DE102009050522B4 - Localization system and method for finding thermals - Google Patents

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Abstract

Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten, welches zumindest folgende Komponenten aufweist:
– eine Infrarotkamera (2);
– eine mit der Infrarotkamera (2) verbundene IR-Bildverarbeitungseinheit (3); und
– eine Bewegungsvorhersageeinheit (6);
gekennzeichnet dadurch, dass
die Bewegungsvorhersageeinheit (6) eine Empfangseinheit für entsprechende Wetterdaten oder eine Speichereinheit mit gespeicherten Wetterdaten zum Ableiten eines vereinfachten Bewegungsmodells der Thermik aufweist und wobei das Lokalisierungssystem (1) ferner eine Auswertungseinheit (7) aufweist, welche zur Positionsbestimmung eines lokal auftretenden Thermikgebietes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit der IR-Bildverarbeitungseinheit (3) und mit der Bewegungsvorhersageeinheit (6) verbunden ist.
Localization system (1) for finding local thermal areas, which has at least the following components:
An infrared camera (2);
- An IR image processing unit (3) connected to the infrared camera (2); and
A motion prediction unit (6);
characterized in that
the movement prediction unit (6) has a receiving unit for corresponding weather data or a storage unit with stored weather data for deriving a simplified motion model of the thermal and wherein the localization system (1) further comprises an evaluation unit (7) for determining the position of a locally occurring thermal area in a three-dimensional coordinate system is connected to the IR image processing unit (3) and to the motion prediction unit (6).

Figure DE102009050522B4_0001
Figure DE102009050522B4_0001

Description

Die Erfindung betrifft ein Lokalisierungssystem und ein Verfahren zum Auffinden von örtlich auftretender Thermik, wie sie beispielsweise von Luftfahrzeugen wie Segelfliegern genutzt wird, um durch die thermischen Aufwinde die Flughöhe zu vergrößern und damit die Flugstrecke bzw. Flugdauer zu beeinflussen.The invention relates to a localization system and a method for locating locally occurring thermals, such as those used by aircraft such as gliders to increase the altitude by the thermal windings and thus to influence the flight path or flight time.

Ein Grund für das Auftreten von Thermik liegt in der unterschiedlich starken Erwärmung des Erdbodens in Abhängigkeit von Bewuchs, Ausrichtung, Bodenbeschaffenheit und Feuchtigkeit. So erwärmen sich beispielsweise trockene, wenig bewachsene Bereiche mit sandigem Untergrund schneller als Wald- oder Wasserflächen oder feuchtes Weideland. Durch die schnellere Erwärmung kommt es auch zu einer schnelleren und stärkeren Erwärmung der Luftschichten unmittelbar über diesen Bereichen. Wärmere Luft steigt auf, wenn die umgebenden Luftschichten eine geringere Temperatur aufweisen. Das Aufsteigen solcher warmen Luftschichten tritt insbesondere dann auf, wenn externe Einflüsse wie Wind die bodennahe warme Luft auf sogenannte „Abrisskanten”, d. h. Hindernisse wie z. B. Waldränder, Berghänge, Straßen etc., drückt und dadurch zur „Ablösung” vom Boden zwingt.One reason for the occurrence of thermals lies in the different degrees of warming of the soil depending on fouling, orientation, soil conditions and moisture. For example, dry, less vegetated areas with sandy soil heat up faster than forest or water areas or wet pastureland. The faster warming also leads to a faster and stronger warming of the air layers immediately above these areas. Warmer air increases when the surrounding air layers have a lower temperature. The rise of such warm air layers occurs in particular when external influences such as wind, the near-ground warm air to so-called "demolition edges", d. H. Obstacles such. As forest edges, mountain slopes, roads, etc., presses and thereby for "detachment" from the ground forces.

In der Sportfliegerei, insbesondere im Segelflug, ist es üblich, sich Bereiche mit aufgrund von Temperaturunterschieden aufsteigenden Luftmassen, sogenannter Thermik, zunutze zu machen. Flugzeuge, die sich innerhalb solcher Bereiche befinden, können antriebslos ihre Höhe halten oder ausbauen und sogar längere Strecken ohne bzw. mit reduziertem Energieaufwand zurücklegen. Insbesondere bei Aufklärungs- und Beobachtungsmissionen von unbemannten Fluggeräten (UAVs) bestehen erhebliche Freiheitsgrade in der Auswahl der lokalen Flugbahnen, die durch Berücksichtigung ortsgebundener Thermik eine Verlängerung der Flugdauer erlauben.In sport aviation, especially in gliding, it is common to make use of areas with rising due to temperature differences air masses, so-called thermal. Aircraft located within such areas can maintain or extend their altitude without power and even travel longer distances without or with reduced energy consumption. In particular, in reconnaissance and observation missions of unmanned aerial vehicles (UAVs) there are considerable degrees of freedom in the selection of the local trajectories, which allow for extension of the duration of flight by taking into account localized thermal.

Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere Lösungsvorschläge zum Auffinden von örtlich auftretender Thermik bekannt. So offenbart die deutsche Patentschrift DE 435004 eine Vorrichtung, um auf Gleitfliegern die Änderung der Windströmung, wie sie bei Annäherung an Thermikgebiete erfolgt, durch einen sich mit diesen ändernden Ton wahrnehmbar zu machen. Dabei wird gemäß der DE-PS 435004 , dem Windstrom eine Sirene auszusetzen, die bei Änderung der Windströmung ihre Umlaufgeschwindigkeit und damit ihren Ton ändert. Dabei soll die Wahrnehmung der Tonänderung auf elektrisch-akustischem Weg mittels Mikrofonen erfolgen. Nachteil dieses Standes der Technik ist es, dass man sich hier bereits sehr nahe an dem Aufwindbereich befinden muss, um entsprechende Signale zu empfangen.Several solutions for locating locally occurring thermals are already known from the prior art. Thus, the German patent publication DE 435004 a device to make perceptible on gliders the change of the wind flow, as it occurs when approaching thermal areas, by a sound changing with it. It is in accordance with the DE-PS 435004 to expose the windstream to a siren that changes its velocity and thus its sound as the wind flow changes. In this case, the perception of the change in tone on an electric-acoustic way to be done by means of microphones. Disadvantage of this prior art is that you have to be here already very close to the updraft to receive appropriate signals.

