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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation
eines Fluginsekts gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 11, sowie deren Verwendung zum Manipulieren eines Fluginsekts
in einem Innenbereich eines Nutzobjekts, Die bis dato eingesetzten
Verfahren zur Bekämpfung
von Stechinsekten, insbesondere von Mücken beruhen auf elektrischen,
akustischen bzw. chemischen Bekämpfungs-
bzw. Schutzverfahren:
- – chemische Verfahren zum Verscheuchen
der Stechinsekten durch Riechstoffe lockender oder vertreibender
Wirkung,
- – akustische
Verfahren: durch die Ausbreitung von für Stechinsekten unangenehme
Frequenzen sollen diese die Flucht ergreifen,
- – optisch/elektrische
Schutzmaßnahmen:
Insekten werden z. B. durch eine UV-Lichtquelle gelockt; Ziel des Verfahrens
ist es, dass die Insekten ein im Nahbereich der Lampe unter Hochspannung
stehendes Drahtgitter berühren
und sterben.
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Die
bislang bekannten Verfahren zur Insektenbekämpfung werden unterteilt in:
- – Insektenabwehrstoffe
(Repellents),
- – Insektizide,
- – mechanisch
oder akustisch wirkende Mittel,
- – chemisch
wirkende Mittel.
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Die
genannten Verfahren wurden in den letzten Jahren optimiert. Jedoch
unterliegen diese Verfahren einer „aktiven Mitwirkung” der Stechinsekten zur
Vertreibung bzw. deren Vernichtung. Insektenabwehrstoffe vertreiben
Insekten nur bedingt und müssen
zum vollständigen
Schutz lückenlos
auf die Haut aufgetragen bzw. gesprüht werden und unterliegen in der
Wirkung zumeist verschiedenen Randbedingungen. Die Wirkung verringert
sich bereits nach einem oft kurzen Zeitraum. Insektensprays und
Hitzeverdampfer für
Repellents haben in der Regel die Aufgabe, durch das Verteilen von
Nervengiften bzw. anderen biologisch wirkenden Aerosolen die Insekten
zu manipulieren bzw. zu töten.
Akustisch arbeitende Geräte
sollen die Insekten vertreiben.
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Bislang
arbeiten die genannten Verfahren – manche mehr manche weniger – eher zufrieden
stellend, keineswegs jedoch immer zuverlässig. Dies ist u. a. darin
begründet,
dass die eingesetzten Abwehrstoffe leicht flüchtig sind und daher über die
Zeit ihre Wirkung verlieren. Auch lassen sich die Insekten durch
die Störungen
oft nur unwesentlich in ihren Aktionen beeinflussen.
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Soweit
aktive Verfahren zur Manipulation eines Fluginsektes bekannt sind
erweisen sich diese als zumeist kostenaufwendig und nicht praktikabel. So
ist bekannt, Fluginsekten mit einer Kamera im Rahmen einer Bilderkennung
zu erkennen. Solche Systeme erwiesen sich jedoch als unpräzise.
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US 5473,942 A beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung mittels der die Orte und die
Zahl von Insekten in einem überwachten
Raumbereich ermittelt werden kann. Dazu wird eine Laufzeit zwischen zwei
Akustiksignalen genutzt.
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JP 2004 1541 01 A (abstract)
beschreibt ein Verfahren zur Manipulation von Insekten bei dem ein Raumbereich
akustisch überwacht
wird und die Position eines Insektes erfasst wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Umsetzung eines neuartigen Ansatzes zur Bekämpfung von
Mücken
und anderer Stechinsekten, die in der direkten Abwehr zur Bekämpfung begründet ist.
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Die
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11
gelöst.
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Die
Erfindung geht davon aus, dass es möglich ist, Fluginsekten akustisch
zu erkennen. Es hat sich gezeigt, dass diese Art der Erkennung besonders
zuverlässig
ist. Die Erfindung geht darüber
hinaus von der Erkenntnis aus, dass es möglich ist, im Rahmen eines
zweischrittigen Verfahrens die akustische Erkennung derart zu nutzen,
dass erst im Falle einer positiven Erkennung ein optisches System
zur Ortung und Manipulation des Fluginsektes aktiviert wird. Dazu
werden erfindungsgemäß besonders
geeignete Positionserfassungsmittel in Kombination mit einer vorteilhaften
Manipulationseinheit bzw. entsprechende Verfahrensschritte vorgeschlagen,
die den unabhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen sind.
