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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Unterstützung einer automatisierten Landung eines unbemannten Flugobjekts auf einem Zielpunkt einer Landefläche einer Bodeneinheit.
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Unbemannte Flugobjekte, sogenannte Unmanned Aerial Vehicles (UAV) oder auch Drohnen, werden für die verschiedensten Aufgaben eingesetzt, insbesondere für die Aufklärung. Eine besondere Herausforderung bei dem Einsatz eines UAV ist dessen Landung auf einer Bodeneinheit. Eine von einem menschlichen Bediener per Fernsteuerung durchgeführte Landung setzt einen freien Blick auf das UAV und die Bodeneinheit voraus, was bedeutet, dass sich der Bediener dabei nicht in der schützenden Bodeneinheit aufhalten kann. Eine vollständig automatisierte Landung mit bisherigen Mitteln ist relativ ungenau.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine automatisierte, präzise Landung eines unbemannten Flugobjekts auf der Landefläche einer Bodeneinheit, insbesondere auf einer bewegten Bodeneinheit. Die unabhängigen Ansprüche betreffen ein Verfahren und ein System zur Unterstützung einer automatisierten beziehungsweise autonomen Landung eines unbemannten Flugobjekts auf einem Zielpunkt einer Landefläche einer Bodeneinheit. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren enthält die Schritte Ermitteln eines Anflugvektors, der von dem Zielpunkt in Richtung des Flugobjekts weist, an der Bodeneinheit, Senden des Anflugvektors an das Flugobjekt und Steuern des Flugobjekts anhand des empfangenen Anflugvektors. Der Anflugvektor zeigt von dem Zielpunkt in Richtung des UAV. Die Richtung des Anflugvektors ist für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung, während die Länge des Anflugvektors nur optional, jedoch bevorzugt verwendet wird. Der Anflugvektor kann beispielsweise auf eine vorgegebene Länge normiert sein. Das Steuern des Flugobjekts erfolgt durch Ansteuerung von Aktuatoren, die die Lage und Flugrichtung des Flugobjekts beeinflussen.
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Der Anflugvektor wird an der Bodeneinheit ermittelt und üblicherweise drahtlos an das Flugobjekt gesendet, beispielsweise per Funk, Infrarot, akustisch oder als Lichtsignal. Vom Flugobjekt aus betrachtet befindet sich der Zielpunkt der Landefläche in der dem Anflugvektor entgegengesetzten Richtung. Somit kann das Flugobjekt automatisch in die Richtung des Zielpunkts bewegt werden. Der Anflugvektor wird bevorzugt (periodisch) wiederholt ermittelt und übertragen, beispielsweise jede Sekunde, alle 2, 5, 10, 15, 20, 30 oder mehr Sekunden, beispielsweise 2, 5, 10, 15, 25, 25 oder 50 mal pro Sekunde oder öfter.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Navigation des Flugobjekts die Landefläche der Bodeneinheit als Referenzpunkt verwendet. Bei der wiederholten Ermittlung und Übertragung des Anflugvektors kann eine Bewegung der Landefläche in bis zu drei translatorischen Richtungen kompensiert werden, sodass eine automatische Landung auch auf einer bewegten Landefläche möglich ist. Auch aerodynamische Bodeneffekte, wie zum Beispiel Hoverprobleme des Flugobjekts, werden automatisch ausgeglichen. Durch die Verwendung des Zielpunktes der Bodeneinheit als Referenzpunkt ist es unerheblich, ob sich das Flugobjekt und/oder die Bodeneinheit bewegt.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird zusätzlich die Ausrichtung der Landefläche ermittelt und mit dem Anflugvektor an das Flugobjekt gesendet. Somit kann beispielsweise auch eine rotatorische Bewegung der Landefläche in bis zu drei Dimensionen kompensiert werden, zum Beispiel indem sich das Flugobjekt der Ausrichtung der Landefläche anpasst. Die Ausrichtung bezeichnet die rotatorische Lage der Landefläche in bis zu drei Dimensionen, bevorzugt in einem erdbezogenen Koordinatensystem wie nachfolgend für den Anflugvektor beschrieben. Die Ausrichtung der Landefläche kann analog zum Anflugvektor (periodisch) wiederholt ermittelt und übertragen werden, beispielsweise in derselben Taktung.