Einen ähnlichen Ansatz wie der oben beschriebene Lösungsvorschlag verfolgt die DE 4035311 C1 . Darin wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auffinden von Thermik für Segelflugzeuge beschrieben. Gemäß diesem Stand der Technik wird die von thermischen Aufwindfeldern ausgehende Infraschallstrahlung mit einem elektro-akustischen Wandler erfasst. Dabei wird das Frequenzband von 3 Hz bis 16 Hz herausgefiltert, verstärkt und einem Frequenz-/Spannungswandler zugeführt. Die höchste empfangene Frequenz wird dann angezeigt. Zusätzlich enthält die Vorrichtung ein Messgerät zur relativen Signalstärke des empfangenen Signals sowie eine zur Frequenz des Signals proportionale akustische Anzeige. Auch hier muss man sich relativ nahe am Thermikgebiet befinden, um entsprechende Signale empfangen zu können. Bei weiter entfernt liegenden Thermikgebieten erschweren Störgeräusche und die Abdrift des Schalls aufgrund von horizontalen Luftströmungen die Ortung des Thermikgebiets.A similar approach to the solution proposed above pursues the DE 4035311 C1 , This document describes a method and a device for finding gliders for gliders. According to this prior art, the infrared radiation emanating from thermal Aufwindfeldern is detected with an electro-acoustic transducer. The frequency band from 3 Hz to 16 Hz is filtered out, amplified and fed to a frequency / voltage converter. The highest received frequency is then displayed. In addition, the device includes a measuring device for the relative signal strength of the received signal and an acoustic display proportional to the frequency of the signal. Again, you have to be relatively close to the thermal area to receive appropriate signals. For more distant thermal areas noise and the drift of sound due to horizontal air currents make it difficult to locate the thermal area.

Die DE-OS 2248466 offenbart einen Thermiksensor für Segelflugzeuge, bei dem die beim Variometer unberücksichtigt bleibende Temperaturänderung der umgebenden Luft gemessen wird. Dies geschieht dadurch, dass die Komponenten des Temperaturgradienten in Richtung der Flugzeugquerachse und r Flugzeuglängsachse näherungsweise bestimmt werden. Diese beiden Komponenten setzen sich zu einem zweidimensionalen Vektor zusammen, der in die Richtung der größten Temperaturzunahme und damit des stärksten Aufwinds zeigt. Zur Messung der beiden Gradientenkomponenten dienen Temperaturfühler and den beiden Tragflächen im Abstand einer Spannweite von normalerweise 15 m. Die Querkomponente der Temperaturänderung ist nun proportional der Temperaturdifferenz an den beiden Fühlern. Zur Messung der Längskomponente können nun grundsätzlich in der selben Weise zwei weitere Temperaturfühler vorn und hinten am Rumpf verwendet werden. Diese können aber eingespart werden, da aufgrund der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs die zeitliche Änderung des Mittelwerts der Temperaturen an den beiden Temperaturfühlern an den Tragflächen proportional zur Längskomponente des Temperaturgradienten ist. Auch mit dieser Lösung sind Thermikgebiete in größerer Entfernung nur sehr schwer feststellbar.The DE-OS 2248466 discloses a glider thermal sensor which measures the temperature change of the ambient air that is disregarded by the variometer. This is done by approximately determining the components of the temperature gradient in the direction of the aircraft transverse axis and the aircraft's longitudinal axis. These two components combine to form a two-dimensional vector that points in the direction of the largest increase in temperature and thus the strongest upwind. To measure the two gradient components, temperature sensors are used on the two wings at a distance of a span of normally 15 m. The transverse component of the temperature change is now proportional to the temperature difference at the two sensors. To measure the longitudinal component, two additional temperature sensors can now be used in the same way in the front and rear of the fuselage. These can be saved, however, because due to the forward movement of the aircraft, the time change of the average value of the temperatures at the two temperature sensors on the wings is proportional to the longitudinal component of the temperature gradient. Even with this solution, thermal areas in the greater distance are very difficult to detect.

Ferner sind noch eine Reihe von Zentrierhilfen für Fluggeräte bekannt, die den Aufwind durch Kreisen zur Höhegewinnung nutzen. Dabei soll erreicht werden, dass der Pilot möglichst um das Zentrum des Aufwindkanals kreist und somit ein optimaler Höhengewinn erzielt wird. Derartige Lösungen basieren entweder auf der Auswertung der Variometermessungen oder auf mechanischen Kräfteänderungen an den Tragflächen und sind beispielsweise aus der DE 19731081 A1 , der DE 9017565 U1 und der WO 83/01050 A1 bekannt. Auch hier muss das Luftfahrzeug bereits in unmittelbarer Nähe oder bereits in dem Thermikgebiet sein.Furthermore, a number of centering aids for aircraft are still known, which use the updraft by circles for height extraction. It should be achieved that the pilot as possible revolves around the center of the updraft channel and thus an optimum height gain is achieved. Such solutions are based either on the evaluation of Variometermessungen or mechanical changes in forces on the wings and are for example from the DE 19731081 A1 , of the DE 9017565 U1 and the WO 83/01050 A1 known. Again, the aircraft must already be in the immediate vicinity or already in the thermal area.

