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Es ist bekannt, Roboter mit Raedern oder Sauggreifern zur automatisierten Reinigung, beispielsweise von Boeden, Glaesfassaden oder von Solarkraftwerken einzusetzen. Diese stellen taktil sowohl fuer die Reinigung als auch die eigene Fortbewegung Kontakt zur Oberflaeche her und beschaedigen diese durch die hohe Krafteinwirkung, bedingt durch das eingeleitete Eigengewicht, potentiell.
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Es ist weiterhin bekannt, Fahrzeuge mit angefuegten Armen fuer die Reinigung von Solarkraftwerken zu verwenden. Diese weisen ebenfalls die beschriebenen Nachteile auf und sind weiterhin unter anderem aufgrund dereren Baugroesse nicht zur Reinigung innerhalb von engen Anordnungen, beispielsweise von Spiegeln in der thermischen, solaren Energieerzeugung, verwendbar.
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Es ist bekannt, Flugkoerper, etwa Drohnen fuer Packetlieferungen zu verwenden, wobei diese aus mehreren Gruenden noch nicht praxistauglich sind.
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Der Weg der Drohne muss unter hohen Toleranzen der Flugbahn, welche horizontal als auch vertikal auftreten, vorprogrammiert werden.
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Weiterhin muss die Flugbahn stark veraendert werden koennen, da diese weitaus groesseren und chaotisch auftretenden Hindernissen angepasst werden muss als etwa die Flugbahn auf einem Solarkraftwerk oder Hausdach.
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Sicherheitstechnisch ist die Anwendung fuer Packetlieferungen weiterhin sicherheitstechnisch kritisch da sie fuer gewohenlch in einem Gebiet mit starkem Personenverkehr vorkommt.
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Es ist weiterhin bekannt, Kameras an Flugkoerpern, etwa Drohnen, zu montieren. Diese werden oft mit Gleichstrommotoren als Aktuatoren gelenkt und deren Position gehalten. Das Zusaetzliche Gewicht und der Energieverbrauch mindern die Flugzeiten erheblich.
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Es ist weiterhin bekannt, dass die Einnahme von Positionen von Flugkoerpern translatorisch wie auch rotatorisch starkt variieren kann und im Vergleich zu anderen Robotern eine geringe Positoiniergenauigkeit besitzen. Dadurch wird das gezielte Bearbeiten von Oberflaechen, etwa der Reinigung, erschwert.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Oberflaechen, etwa Solarkraftwerke, Glasfassaden und Daecher, schonend und mit hohem Automatisierungsgrad unter moeglichst geringem Energieaufwand von Verschmutzungen, etwa Sand und Staub, zu befreien und ggf. eine weitere Bearbeitung zu ermöglichen.
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Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale (ggf. Wörtliche Zitierung der Merkmale) gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Flaeche mit einer geringen Anzahl von Aktuatoren und niedrigem Energieverbrauch da geringem Eigengewicht bearbeitet werden kann.
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Die Verwendung des Luftstroms, welcher durch den Flugkoerper und dessen Rotor generiert wird, spart Gewicht fuer zusaetzliche Reinigungsapparaturen ein und verlaengert die Flugzeit. Dadurch sinken die Kosten der Reinigung bezogen auf die Flaeche und ermoeglichen dadurch einen hohen Reinigungsintervall. Damit wird weiterhin die Bildung von Verkrustungen, beispielsweise aus Sand oder Staub, auf der Oberflaeche, etwa in ariden Regionen, vermieden.
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Mit dem Sensor zur Abstandsmessung ist es moeglich den Luftstrom auf die Oberflaeche zu dimensionieren und gegenueber einem Objekt bzw. dessen Obeflache zu richten.
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Um die zur Reinigung erforderliche Mindestluftstrom zu erzeugen kann somit die Drohne den notwendigen Abstand zur Oberflaeche einnehmen. Die Abstandsmessung ermoeglicht es auch, die Oberflaechenstruktur eines oder mehrere Objekte zu erkennen und die Drohne gegenueber einer Oberflaeche oder einem Objekt definiert auszurichten.
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Durch den Sensor zur Abstandsmessung kann die Drohne der Oberflaeche nachgefuehrt werden, etwa um veraenderte Oberflaechensstrukturen zu beruecksichtigen oder systemeigene Ungenauigkeiten der Drohne auszugleichen.
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Auch kann die Anordnung der Objekte zu einander sowie die Ausrichtung der Drohne zu diesen hin ermittelt werden. In Verbindung mit kartographischen Verfahren, beispielsweise softwaregestuetzt, kann die Drohne auch Ihre eigene Relativposition zu Objekten bzw. zu Oberflachen hin ermitteln.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, die Softwareverarbeitung mit Sensorinformationen zu verknuepfen. Ist beispielsweise nur ein Sensor zur Abstandsmessung an der Drohne angebracht, und werden diese Messungen realtiv zu Positionsdaten der Drohne gesetzt, koennen so Sensoren eingespart werden. Soll kein Sensor eingespart werden, so kann sich durch die Verknuepfung von den Sensordaten. mit Positionsdaten der Drohne eine Redudanz bzw. Sicherheit hinsichtlich der Position der Drohne oder eines Objektes ergeben.
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Durch die Abstandsmessung kann beispielsweise auch der Winkel zwischen der Drohne und dem zu reinigenden Objekt ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die Flugbahn entsprechend dem Neigungswinkel des Objekts angepasst oder unterteilt werden muss. Alternativ kann auch die Drohne waehrend des Ueberflugs geneigt sein, um moeglichst effizient mit dem durch den fuer den Auftrieb notwendigen, erzeugten Luftstrom die Oberflaeche zu reinigen. Dabei sind die Informationen aus der Abstandsmessung des Sensors, etwa bei einer gewollten Anstellung der Drohne, hilfreich.
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Soll ein Effektor, etwa durch einen Arm der Drohne der Flaeche zugefuehrt werden, so ist die Abstandsmessung durch den Sensor.
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Der Flugkoerper kann einen einzelnen oder mehrere Rotoren umfassen. Sogenannte Multikopter, beispielsweise ein Quadkopter, stellt einen moeglichen Flugkoerper dar. Dieser besitzt vier Rotoren wobei die Geschwindigkeit, die Ausrichtung, Beschleunigung, Hoehe und die Neigung des Flugkoerpers jeweils durch die unterschiedliche Ansteuerung der Rotoren eingestellt werden.
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Solche Multikopter, auch genannt Drohnen, besitzen haeuffig ein eigenes Steuerungssystem um die Flugeigenschaften, z. B. Richtung, Geschwindigkeit oder Hoehe in Abhaengigkeit von Vorgaben oder physikalischer Groessen zu regeln.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, den Luftstrom gemaess den der umliegenden Flaechen auszurichten und der Verschmutzung auf der Oberflaeche anzupassen.
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Der auf die Oberflaeche durch den Flugkoerper einwirkende Luftstrom wird durch die verschiedenen Flugeigenschaften definiert.
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Durch eine niedrige Flughoehe kann beispielsweise mit einem Flugkoerper geringen Rotorumfangs und geringer Baugroesse die Oberflaeche eines Objekts von Partikeln befreit werden, waehrend ein groesserer Flugkoerper auf zu geringer Flughoehe umliegenden Staub aufwirbeln kann und ggf. umliegende Oberflaechen wieder verschmutzt.
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Grenzwertig dabei ist, ob der erzeugte Luftstrom und damit die resultierende, auf einen Partikel wirkende Kraft, definiert durch deren Richtung und Betrag, die am Partikel anliegende Haftreibungskraft ueberwindet und der Partikel dadurch von der Oberflaeche des Objektes entfernt wird.