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Bevorzugt ist der Anflugvektor auf ein erdbezogenes Koordinatensystem bezogen. Dieses erdbezogene Koordinatensystem ist in vorteilhafter Weise kartesisch, beispielsweise mit einer Achse in Richtung der Erdanziehung und einer Achse in Richtung Norden. Ein solches Koordinatensystem lässt sich auch im Flugobjekt einfach erzeugen. Da der Abstand zwischen dem Flugobjekt und der Bodeneinheit bei der Landung relativ gering ist, stimmen die Koordinatensysteme an der Bodeneinheit und im Flugobjekt mit ausreichender Genauigkeit überein.
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Alternativ ist der Anflugvektor auf ein auf die Landefläche bezogenes Koordinatensystem bezogen. Ein solcher Vektor lässt sich besonders einfach ermitteln. In einem solchen Fall ist beispielsweise die Ausrichtung der Landefläche im Flugobjekt bekannt, beispielsweise bei einer ortsfesten Landefläche. Ansonsten kann die Ausrichtung der Landefläche wie vorstehend beschrieben ermittelt und an das Flugobjekt übertragen werden. Der Anflugvektor oder der dem Anflugvektor entgegengesetzte Vektor kann im unbemannten Flugobjekt auf ein Koordinatensystem des Flugobjekts transformiert werden, beispielsweise auf ein erdbezogenes Koordinatensystem, um das Flugobjekt zu navigieren.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Anflugvektor dadurch ermittelt, dass von der Bodeneinheit elektromagnetische oder akustische Signale ausgesendet und vom Fluggerät reflektiert werden und die vom Flugobjekt reflektierten Signale an der Bodeneinheit detektiert werden. Bei einem elektromagnetischen Signal handelt es sich beispielsweise um ein Funksignal wie beim Radar, um Infrarotstrahlung, ein elektromagnetisches Signal, beispielsweise im UKW-Bereich, oder Strahlung im sichtbaren Spektrum. Aus der Signallaufzeit kann die Entfernung des Flugobjekts von dem Zielpunkt bestimmt werden.
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Beispielsweise wird das Signal von einem Sender ausgesendet und das reflektierte Signal von einem Empfänger empfangen. Aus der Signallaufzeit zwischen Aussenden und Empfangen des Signals lässt sich die Entfernung des Flugobjekts vom Empfänger berechnen, sodass sich die Position des Flugobjekts auf einer Kugeloberfläche mit dem Empfänger als Mittelpunkt und der berechneten Entfernung als Radius befindet. Bei zwei Empfängern befindet sich die Position auf einem Kreis, der sich als Schnittlinie der beiden Kugeloberflächen um die beiden Empfänger ergibt. Bei drei Empfängern ergeben sich aus dem Schnitt von drei Kugeloberflächen zwei mögliche Positionen des Flugobjekt, von denen sich eine beispielsweise durch Vorwissen über den Halbraum, in dem sich das Flugobjekt befinden muss, ausschließen lässt. In einer Ausgestaltungsform ist jedem Empfänger ein Sender zugeordnet, wobei Sender und Empfänger bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. In einer anderen Ausgestaltungsform wird ein Sender verwendet, dessen reflektiertes Signal von mehreren Empfängern empfangen wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Fläche um den Empfänger, auf der sich das Flugobjekt befinden kann, nicht um eine Kugeloberfläche, sondern um die Oberfläche eines Ellipsoids. Die Positionsbestimmung bei zwei oder mehr Empfängern erfolgt jedoch analog zur ersten Ausgestaltungsform durch die Bildung der Schnittmenge von zwei oder mehr Ellipsoiden.