Schließlich ist aus der DE 41 34 633 A1 eine Ortungseinrichtung für thermische Aufwindgebiete bekannt, die ein Anfliegen derartiger Thermikgebiete auf direktem Wege ermöglichen soll. Dabei wird als Lösung eine Vorrichtung vorgeschlagen, die nach dem Prinzip der passiven Infrarot-Detektion den Luftraum mit einem speziellen für das langwellige Infrarotgebiet geeigneten pyroelektrischen Sensor abtastet. Die Abtastung erfolgt dabei durch eine horizontale Schwenkbewegung des Sensors und ermöglicht das Auffinden von Temperaturdifferenzen zwischen den wärmeren Aufwindgebieten und der geringfügig kälteren Umgebungsluft, arbeitet also mithin nach dem Grundprinzip der DE-OS 2248466 , allerdings mit dem Vorteil, dass die Aufwindgebiete auf größere Entfernungen aufgefunden werden können. Die Annäherung an ein entsprechendes Thermikgebiet wird gemäß der DE 41 34 633 A1 durch zwei Dioden angezeigt und bei unmittelbarer Annäherung durch ein akustisches Signal ergänzt. Die zu ortende Infrarotstrahlung liegt demgemäss im Bereich von 50 μm. Nachteil dieser Lösung ist es, dass die Entfernung zu dem Aufwindgebiet erst bei deutlicher Annäherung bestimmt werden kann. Auch können hiermit keine Feststellung getroffen werden, ob in der Nähe größere oder für die Flugroute günstigere Aufwindgebiete vorhanden sind. Durch die reine Diodenanzeige ist auch keine Positionsbestimmung, beispielsweise zum Kartieren von geographischen Gegebenheiten, an denen häufig Thermik auftritt, möglich.Finally, out of the DE 41 34 633 A1 a locating device for thermal updraft areas is known, which should allow a approach of such thermal areas directly. In this case, a solution is proposed as the solution, which scans the air space with a special suitable for the long-wave infrared region pyroelectric sensor according to the principle of passive infrared detection. The scanning is carried out by a horizontal pivoting movement of the sensor and allows the finding of temperature differences between the warmer Aufwindgebieten and the slightly colder ambient air, ie thus operates on the basic principle of DE-OS 2248466 , but with the advantage that the upwind areas can be found at greater distances. The approach to a corresponding thermal area is according to the DE 41 34 633 A1 indicated by two diodes and complemented by an acoustic signal in the immediate approach. The infrared radiation to be located is accordingly in the range of 50 μm. Disadvantage of this solution is that the distance to the updraft region can be determined only at a significant approximation. Also hereby no statement can be made whether larger or more favorable for the flight route Aufwindgebiete are available. The pure diode display is also no position determination, for example, for mapping geographic conditions where thermal often occurs, possible.

Des Weiteren ist aus der US 6 828 934 B2 ein luftgestützter Mikrowellen/Infrarot Windscherungs- und Luftloch- Detektor bekannt. Dazu wird die Luft vor dem Flugzeug durch direkte Hochenergiestrahlen wie Mikrowellenstrahlen von einer jeweiligen Mikrowelleantenne erhitzt und mittels einer Infrarotkamera in Bilder verwandelt. Indem man diese erzeugten Bilder überwacht, kann das Vorhandensein einer Luftstörung festgestellt werden. Dabei halten die Hochenergiestrahlen vorzugsweise einen vorbestimmten Abstand vor dem Flugzeug bei, damit ein ausweichendes Manöver durchgeführt werden kann. Dazu ist eine Auswertungseinheit mit einer Bewegungsvorhersageeinheit und die Bewegungsvorhersageeinheit wiederum mit einem Luftgeschwindigkeitsmesser verbunden. Der Luftgeschwindigkeitsmesser versorgt die Bewegungsvorhersageeinheit mit Informationen, wie der Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs. Damit werden die Hochenergiestrahlen durch Positionsversteller positioniert.Furthermore, from the US Pat. No. 6,828,934 B2 an airborne microwave / infrared wind shear and air hole detector known. For this purpose, the air in front of the aircraft is heated by direct high-energy radiation such as microwave radiation from a respective microwave antenna and converted into images by means of an infrared camera. By monitoring these generated images, the presence of an airborne fault can be detected. The high energy beams preferably maintain a predetermined distance in front of the aircraft so that an evasive maneuver can be performed. For this purpose, an evaluation unit with a movement prediction unit and the movement prediction unit are in turn connected to an air speed meter. The airspeed meter provides the motion prediction unit with information, such as the airspeed of the aircraft. Thus, the high-energy beams are positioned by position adjuster.

Zuletzt ist noch aus der US 7 515 088 B1 ein Wetter-Radar-Erkennungs-System und Verfahren adaptiv für Wettercharakteristika bekannt. Das Verfahren schließt die Bestimmung einer Klassifikation des Wetters und das automatische Justieren des Wetter-Radar-Systems in Erwiderung auf die Klassifikation des Wetters ein. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Lösung zum Auffinden von örtlich auftretender Thermik in großer Entfernung zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll durch die Erfindung ein Vergleich mehrerer lokaler Thermikgebiete möglich werden, wodurch je nach Präferenz das größte, das nächstliegende oder das auf dem vorgegebenen Kurs liegende lokale Thermikgebiet ausgewählt werden kann.Last is still out of the US Pat. No. 7,515,088 B1 a weather radar detection system and method adaptively known for weather characteristics. The method includes determining a classification of the weather and automatically adjusting the weather radar system in response to the classification of the weather. The invention is therefore based on the object to avoid the disadvantages of the known solutions of the prior art and to provide an improved solution for finding locally occurring thermals at a great distance. In addition, a comparison of several local thermal areas to be possible by the invention, which can be selected depending on preference, the largest, the nearest or lying on the predetermined course local thermal area.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lokalisierungssystem zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a localization system for finding local thermal areas with the features of claim 1 and a method for finding local thermal areas with the features of claim 7. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Lösung zum Auffinden von örtlich auftretender Thermik in großer Entfernung zur Verfügung gestellt. Außerdem wird durch die Erfindung ein Vergleich mehrerer lokaler Thermikgebiete möglich, wodurch je nach Präferenz das größte, das nächstliegende oder das auf dem vorgegebenen Kurs liegende lokale Thermikgebiet ausgewählt werden kann.As a result, the disadvantages of the known solutions of the prior art are avoided and provided an improved solution for finding locally occurring thermals at a great distance. In addition, a comparison of several local thermal areas is possible by the invention, which can be selected depending on preference, the largest, the nearest or lying on the given course local thermal area.