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Die Haftreibungskraft ist definiert als Multiplikator aus dem Haftreibungskoeffizient und der Normalkraft. Die Normalkraft wirkt tangential auf einen Koerper, hier auf den Partikel, waehrend sich der Haftreibungskoeffizient aus der Materialpaarung bzw. Oberflaechenbeschaffenheit von Schmutzpartikel und Oberflaeche des zu reinigenden Objekts herleiten laesst.
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Ein Anwendungspeisbiel sind Solarpanele oder Spiegel. Befindet sich der Flugkoerper darueber, so soll der auf die Oberflaeche wirkende Luftstrom Partikel, beispielsweise Staub und Sand, zu den Enden der Oberflaeche hin bewegen, damit die Partikel auf den Boden fallen.
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Um diesen Effekt zu bewirken, muessen die Flugeigenschaften, etwa Flughoehe, Ausrichtung, Neigung und Geschwindigkeit des Flugkoerpers gemaess der Verschmutzung und dessen physikhalischen Groessen und Eigenschaften, also etwa der wirkenden Haftreibungskraft am Paritkel, angepasst werden.
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Vorteilhaft dabei ist, dass der Luftstrom beim Auftreffen auf eine Oberflaeche umgelenkt und verdichtet wird und dem Partikel entgegengerichtet wirkt, wodurch dieser dem Luftstrom ausweicht. Findet ein Formschluss zwischen Partikel und Oberflaeche, beispielsweise durch dessen Oberflaechenbeschaffenheit, etwa der Maserung einer Glasflaeche, statt, so kann der Luftstrom nicht nur die Haftreibungskraft ueberwinden sondern auch den Partikel durch den Lufstrom aus dessen Formschluss befreien.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es, unter besonders hoher Wendigkeit sowie Mobilitaet und ohne Installationsaufwand Oberflaechen von Verschmutzungen zu befreien.
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Mit einem Flugkoerper koennen unterschiedliche Objekte gereinigt werden, ohne dass diese betreten werden muessen, beispielsweise Glasfassaden eines Hochauses in ariden Regionen.
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Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 ermöglicht, dass das zu reinigende Objekt erfasst werden kann und ein Flugkoerper unter geringem energetischen Aufwand sich gegenueber diesem orientieren und/oder ausrichten kann.
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Die Erfassung von geometrischen, etwa dreidimensionalen, Informationen ermoeglicht das Ausrichten in horizontaler als auch vertikaler Ebene, also translatorisch, sowie rotatorisch gegenueber dem Objekt.
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Das Erkennen von Objekten, Kanten oder deren Umrissen sowie der Erfassung des Abstands zu diesen beguenstigt das energiearme, da geordnete, Auslegen von Flugbahnen.
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Insbesondere die Erfassung der Hoehe bzw. der Topologie der Oberflaeche ermoeglicht es die Hoehe des Flugkoerpers und dessen Reinigungsapparatur gemaess der Oberlfaeche nachzufueheren oder auszurichten.
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Ein Flugkoerper kann entsprechend der vom Sensorsystem erfassten Informationen angesteuert und ausgerichtet werden.
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So koennen etwa an den Enden des Flugkoerpers Sensoren angebracht sein, welche jeweils eine Abstandsmessung vornehmen um den Flugkoerper parallel zu einer Kante auszurichten.
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Um Kosten und und Gewicht zu sparen koennen einfache Sensoren, beispielsweise Sensoren zur Abstandsmessung, verwendet werden. Diese koennen in einer Definierten Position, etwa unter einem besonderen Winkel oder Abstand, gegenueber dem Flugkoerper oder der Reinigungsapparatur angebracht sein.
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In Verbindung einer gewaehlten Anordnung des Sensorsystems sowie dem Positionieren des Flugkoerpers koennen die geometischen Eigenschaften eines Objekts erfasst werden. Dies ermoeglicht die verwendung einfacher Sensorsysteme.
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Stellt das Sensorsystem mehr Informationen auf einmal bereit, beispielsweise kombiniert durch eine Kamera, so muss der Flugkoerper ggf. weniger positioniert werden da die naehere Umgebung schneller bzw. umfangreicher erfasst werden kann.
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Die Reinigung der Oberflaeche kann durch Effektoren am Flugkoerper direkt, bespielsweise eine Buerste und/oder durch den mit einem Rotor verursachten Luftstrom, und/oder ueber einen Befestigungsadapter mit dem Flugkoerper verbundene Effektoren erfolgen. Eine solche Reinigungsapparatur kann beweglich und/oder fest gegenueber dem Flugkoerper verbunden sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 ermöglicht es, die Position des Flugkoerpers, die Position eines Objekts und die Relativposition zwischen Flugkoerper und Objekt Anhand von Sensorinformationen und/oder Berechnungen zu erfassen wodurch ggf. weitere Verfahrensschitte ermoeglicht werden.
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In Verbindung einer gewaehlten Anordnung des Sensorsystems sowie dem Positionieren des Flugkoerpers koennen die geometischen kann die relative Positon innerhalb besonderer Routinen oder Berechnungsverfahren im Verfahren zur Steuerung von Flugkoerpern erfasst werden.
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Fuer ein Sensorsystem welches Tiefeninformationen oder Kanten und Umrisse erkennen gibt es dabei beispielsweise zwei unmittelbare Anwendungsfaelle.
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Zum einen kann das Sensorsystem mit der Flugsteuerung des Flugkoerpers verbunden werden um die Flugbahn und deren Verlauf bzw. die unmittelbare Navigation des Flugkoerpers, etwa die Ausrichtung, zu beinflussen.
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Die Position des Flugkoerpers und der angebrachten Reinigungsapperatur, beispielsweise die Flughoehe, kann entsprechend der Sensorinformationen fuer eine kontinuierliche Wirkung des Effektors auf der Oberflaeche eingestellt und/oder geregelt werden.
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Eine ideale Ausrichtung kann das parallele Ausrichten oder Nachfuehren der Reinigungsapparatur bzw. dessen Wirkflaeche zur Oberlfaeche des Objekts darstellen.
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Die geeignete Position des Flugkoerpers, etwa die Flughoehe und damit der Abstand zur Oberflaeche eines zu reinigenden Objekts, kann dabei je nach angebrachter Reinigungsapperatur und dessen Ausgestaltung varriieren.
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Die geeignete Position kann jedoch so gewaehlt werden als dass durch eine gegenueber dem Flugkoerper bewegliche Anordung der Reinigungsapperatur Ungenauigkeiten des Flugkoerpers, beispielsweise in seiner Flugroute, oder Ungenauigkeiten der Oberflaeche eines Objekts, ausgeglichen werden koennen.
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Dadurch soll der Flugkoerper nicht auf einer Flugroute fliegen, innerhalb derer die bewegliche Anordnung moegliche Ungennauigkeiten nicht mehr ausgleichen kann.
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Zum Anderen kann die Reinigungsapparatur unabhaengig von der Flugsteuerung angesteuert werden. Beispielsweise kann ein Aktuator der Reinigungsapparatur angesteuert werden um beim Verlassen der zu reinigenden Oberflaeche ggf. Bewegungen eines Effektors einzustellen und/oder beim Landen eine Reinigungsapparatur in einer Ausrichtung entgegen dem Boden einzuziehen, sodass die Wirkflaeche eines Effektors an der Reinigungsapparatur von dem Boden weg zeigt und diese nicht zusaetzlich verschmutzt oder diese das Landen behindert. Insgesamt kann dadurch das Fuegen der Reinigungsapparatur mit unterschiedlichen Flugkoerpern beguenstigt werden.