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Die
Erfindung beschreibt insbesondere ein elektronisches Gerät zur Vernichtung
von Insekten, insbesondere von Mücken,
welche im Flug durch eine auf einem „Radar”-ähnlichen
Grundprinzip gestützte
Sensorik erfasst und durch eine gezielte Licht- bzw. Wärmebestrahlung
nachfolgend flugunfähig manipuliert
oder getötet
werden.
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Die
kombinatorische Vorgehensweise basiert auf der akustischen und/oder
kurzwelligen Erkennung der Insekten durch ein Erfassungsmodul, welches
den zugeordneten Raum überwachen
kann. Ein akustisches Sensormodul überwacht den durch die Aufstellung
zugeordneten Bobachtungsraum. Gerät ein Fluginsekt in den Nahfeldbereiches
des Gerätes,
löst der
akustische Sensor die Aktivierung zusätzlicher Überwachungselemente aus, welche eine
Identifizierung und Ortsbestimmung und somit eine genaue Bewertung
des Objektes ermöglichen. Bei
der Positiverkennung des Objektes wird nach weitergehender Berechnung
des voraussichtlichen nächsten
Objekt-(flug)-standortes ein gerichteter intensiver Licht- bzw.
Wärmeimpuls
in Form eines Laserstrahls ausgelöst, welcher das Insekt bewegungs- bzw.
flugunfähig
beschädigt
und somit eine mögliche Bedrohung
beispielsweise für
einen in der Nähe
befindlichen Menschen stoppt.
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Die
Vorteile des Gerätes
liegen in der neuartigen Herangehensweise zur Bekämpfung von
Stechinsekten in geschlossenen Räumen
bzw. halboffenen Räumen.
Durch die Funktion des nachfolgend beschriebenen Gerätes stehen
im Gegensatz zum Einsatz von Apparaten, die z. B. auf der Ausbringung und
oder Verdampfung von chemisch wirkenden Abwehrmitteln, dem Einsatz
von Hochspannung bzw. der Aufbringung von Repellents am eigenen
Körper basieren,
ein Gerät
zur Verfügung,
welches nach Einschalten 100% seiner Funktion entfalten kann und zudem
wartungsfrei ohne Langzeitverlust in der Wirkung arbeitet. Das Verfahren
ist zudem für
die Gesundheit des Menschen unbedenk lich. Der in dem Gerät eingesetzte
Laser ist mit der gewählten
Leistungsklasse und den eingebauten Sicherheitsmechanismen unbedenklich
für Menschen
und Haustiere.
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Das
Gerät überwacht
in seiner Funktion eine für
den Überwachungsbereich
ausgelegte Fläche, beispielsweise
vor einer Tür
oder vor einem Fenster, um ein Eindringen neuer Insekten in diesen
Bereich, beispielsweise durch eine offene Tür oder durch ein offenes Fenster,
zu verhindern. Ohne eine physikalische Sperre, wie z. B. ein Mückennetz,
könnten
die Insekten mit den bekannten Maßnahmen ungehindert durchfliegen,
und somit nur durch sekundäre
Insektenbekämpfung
an der Belästigung
von Menschen gehindert werden.
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Das
nachfolgend beschriebene Gerät
setzt sich zum Ziel, Stechinsekten (Mücken und andere stechende Insekten)
durch eine Kombination aus passiver und aktiver Ortung im überwachten
Raum zu erfassen, eine Objekterkennung durchzuführen und bei sicherer Identifikation
durch eine gezielt ausgeführte
Manipulation der Insekten, hier durch eine kurzzeitige intensive
Licht- bzw. Wärmeaussetzung, in
der weiteren (Flug-)Bewegung zu hemmen bzw. zu stoppen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept
im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile
zu realisieren.
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Insbesondere
gliedert sich das Gerät
in drei Baugruppen bzw. Module, welche aufeinander abgestimmt die
gesuchte Funktionalität
umfassen:
- 1.) Modul zur Erkennung und Erfassung
von Insekten bzw. Kleinst-(flug-)objekten;
- 2.) Elektronisches Modul mit Prozessoreinheit oder ASIC (diskreter
hoch-integrierter Schaltkreis). Dieses Modul führt u. a. folgende Aufgaben durch:
- – Akustische
Raumüberwachung
durch Frequenzanalyse,
- – Berechnungen
zur Objekterkennung unter Zuhilfenahme spezifischer Vergleichswerte
(Kenngrößen) der
zu beobachtenden Objekte (Größe, Eigen-Akustik, Entfernung,
etc.),
- – Berechnungen
zur Positionsbestimmung eines erkannten Objektes im Raum,
- – Überprüfung von
Randbedingungen, die eine ungewollte Auslösung abwenden,
- – Ausrichtung
von Spiegelelementen und Auslösung
einer Lasereinheit;
- 3.) Modul zur Ausrichtung, Fokussierung und Auslösung von
zwei oder mehrerer Laserstrahlen, welche gerichtet am Zielobjekt
in Form von hochenergetischen Licht- bzw. Wärmeimpulsen aufeinander treffen.