Dabei kann das Auftreten von Thermik verschiedene Gründe haben. Die Bewegung thermischer Ablösungen von erwärmten Bodenflächen hängt von Einflüssen wie der Ausrichtung der Abrisskante, der Größe der erwärmten Bodenfläche, den Windrichtungen, Windgeschwindigkeiten und dem Temperaturgefälle im Höhenverlauf sowie der Gesamtwetterlage ab. Aus einigen wenigen bekannten Einflussgrößen, wie den Höhenwindrichtungen und dem Temperaturverlauf, die von der modernen Meteorologie routinemäßig mit großer Genauigkeit vorhergesagt bzw. gemessen werden, lässt sich erfindungsgemäß mit einer Bewegungsvorhersageeinheit, beispielsweise einer CPU mit Empfangseinheit für entsprechende Wetterdaten bzw. einer Speichereinheit mit gespeicherten Wetterdaten, die vor dem Start des Fluggeräts eingegeben werden können, ein vereinfachtes Bewegungsmodell der Thermik ableiten. Durch die Auswertungseinheit erfolgt dann eine Positionsbestimmung eines lokal auftretenden Thermikgebietes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem auf Basis der Höhenwindrichtungen und – Windgeschwindigkeiten, des Temperaturverlaufs und anhand von mittels der Infrarotkamera und damit verbundener IR-Bildverarbeitungseinheit identifizierten Bodenflächen mit erhöhter Wärmeabstrahlung und deren ebenfalls identifizierten Abrisskanten.The occurrence of thermals can have different reasons. The movement of thermal detachments from heated floor surfaces depends on influences such as the orientation of the spoiler edge, the size of the heated floor surface, the wind directions, wind speeds and the temperature gradient in the course of the altitude and the overall weather situation. From a few known influencing variables, such as the vertical wind directions and the temperature profile, which are routinely predicted and / or measured with great accuracy by modern meteorology, it is possible with a movement prediction unit, for example a CPU with receiving unit for corresponding weather data or a storage unit with stored weather data , which can be entered before the aircraft is launched, derive a simplified model of movement of the thermals. By the evaluation unit then takes place a position determination of a locally occurring thermal area in a three-dimensional coordinate system based on the vertical wind directions and - wind speeds, the temperature profile and by means of the infrared camera and IR-associated image processing unit identified floor areas with increased heat radiation and their also identified demolition edges.

Die Erfindung erlaubt ferner das Auffinden von Thermik bei Nacht. Bereiche mit geringer Wärmeabstrahlung, aber hoher Wärmespeicherkapazität, beispielsweise Wasserflächen oder Waldgebiete, strahlen aufgenommene Wärme nach Sonnenuntergang wieder ab. Diese Gebiete und mögliche Abrisskanten können in Infrarotbilddaten mit dem erfindunggsgemäßen Lokalisierungssystem und dem erfindugnsgemäßen Verfahren auch bei Nacht idenfiziert werden. Schließlich kann die Erfindung abhängig von der Größe des Fluggeräts und der Genauigkeit des Messverfahrens auch in der allgemeinen Luftfahrt zur Bestimmung von durch bodennahe Thermik bedingten Turbulenzen z. B. beim Start oder beim Landeanflug, sowie zur Auffindung von Wolkenthermik verwendet werden.The invention also allows the detection of thermal at night. Areas of low heat radiation but high heat storage capacity, such as water or forest areas, radiate absorbed heat after sunset. These areas and possible demolition edges can be identified in infrared image data with the localization system according to the invention and the method according to the invention also at night. Finally, depending on the size of the aircraft and the accuracy of the measurement method, the invention can also be used in general aviation for determining turbulences caused by ground-level thermal z. B. at take-off or landing approach, as well as for the discovery of cloud thermics are used.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine automatische Bildverarbeitung auf Basis von optischen und Infrarot-Kamerabilddaten vor. Dadurch können mögliche Ursachen für das Zustandekommen von Thermik in automatischer Form mittels Bildverarbeitung von optischen und Infrarot-Kamerabilddaten identifiziert werden, die Entwicklung der Thermik unter Berücksichtigung meteorologischer Gegebenheiten vorhergesagt und durch Lokalisierung der Thermik in einem geeigneten Koordinatensystem bzw. geeigneter visueller Darstellung für die Flugplanung von Fluggeräten nutzbar gemacht werden.A particularly advantageous embodiment of the invention provides automatic image processing on the basis of optical and infrared camera image data. Thus, possible causes for the occurrence of thermals can be identified in an automatic form by means of image processing of optical and infrared camera image data, the development of thermals in consideration of meteorological conditions predicted and by localization of the thermals in a suitable coordinate system or appropriate visual representation for the flight planning of Aircraft can be harnessed.

Vorteilhafterweise können eine optische und eine Infrarotkamera an einem Fluggerät montiert und relativ zum Fluggerät und relativ zueinander vermessen bzw. kalibriert werden. Die Infrarotkamera kann zur Verbesserung der Messgenauigkeit derart kalibriert werden, dass Farbwerte im Bild bestimmten Temperaturen zugeordnet werden können.Advantageously, an optical and an infrared camera can be mounted on an aircraft and measured or calibrated relative to the aircraft and relative to each other. The infrared camera can be calibrated to improve the measurement accuracy such that color values in the image can be assigned to specific temperatures.