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Alternativ kann ein Raumbereich, beispielsweise eine Ebene, mittels eines Lasers abgetastet werden. Aufgrund der kurzen Signallaufzeit des Laserlichts bei dem relativ geringen Abstand des Flugobjekts im Landeanflug entspricht die Richtung, in die der Laser bei der Detektion des reflektierten Signals ausgerichtet ist, der Richtung des Flugobjekts. Die Entfernung des Flugobjekts vom Zielpunkt lässt sich unter Verwendung von zwei oder mehr räumlich beabstandeten Lasern ermitteln.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform wird der Anflugvektor dadurch ermittelt, dass an der Bodeneinheit ein vom Flugobjekt ausgesendetes elektromagnetisches oder akustisches Signal detektiert wird. Dazu wird das Signal beispielsweise an zwei oder mehr räumlich getrennten Positionen detektiert und aus dem Laufzeitunterschied zwischen den Detektionspositionen die Einfallsrichtung und damit der Anflugvektor bestimmt. Ein elektromagnetisches Signal im sichtbaren oder infraroten Spektrum kann mittels einer Linse auf ein ein- oder zweidimensionales Array lichtempfindlicher Elemente, wie beispielsweise einen CCD-Chip, gelenkt werden, sodass aus dem von dem einfallenden Signal getroffenen Element auf die Einfallsrichtung und damit auf den Anflugvektor geschlossen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Das System enthält eine Bodeneinheit mit einer einen Landepunkt aufweisenden Landefläche, einer Recheneinheit zur Ermittlung eines Anflugvektors, der von dem Zielpunkt in Richtung eines unbemannten Flugobjekts weist, und einer Sendeeinheit zum Aussenden des Anflugvektors. Das System enthält weiterhin ein unbemanntes Flugobjekt mit einem Empfänger zum Empfangen des Anflugvektors und einem Flugrechner zum Steuern des Flugobjekts anhand des empfangenen Anflugvektors.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung enthält das System einen Sender an der Bodeneinheit, um ein elektromagnetisches oder akustisches Signal auszusenden, einen Reflektor am Flugobjekt zum Reflektieren des Signals und einen Detektor an der Bodeneinheit zum Empfangen des reflektierten Signals. Aus dem empfangenen Signal, beispielsweise dem Zeitpunkt des Eintreffens des Signals, kann der Anflugvektor berechnet werden. Der Reflektor ist insbesondere ein Retroreflektor, der ein einfallendes Signal in die Einfallsrichtung zurückreflektiert. Bei dem Sender und dem Detektor kann es sich beispielsweise um ein Radargerät handeln. Der Sender kann auch ein in einem Raumbereich wie einer Ebene auslenkbarer Laser und der Detektor ein Lichtdetektor sein. Die Bodeneinheit kann mehrere Sender und/oder mehrere Detektoren aufweisen.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung enthält das System einen Sender am Flugobjekt, um ein elektromagnetisches oder akustisches Signal auszusenden, und einen Detektor an der Bodeneinheit zum Empfangen des Signals. Der Detektor kann, analog zum vorstehend beschriebenen Verfahren, ein oder mehrere Mikrofone, eine oder mehrere Antennen oder eine Linse und ein ein- oder zweidimensionales Array lichtempfindlicher Elemente, wie beispielsweise einen CCD-Chip, enthalten.
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Die Bodeneinheit kann beispielsweise ein Fahrzeug sein, wie ein Land-, Wasser oder auch Luftfahrzeug. Die Landefläche ist bevorzugt auf dem Dach oder Deck des Fahrzeugs angeordnet. Es kann sich bei der Landefläche beispielsweise um den Boden eines Transportbehälters für das Flugobjekt handeln. Die Bodeneinheit kann jedoch auch eine ortsfeste Landefläche und eine bevorzugt in der Nähe der Landefläche angeordnete elektronische Systemkomponente aufweisen, wobei die elektronische Systemkomponente das Detektieren des elektromagnetischen oder akustischen Signals, die Ermittlung des Anflugvektors und das Senden des Anflugvektors an das Flugobjekt durchführt. Somit kann das Flugobjekt beispielsweise an den Auftreffpunkt einer Landebahn geführt werden.