Am Objekt selbst erreichen die gerichteten und ggf. fokussierten
Strahlen im Schnittpunkt durch die Überlagerung ihre höchste energetische
Intensität,
um dort die gewünschte Wirkung
am Objekt zu erzielen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Module werden nachfolgend beschrieben.
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Ziel
des Erfassungsmoduls ist insbesondere die Erkennung und Kurzzeitverfolgung
von Flugobjekten in einem spezifizierten Zielraum. Die Erkennung
kann mit mehreren Methoden durchgeführt werden. Nachfolgend ist
exemplarisch ein Verfahren beschrieben, welches durch einen zweistufigen
Aufbau der Erfassungskette energiesparend konzipiert ist.
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Für unterschiedliche
Anforderungen an Raum und Einsatznutzung können die Module für Erfassung
und Abwehr in unterschiedlichen Leistungsklassen ausgeführt werden.
Größere Räume erfordern
eine stärkere
Ausführung
der Lasereinheit. Je nach Leistungsklasse des Erkennungsmoduls bzw. der
Lasereinheit ist die Überwachung
kleiner Flächen bis
zu großen
möglich.
Der überwachte
Raum wird in der beschriebenen Ausführung zweidimensional erfasst,
mit einer systembedingten schmalen Ausdehnung des überwachten
Raumes in die dritte Ebene. Eine durchgehend dreidimensionale Ausführung ist technisch
möglich,
erfordert jedoch eine Anpassung der eingesetzten Erfassungsmodule
bzw. ein modifizierter Lasermodul mit getrenntem Aufbau.
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Die
Erkennungseinheit gliedert sich insbesondere in zwei sensorische
Gruppen:
- a) Im eingeschalteten Betriebszustand
ist das Gerät
vorzugsweise im Überwachungsmodus
aktiv, das heißt,
dass der zu überwachende
Raum durch das Sensormodul mittels Mikrofon auf spezifische Frequenzbereiche überwacht
wird. Die eingesetzten Mikrofone besitzen eine richtungsorientierte
Hörakustik
(Nierencharakteristik). Eine dem Mikrofon nachgeschaltete Elektronik
analysiert die Umgebungsgeräusche
auf charakteristische Frequenzen bzw. ein schmales spezifisches Frequenzband,
welche bzw. welches von Insekten im Flugzustand durch den eigenen
Flügelschlag
abgeben werden bzw. wird. Bei Erkennung einer für das gesuchte Insekt typischen
Frequenz wird eine erweiterte Objekterfassung aktiviert.
- b) Die aktivierte Ultraschallwellen- bzw. Mikrowellenerfassungseinheit
(Miniradar) erfasst im Beobachtungsraum alle Objekte, die sich im
Nahfeld des Gerätes
aufhalten bzw. bewegen. Durch den durch die Bewegung der Insekten
möglichen messbaren
Dopplereffekt können
Größe und Position
des Objektes im Beobachtungsraum erfasst und zielgenau bestimmt
werden.
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Alternativ
zur Ultraschallwellen- bzw. Mikrowellenerfassungseinheit kann ein
mit einer geringen Leistung geschalteter Laser eingesetzt werden,
der wie eine Scannereinheit arbeitet und den Raum aktiv überstreicht.
Zwei abgestimmte optische Sensoren erfassen dabei die von einem
Objekt reflektierten Lichtwellen. Mittels der von den Sensoren erfassten reflektierten
Lichtwellen kann durch eine Rechnereinheit die Berechnung der Position
des erfassten Objekts im Raum vorgenommen werden. Diese Variante ist
z. B. in Räumen
mit einem hohen Grundlärmpegel einsetzbar.
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Die
Erfassungselektronik erfasst die zur Erkennung und Ortung des Fluginsektes
relevanten Parameter (Objekt, Akustikparameter, Objektart) und erteilt
bei Berücksichtigung
aller relevanter Parameter inklusive aller sicherheitsrelevanter
Parameter (Größe und Entfernung
des Objektes, Flugweg etc.) die Aktivierung des der Erfassungselektronik
nachgeschalteten Moduls zur Ausrichtung, Fokussierung und Auslösung, das
der Bekämpfung
von Flugobjekten dient. An dieses Modul werden Daten wie Position
und Bewegungsparameter übertragen.