In den aufgenommenen Infrarotbilddaten können Bodenflächen mit höherer Wärmeabstrahlung anhand von helleren Farben automatisch erkannt werden. Die Färbung lässt dabei Rückschlüsse auf die Temperatur des Bereiches zu. Durch eine Suche über allen Punkten im Infrarotbild können solche hellen Farben automatisch identifiziert und bei bekannter Position der Infrarot-Kamera den entsprechenden Bodenbereichen und deren Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem zugeordnet und die korrespondierenden Flächen aufeinander registriert werden.In the acquired infrared image data, floor areas with higher heat radiation can be automatically detected by lighter colors. The coloring allows conclusions about the temperature of the area. By means of a search over all points in the infrared image, such bright colors can be automatically identified and, given a known position of the infrared camera, assigned to the corresponding floor areas and their coordinates in a common coordinate system and the corresponding surfaces registered one another.

In optischen Bilddaten können mögliche Abrisskanten anhand von starken lokal auftretenden Farbunterschieden, d. h. anhand von Farbgradienten automatisch identifiziert und bei bekannter Position der optischen Kamera den entsprechenden Bodenbereichen und deren Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem zugeordnet und die korrespondierenden Kanten aufeinander registriert werden.In optical image data, possible demolition edges can be determined on the basis of strong locally occurring color differences, ie. H. automatically identified by color gradients and associated with the known position of the optical camera the corresponding floor areas and their coordinates in a common coordinate system and the corresponding edges are registered to each other.

Bei bekannten Windrichtungen und Temperaturverläufen kann nun die Bewegung der Thermik an den automatisch identifizierten Stellen berechnet und in ein dem Fluggerät bekanntes dreidimensionales Koordinatensystem projiziert werden. Ein optional vorhandenes Navigationssysteme kann nun die Bereiche des möglichen Auftretens von Thermik in die Flugplanung einbeziehen und durch Kreis- oder stationären Flug in diesen Bereichen bei reduzierter Motorleistung die Höhe halten bzw. ausbauen und dadurch die Gesamtflugdauer erhöhen.With known wind directions and temperature curves, the movement of the thermals at the automatically identified points can now be calculated and projected into a three-dimensional coordinate system known to the aircraft. An optionally available navigation system can now incorporate the areas of possible occurrence of thermals in the flight planning and keep the altitude by circular or stationary flight in these areas with reduced engine power or increase and thereby increase the overall flight time.

Zur Überprüfung bzw. zur Bestätigung des Vorhandenseins von Thermik an den mit dem oben beschriebenen Verfahren bestimmten Bereichen, kann die in Luftfahrzeugen üblicherweise vorhandene Sensorik, beispielsweise ein Variometer, Inertialsensoren, etc., verwendet werden. Beim Durchfliegen der identifizierten, thermisch aktiven Bereiche bei konstanter Flugrichtung und -geschwindigkeit tritt bei Vorhandensein von Thermik eine positive Vertikalbeschleunigung des Fluggeräts auf und kann mit der Sensorik gemessen werden. Anhand der Ausdehnung der Bereiche mit gemessenen Vertikalbeschleunigungen kann dann eine Feinlokalisierung der thermisch aktivsten Gebiete erfolgen. Die mittels der Sensorik des Fluggerätes tatsächlich gemessenen Vertikalbeschleunigungen in den berechneten Bereichen lokaler Thermik können dazu verwendet werden, das der Berechnung zugrundegelegte Thermikmodell dynamisch zu verfeinern bzw. die zugrundegelegten Parameter, wie z. B. die Windrichtungen, dynamisch anzupassen. Ferner kann mittels der Sensorik des Fluggerätes gemessene, durch das vorhandene Thermikmodell jedoch nicht vorhergesagte Thermik durch Standardansätze des statistischen Lernens dazu verwendet werden, die wahrscheinlichsten Entstehungsursachen der Thermik in den Bilddaten zu identifizieren und das verwendete Berechnungsmodell auf diese neuen Ursachen auszuweiten.For checking or confirming the presence of thermals in the areas determined by the method described above, it is possible to use the sensors commonly used in aircraft, for example a variometer, inertial sensors, etc. When flying through the identified, thermally active areas at constant flight direction and speed occurs in the presence of thermal positive vertical acceleration of the aircraft and can be measured with the sensor. Based on the extent of the areas with measured vertical accelerations, a fine localization of the most thermally active areas can then take place. The vertical accelerations actually measured by means of the sensor system of the aircraft in the calculated ranges of local thermals can be used to dynamically refine the thermal model on which the calculation is based, or the underlying parameters, such as, for example, B. the wind directions to adapt dynamically. Furthermore, thermals measured by the aircraft's sensor system, but not predicted by the existing thermal model, can be used by standard approaches of statistical learning to identify the most likely causes of thermals in the image data and extend the calculation model used to these new causes.

Zudem können Navigationssysteme von Fluggeräten, insbesondere von Unbemannten Fluggeräten (UAVs), gezielt die aufgefundenen lokalen Thermikgebiete in der Flugplanung bzw. Trajektorienplanung berücksichtigen und dadurch die Flugdauer verlängern und die Energieeffizienz verbessern. Bei unbemannten Fluggeräte (UAVs), die im zivilen und militärischen Bereich zunehmend eingesetzt werden, um Überwachungs- und Aufklärungsaufgaben zu erfüllen, kann die Trajektoreinplanung dabei beispielsweise vollständig autonom erfolgen. Die Flugdauer von UAVs ist für den praktischen Nutzen in Missionen von wesentlicher Bedeutung.In addition, navigation systems of aircraft, in particular unmanned aerial vehicles (UAVs), can specifically take into account the local thermal areas discovered in the flight planning or trajectory planning and thereby extend the duration of flight and improve energy efficiency. In the case of unmanned aerial vehicles (UAVs), which are increasingly being used in the civilian and military sectors to perform surveillance and reconnaissance tasks, trajectory planning can, for example, be completely autonomous. The duration of flight of UAVs is essential for practical use in missions.

