmesser und 1500 1/min Drehzahl bei nur ca. 0.035 kg Motormasse. Motoren dieser Gewichtsklasse treiben herkömmlicherweise Rotoren mit ca. 250 mm Durchmesser an, bei weit höheren Drehzahlen ab ca. 4000 1/min.The used motor of the embodiment is optimized in many ways to high torque at low speeds: About 400 mm rotor diameter and 1500 1 / min speed with only about 0.035 kg engine mass. Engines of this weight class conventionally drive rotors of about 250 mm diameter on at much higher speeds from approx. 4000 1 / min.

Eine große Anzahl von Polen (über ca. 18) trägt zu dem hohen Drehmoment bei. Hohe Polzahl bedeutet aber auch, dass pro Umdrehung mehr Kommutierungen stattfinden. Damit muß auch die Kommutierung exakter zur jeweiligen Rotorstellung passen. Sonst kann es passieren, dass sich die Polschuhe des Stators die falschen Magnete als "Partner aussuchen" und der Motor mit einer anderen spezifischen Drehzahl läuft, was mit Wirkungsgradverlusten einhergeht. Die hier verwendete Sensorik mit hoher Auflösung (kleines Inkrement) beseitigt das Problem.A size Number of Poles (about about 18) carries to the high torque. But high number of poles also means that more commutations take place per revolution. So must the Commutation fit more exactly to the respective rotor position. Otherwise It can happen that the pole pieces of the stator are wrong Magnets as a "partner choose "and the Motor runs at a different specific speed, resulting in efficiency losses accompanied. The sensors used here with high resolution (small Increment) eliminates the problem.

Die Komponenten des Drehzahlstellers 24 können in moderner Microcontroller-Architektur hardwaremäßig umgesetzt werden. Bei der Software kommt es in besonderer Weise auf ressourcenschonende Programmierung an, da die Prozesse extrem schnell ablaufen (müssen) und nur begrenzte Rechenleistung zur Verfügung steht.The components of the speed controller 24 can be implemented in hardware in modern microcontroller architecture. In the software, it is particularly important to resource-saving programming, since the processes run extremely fast (must) and only limited computing power is available.

In Kombination mit einer hochfrequenten Ansteuerung durch das Eingangssignal können mit der verbesserten Antriebsdynamik Störungen der Fluglage, z. B. durch Windböen, selbsttätig so schnell korrigiert werden, dass sie nach außen unsichtbar bleiben.In Combination with a high-frequency control by the input signal can with the improved drive dynamics disturbances of the attitude, z. B. through gusts of wind, automatic be corrected so quickly that they remain invisible to the outside.

Auch beim Anlaufen des Motors aus dem Stand kann die Zusatzinformation aus dem Sensorsignal wertvolle Dienste leisten. Es können zudem größere Rotoren mit größerem Massenträgheitsmoment zuverlässig beschleunigt werden, wenn das Sensorsignal in den Anlaufalgorithmus eingebunden wird.Also when starting the engine from a standstill, the additional information make valuable use of the sensor signal. It can also larger rotors with a larger mass moment of inertia reliable be accelerated when the sensor signal in the startup algorithm is involved.

Ohne Sensor ist der Anlaufvorgang dagegen problematisch, besonders mit großen Rotoren. Mancher Antrieb bleibt ganz stehen, andere laufen mit zeitlicher Verzögerung an, z. T. ruppig und mit Geräuschentwicklung verbunden. Hintergrund ist, dass der Motor im Stillstand noch keine auslesbare Induktionsspannung zur Steuerung der Kommutierung ausgibt. Also muss der Drehzahlsteller den Motor zunächst ohne diese Information, quasi "blind", auf eine gewisse Mindestdrehzahl beschleunigen. Dazu wird im Drehzahlsteller ein Soll-Drehfeld erzeugt. Diesem kann der Motor jedoch von Fall zu Fall nicht folgen. Mit Sensor können die Startprobleme gelöst werden. Die Sensoren unterstützen den Vorgang wirkungsvoll, weil schon bei kleinen Drehwinkeln verläßliche Signale für die weitere Drehbeschleunigung anstehen (geringes Inkrement).Without Sensor, the start-up process is problematic, especially with huge Rotors. Some drive stops completely, others run with time delay on, for. T. gruff and with noise connected. The background to this is that the engine does not stand still at standstill readable induction voltage for controlling the commutation outputs. So the speed controller first has to start the engine without this information, almost "blind", to a certain extent Speed up minimum speed. For this purpose, a set rotary field is set in the speed controller generated. This, however, the engine can not follow from case to case. With sensor can solved the startup problems become. The sensors support the process effective, because even at small angles reliable signals for the Pending further spin (low increment).

Als Option können die Signale der Sensoren auch für andere Zwecke weiterverarbeitet werden: Drehzahlüberwachung, Böenerkennung (infolge Drehzahlschwankungen), Einspeisung in eine zentrale Steuerelektronik für verschiedene Zwecke, z. B. Einbinden in die Logik der Fluglagestabilisierung.When Option can the signals of the sensors also for other purposes are further processed: speed monitoring, gust detection (due to speed fluctuations), feeding into a central control electronics for different Purposes, e.g. B. Integration into the logic of attitude stabilization.