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Die Ausrichtung und/oder Positionierung des Flugkoerpers ist auch von Bedeutung, wenn die Effektoren nicht unbestimmt auf die Oberflaeche eines Objektes einwirken sollen. Wird beispielsweise bei der Anwendung auf einem Solarkraftwerk in der Wueste der Luftstrom eines Flugkoerpers zum entfernen von Sand verwendet, so ist es sinnvoll nach ueberfliegen der Solarpanele oder Spiegel, und damit nach bzw. zwischen dem Reinigungsvorgang, einen groesseren Abstand zu den Panelen einzunehmen um nicht umliegenden Staub aufzuwirbeln wodurch die Oberflaeche wieder verschmutzt werden wuerde.
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Ein Sensorsystem kann beispielsweise ein optisches System wie Infrarot, Laser oder Kamera umfassen, jedoch auch akustisch, etwa mit Ultraschall, per Radar und/oder taktil funktionieren. Flugkoerper, auch Drohnen genannt, besitzen weitere Sensoren um die Navigation und Flugsicherheit zu ermoeglichen oder zu unterstuetzen welche um die genannten Sensorsysteme erweitert werden koennen.
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Mit einem Sensor zur Kraftaufnahme, etwa Dehnmessstreifen, kann die Krafteinleitung an der Reinigungapparatur, beispielsweise an der Oberflaeche, kontolliert oder eine Fehlfunktion, etwa ein Verkanten der Reinigungsapparatur, detektiert werden. Anhand von Sensoren zur Erfassung von Wetterdaten, etwa Wind, Luftfreuchte, Zeit oder Temperatur, oder informationstechnisch aus der Ferne bezogenen Sensordaten oder Vorhersagen zu klimatischen Bedingungen, kann weiterhin der Betrieb angehalten oder gestartet werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 6 ermöglicht es, dass sich der Flugkoerper der zur Reinigenden Oberflaeche eines Objekts zweckmaessig annaehert.
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Die Routine ordnet die Bewegungen des Flugkoerpers in einer Reihenfolge, in welcher dieser nicht ungewollt mit dem zu reinigenden Objekt kollidiert und Flugbahnen eingehalten werden.
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So kann sich der Flugkoerper zunaechst einem Punkt, auch Wegpunkt genannt, annaehern. Diese Punkte sind vorprogrammiert und ergeben durch unterschiedliche Priorisierung ein Muster.
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Ein Punkt umfasst eine horizontale als auch vertikale Positionsangabe sowie die Ausrichtung und/oder Drehung um eine Achse.
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Weitere Angaben koennen programmiert sein, etwa die Verweildauer an einem Punkt. Es koennen auch die Flugeigenschaften, beispielsweise Beschleunigung oder Geschwindigkeit, zwischen Punkten definiert sein.
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Ist ein Punkt angeflogen worden, so kann dort, und/oder auch zwischen den Punkten, der Flugkoerper Anhand der durch das Sensorsystem erfassten Informationen Objekte und/oder deren Begrenzung erfassen und im Anschluss gegenueber diesen ausgerichtet werden.
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Durch die Verwendung von Routinen in Verbindung mit den erfassten Sensorinformationen kann sich der Flugkoerper zum einen dem Objekt annaehern, zum anderen auch Fehlstellungen, etwa zwischen zwei Punkten, korrigieren.
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Ist das Objekt charakteristisch, beispielsweise modular, aufgebaut und besizt charakteristische geometrieen, etwa Rechte winkel oder sich wiederholende, paralllele Kanten, so koennen diese von dem Flugkoerper als Referenz genutzt werden. Das Anfliegen von Punkten kann dadurch feinjustiert werden.
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Durch die beschriebene Vorgehensweise wird das zweckmaessige Annaehern des Flugkoerpers und dessen Reinigungsapparatur gegenueber der Oberflaeche beguenstigt und Kollisionen bzw. Verkantungen mit Objekt und/oder Fehlfunktionen werden vermieden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 7 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 7 ermöglicht es, ein Objekt entsprechend dessen Ausbreitung und/oder Abmasse abzufliegen und die Flugroute ggf. zu unterteilen. Ist das zu reinigende Objekt etwa breiter als die Reinigungsapparatur so kann die Flaeche entsprechend der Breite der Wirkflaeche der Reinigungsapparatur unterteilt werden.
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Der Flugkoerper fliegt dann in mehreren, nebeneinander versetzten Bahnen die Oberflaeche des Objekts ab um die gesamte Oberflaeche zu erfassen. Dabei kann es zweckmaessig sein, dass sich errechnete Flugbahnen in der Wirkflaeche der Reinigungsapparatur ueberlappen.
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Das Sensorsystem ermoeglicht es dabei, alle notwendigen Informationen, etwa die Ausmasse eines Objekts und/oder die Relativposition zu diesem, zu ermitteln, und eine effiziente da energiearme Flugroute zu errechnen.
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Insgesamt kann durch das Unterteilen der Flugroute in mehrere Flugbahnen die effiziente Reinigung unterstuetzt werden.
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Eine Reinigungsapparatur oder daran angebrachte Effektoren koennen beweglich gegenueber dem Flugkoerper oder in einer eingestelten Position bzw. Lage gegenueber dem Flugkoerper angeordnet sein.
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Damit kann die Flugbahn zum Reinigen einer Oberflaeche entlang der Hauptausbreitung einer der Oberflaeche ausgerichtet sein ohne zu stark unterteilt zu werden.
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Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung des Verfahrens zur Steuerung auf einem Array, also Zusammenfassungen von Solarpanelen innerhalb eines Solarkraftwerks.
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Der Flugkoerper fliegt entlang der Hauptausbreitung des Arrays und spart so u. a. zusaetzliche Lenkwege ein. Dadurch kann die Flugbahn in dessen Laenge reduziert und Energie eingespart werden.
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Ist die Reinigungsapparatur tangential zur Flugrichtung ausgebreitet, so kann es vorteilhaft sein, den Flugkoerper entlang der Hauptausbreitungsrichtung der Oberflaeche zu fuehren und die Flugroute des Flugkoerpers entsprechend auszurichten.
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Deckt eine Reinigungsapparatur die Oberflaeche nicht vollstaendig oder ausreichend ab, so kann es sinnvoll sein, mehrere Bahnen zu fliegen. Vorteilhaft ist dabei die Kantendetektion des Sensorsystems, da diese eine optimale Berechnung oder Unterteilung der Flugbahn ermoeglicht.
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Eine Reinigungsapparatur kann durch eine bewegliche Anordung gegenueber dem Flugkoerper dessen Flugroute und das Verfahren zur Reinigung von Oberflaechen vereinfachen.
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Ist beispielsweise eine Reinigungsapparatur nicht tangential zur Flugrichtung ausgebreitet, da etwa die Reinigungsapparatur durch dessen Beschaffenheit ein schweres Eigengewicht relativ zu der Wirkflaeche eines eingesetzten Effektors aufweist und daher verkuerzt vorkommt, so kann es vorteilhaft sein, diese in Flugrichtung ausgerichtet anzubringen.
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Um die Wirkflaeche der Reinigungsapparatur auf der Oberflaeche zu vergroessern kann diese waehrend dem Flug, also fuer den Fall der Fortbewegung oder dem Fall des Innehaltens einer Position, sich tangential zur Flugroute bewegen.
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Ein Anwendungsbeispiel ist das parallele Ausrichten einer Walzenbuerste in Flugrichtung am Flugkoerper. Da diese vergleichsweise schwer ist, kommt diese verkurzt vor. Durch eine getrennte Bewegung gegenueber dem Flugkoerper tangential, zu dessen Flugrichtung kann jedoch eine groessere Breite beim ueberfliegen gereinigt werden ohne dass die Flugroute des Flugkoerpers staerker unterteilt werden muss.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 8 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 8 ermöglicht es, die Oberflaeche effizienter zu Reinigen, da etwa bei einer Unterbrechung einer vorgesehenen Flugroute, beispielsweise durch einen Akkuwechsel am Flugkoerper, an die letzte Position an der gereinigt wurde die Flug- bzw. Reinigungsbahn fortgesetzt werden kann und somit nicht die bereits gereinigte Oberflaeche noch einmal vollstaendig abgeflogen werden muss.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, etwaige Toleranzen in der Positionier- oder Fluggenauigkeit des Flugkoerpers beim Fortsetzen der Reinigung zu beruecksichtigen.