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Das unbemannte Flugobjekt kann jegliche Art von Flugobjekt sein, insbesondere ein sogenannter Quadcopter oder Quadrocopter. Bevorzugt ist das Flugobjekt dazu eingerichtet, vertikal zu landen. Flugobjekte, die vertikal starten und landen können, werden als VTOL (vertical take-off and landing) bezeichnet. Flugobjekte, die nur eine kurze Startbahn benötigen und vertikal landen können, werden als STOVL (short take off and vertical landing) bezeichnet. Insbesondere vertikal landende Flugobjekte können mit der vorliegenden Erfindung automatisiert auch auf bewegten Landeflächen punktgenau landen. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Flugobjekte, die eine Landebahn benötigen, entweder ortsfest oder zum Beispiel an Bord eines Schiffs wie einem Flugzeugträger.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass zwischen der Bodeneinheit und dem Flugobjekt nur eine kurze Distanz mit drahtloser Informationsübermittlung für den Anflugvektor überbrückt werden muss. So besteht zwischen den beiden Komponenten üblicherweise eine Sichtlinienverbindung. Das Flugobjekt kann in die Nähe der Bodeneinheit navigiert werden, beispielsweise mittels GPS, bevor die erfindungsgemäße Unterstützung der automatisierten Landung einsetzt. Für die Landung an sich ist eine Koordinatennavigation mittels Karte nicht notwendig. Auch der Landeanflugwinkel (horizontal, vertikal oder schräg) ist unerheblich, sodass die Erfindung für jede Landeart verwendet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt die 1 ein erfindungsgemäßes System zur Unterstützung einer automatisierten Landung eines unbemannten Flugobjekts auf einem Zielpunkt einer Landefläche einer Bodeneinheit.
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Das System 1 besteht aus einem unbemannten Flugobjekt 2 und einer Bodeneinheit 3. Das Flugobjekt 2 weist Aktuatoren 4, einen Flugrechner 5, einen Kommunikationsempfänger 6, eine reflektierende Fläche 7 und eine Antenne 8 auf. Die Antenne 8 ist mit dem Empfänger 6 verbunden, der Empfänger 6 wiederum mit dem Flugrechner 5 und der Flugrechner 5 mit den Aktuatoren 4. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiel kann jede Verbindung eine direkte Verbindung sein oder beispielsweise über ein Bussystem erfolgen. Das Flugobjekt 2 ist bevorzugt in der Lage, vertikal zu landen, sich also insbesondere parallel zu einer Landefläche abzusenken.
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Die Bodeneinheit 3 weist einen Auswerterechner 9, drei Sende- und Empfangssensoren (in der 1 dargestellt sind nur die Sensoren 10 und 12), drei Messrechner (in der 1 dargestellt sind nur die Messrechner 11 und 13), einen Kommunikationssender 14, eine Antenne 15 und eine Landefläche 16 auf. Der Sensor 10 ist mit dem Messrechner 11, der Sensor 12 mit dem Messrechner 13 und der dritte Sensor mit dem dritten Messrechner verbunden. Alle drei Messrechner 11 und 13 sind mit dem Auswerterechner 13 verbunden. Der Auswerterechner 9 ist mit dem Sender 14 und der Sender 14 mit der Antenne 15 verbunden. Die drei Sensoren sind räumlich beabstandet auf der oder in der Nähe der Landefläche 16 angeordnet.