In Kombination mit der eingangs genannten, hochwertigen Sensorik zur Erfassung der Fluggerätebewegung im Raum und einer schnellen Signalverarbeitung bis hin zur Ansteuerung der elektrisch kommutierten Motoren wird durch den Einsatz von Drehbewegungsgebern an den Antrieben die Flugstabilität wesentlich gesteigert. Somit werden kleinste Änderungen der Fluglage fast verzögerungsfrei erfaßt und automatisch korrigiert.In Combination with the above-mentioned, high-quality sensors for Detection of the aircraft movement in the room and a fast signal processing up to the control The electrically commutated motors is through the use of rotary motion encoders significantly increased flight stability on the drives. Consequently will be the smallest changes the attitude almost without delay detected and corrected automatically.

Die bisher gängige Mehrrotorenhubschraubertechnik mit Bürstenmotoren hat hingegen einige Nachteile, die nachfolgend kurz erläutert werden.The previously common Mehrrotorenhubschraubertechnik with brush motors, however, has some Disadvantages, which are briefly explained below.

Beim Mehrrotorenhubschrauber hängt die Flugfähigkeit von jedem einzelnen Antrieb ab. Fällt einer der Antriebe aus, stürzt das Gerät ab. Die Absturzwahrscheinlichkeit infolge Antriebsausfall steigt linear mit der Anzahl der Antriebe. Jeder Mehrrotorenhubschrauber stürzt irgendwann ab, wenn die Bürsten verschlissen sind. Oft kündigt sich dieser "Worst Case" vorher nicht einmal an.At the Multi rotor helicopter hangs the flying ability from every single drive. If one of the drives fails, crashes the device from. The probability of a crash due to drive failure increases linear with the number of drives. Each multi-rotor helicopter crashes Eventually, when the brushes worn out. Often quits this "worst Case "not before once on.

Dieses Problem ist auch deshalb so dramatisch, weil die Anforderungen an energetische Effizienz dazu zwingen, kleine und leichte Motoren zu verwenden und weit in Überlast zu betreiben. Unter diesen Extrembedingungen werden oft nur wenige Stunden Betriebsdauer erreicht.This Problem is also so dramatic because of the requirements force energy efficiency, small and light engines to use and far in overload to operate. In these extreme conditions often only a few Hours of operation reached.

Neben dem plötzlichen Totalversagen konnten auch zeitweise Aussetzer beobachtet werden, wenn der Kommutator schon vorgeschädigt ist. Daneben wurden schleichende Änderungen des Betriebsverhaltens beobachtet. In der Regel sind nicht alle Antriebe gleich betroffen. Das Fluggerät ist dann gleichsam vertrimmt und tendiert in eine bestimmt Flugrichtung.Next the sudden Total failure could also be observed intermittent dropouts if the commutator is already damaged. There were also creeping changes the operating behavior observed. In general, not all Drives affected immediately. The aircraft is then as it were and dimmed tends in a certain direction of flight.

Schließlich ist die Leistungsdichte üblicher Bürstenmotoren unbefriedigend niedrig. Die oftmals viel zu hohe spezifische Drehzahl verbietet die Verwendung langsamdrehender und daher effizienter Rotoren. Das geht zulasten von Nutzlast, Flugzeit oder beidem. Außerdem kann das Bürstenfeuer, das am Kommutator entsteht, benachbarte elektronische Schaltungen stören.Finally, the power density of conventional brush motors is unsatisfactorily low. The often too high specific speed prohibits the use of slow-rotating and therefore more efficient rotors. The is charged by payload, flight time or both. In addition, the brush fire that occurs at the commutator can interfere with adjacent electronic circuits.

Alle diese Probleme werden durch das Vorsehen eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motors beseitigt, und zwar in besonders effizienter Weise dann, wenn der Motor als Außenläufer ausgebildet ist.All These problems are compounded by the provision of a brushless, electronically commutated Eliminated in a particularly efficient way, when the engine is designed as an external rotor is.

Die Erfindung ermöglicht somit einen leisen, hocheffizienten, um alle Achsen steuerbaren, extrem flugstabilen, zuverlässigen, durch die Software variabel konfigurierbaren, universell einsetzbaren Hubschrauber, der außer 8 Kugellagern keine Verschleißteile aufweist.The Invention allows thus a quiet, highly efficient, controllable axis, extremely flight stable, reliable, through the software variably configurable, universally applicable Helicopter that except 8 ball bearings no wearing parts having.