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Dies kann beispielsweise passieren um sicher zustellen dass keine ungereinigte Flaeche um den Punkt an dem die Flug- bzw. Reinigungsbahn unterbrochen wurde, verbleibt, wobei dadurch eine bereits gereinigte Teilflaeche wiederholt abgeflogen werden kann.
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Der Flugkoerper kann zum einen von einem festen Punkt relativ zum Objekt, etwa einer Ladestation, Starten und Landen. Zum Anderen kann er von unterschiedlichen Punkten relativ zum Objekt Starten und Landen.
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Dies kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise ein Landeplatz seine Position veraendert. Ein Anwendungsbeispiel hierfuer ist ein Roboter oder Fahrzeug welches zwischen Solarpanelen verfaehrt um diese jeweils separat der Sonne nach auszurichten. Auf einem solchen Roboter zu Landen, etwa um diesen darauf aufzuladen oder den Reinigungskopf darauf automatisiert zu reinigen, bzw. von diesem zu Starten kann die Flugstrecke innerhalb derer nicht gereinigt wird, reduzieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 9 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 9 ermöglicht es, dass der Flugkoerper sich besonders energiearm da vorprogrammiert dem zu reinigenden Objekt oder einer definierten Start- und/oder Landeposition annaehert.
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Ein Positionierungssystem, etwa GPS, kann genutzt werden, um vordefinierte Punkte auf einem ein zu reinigendes Objekt umfassenden Areal, anzufliegen. Dadurch koennen sonst erfoderliche Routinen zum Auffinden eines Objektes und ggf. zusaetzliche Elektronik vermieden und Energie eingespart werden.
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Die Wegpunkte koennen zuvor ebenfalls mittels einem Positionierungssystem, etwa GPS, aufgenommen worden sein um diese spaeter vorgeben zu koennen.
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Der im Patentanspruch 10 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Oberflaechen, etwa Solarkraftwerke, Glasfassaden und Daecher, schonend mit hohem Automatisierungsgrad unter moeglichst geringem Energieaufwand von Verschmutzungen, etwa Sand und Staub, zu befreien und ggf. eine weitere Bearbeitung zu ermöglichen.
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Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 10 aufgeführten Merkmale (ggf. Wörtliche Zitierung der Merkmale) gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Flaeche mit einer geringen Anzahl von Aktuatoren und niedrigem Energieverbrauch da geringem Eigengewicht bearbeitet werden kann.
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Die Verwendung von Gelenken ermoeglicht die Nutzung der Schwerkraft in der Wirkung als Rueckstellfeder zu einem Aktuator und spart somit solche weiterhin ein. Mit dem geringeren Gewicht wird die Flugzeit erhoeht da die geringere Nutzlast den Energieverbrauch absenkt.
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Eine gewaehlte Begrenzung an Freiheitsgraden an Befestigungsvorrichtungen oder Gelenken ermoeglicht weiterhin den Ausgleich von horizontalen und vertikalen, also translatorischen, und auch rotatorischen Toleranzen gegenueber dem zu bearbeitenden bzw. zu reinigenden Objekt und auch gegenueber dem Flugkoerper.
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Das energiearme Nachfuehren wird durch das Eigengewicht einer Befestigungsvorrichtung und/oder eines Reinigungskopfes beguenstigt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn der Flugkoerper einen Befestigungsadapter zur Befestigung des Reinigungskopfes am Flugkoerper umfasst. Dabei kann dieser dadurch gekennzeichnet sein, dass dieser eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Befestigungsadapters an einem Flugkoerper und eine Befestigungsvorrichtung zur Aufnahme des Reinigungskopfesan dem Befestigungsadapter umfasst. Durch den Befestigungsadapter ist somit einen veraenderlicher Abstand zwischen Flugkoerper und Reinigungskopf herstellbar.
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Die Weiterbildung hiernach ermöglicht das Nachfuehren des Befestigungsadapters und ggf. daran angebrachter Apparaturen, etwa einem Reinigungskopf, bei groessen oder kleineren Abstaenden gegenueber der zu reinigenden Oberflaeche.
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Dies ist sinnvoll, da der Flugkoerper in seiner Flugbahn und/oder das Objekt in seiner Ausrichtung und Oberflaeche zueinander variieren koennen, etwa aufgrund von Toleranzen.
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Der Befestigungsadapter kann schwenkbar sein, etwa um Toleranzen auszugleichen, oder schwenkbar und arretierbar sein, um auf unterschiedlichen Objekten zum Einsatz kommen zu koennen.
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Der Befestigungsadapter kann als Linearfuehrung und/oder Teleskopsystem ausgefuehrt sein, um besonders grosse Abstaende, etwa zwischen Flugkoerper und zu reinigender Oberflaeche auszugleichen.
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Ist der Flugkoerper nicht ausreichend ansteuerbar so ist es sinnvoll, den Reinigungskopf ueber den Befestigungsadapter mit dem Flugkoerper fest oder beweglich zu Verbinden, wodurch der Reinigungskopf translatorische oder rotatorische Abstaende zum Objekt besser ausgleichen kann.
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Effektoren, etwa Buersten oder Tuecher, koennen zwar Toleranzen, koennen zusaetzlich Unterschiede im Abstand zur Oberflaeche, ausgleichen.
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Wird auf einen Reinigungskopf verzichtet, so kann auch die Befestigungsvorrichtung als Aufnahme von Effektoren verwendet werden und/oder selbst als Effektor fungieren. Beispielsweise kann die Reinigung mit dem durch den Flugkoerper erzeugten Luftstrom ausreichend fuer die Reinigung sein.
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Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, durch den Befestigungsadapter den Reinigungskopf ein- bzw. ausklappbar gegenueber dem Flugkoerper angzuordnen.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Befestigungsadapter gegenueber dem Flugkoerper ein- bzw. auszuklappen und damit ebenfalls den Abstand etwa eines Reinigungskopfes von der zu reinigenden Oberflaeche zu veraendern.
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Die Verwendung des Befestigungsadapters ist weiterhin vorteilhaft, um das Landen oder Starten zu unterstuetzen. Er stellt Freiheitsgrade zwischen Flugkoerper und Reinigungskopf her, wodurch der Flugkoerper beispielsweise beim Landen auf seinen Fuessen landen kann ohne durch den Reinigungskopf gehindert zu werden.
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Zusaetzlich kann der Befestigungsadapter bis zum Ueberfliegen eines Objekts eingezogen bleiben, um die Gefahr eines Verkantens bzw. Kollision mit dem Objekt zu mindern.
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Dies kann aktiv durch einen Aktuator geschehen, der mit der Befestigungsvorrichtung und dem Flugkoerper verbunden ist, beispielsweise einem Motor. Mit diesem kann unabhaengig von der eigentlichen Flughoehe des Flugkoerpers oder Freiheitsgraden an Gelenken eine Position eingenommen werden oder in dieser begrenzt werden.
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Die Ansteuerung dieses Aktuators ermoeglicht jeweils das gezielte Absenken beim Ueberfliegen von Objekten als auch das gezielte Einziehen danach.
