DE102015100817B4 - Method for operating an unmanned aircraft and device therefor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines unbemannten, elektrisch betriebenen Luftfahrzeugs (1), das mit einer Kamera versehen ist und das über ein stromführendes Kabel (4) mit einer bodengestützten, bewegten und eine Stromquelle aufweisenden Station (2) in Verbindung steht, wobei das Luftfahrzeug (1) zumindest während des Betriebs dauerhaft positionsgenau zur Station (2) geführt wird, wobei hierzu in der Station (2) eine Positionierhilfe zur Positionsbestimmung des Luftfahrzeugs (1) vorgesehen ist und das Luftfahrzeug (1) und die Station (2) über Sender- und/oder Empfängereinheiten miteinander korrespondieren, wobei das Kabel zur Kommunikation zwischen dem Luftfahrzeug (1) und der Station (2) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe als ein Referenzpunkt ausgebildet ist, der durch die Kamera erkannt und daraus die genaue Position des Luftfahrzeugs (1) gegenüber der Station (2) ermittelt wird, wobei in dem Kabel (4) durch Aufmodulation Informationen in beide Richtungen übertragbar sind.Method for operating an unmanned, electrically operated aircraft (1), which is provided with a camera and which is connected to a ground-based, moving station (2) having a power source via a power-carrying cable (4), the aircraft (1 ) is guided to the station (2) in a permanently precise position, at least during operation, with a positioning aid for determining the position of the aircraft (1) being provided for this purpose in the station (2) and the aircraft (1) and the station (2) being connected via transmitter and /or receiver units correspond to one another, with the cable being used for communication between the aircraft (1) and the station (2), characterized in that the positioning aid is designed as a reference point which is recognized by the camera and from this the precise position of the aircraft (1) is determined relative to the station (2), information being transmitted in both directions in the cable (4) by modulation are portable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines unbemannten, elektrisch betriebenen Luftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating an unmanned, electrically operated aircraft according to the preamble of claim 1.
Solche Luftfahrzeuge, die auch unter dem Begriff Drohnen oder der Abkürzung UAV für „Unmanned Aerial Vehicle“ bekannt sind, gehören zum Stand der Technik. Beispielhaft sei auf die US 2013 / 0 233 964 A1 verwiesen, in der ein unbemanntes Luftfahrzeug offenbart ist, das in Funktion elektrisch betrieben wird und dazu über ein stromführendes Kabel mit einem bodengestützten Fahrzeug verbunden ist, wobei das Fahrzeug eine das Kabel speisende Stromquelle aufweist.Such aircraft, which are also known under the term drones or the abbreviation UAV for "Unmanned Aerial Vehicle", are part of the prior art. By way of example, reference is made to US 2013/0 233 964 A1, which discloses an unmanned aerial vehicle that is operated electrically and is connected to a ground-based vehicle via a power-carrying cable, the vehicle having a power source that feeds the cable.
Die WO 2012 / 094 430 A2 gibt ein Verfahren zum Betreiben eines solchen kabelbetriebenen Luftfahrzeugs an, wobei das Luftfahrzeug während des Betriebs dauerhaft positionsgenau zu einer Station geführt wird und wobei hierzu das Luftfahrzeug und die Station über Sender-/ beziehungsweise Empfängereinheiten miteinander korrespondieren.WO 2012/094 430 A2 specifies a method for operating such a cable-operated aircraft, with the aircraft being guided to a station in a permanently precise position during operation and with the aircraft and the station communicating with one another via transmitter and receiver units for this purpose.
Solche Luftfahrzeuge kommen für unterschiedlichste Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in der Landwirtschaft, bei militärischen oder polizeilichen Aufgaben, wobei entsprechende Ausstattungsmerkmale unterschiedlichste Funktionen ermöglichen. Hierzu sei erwähnt eine kameragestützte Überwachung von Plätzen, Gebäuden oder dergleichen, Steuerung von Arbeitsgeräten, die dann auch die bodengestützte bewegliche Station als ein Bauelement aufweisen.Such aircraft are used for a wide variety of applications, for example in agriculture, for military or police tasks, with the corresponding equipment features enabling a wide variety of functions. In this regard, camera-supported monitoring of squares, buildings or the like, control of working devices, which then also have the ground-based mobile station as a component, should be mentioned.
Allerdings sind das Luftfahrzeug und die bodengestützte Station mehr oder weniger lose miteinander verbunden, d.h., das stromführende Kabel bildet im Wesentlichen eine Schleppleine, wenn die stromerzeugende Station Bestandteil eines Arbeitsgerätes, beispielsweise einer landwirtschaftlichen Maschine ist.However, the aircraft and the ground-based station are more or less loosely connected to one another, i.e. the power-carrying cable essentially forms a tow line when the power-generating station is part of an implement, for example an agricultural machine.