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Die Sensoren senden jeweils ein elektromagnetisches, optisches oder akustisches Signal aus, das von der reflektierenden Fläche 7 am Flugobjekt 2 zu dem jeweiligen Sensor zurückreflektiert wird. Die
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Messrechner empfangen die Ausgangssignale der zugeordneten Sensoren und erzeugen daraus vom Auswerterechner 9 auswertbare Signale beziehungsweise Informationen. Diese Signale werden an den Auswerterechner 9 übertragen, der daraus einen Anflugvektor berechnet, der von einem nicht dargestellten Zielpunkt auf der Landefläche in Richtung des Flugobjekts 2 weist und dessen Länge den Abstand zwischen der Bodeneinheit 3 und dem Flugobjekt 2 repräsentiert. Der Anflugvektor wird ermittelt, indem der jeweilige Abstand des Flugobjekts 2 von den drei Sensoren aus der Laufzeit des von jedem Sensor ausgesendeten und vom Flugobjekt 2 reflektierten Signals berechnet wird. Der jeweilige Abstand ist der Radius einer imaginären Kugeloberfläche um den jeweiligen Sensor, auf der sich das Flugobjekt befindet. Aus dem Schnitt der drei Kugeln ergeben sich zwei Punkte als mögliche Position des Flugobjekts 2, wobei die Position unterhalb der Landefläche 16 ausgeschlossen werden kann. Der Anflugvektor ist nun der Vektor vom Zielpunkt auf der Landefläche zur ermittelten Position des Flugobjekts 2.
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Bevorzugt weist die Bodeneinheit 3 in der 1 nicht dargestellte Mittel auf, um die Ausrichtung der Landefläche 16 zu ermitteln, insbesondere bezogen auf die Horizontale. Somit ist bekannt, ob die Landefläche aus der horizontalen Ebene verkippt ist und optional wie die Landefläche 16 um eine vertikale Achse verdreht ist. Aus den Ausgangssignalen der Messrechner und der Ausrichtung der Landefläche 16 kann der Auswerterechner 9 einen Anflugvektor berechnen, der in einem erdbezogenen Koordinatensystem angegeben ist.
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Der berechnete Anflugvektor wird zusammen mit der Ausrichtung der Landefläche 16 vom Auswerterechner 9 an den Sender 14 übertragen und von diesem über die Antenne 15 der Bodeneinheit, die Antenne 8 des Flugobjekts 2 und eine zwischengeschaltete Luftschnittstelle an den Empfänger 6 des Flugobjekts 2 übertragen. Die Übertragung erfolgt bevorzugt per Funk, kann aber prinzipiell anhand jeder beliebigen drahtlosen Technik erfolgen. Der Sender 14 und der Empfänger 6 sind entsprechend auszugestalten und die Antennen 15 und 8 durch entsprechende Einrichtungen zu ersetzen.
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Der Empfänger 6 leitet den empfangenen Anflugvektor und die Ausrichtung der Landefläche 16 an den Flugrechner 5 weiter. Der Flugrechner 5 berechnet aus dem Anflugvektor einen Zielvektor, der vom Flugobjekt 2 in Richtung des Zielpunktes auf der Landefläche 16 weist. Um diesen Zielpunkt anzufliegen, steuert der Flugrechner 5 die Aktuatoren, beispielsweise Propeller und/oder Rotoren, so an, dass sich das Flugobjekt 2 in Richtung des Zielpunkts bewegt. Optional steuert der Flugrechner 5 die Aktuatoren 4 ohne vorherige Berechnung des Zielvektors an. Kurz vor der Landung wertet der Flugrechner die Ausrichtung der Landefläche 16 aus und steuert die Aktuatoren 4 zusätzlich so an, dass die Lage des Flugobjekts 2 der Ausrichtung der Landefläche 16 angepasst ist.
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Die Übertragung und Auswertung der Ausrichtung der Landefläche 16 ist optional und kann weggelassen werden, zum Beispiel wenn das Flugobjekt 2 über die die Möglichkeit verfügt, eine Abweichung der Landefläche 16 aus der Horizontalen kurz vor der Landung zu ermitteln. Auf die Ermittlung der Ausrichtung der Landefläche 16 kann optional gänzlich verzichtet werden, beispielsweise wenn die Landefläche 16 stabilisiert oder grundsätzlich ortsfest ist.
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Anstatt dreier Sensoren und den zugehörigen Messrechnern kann auch eine größere oder kleinere Anzahl vorhanden sein. Außerdem können Sensoren mit anderen Wirkprinzipien eingesetzt werden, um die benötigten Daten für die Berechnung des Anflugvektors zu ermitteln. Der Auswerterechner 9 kann so eingerichtet sein, dass ein Sensor ohne Zwischenschaltung eines Messrechners angeschlossen werden kann.