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Aktuatoren welche unter Zufuhr von Energie deren Form aendern, etwa Werkstoffe aus Nickel-Titan-Legierungen, auch Gedaechtnisdraht genannt, sind hierbei besonders vorteilhaft. Diese benoetigen einen Bruchteil des Gewichts und Bauraum der haeufig sonst verwendeten Motoren, etwa Servo- oder Schrittmotoren. Solche Draehte erfahren eine Kontraktion unter Bestromung und nehmen in unbestromten Zustand, unterstuetzt durch Rueckstellfedern bzw. -gewichten, etwa eingeleitet durch die Schwerkraft, deren Ausgangsposition wieder ein. Ein weiterer moeglicher Aktuator kann aus elektroaktiven Polymeren bestehen, da diese ebenfalls Ihre Form beim Zufuehren von Energie aendern.
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Weiterhin bieten der Befestigungsadapter als auch der Reinigungskopf Raum, um zusaetzliche Sensoren oder Elektronik aufzunehmen. Bei Ausgestaltung des Reinigungskopfs und/oder des Befestigungsadapters mit Elektroden kann dem Flugkoerper bzw. dem darin verbauten Akkumulator weiterhin Energie zugefuerht werden. Dies kann taktil, induktiv oder photovoltaisch mittels Solarzellen geschehen.
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Die in der Landeposition dem Boden entgegengesetzt ausgerichtete, also der Sonne zugerichteten Seite des Befestigungsadapters, kann weiterhin Solarzellen umfassen um so eine Energieaufnahme unabhaengig von externer Infrastruktur, etwa einer Ladestation, zu ermoeglichen, wobei es hingegen vorteil haft ist, induktive oder taktile elektroden Rueckseitig anzuordnen.
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Die Moegliche Verwendung von Kondensatoren als Energiespeicher unabhaengig von dem Flugkoerper ermoeglicht es, Aktuatoren, mit separaten und leichten Energiespeichern zu bestromen und eine Verkabelung mit der Elektronik des Flugkoerpers ggf. zu umgehen.
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Dies hat den Vorteil dass der Befestigungsadapter und/oder der Reinigungskopf einfacher an unterschiedliche, bestehende Flugkoerper besonders einfach angebracht werden kann.
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In allen Ausfuehrungen vermindert eine grosse Oberflaeche von Befestigungsadapter und/oder Reinigungskopf den nachteiligen Effekt von Ungenauigkeiten in der Positionierung gegenueber einer moeglichen Ladestation.
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Mit Sensoren zur Kraftaufnahme, etwa Dehnmessstriefen, kann die Krafteinleitung am Befestigungsadapter kontoliiert oder eine Fehlfunktion, etwa ein Verkanten des Befestigungsadapters, detektiert werden.
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Anhand von Sensoren zur Erfassung von Wetterdaten, etwa Wind, Luftfreuchte, Zeit oder Temperatur, oder aus der ferne bezogenen Sensorinformationen zu klimatischen Bedingungen, kann weiterhin der Betrieb angehalten oder gestartet werden.
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Durch die Ausgestaltung des Befestigungsadapters mit einer flexiblen Kabelfuehrung, beispielsweise beweglich miteinander gefuegten Kettensegmenten, auch E-Kette genannt, koennen Signale, Energie und Medien zwischen der Befestigungsvorrichtung zur Aufnahme am Flugkoerper und der Befestigungsvorrichtung zur Aufnahme am Reinigungskopf ausgetauscht werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass der Flugkoerper mit Reinigungskopf oder mit eine Befestigungsadapter zur Befestigung dessen, ein Sensorsystem umfasst welches geometrische Eigenschaften eines Objekts erkennt und diesen entsprechend der Eigenschaften ausrichten kann.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Flugkoreper entsprechend seiner Relativposition zu einem Objekt auszurichten um so optimale, da energiesparende und kollisionsfreie, Flugbahnen zu erstellen.
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Ein Aktuator kann entsprechend der vom Sensorsystem am Reinigungskopf erfassten Informationen angesteuert werden.
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Fuer Sensoren welche Tiefeninformationen oder Kanten und Umrisse erkennen gibt es dabei beispielsweise zwei unmittelbare Anwendungsfaelle. Zum einen kann dieses mit der Flugsteuerung des Flugkoerpers verbunden werden um die Flugbahn und deren Verlauf sowie die unmittelbare Navigation sowie die Ausrichtung zu beinflussen.
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Zum Anderen koennen die Aktuatoren unabhaengig von der Flugsteuerung angesteuert werden, etwa um beim Verlassen der zu reinigenden Oberflaeche ggf. Bewegungen eines Effektors einzustellen oder beim Landen den Reinigungskopf in einer Ausrichtung entgegen dem Boden einzuziehen, sodass die Wirkflaeche der Effektoren entgegen dem Boden zeigt und diese nicht zusaetzlich verschmutzen oder den Landevorgang behindern.
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Solche Sensorsysteme koennen beispielsweise optische Systeme wie Infrarot, Laser oder Kameras umfassen, jedoch auch akustisch, etwa mit Ultraschall, Radar oder taktil funktionieren.
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Die Sensorsysteme sind typischerweise an einen eigenen Mikrocontroller verbunden. Diese Elektronik kann vollstaendig oder teilweise an dem Befestigungsadapter, Reinigungskopf oder Flugkoerper angebracht sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn der Reinigungskopf des Flugkoerpers zur Reinigung von Oberflaechen eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors besitzt, wobei diese Vorrichtung auch zur Befestigung des Reinigungskopfes an dem Flugkoerper dienen kann.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Reingungskopf direkt an dem Flugkoerper anzubringen sowie Effektoren aufzunehmen.
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Bei Verwendung von Flugkoerpern mit besonders hoher Positioniergenauigkeit kann somit auf einen Befestigungsadapter verzichtet werden. Die Vorrichtung zur Aufnahme von Effektoren kann Effektoren unterschiedlicher Art und Wirkprinzipien aufnehmen.
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Die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors ist besonders vorteilhaft ausgestaltet, wenn diese mehrere Stufen vorsieht, damit die Effektoren mit einmaligen Ueberflug mehrmals auf die Flaeche wirken koennen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es auch, wenn die Wirklinie des Reinigungskopfs gemaess der Oberflaeche eines Objektes ausgerichtet ist.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Reinigungskopf gemaess des Objekts ausgerichtet wirken zu lassen um so Energie und Bauteile einzusparen.
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Der Reinigungskopf kann unmittelbar mit dem Flugkoerper oder an diesen ueber den Befestigungsadapter verbunden sein.
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Bei Verwendung eines Flugkoerpers mit ausreichenden Eigenschaften oder der Verwendung eines Flugkoerpers an einer besonders einfach zu reinigenden Oberflaeche kann der Reinigungskopf fest, ggf. unter einem Fest eingestellten Winkel, mit dem Flugkoerper verbunden sein.
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Der Winkel kann durch die Formgebung des Reinigungskopfes oder durch eine Arretierung hergestellt sein.
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Wird ein Befestigungsadapter verwendet, so kann der Winkel auch durch dessen Formgebung vorgegeben sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin, den Reinigungskopf, mit oder ohne Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors oder zur Befestigung eines Reinigungskopfes, beweglich gegenueber dem Flugkoerper anzuordnen.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Reinigungskopf, etwa ueber Langerungen der Oberflaeche nachzufuehren.
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So koennen translatorische als auch rotatorische Veraenderungen in der Positon des Flugkoerpers gegeneuber der Oberflaeche ausgeglichen werden.
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Dies kann ueber Linearfuehrungen, speziell fuer translatorische Veraenderungen, oder Gelenke, etwa Gleitlager, speziell fuer rotatorische Veraenderungen geschehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, den Flugkoeprer zur Reinigung von Oberflaechen mit Reinigungskopf mit der Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors zu versehen, wobei diese dazu geeingtet ist, unterschiedliche Effekektoren aufzunehmen und/oder die Vorrichtung zur Aufnahme beweglich gegenueber dem Reingungskopf angeordnet ist.