Schliesslich können mehrere Fluggeräte, insbesondere mehrere Unbemannte Fluggeräte, gleichzeitig aber unabhängig voneinander ein Gebiet abfliegen und mittels der Erfindung thermisch aktive Bereiche identifizieren und sich danach untereinander die Daten über die stärksten thermischen Bereiche gegenseitig, beispielsweise mittels Funkübertragung verfügbar machen. Dadurch kann der bei der Thermiksuche abgedeckte Bereich erheblich erweitert werden. Finally, several aircraft, in particular several unmanned aerial vehicles, but at the same time independently depart from an area and identify thermally active areas by means of the invention and then make each other the data on the strongest thermal areas each other, for example by radio transmission available. As a result, the area covered by the thermal search can be considerably expanded.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment of the invention with reference to FIGS. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Lokalisierungssystems zum Auffinden lokaler Thermikgebiete; 1 a schematic representation of an advantageous embodiment of a localization system for finding local thermal areas;

2 eine schematische Darstellung der Bewegung von Thermik aufgrund des Verlaufs der Windrichtungen, Windgeschwindigkeiten und Temperaturen in verschiedenen Höhen; 2 a schematic representation of the movement of thermals due to the course of the wind directions, wind speeds and temperatures at different heights;

3 ein Infrarot-Luftbild, bei dem hellere Farben Bodenflächen mit höheren Temperaturen entsprechen; 3 an infrared aerial view, where lighter colors correspond to higher surface areas;

4 ein optisches Luftbild des Gebiets aus 3; 4 an aerial aerial view of the area 3 ;

5 ein Ergebnis einer automatischen Kantendetektion möglicher Abrisskanten in 4; 5 a result of an automatic edge detection of possible demolition edges in 4 ;

6 eine Lokalisierung von im Infrarotbild aus 3 gefundenen erwärmten Bodenflächen entlang möglicher Kanten aus 5 in passender Richtung zum Wind in einem gemeinsamen Koordinatensystem aus 4; 6 a localization of in the infrared image 3 Found heated bottom surfaces along possible edges 5 in the appropriate direction to the wind in a common coordinate system 4 ;

7 eine dreidimensionale Lokalisierung von Thermik im Höhenverlauf bei bekannten Wetterdaten (Windrichtungen, Temperaturen) zur Weiterverarbeitung durch ein Navigationssystem; 7 a three-dimensional localization of thermals in the course of altitude with known weather data (wind directions, temperatures) for further processing by a navigation system;

8 ein schematisches Flussdiagramm mit den Eingangsgrössen Infrarotbild, optisches Bild, Windverlauf im Höhenprofil, den Verarbeitungsschritten Farbflächenextraktion und Kantendetektion, sowie den Ausgangsgrößen Thermiklokalisierung und Trajektorienplanung. 8th a schematic flow chart with the input variables infrared image, optical image, wind profile in the altitude profile, the processing steps color area extraction and edge detection, and the output variables thermal localization and trajectory planning.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Lokalisierungssystems 1 zum Auffinden lokaler Thermikgebiete mit einer Infrarotkamera 2, einer IR-Bildverarbeitungseinheit 3 sowie einer optischen Kamera 4 und einer optischen Bildverarbeitungseinheit 5. Die beiden Bildverarbeitungseinheiten 3 und 5 sind mit einer Auswertungseinheit 7 verbunden, die wiederum Wetterdaten von einer Bewegungsvorhersageeinheit 6 erhält. Mit diesen Daten und den kartografischen Daten eines Navigationssystems 8 ermittelt die Auswertungseinheit 7 die Position lokaler Thermikgebiete und zeigt diese in einem dreidimensionalen Koordinatensystem auf der Ein-/Ausgabeeinheit 9 an. Über das Navigationssystem 8 kann dann auch eine Trajektorienplanung erfolgen. 1 shows a schematic representation of an advantageous embodiment of a localization system 1 to find local thermal areas with an infrared camera 2 , an IR image processing unit 3 as well as an optical camera 4 and an optical image processing unit 5 , The two image processing units 3 and 5 are with an evaluation unit 7 which, in turn, provides weather data from a motion prediction unit 6 receives. With this data and the cartographic data of a navigation system 8th determines the evaluation unit 7 The location of local thermal areas and displays them in a three-dimensional coordinate system on the input / output unit 9 at. About the navigation system 8th then a trajectory planning can be done.

Gemäß dem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die optische Kamera 4 und die Infrarotkamera 2 an einem (nicht gezeigten) Fluggerät montiert und relativ zum Fluggerät und relativ zueinander vermessen bzw. kalibriert. Die Infrarotkamera 2 kann zur Verbesserung der Messgenauigkeit derart kalibriert werden, dass Farbwerte im Bild bestimmten Temperaturen zugeordnet werden können. Die Lokalisierung in einem dreidimensionalen Koordinatensystem sowie die Vermessung der Kamerapositionen kann bei nicht bekannter Kalibrierung der Kameras auch durch die automatische Bestimmung von Flucht- und Horizontlinien in den Kamerabildern erfolgen.According to the advantageous embodiment of the invention, the optical camera 4 and the infrared camera 2 mounted on a (not shown) aircraft and measured relative to the aircraft and relative to each other or calibrated. The infrared camera 2 can be calibrated to improve the measurement accuracy such that color values in the image can be assigned to specific temperatures. The localization in a three-dimensional coordinate system as well as the measurement of the camera positions can also be carried out by automatically determining escape and horizon lines in the camera images if the cameras are not known to be calibrated.

2 zeigt eine schematische Darstellung der Bewegung von Thermik aufgrund des Verlaufs der Windrichtungen und Temperaturen in verschiedenen Höhen, wie sie von der Bewegungsvorhersageeinheit aufgrund von meteorologischen Vorhersagen für das geografische Gebiet in der Bewegungsvorhersageeinheit 6 gespeichert und weiterverarbeitet werden. 2 FIG. 12 shows a schematic representation of the movement of thermals due to the course of the wind directions and temperatures at different altitudes, as determined by the movement prediction unit based on meteorological forecasts for the geographical area in the movement prediction unit 6 stored and processed.