Das erfindungsgemäße Fluggerät ist sehr leicht zu bedienen: Ohne (internen oder externen) Steuereingriff beispielsweise verharrt das Gerät im Schwebeflug auf der Stelle, mit nur geringen Abweichungen um eine Mittellage. Auch kleine Störungen, wie Wind, führen in nur geringem Umfang zum Wegdriften. Mit Steuereingriffen kann das Gerät an einen anderen Ort "verfahren" werden. Dazu ist kein fliegerisches Geschick erforderlich. Wird beispielsweise der Steuerknüppel einer Fernbedienung (Kabel oder Funk) losgelassen, bleibt der Hubschrauber wieder in der Luft stehen. Weil die Technik ohne GPS auskommt, kann das Fluggerät auch im Innern von Gebäuden eingesetzt werden, wo keine GPS-Signale empfangen werden können.The aircraft according to the invention is very easy to use: without (internal or external) control intervention For example, the device remains frozen in hover on the spot, with only minor deviations around one Central location. Even small disturbances, like wind, lead only a small amount to drift away. With control actions can the device be "moved" to another place. Is to no flying skills required. For example, the joystick a remote control (cable or radio) is released, the helicopter remains stand in the air again. Because the technology can do without GPS, can the aircraft also inside buildings be used where no GPS signals can be received.

Claims

Speed controlled helicopter ( 10 ), the three or more lifting units ( 12 ) each having at least one rotor ( 14 ), characterized in that the helicopter further comprises at least one rotor ( 14 ), electronically commutated DC motor ( 16 ), that for at least one of the lifting units ( 12 ) at least one sensor ( 22 ) for detecting the rotational movement of a rotating component ( 30 ) of the lifting unit ( 12 ) is provided, and that at least one speed controller ( 24 ) for controlling at least one of the DC motors ( 16 ) is provided taking into account the sensor signal, wherein the speed controller ( 24 ) realizes a driving frequency of more than 50 Hz.

Helicopter according to claim 1, characterized in that the sensor ( 22 ) is a magnetic sensor.

Helicopter according to claim 1, characterized in that the sensor ( 22 ) is an optical sensor.

Helicopter according to one of claims 1 to 3, characterized in that for each DC motor ( 16 ) is provided in each case a single sensor.

Helicopter according to one of claims 1 to 4, characterized in that for each DC motor ( 16 ) are each provided three sensors.

Helicopter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensors ( 22 ) on the outside of the DC motors ( 16 ) are mounted.

Helicopter according to one of claims 1 to 6, characterized in that for detecting the rotational movement of the rotating component ( 30 ) per lifting unit ( 12 ) at least one toothed component ( 50 ) is provided.

Helicopter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the DC motors ( 16 ) are designed as external rotor.

Helicopter according to claim 8, characterized in that that the outside runners after work according to the LRK principle.

Helicopter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the lifting units ( 12 ) are gearless formed.

Helicopter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the DC motors ( 16 ) of each lifting unit ( 12 ) each a motor shaft ( 30 ), which at the same time the rotor shaft of the respective lifting unit ( 12 ).

Helicopter according to one of claims 1 to 11, characterized in that the DC motors ( 16 ) each a motor shaft ( 30 ), which at least twice roll-stored ( 32 . 36 ).

Helicopter according to one of claims 1 to 12, characterized in that the DC motors ( 16 ) each have a weight-specific specific torque of at least 1 Nmm / g.

Helicopter according to one of claims 1 to 13, characterized in that the helicopter is a take-off mass from less than about 10 kg.

Helicopter according to claim 14, characterized that the helicopter has a take-off mass of less than about 5.0 kg and in particular less than about 0.75 kg.

Helicopter according to one of claims 1 to 15, characterized in that the signals from at least one sensor ( 22 ) outside a lifting unit ( 12 ) be used.

Helicopter according to one of claims 1 to 16, characterized in that four lifting units ( 12 ) are present, which are arranged in a plan view at the corners of a quadrilateral, in particular a square.

Helicopter ( 10 ), of three or more, in particular with four lifting units ( 12 ) each having at least one rotor ( 14 ), characterized in that the helicopter further comprises at least one rotor ( 14 ), electronically commutated DC motor ( 16 ), which is designed as an external rotor, wherein the lifting units ( 12 ) are gearless formed.

Helicopter according to claim 18, characterized in that the DC motor ( 16 ) of each lifting unit ( 12 ) a motor shaft ( 30 ), which at the same time the rotor shaft of the lifting unit ( 12 ).

Helicopter according to claim 18 or 19, characterized in that four lifting units ( 12 ) are present, which are arranged in a plan view at the corners of a quadrilateral, in particular a square.

Method for attitude stabilization of a helicopter ( 10 ), the at least three lifting units ( 12 ) each having at least one rotor ( 14 ), characterized by the steps: - detecting the rotational movement of a rotating component ( 30 ) at least one lifting unit ( 12 ) by means of a sensor ( 22 ); - driving a rotor ( 14 ), electronically commutated DC motor ( 16 ) by means of a speed controller ( 24 ) taking into account the sensor signal with a drive frequency of more than 50 Hz.

A method according to claim 21, characterized in that a rotational movement of a rotor shaft ( 30 ) is detected.

A method according to claim 21, characterized in that a rotational movement of a component ( 49 ) of the DC motor ( 16 ) is detected.

Method according to one of claims 21 to 23, characterized in that the rotational movement of the rotating component ( 30 ) is detected incrementally.

Method according to Claim 24, characterized that the increment is less than about 5 degrees.

Method according to claim 25, characterized in that that the increment is less than about 2 degrees, preferably less than about 0.5 degrees.