Wie sich gezeigt hat, ergeben sich dabei im Betrieb Handhabungs- bzw. Funktionsprobleme, wobei die Nachführung des Luftfahrzeugs zur beweglichen Station, d.h. dem Arbeitsgerät bislang durch sozusagen externe Signalgeber, wie das bekannte satellitengestützte Navigationssystem (GPS) erfolgt, ohne direkte Kommunikation mit dem Arbeitsgerät.As has been shown, handling and functional problems arise during operation, with the tracking of the aircraft to the mobile station, i.e. the working device, being carried out by external signal transmitters, so to speak, such as the well-known satellite-based navigation system (GPS), without direct communication with the working device .
Die
Die
Auch ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass ein funktionssicherer Betrieb des Luftfahrzeugs möglich ist. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.The invention is based on the object of further developing a method of the generic type in such a way that functionally reliable operation of the aircraft is possible. Furthermore, a device for carrying out the method is to be specified.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Furthermore, the object is achieved by a device according to the features of claim 9.
Zur Durchführung des Verfahrens sind die Station und das Luftfahrzeug jeweils mit einer Sender- und/oder Empfängereinheit ausgestattet, die über das Kabel oder drahtlos miteinander korrespondieren. Weiter sind die Station oder das Luftfahrzeug mit einer vorzugsweise elektrischen Winde ausgestattet, mit der das Kabel während des Betriebs, gemäß der Erfindung, unter Zugspannung gehalten wird. Das Luftfahrzeug kann beispielsweise als Hubschrauber oder Drohne mit mehreren Antrieben ausgebildet sein.To carry out the method, the station and the aircraft are each equipped with a transmitter and/or receiver unit which communicate with one another via the cable or wirelessly. Furthermore, the station or the aircraft is equipped with a winch, preferably electric, with which the cable is kept under tension during operation, according to the invention. The aircraft can be designed, for example, as a helicopter or drone with multiple drives.
Je nach Einsatzgebiet kann die Station in einem Fahrzeug, insbesondere einem Arbeitsfahrzeug angeordnet sein oder an einer Schiene, auf der entlang die Station beweglich ist.Depending on the field of application, the station can be arranged in a vehicle, in particular a work vehicle, or on a rail along which the station can be moved.
Ein solches Schienensystem kann beispielsweise in einer Lande- und/oder Startbahn eines Flughafens installiert sein. Beim erwähnten Einsatz an einer Start- und Landebahn eines Flughafens kann mittels Kameras, 3-D-Sensoren oder Laserscannern die Start- und Landebahn überwacht werden ob beispielsweise Teile auf der Bahn liegen, so dass der Einsatz eines kontrollierenden Landfahrzeuges unterbleiben kann. Darüber hinaus kann mittels des Luftfahrzeugs, bei entsprechender Anpassung der Länge des Kabels eine Räumung der Bahn von Schnee erfolgen, allein durch die von den Propellern des Luftfahrzeugs erzeugte Verwirbelung.Such a rail system can be installed, for example, in an airport runway and/or runway. In the aforementioned use on an airport runway, cameras, 3D sensors or laser scanners can be used to monitor the runway to see whether, for example, parts are lying on the runway, so that the use of a land vehicle can be dispensed with. In addition, by means of the aircraft, with a corresponding adjustment of the length of the cable, snow can be cleared from the runway simply by the turbulence generated by the propellers of the aircraft.
Ein schienengebundener Betrieb des Luftfahrzeugs im Sinne der Erfindung ist auch zur Kontrolle der Gleise des Schienenverkehrs denkbar, wobei dann die Station beispielsweise an einer Lore vorgesehen ist. Auch hier kommen Kameras oder Sensoren, einschließlich Lasersensoren zum Einsatz, die im oder am Luftfahrzeug befestigt sind und ihre ermittelten Daten drahtlos an eine stationäre Auswerteeinheit weitergeben.A rail-bound operation of the aircraft within the meaning of the invention is also conceivable for monitoring the rail traffic tracks, the station then being provided, for example, on a lorry. Again, cameras or sensors, including laser sensors, come into play set that are attached in or on the aircraft and transmit the data they have determined wirelessly to a stationary evaluation unit.
Das stromführende Kabel kann als gedrillte Leitung oder als Mehrfachkabel ausgeführt sein und gleichzeitig der Energieübertragung und quasi als Sicherheitsleine zur Begrenzung des Aktionsradius dienen. Vorzugsweise besteht das Kabel aus Gewichtsgründen aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium.The current-carrying cable can be designed as a twisted line or as a multiple cable and at the same time serve to transmit energy and act as a kind of safety line to limit the radius of action. For reasons of weight, the cable is preferably made of light metal, in particular aluminum.
Wie erwähnt, kann das Kabel zur Kommunikation zwischen der Station und dem Luftfahrzeug genutzt werden, wobei durch Aufmodulation Informationen in beide Richtungen übertragen werden können.As mentioned, the cable can be used for communication between the station and the aircraft, whereby information can be transmitted in both directions by modulation.