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Die Weiterbildung hiernach ermoeglicht es, den Reinigungskopf entsprechend der Anforderungen zur Reinigung der Oberflaeche zu gestalten und um eine besonders effiziente Reinigung zu ermoeglichen.
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Die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors kann einen festen oder beweglichen Effektor umfassen, oder aber ausschliesslich feste, bewegliche oder eine Kombination daraus.
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Die Bewegung kann durch einen Aktuator erzeugt werden, beispielsweise um einen Effektor gegenueber dem Flugkoerper oder einem zu reinigenden Objekt oszilierend hin- und herzubewegen. Dadurch werden auch nur schwer loesbare Verschmutzungen entfernt.
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Effektoren koennen unterschiedlich in ihrem Typ und Eigenschaften mit einander kombiniert oder einzeln ausgefuehrt werden und sich auf unterschiedliche Arten gegenueber der Vorrichtung zur Aufnahme von Effektoren bewegen laessen.
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Bei Bewegung der Effektoren gegenueber der Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors koennen als Aktuator beispielsweise Motoren, Gedaechtnisdraehte, Piezoelemente und/oder elektroaktive Polymere verwendet werden.
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Eine Rundbuerste als Effektor oder ein mit Tuechern bzw. Schwaemmen bestueckter Rundkoerper kann beispielsweise mittels einem Aktuator rotatorisch betrieben werden.
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Leistenbuersten koennen etwa translatorisch, bespielsweiser in Richtung ihrer Laengsachse, oszilieren.
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Bei der Verwendung von Leistenbuersten als Effektor an der Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar, diese ggf. in mehreren Stufen, beispielsweise drei, hintereinander anzuordnen, wobei nur die zweite, mittig angeordnete Stufe beweglich in ihrer Laengsachse angeordnet sein kann. Die erste Stufe loest dabei beispielsweise groben Schmutz, die zweite, bewegliche Stufe loest schwer zu loesenden Schmutz und die letzte kehrt die Flaeche abschliessend ab.
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Die Anordung der Leistenbuersten in einem Abstand zueinander ermoeglicht es, ein potentielles Kippverhalten auszuschliessen bzw. zu mindern. Weiterhin hat dies den Vorteil, dass beim Uebertritt von Zwischenraeumen, bespielsweise zwischen Solarpanelen, der Reinigungskopf um seinem Befestigungsspunkt nicht umknickt sondern sich um diesen gegenueber der Oberflaeche tangential ausrichtet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn dieser Befestigungspunkt mittig ueber der Vorrichtung zur Aufnahme von Effektoren angebracht ist.
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Bei der Verwendung von Rundbuersten als Effektor kommt es ohnehin durch eine Rotation zum Wirken mehrerer Stufen auf die Oberflaeche.
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Bei der Verwendung von Leistenbuersten koennen diese ueber ein Stecksystem mit der Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors gefuegt werden.
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Die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors kann auch einen elektroadhaesiven Effektor umfassen, um die Oberflaeche zu reinigen. Dies hat den Vorteil, dass kein physischer Kontakt zur Oberflaeche hergestellt wird, also nicht taktil eingewirkt und die Gefahr einer Beeintraechtigung der Oberflaeche weiter gemindert wird.
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Die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors kann auch einen Schwamm oder ein Tuch(Mikrofaser-) umfassen. Bei der Anordnung um einen Rundkoerper als auch der Verwendung an einem Flachkoerper kann es sinnvoll sein, die Vorrichtung zur Aufnahme von Effektoren mit einem System zum Fuegen, etwa einem Klettverschluss, zu versehen.
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Waehrend die Buerstentechnik in ariden Regionen und unter einem hohen Reinigungsintervall und ohne Wasser als Trockenreinigung wirtschaftlich gestaltbar sein kann, ist das verwenden von Schwaemmen und Tuechern innerhalb einer Nassreinigung vorteilhaft.
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Die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors kann eine oder mehrere Effektoren unterschiedlicher Art, beispielsweise eine Buerste und ein Tuch, umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Boden
- 2
- Aufstaenderung
- 3
- Oberflaeche
- 4
- Objekt
- 5
- Partikel
- 6
- Flugkoerper
- 7
- Rotor
- 8
- Befestigungsadapter
- 9
- Reinigungsvorrichtung
- 10
- Sensorsystem
- 11
- Befestigungsadapter
- 12
- Reinigungskopf
- 13
- Nitinoldraht in bestromten Zustand
- 14
- Nitinoldraht in unbestromten Zustand
- 15
- Landestuetzen
- 16
- Befestigungsvorrichtung
- 17, 18
- Gleitlager
- 19
- Vorrichtung zur Auffnahme eines Effektors
- 20
- Elektroden der Landestuetzen
- 21
- Elektroden des Reinigungskopfs
- 22
- Dehnmessstreifen
- 23
- Leistenbuerste
- 24
- Aktuator
- 25
- Linearfuehrungssystem
- 26
- Rueckstellfeder
- 27
- Mikrocontroller
- 28
- Abstandssensor
- 29
- Abstandssensor
- G
- Gewichtskraft
- N
- Normalkraft
- H
- Haftreibungskraft
- A–D
- Auftriebskraefte
- μ
- Haftreibungskoeffizient
- F
- Schmutz loesende Kraft
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Wirkende Kraefte sind zur Uebersichtlichkeit vereinfacht dargestellt.
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Es zeigen
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1 den Flugkoerper (6) in der Ansicht von der Seite, ueber einem Objekt (4) fliegend.
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Der Flugkoerper (6) ist als Multikopter mit vier Rotoren (7) ausgefuehrt. An jedem Rotor wird eine Auftriebskraft (A–D) erzeugt, wobei die Gewichtskraft (E) zum Boden (1) hin wirkt.
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Der Flugkoerper (6) fliegt ueber der Oberflaeche (3) eines Objekts (4) welches unter einer Neigung ueber eine Aufstaenderung (2) mit dem Boden (1) verbunden ist. Dies entspricht beispielsweise einer typischen Anordnung von Solarpanelen innerhalb von Solarkraftwerken.
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Dabei stellt der Flugkoerper (6) den Abstand gegenueber der Oberflaeche Anhand der Sensordaten des Abstandssensors (29) ein und kann einem vorprogrammierten Wert entsprechen. Alternativ kann jedoch auch die Information des Abstandssensors mit einem Kamerabild gekoppelt werden, um festzustellen, ob eine Reinigung erfolgt bzw. ob der notwendige Abstand des Flugkoerpers (6) zum Objekt (4) eingenommen wurde.
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Der an den Rotoren (7) erzeugte Luftstrom trifft auf die Oberflaeche (3) und wird beim Auftreffen verdichtet und umgelenkt. Der Luftstrom erzeugt eine Kraft (F) die auf den Partikel (5) wirkt. Entgegen dieser Kraft (F) wirkt die Haftreibungskraft (H), die ebenfalls am Partikel angreift. Der Partikel (5) und die Oberflaeche (3) sind mit dem Haftreibungskoeffizient (μ) entsprechend Ihrer Materialpaarung, beispielsweise Sand fuer den Paritkel (5) und Glas fuer die Oberflaeche (3), beaufschlagt.
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An dem Partikel greifen weiterhin entsprechen der physikalischen Gesetze die Gewichtskraft (G) und die Normalkraft (N) an. Wird die Haftreibungskraft (H) durch die mit dem Luftstrom erzeugte Kraft (F) ueberwunden, geht der Partikel von der Haftreibung in die Gleitreibung ueber und rutscht von der Oberflaeche (3) ab und/oder wird weg geblasen.