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Das
Modul zur Ausrichtung, Fokussierung und Auslösung steuert ein Lasermodul.
Ein Lasermodul wird so ausgerichtet, dass ein vom Lasermodul ausgelöster Laserstrahl
am Objektort fokussiert wird. Das Lasermodul basiert auf dem Einsatz
von zwei (oder mehreren) Laserstrahlen, die je nach Bauweise des
Moduls und Stärke
der eingesetzten Laserdiode mit synchronisiert geschalteten und
gerichteten Strahlen das Objekt anvisieren und den Laserimpuls zielgenau
ausrichten.
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Je
nach Leistungsklasse der eingesetzten Laserdioden kann das Lasermodul
durch zwei diskrete Laserdioden oder alternativ durch eine stärkere Laserdiode
aufgebaut werden. Der Laserstrahl wird hier durch einen Strahlteiler
(1:1) gleichmäßig in zwei gleich
leistungsstarke Strahlen geteilt. Eingesetzte Laser liegen optimaler
weise im höher
energetischen Bereich (z. B. „blauer” Laser)
und in der Leistungsklasse von wenigen Milliwatt Leistung.
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Die
Ausrichtung eines Laserstrahls auf das Objekt wird durch den Einsatz
eines micro-elektromagnetisch
geführten
Spiegels (MEMS: microelectromechanical systems) auf das Objekt ausgerichtet. Hierbei
gibt der Anwendungsraum (Raumgröße zur Beobachtung)
die Ausgestaltung der Bauart und Zusammeneinheit der Komponenten
vor. Der Strahl kann zur Optimierung der Strahlintensität am Objekt mittels
dynamischer Linsen fokussiert werden.
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Für eine höhere Trefferwahrscheinlichkeit kann
der Micro-Spiegel auch 90 Grad zur Strahlrichtung oszillierend geschaltet
sein (optimierte Oszillationsformen können sein: elliptisch, +- Schwingung), so
dass durch Überstreifen
einer größeren Fläche die Wahrscheinlichkeit
eines Treffers steigt, wenn das Zielobjekt eine schnelle Fluggeschwindigkeit
inne hat.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bekämpfung von Insekten durch den Einsatz
eines hochenergetischen Laserstrahls.
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Dazu
ist eine Vorrichtung bzw. Gerät
beschrieben worden, welches dazu ausgelegt ist, mittels eines Erfassungsmoduls
zur Erkennung von Insekten im Beobachtungsraum Insekten zu erkennen. Zur
Unterstützung
werden mit einer dynamischen Ziel- und Fokussierungseinheit die
Laserstrahlen zielgerichtet am erkannten Insekt zur Auslösung gebracht
und damit dieses Insekt mittels zweier oder mehrerer gekreuzter
Laserstrahlen zumindest beschädigt.
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Das
Verfahren ist zur kombinierten Beobachtung und Lokalisierung von
Insekten in der verknüpften
Zusammenarbeit unterschiedlicher Sensoren begründet, nämlich der akustischen Erkennung
in Co-Arbeit mit der räumlichen
aktiven Erkennung durch eine Radar- bzw. Scanner-ähnliche Methodik. Insbesondere
ist ein Regelverfahren zur Kalibrierung, Erkennung, Ortung und Objektverfolgung
von Objekten (z. B. Insekten) im beobachteten Raum vorgesehen. Vorzugsweise
ist zusätzlich
eine Methodik zur Bereitstellung, Fokus sierung und Auslösung eines
Wärme-,
akustischen bzw. anderweitig gekennzeichneten Abschussgerätes vorgesehen.
Das Gerät sieht
insbesondere den Aufbau einer Zieleinheit mittels Laserdioden, eine
optische Fokussierung, micro-elektromagnetische Spiegel (MEMS),
auch ergänzend
ausgeführt
in Scan-Funktion, vor.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Diese soll die Ausführungsbeispiele
nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen,
vielmehr sind die Zeichnungen, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter
und/oder leichtverzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen
der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf
den einschlägigen
Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen
und Änderungen,
betreffend die Form und das Detail, einer Ausführungsform vorgenommen werden
können,
ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in
der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung
der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung
alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den
Zeichnungen und/oder den Ansprüchen
offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht
beschränkt
auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und
beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
oder beschränkt
auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den
Ansprüchen
beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch
innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart
und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie
anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
eine Prinzipskizze zum Überwachen eines
Raumbereichs bei einem bevorzugten Verfahren und einer bevorzugten
Vorrichtung,
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2:
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung.