In den von der Infrarotkamera 2 gewonnenen Infrarotbilddaten können mittels der IR-Bildverarbeitungseinheit 3 Bodenflächen mit höherer Wärmeabstrahlung anhand von helleren Farben automatisch erkannt werden, wie in 3 schematisch in Graustufen gezeigt. Die Färbung lässt dabei Rückschlüsse auf die Temperatur des Bereiches zu. Durch eine Suche über allen Punkten im Infrarotbild können solche hellen Farben automatisch identifiziert und bei bekannter Position der Infrarotkamera 2 per Kalibrierung den entsprechenden Bodenbereichen und deren Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem zugeordnet und die korrespondierenden Flächen aufeinander registriert werden.In the from the infrared camera 2 obtained infrared image data can by means of the IR image processing unit 3 Floor areas with higher heat radiation are automatically detected by lighter colors, as in 3 shown schematically in gray scale. The coloring allows conclusions about the temperature of the area. By searching over all points in the infrared image, such bright colors can be automatically identified and, if the position of the infrared camera is known 2 be assigned by calibration to the corresponding floor areas and their coordinates in a common coordinate system and the corresponding surfaces are registered to each other.

Gemäß 4 können mittels der optischen Bildverarbeitungseinheit 5 in den optischen Bilddaten mögliche Abrisskanten anhand von starken lokal auftretenden Farbunterschieden, d. h. anhand von Farbgradienten, automatisch identifiziert und entsprechend markiert werden, wie in 5 mit dicken Linien dargestellt. Bei bekannter Position der optischen Kamera 4 können dann den entsprechenden Bodenbereichen und deren Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem die korrespondierenden Abrisskanten zugeordnet und aufeinander registriert werden, wie in 6 gezeigt.According to 4 can by means of the optical image processing unit 5 in the optical image data possible demolition edges based on strong locally occurring color differences, ie on the basis of color gradients, automatically identified and marked accordingly, as in 5 shown with thick lines. With known position of the optical camera 4 can then be assigned to the corresponding floor areas and their coordinates in a common coordinate system, the corresponding demolition edges and registered to each other, as in 6 shown.

Bei aus der Bewegungsvorhersageeinheit 6 bekannten Windrichtungen und Temperaturverläufen kann nun die Bewegung der Thermik an den automatisch identifizierten Stellen in einer Auswertungseinheit 7 berechnet und in ein dem Navigationssystem 8 des Fluggerät bekanntes dreidimensionales Koordinatensystem projiziert werden, wie in 7 gezeigt. In 7 sind mehrere Thermikgebiete in unterschiedlicher Entfernung und unterschiedlicher Größe zu erkennen.At out of the motion prediction unit 6 known wind directions and temperature curves can now the movement of the thermals at the automatically identified points in an evaluation unit 7 calculated and in a the navigation system 8th the aircraft known three-dimensional coordinate system are projected, as in 7 shown. In 7 Several thermal areas are visible at different distances and different sizes.

Das optional vorhandene Navigationssystem 8 des Fluggerätes kann nun die Bereiche des möglichen Auftretens von Thermik in die Flugplanung einbeziehen und durch Kreis- oder stationären Flug in diesen Bereichen bei reduzierter Motorleistung die Höhe halten bzw. ausbauen und dadurch die Gesamtflugdauer erhöhen. Der Ablauf des gesamten Verfahrens ist schematisch in 8 zusammengefasst.The optionally available navigation system 8th of the aircraft can now incorporate the areas of possible occurrence of thermals in the flight planning and keep or increase altitude by circular or stationary flight in these areas with reduced engine power and thereby increase the overall flight time. The procedure of the whole procedure is schematically in 8th summarized.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lokalisierungssystem zum Auffinden von lokalen ThermikgebieteLocalization system for finding local thermal areas
22
InfrarotkameraInfrared camera
33
IR-BildverarbeitungseinheitIR image processing unit
44
Optische KameraOptical camera
55
Optische BildverarbeitungseinheitOptical image processing unit
66
BewegungsvorhersageeinheitMotion prediction unit
77
Auswertungseinheitevaluation unit
88th
Navigationssystemnavigation system
99
Ein-/AusgabeeinheitInput / output unit

Claims (14)

Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten, welches zumindest folgende Komponenten aufweist: – eine Infrarotkamera (2); – eine mit der Infrarotkamera (2) verbundene IR-Bildverarbeitungseinheit (3); und – eine Bewegungsvorhersageeinheit (6); gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsvorhersageeinheit (6) eine Empfangseinheit für entsprechende Wetterdaten oder eine Speichereinheit mit gespeicherten Wetterdaten zum Ableiten eines vereinfachten Bewegungsmodells der Thermik aufweist und wobei das Lokalisierungssystem (1) ferner eine Auswertungseinheit (7) aufweist, welche zur Positionsbestimmung eines lokal auftretenden Thermikgebietes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit der IR-Bildverarbeitungseinheit (3) und mit der Bewegungsvorhersageeinheit (6) verbunden ist.Localization system ( 1 ) for locating local thermal areas, which comprises at least the following components: - an infrared camera ( 2 ); - one with the infrared camera ( 2 ) IR image processing unit ( 3 ); and - a motion prediction unit ( 6 ); characterized in that the movement prediction unit ( 6 ) has a receiving unit for corresponding weather data or a storage unit with stored weather data for deriving a simplified movement model of the thermal and wherein the location system ( 1 ) an evaluation unit ( 7 ), which for determining the position of a locally occurring thermal region in a three-dimensional coordinate system with the IR image processing unit ( 3 ) and with the movement prediction unit ( 6 ) connected is. Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach Patentanspruch 1, wobei ferner zumindest folgende Komponenten vorgesehen sind: – eine optische Kamera (4); – eine mit der optischen Kamera (4) verbundene optische Bildverarbeitungseinheit (5); wobei die Auswertungseinheit (7) mit der optischen Bildverarbeitungseinheit (5) verbunden ist.Localization system ( 1 ) for locating local thermal areas according to claim 1, wherein further at least the following components are provided: - an optical camera ( 4 ); - one with the optical camera ( 4 ) connected optical image processing unit ( 5 ); wherein the evaluation unit ( 7 ) with the optical image processing unit ( 5 ) connected is. Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Lokalisierungssystem an einem Luftfahrzeug angeordnet ist.Localization system ( 1 ) for locating local thermal areas according to claim 1 or 2, wherein the locating system is arranged on an aircraft. Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei die Position und Ausrichtung der Infrarotkamera (2) und der optischen Kamera (4) relativ zueinander kalibriert angeordnet sind.Localization system ( 1 ) for locating local thermal areas according to claim 2 or 3, wherein the position and orientation of the infrared camera ( 2 ) and the optical camera ( 4 ) are arranged calibrated relative to each other. Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Lokalisierungssystem (1) ferner zumindest ein elektronisches Navigationssystem (8) aufweist.Localization system ( 1 ) for finding local thermal areas according to one of the preceding claims, wherein the location system ( 1 ) at least one electronic navigation system ( 8th ) having. Lokalisierungssystem (1) zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Lokalisierungssystem (1) ferner zumindest eine Trajektorienplanungseinheit aufweist.Localization system ( 1 ) for finding local thermal areas according to one of the preceding claims, wherein the location system ( 1 ) further comprises at least one trajectory planning unit. Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten, welches folgende Schritte aufweist: – Speichern von aktuellen Höhenwindrichtungen und -windgeschwindigkeiten sowie des Temperaturverlaufs für ein geographisches Gebiet in einer Bewegungsvorhersageeinheit; – Erfassen eines Infrarotbildes eines geographischen Gebiets mit einer Infrarotkamera; – Auffinden von Bodenflächen mit erhöhter Wärmeabstrahlung mit einer mit der Infrarotkamera verbundenen IR-Bildverarbeitungseinheit; – Positionsbestimmung eines lokal auftretenden Thermikgebietes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem durch eine Auswertungseinheit auf Basis der Höhenwindrichtungen und -windgeschwindigkeiten, des Temperaturverlaufs und von Bodenflächen mit erhöhter Wärmeabstrahlung.A method for finding local thermal areas, comprising the following steps: - storing current altitude wind directions and wind speeds and the temperature profile for a geographical area in a movement prediction unit; - acquiring an infrared image of a geographical area with an infrared camera; - finding ground surfaces with increased heat radiation with an IR image processing unit connected to the infrared camera; - Position determination of a locally occurring thermal area in a three-dimensional coordinate system by an evaluation unit based on the vertical wind directions and wind speeds, the temperature profile and floor areas with increased heat radiation. Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach Anspruch 7, wobei ferner Abrisskanten von Thermikgebieten anhand lokal auftretender Farbunterschiede mit einer optischen Kamera erfasst und durch eine optische Bildverarbeitungseinheit automatisch ausgewertet werden, wobei die Auswertungseinheit mit der optischen Bildverarbeitungseinheit verbunden ist und diese Daten bei der Positionsbestimmung eines lokal auftretenden Thermikgebietes mit berücksichtigt.Method for locating local thermal areas according to claim 7, wherein further demolition edges of thermal areas are detected by locally occurring color differences with an optical camera and automatically evaluated by an optical image processing unit, wherein the evaluation unit is connected to the optical image processing unit and these data in the position determination of a local occurring thermal area considered. Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Infrarotkamera und die optische Kamera relativ zueinander kalibriert werden, bzw. eine automatische Bestimmung von Flucht- und Horizontlinien in den Kamerabildern erfolgen.Method for finding local thermal areas according to claim 7 or 8, wherein the infrared camera and the optical camera are calibrated relative to each other, or an automatic determination of escape and horizon lines in the camera images done. Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach einem der Ansprüche 7–9, wobei die Ausrichtung der identifizierten Bodenfläche mit erhöhter Wärmeabstrahlung relativ zum Sonnenstand bestimmt wird und das Ergebnis in die Berechnung der thermischen Aktivität einfließt.A method of finding local thermal areas according to any one of claims 7-9, wherein the orientation of the identified floor area is determined with increased heat radiation relative to the sun's position and the result is included in the calculation of the thermal activity. Verfahren zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach einem der Ansprüche 7–10, wobei die Koordinaten der aufgefundenen lokalen Thermikgebiete in einer Karte eingetragen und auf einem Datenspeicher gespeichert werden und wobei bei erneutem Anfliegen des geographischen Gebietes diese Koordinaten als Ausgangskoordinaten für eine erneute Bestimmung von lokalen Thermikgebieten verwendet werden.A method for locating local thermal areas according to any one of claims 7-10, wherein the coordinates of the detected local thermal areas are registered in a map and stored on a data memory, and when approaching the geographical area these coordinates as the starting coordinates for a re-determination of local thermal areas be used. Verwendung eines Lokalisierungssystem zum Auffinden von lokalen Thermikgebieten nach einem der Ansprüche 1–6 in einem unbemannten Fluggerät.Use of a localization system for locating local thermal areas according to any one of claims 1-6 in an unmanned aerial vehicle. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das unbemannte Fluggerät die mit dem Lokalisierungssystem aufgefundenen lokalen Thermikgebiete autonom in die Trajektorienplanung integriert.Use according to claim 12, wherein the unmanned aerial vehicle autonomously integrates the local thermal areas located with the localization system into the trajectory planning. Verwendung nach Anspruch 12 in mehreren gleichzeitig fliegenden unbemannten Fluggeräten, die ihre Daten zu gefundenen lokalen Thermikgebieten gegenseitig verfügbar machen.Use according to claim 12 in a plurality of simultaneously flying unmanned aerial vehicles which make their data mutually available to found local thermal areas.
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