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Der Betrag der Haftreibungskraft (H) resultiert aus der Multiplikation von Haftreibungskoeffzient (μ) mit dem Betrag der Normalkraft (N). Flughoehe und Geschwindigkeit koennen also so eingestellt werden, dass die Schmutz loesende Kraft (F) waehrend dem Ueberfliegen des Objekts (4) auf einen Partikel (5) wirkt, um moeglichst oekonomisch grossflaechige Objekte zu reinigen.
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Dabei ist der Abstandssensor am Flugkoerper (29) unter dem Flugkoerper (6) angebracht und somit zur Wirkseite, also dem Objekt (4) zugewandt. Dadurch kann der Abstand zur Oberflaeche (3) des Objekts (4) gemessen werden und sowohl Abstand als auch Winkel und Orientierung zu diesen eingestellt werden.
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Bei modularen Anordnungen, etwa auf Solarkraftwerken, faellt der Schmutz so in die Zwischenraeume zwischen den Modulen bzw. zu den Enden auf den Boden (1). Durch Neigen des Flugkoerpers (6) oder Veraendern der Flughoehe gegenueber der Oberflaeche (3) kann ein zusaetzlicher Reinigungseffekt bewirkt bzw. der Luftstrom zusaetzlich beieinflusst werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
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2 eine Routine zum Starten und Anfliegen eines Wegpunktes
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3 eine Routine zur Positionierung eines Effektors
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4 die Seitenansicht eines Flugkoerpers ueber einem Objekt in unterschiedlichen Positonen
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5 ein Muster dass sich aus Wegpunkten und/oder der Unterteilung von Flugbahnen ergibt
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Als Ausfuehrungsbeispiel ist die Anwendung auf einem Solarkraftwerk, bestehend aus mehreren Arrays, erlaeutert.
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2 zeigt, dass zunaechst abgefragt wird, ob die Vorgaben fuer einen Start erfuellt sind. Dazu wird beispielsweise die Uhrzeit abgeglichen, da nachts tendentiell schwaechere Winde auftreten und durch den Flugkoerper kein Schatten geworfen wird.
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Sind die Vorgaben erfuellt, ist beispielsweise eine bestimmte Uhrzeit erreicht worden und genuegen die Umweltbedingungen dem Betrieb, so startet der Flugkoerper durch einnehmen eines definierten Wegpunktes.
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Dieser ist etwa durch GPS Positionsdaten horizontal und einer Hoehenangabe vertikal definiert.
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Die notwendige Ausrichtung wurde zuvor ueber einen Kompass ermittelt, welcher ebenfalls in Flugkoerpern, etwa Multikoptern oder auch Drohne genannt, vorkommt und wird ebenfalls durch die in dem Flugkoerper vorhandene Steuerelektronik eingenommen.
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Weiterhin besitzt der Wegpunkt eine Nummerierung, damit dieser von Anderen unterschieden werden kann und in einer Reihenfolge angeflogen werden kann.
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Eine erste Betriebsart ist im folgenden beschrieben:
Der Flugkoerper erfasst seine Umgebung anhand des Sensorsystems um den Flugkoerper oder daran angebrachte Reinigungsapparaturen gegenueber der Oberflaeche des zu reinigenden Objekts auszurichten.
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Dazu ist die Reinigungsapperatur mit zwei Abstandssensoren, etwa Ultraschallsensoren, ausgestattet. Diese messen den Abstand des Flugkoerpers und dessen Reinigungsapparatur zu einem Objekt und sind zum Boden hin ausgerichtet.
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Wird ein Objekt erfasst, ist also ein Grenzwert der Abstandssensoren unterschritten worden, so wird der Flugkoerper abgesenkt, sodass der Effektor der Reingiungsapparatur auf die Oberflaeche wirkt, also beispielsweise eine Leistenbuerste auf der Flaehe anliegt.
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Dazu muss der Abstandssensor in einer definierten Position auf der Reinigungsapparatur angebracht sein, um die Sensorinformationen verwerten zu koennen.
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Eine weitere, zweite Betriebsart ist im folgenden beschrieben und in 3–4 dargestellt:
Ist die Reinigungsvorrichtung (9) gegenueber dem Flugkoeprer (6) beweglich angeordnet, beispielsweise ueber einen Befestigungsadapter (8),
so wird eine Hoehe fuer den Ueberflug des zu reinigenden Objekts (4) vorgegeben.
Das zu reinigende Objekt ist auf dem Boden (1) angebracht.
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In dieser Flughoehe koennen Ungenauigkeiten der Oberflaeche und/oder des Flugkoerpers durch die Beweglichkeit des Befestigungsadapers mechanisch ausgeglichen werden, ohne dass der Flugkoerper nachgesteuert werden muss.
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Der Befestigungsadapter und damit der Reinigungskopf koennen aktiv in Ihrem Abstand zum Flugkoerper gesteuert werden. Beispielsweise kann der Reinigungskopf uber den Befestigungsadapter mit einem Antrieb eingezogen oder abgesenkt werden.
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In allen Betriebsarten wird durch das Absenken der Effektor einer Reinigungsapparatur der zu reinigenden Oberflaeche angenaehert bzw. nachgefuehrt.
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Ist eine solche Flaeche nicht unter dem Flugkoerper, sondern neben diesem, etwa die Glasfassade eines Hochhauses, so ist mit absenken gemeint, dass der Effektor der zu reinigenden Oberflaeche angenaehert wird.
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Entsprechend bedeutet einziehen dass die Reinigungsapparatur zu dem Flugkoerper hin bewegt wird.
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3 zeigt dass der Abstand des Flugkoerpers zu einem umliegenden Objekt, etwa dem Boden oder einem zu reinigenden Objekt, nach dem Start, permanent gemessen wird.
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Ist der gemessene Wert groesser als ein Schwellwert, so ist kein zu reinigendes Objekt vorhanden und die Reinigungsapparatur wird eingezogen bzw. im eingezogenen Zustand gehalten.
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Ist ein zu reinigendes Objekt vorhanden, der Schwellwert zur Abstandsmessung wurde also unterschritten, so wird die Reinigungsapparatur abgesenkt.
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Diese Routine kann unabhaengig von der Programmierung des Flugkoerpers, etwa in einer separaten Steuerung der Reinigungsapparatur, laufen.
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4 zeigt jeweils den Flugkoerper in Positionen vor, waehrend und nach dem Ueberfliegen eines Objektes.
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Das Ansteuern der Reinigungsapparatur in Abhaengigkeit des Vorhandenseins eines Objektes vermindert das Risiko moeglicher Kollisionen des Flugkoerpers mit dessen Umwelt.
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Ist eine Oberflaeche mehrfach unterteilt, etwa in einzelne Module, so kann es sinnvoll sein, die Information der Abstandsmessung mit der Information der Wegmessung zu koppeln.
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Es soll dadurch vermieden werden, dass der Reinigungskopf nach jedem Modulende innerhalb eines Arrays, also einer baulichen Zusammenfassung von Solarmodulen, eingezogen werden.
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Wird mit der Abstandsmessung ueber einen bestimmten Weg hinweg kein zu reinigendes Objekt festgestellt, so wird die Reinigungsapparatur eingezogen. Der dazu notwendige Schwellwert muss groesser oder gleich als der maximale Abstand zwischen zwei Modulen innerhalb eines Arrays sein.
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Dadurch wird das unnoetige einziehen und absenkung der Reinigungsapparatur vermieden. Das Sensorsystem (10) misst den Abstand zu Objekten unter der Reinigungsapparatur und vor dem Flugkoerper um im Vorraus Steuerbefehle bewirken zu koennen.