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Anhand
nachfolgender Skizzen wird die Funktionsweise sowie ein beispielhafter
Modulaufbau des Gerätes
aufgezeigt.
- 1) Der Aufbau des Gerätes 10 lässt sich
am Beispiel von 1 darstellen. Mittels eines
Mikrofons 20 (einzeln oder als Baugruppe) wird der Umgebungsschall
analysiert. Bei dem Auftreten Objekt-typischer Frequenzen wird die
zusätzliche Raumortungssensorik 30 und 30 aktiviert,
welche in Kombination mit der Rechnereinheit eine exakte Objektortung
vornimmt. Die Module arbeiten nach dem „Radar”-Prinzip, d. h. sie sind als
kombinierte Sender- und Empfängereinheiten
ausgeführt,
die auf Basis der Berechnung von Laufzeitunterschieden zwischen
Aussendung und Empfang einer elektromagnetischen Welle eine exakte Ortsbestimmung
durchführen
kann. Bei positiver Erkennung aller für das Insekt typischer und
relevanter Objektmerkmale (Frequenz, Objektgröße) wird das Lasermodul zur
Abwehr der Insekten aktiviert. Dieses Modul besteht aus einer Baugruppe von
Laserdioden mit Strahlfokussierung [40 und 40' und den micro-elektromagnetisch
geführten Spiegeln 50 und 50'. Bei exakter
Raumortung wird das Objekt im Zielraum von den Strahlen gleichzeitig
getroffen. Im Kreuzungspunkt der Strahlen wird eine hohe Energiedichte
erreicht, die das Objekt manipulieren sollen.
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Eine
beispielhafte Anordnung der eingesetzten Modulgruppen zeigt 2.
Je nach technischer Umsetzung können
die Module in Bauart, Größe und Platzierung
variieren. Eine Stromzuführung 60 versorgt
die zentrale Kontroll- und Rechnereinheit 70 (Platine mit
Controller) mit Energie, über
eine Schaltkonsole 80 lässt
sich das Gerät
aktivieren. Das Mikrofon 20 agiert in Zusammenarbeit mit
den „Radar”-Sensoren 30 und 30' um aktiv die
Objektbestimmung durchzuführen. Über die
spezielle Ansteuerung 90 (Laser driver) werden die Laserdioden 100 und 100' aktiviert,
die micro-elektromagnetischen Spiegel 50 und 50' richten die
fokussierten Laserstrahlen in Richtung des Objektes aus.
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Alternativ
zur Ortsbestimmung durch eine Sensorik, die dem Radarprinzip folgend
Signallaufzeiten auswertet, können
zur Ortsbestimmung alternativ Laser im niedrig energetischem Dauerbetrieb (gleiche
Baugruppe oder ergänzend)
in einem Scannerbetrieb den zu überwachenden
Raum durchstreichen und die Reflexionen der Zielobjekte auswerten. Bei
positiver Erkennung werden die Spiegel ausgerichtet und die Laser
in einen kurzen, jedoch energetisch starken Impulsbetrieb ausgelöst.
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Für eine leistungsstärkere Variante
des Gerätes
ist es folgerichtig, das die Moduleinheiten 30' und 100' (mit Ergänzung der
für den
Betrieb notwendigen Bauteile) in einem zweiten Gehäuse separiert werden.
Beide Geräte
werden getrennt voneinander aufgestellt bzw. installiert. Durch
eine Funk-ähnliche Verbindung
(z. B. Bluetooth) können
beide Geräte miteinander
kommunizieren und Daten austauschen um z. B. bei Änderung
der Aufstellung sich neu kalibrieren zu können und Daten bezüglich der
Objekterkennung und -bekämpfung
zu übermitteln.
Der Vorteil einer Aufstellung mit größerem Abstand der Erfassungssensoren
besteht in der größeren Winkelauflösung der
Sensoren zur Ortsbestimmung einhergehend mit der Möglichkeit,
eine größere Raumfläche überwachen
zu können.
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Durch
ein optisches Lockmittel (z. B. blaue Lichtquelle) kann die Wirksamkeit
in geschlossenen Räumen
optimiert werden, da das Licht bestimmter Wellenlängen Insekten
anzieht und diese durch das Gerät
die Wahrscheinlichkeiten erhöht,
dass ein Insekt in den Nahbereich des Gerätes gerät und somit eher getroffen
werden kann.