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5 zeigt eine meanderfoermige Flugroute ueber zwei Arrays. Diese wird gewaehlt, um moeglichst energiearm die gesamte Oberflaeche abzufliegen. Die Flugbahnen ergeben sich aus den priorisierten Wegpunkten, in der Zeichnung an den Pfeilenden erkennbar, und sind parallel zur Obeflaeche ausgerichtet. Der Flugkoerper startet vom Punkt S und landet dort nach vollstaendigem Ueberflug.
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Muss die Flugroute unterbrochen werden, beispielsweise aufgrund einer zur Neige gehenden Kapazitaet des Akkus im Flugkoerper am Punkt U, so fliegt der Flugkoerper direkt zum Punkt S zum Auffanden und/oder zum Akkuwechsel.
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Die Flugroute wird vor dem Punkt der Unterbrechung U am Punkt F fortgesetzt, um moegliche Ungenauigkeiten der Posiotnierung des Flugkoerpers auszugleichen.
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Die Anzahl und Anordnung der Flugbahn soll sich durch das Anfliegen der Wegpunkte so ergeben, alsdass die gesamte Breite eines Effektors an der Reinigungsapparatur auf die Oberflaeche wirkt. Die Bahnen des Effektors sollen sich dabei geringfuegig ueberlappen, um Ungenauigkeitein in der Positionierung des Flugkoerpers auszugleichen.
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Beim Anfliegen der Wegpunkte ist das Sensorsystem dahingehend nuetzlich, dass es den Flugkoerper entsprechend den Kanten und Umrissen eines Objektes annaehern kann.
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Sind keine oder fuer die vollstaendige Abdeckung notwendige Wegpunkte unzureichend fuer die Anwendung vorgegeben, so muss die Steuerelektronik des Sensorsystems und/oder des Flugkoerpers ausgehend von der Kantendetektion, also der Erkennung des Objekts, weitere Bahnen passend ausgerichtet und in Folge berechnen.
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Dabei ist es vorteilhaft, an einer Seite der baulichen Ausbreitung des Arrays zu beginnen und geringfuegig ueberlappende Bahnen parallel dazu zu berechnen.
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Positionskorrekturen sowie die Ausrichtung des Flugkoerpers koennen unabhaengig von der eingebauten Flugsteuerung, etwa eines Multikopters, anhand der Katen erfolgen da diese fuer den Flugkoerper sich wiederholende, geometische Strukturen darstellen. So kann sich der Flugkoerper etwa parallel zu einer Kante eines Moduls ausrichten.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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6 den Flugkoerper (6) in der Ansicht von vorne, mit mehrstufigem Reinigungskopf (12) und Befestigungsadapter (11)
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7 den Flugkoerper (6) in der Ansicht von der Seite, mit angewingeltem Reinigungskopf und bestromten Nitinoldraht (13) und unbestromten Nitinoldraht (14)
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8 den Flugkoerper (6) in der Ansicht. von unten
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Der Flugkoerper (6) ist als vierrotoriger Multikopter ausgefuehrt. Er landet auf den Landestuetzen (15). Der Befestigungsadapter (11) umfasst zum Flugkoerper hin eine Befestigungsvorrichtug (16) und kann mit Gleitlagern (17, 18) jeweils mit diesem und dem Reinigungskopf (12) gefuegt werden.
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Der Reinigungskopf (12) kann in einer Form vorkommen, durch welche die Effektoren eine Neigung zum Flugkoerper entsprechend der Neigung des zu reinigenden Objekts einnehmen, beispielsweise um dem Neigungswinkel von Solarpanelen zu entsprechen.
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In der Zeichnung ist der Reinigungskopf durch seine Form statisch horizontal ausgerichtet, um der Ausrichtung von Spiegelreflektoren auf thermischen Solarkraftwerken nach deren Abschaltung zu entsprechen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors (19) der Form der Oberflaeche entsprechen. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise die Aufnahme einer gegruemmten Leistenbuerste um konzentrisch gekruemmte Spiegelreflektoren zuegig zu ueberfiegen und zu reinigen.
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Die Landestuetzen (15) koennen ueber eigene Elektroden (20) Energie, beispielsweise per Induktion auf einer Ladestation Strom aufnehmen.
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Dies kann auch ueber die Elektroden (21) im Reinigungskopf (12) geschehen. Dehnmesstreifen (22) nehmen am Befestigungsadapter aufgenommene Kraefte auf.
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Als Effektor wird eine Leistenbuerste (23) verwendet. Diese ist auf dem Reinigungskopf (12) aufgesteckt.
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Als Aktuator zur Stellung von Reinigungskopf (12) und/oder Befestigungsvorrichtung (16) werden Nitinoldraehte verwendet (13, 14).
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Der Nitinoldraht (13), welcher zwischen Befestigungsvorrichtung (16) und Reinigungskopf (9) gespannt ist, veraendert den Winkel zwischen diesen.
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Der Nitinoldraht (14), welcher zwischen Befestigungsvorrichtung (16) und Flugkoerper (6) gespannt ist, veraendert den Winkel zwischen diesen.
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Als Rueckstellkraft wirkt in beiden faellen die Schwerkraft, wobei unterstuetztend auch auf der jeweiligen Gegenseite Rueckstellfedern eingebaut werden konnen Landet der Flugkoerper (6), so koennen unterstuetzend beide Nitinoldraehte bestrommt werden, da es durch die Verkuerzung der Aktuatorlaenge zu einem Einklappen von Reinigungskopf als auch Befestigungsvorrichtung kommt.
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In unbestromten Zustand ist der Nitinoldraht nicht gespannt, damit die Befestigungsvorrichtungen am Befestigungsadapter jeweils gegenueber dem Fluggkoerper und/oder dem Reinigungskopf zumindest eingeschraenkt verdrehbar bleiben, um sich der Oberflaeche anzupassen.
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Der Reinigugnskopf (12) ist mehrstufig ausgefuehrt und fungiert gleichzeitig auch als eigene Vorrichtung zur Aufnahme von Effektoren. Als Effektoren sind Leistenbuersten (23) aufgesteckt.
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Eine weitere Vorrichtung zur Aufnahme eines Effektors (19) ist in 7 sichtbar. Diese ist durch einen Aktuator (24) beweglich gegenueber dem Flugkoerper (6) verbunden.
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Linearfuehrungssysteme (25) fuehren die mittig angeordnete Leistenbuersten (19) horizontal, wobei ein Linearaktuator, ebenfalls aus Nitinoldraht (24), die Leistenbuerste (19) in bestromtem Zustand verfahert. In unbestromten Zustand verfaehrt die Leistenbuerste (19) in die Gegenrichtung, gezogen durch Rueckstellfederelement (26).
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Ein Mikrocontroller (27) ist fuer die Steuerung mit allen Aktuatoren, Spannungsquellen, Sensoren und weiterer Elektronik elektrisch Verbunden.
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Als teil eines Sensorsystems zur Effassung der Topografie eines Objekts werden Abstandssensoren (28) verwendet. Diese sind tangential zum Reingungskopf (12) ausgerichtet und bedienen sich der Abstandsmessung mittels Ultraschall um Kanten eines Objekts und dessen Abstand zu erkennen.
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Anhand dieser Informationen koennen der Flugkoerper (6) sowie die Befestigungsvorrichtung (16) und/oder der Reinigungskopf (12) ausgerichtet werden.
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Ein weiterer Sensor (29) zur Abstandsmessung ist an dem Flugkoerper direkt montiert, um waehrend des Ueberflugs eines Objekts unabhaengig vom Reinigunskopf (12) eine definierte Postion genenueber der Oberflaeche einzunehmen. Dies ist dann hilfreich, wenn eine Betriebsart gewaehlt wird innerhalb derer nicht nur der Reinigungskopf (12) die Flaeche taktil reinigt, sondern auch der durch die Rotoren (7) erzeugte Luftstrom zur Reinigung hinzugenommen werden soll.