Um das Kabel während des Betriebs des Luftfahrzeugs unter Zugspannung zu halten, kann ein mit dem Kabel in Verbindung stehender Kraftsensor vorgesehen sein, der vorzugsweise an der Winde angeordnet ist und mit dem ein Soll-Ist-Vergleich möglich ist, wobei bei Unterschreiten des festgelegten Soll-Wertes das Kabel bis zum Erreichen des Soll-Wertes, also der vorbestimmten Zugspannung, erreicht ist. Damit wird die aufzubringende Motorleistung des Luftfahrzeugs minimiert, d.h., es ist vom Motor des Luftfahrzeugs gerade so viel Leistung aufzubringen wie erforderlich ist, um das Kabel unter Zugspannung zu halten.In order to keep the cable under tension during operation of the aircraft, a force sensor connected to the cable can be provided, which is preferably arranged on the winch and with which a target/actual comparison is possible, with the specified target being undershot -value the cable has reached until it reaches the target value, i.e. the predetermined tensile stress. This minimizes the aircraft engine power to be applied, i.e. the aircraft engine has to apply just as much power as is required to keep the cable under tension.
Der Abstand des Luftfahrzeugs zur Station kann auch durch Sensoren wie Kameras oder dergleichen ermittelt werden, wozu in der Station ein Referenzpunkt angebracht ist, der durch die Kamera erkannt und daraus die genaue Position des Luftfahrzeugs gegenüber der Station ermittelt wird. Bei einer Abweichung von einer vorgegebenen Position kann das Luftfahrzeug nachgesteuert werden.The distance of the aircraft from the station can also be determined by sensors such as cameras or the like, for which purpose a reference point is installed in the station, which is recognized by the camera and from this the exact position of the aircraft relative to the station is determined. If there is a deviation from a predetermined position, the aircraft can be readjusted.
Denkbar ist jedoch auch das Luftfahrzeug mittels satellitengestützter Navigation (GPS) zu ermitteln und entsprechend zu steuern. Bevorzugt ist die Länge des Kabels so bemessen, dass eine für bestehende Sicherheitsvorschriften unkritische maximale Höhe des Luftfahrzeugs nicht überschritten wird.However, it is also conceivable to determine the aircraft using satellite-supported navigation (GPS) and to control it accordingly. The length of the cable is preferably measured in such a way that a maximum altitude of the aircraft, which is not critical for existing safety regulations, is not exceeded.
Die Station oder das diese tragende Arbeitsgerät ist mit einer Halterung versehen, in der das Luftfahrzeug in Parkstellung positioniert ist und die als Startrampe fungiert, wobei eine automatische oder manuelle Ver- und Entriegelung vorgesehen sein kann.The station or the implement supporting it is provided with a support in which the aircraft is parked and which acts as a launch pad, with automatic or manual locking and unlocking being provided.
Die Inbetriebnahme des Luftfahrzeugs erfolgt durch eine Fernbedienung, mit Lösung der Arretierung und Freigabe durch die Winde, so dass sich das Luftfahrzeug senkrecht nach oben und/oder zu allen Seiten bewegen kann, soweit dies die Aufbauten des Arbeitsgerätes ermöglichen.The aircraft is put into operation by remote control, with the locking and release being released by the winch, so that the aircraft can move vertically upwards and/or to all sides, insofar as this is permitted by the superstructure of the working device.
Um kurzzeitig zusätzlich Energie in die Motoren des Luftfahrzeugs zu transferieren als über das Kabel zur Verfügung steht, kann das Luftfahrzeug mit mindestens einer bordseitigen Batterie ausgestattet sein, die im Fall keines oder nur eines geringen Verbrauchs wieder geladen wird.In order to briefly transfer additional energy to the engines of the aircraft than is available via the cable, the aircraft can be equipped with at least one onboard battery that is recharged in the event of little or no consumption.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird die als Kleinspannung vom Stromerzeuger abgegebene Spannung auf eine den Vorschriften entsprechende maximal mögliche Kleinspannung herauftransformiert und am Luftfahrzeug zum Betrieb des oder der Motoren heruntertransformiert. Dadurch ist der Einsatz eines leichteren Kabels, beispielsweise aus dem genannten Leichtmetall möglich.According to a further idea of the invention, the voltage supplied by the power generator as extra-low voltage is stepped up to a maximum possible extra-low voltage that corresponds to the regulations and is transformed down on the aircraft to operate the motor or motors. This makes it possible to use a lighter cable, for example made of the light metal mentioned.
Im Übrigen kann das Luftfahrzeug primär als Trägerplattform für verschiedene Sensoren zu unterschiedlichsten Einsatzzwecken dienen.The aircraft can also serve primarily as a carrier platform for various sensors for a wide variety of purposes.
Hierzu zählen insbesondere der Einsatz im landwirtschaftlichen Bereich, wobei das Luftfahrzeug beispielsweise in Korrespondenz steht mit einem Traktor. Dabei fliegt das Luftfahrzeug voran mit einem Sensor zur Ermittlung z.B. des Nährstoffgehaltes, des Wassergehaltes oder des Stickstoffgehaltes des beispielsweise Getreides oder zur Ermittlung eines Unkrautbewuchses.These include, in particular, use in the agricultural sector, with the aircraft corresponding to a tractor, for example. The aircraft flies ahead with a sensor for determining e.g. the nutrient content, the water content or the nitrogen content of the grain, for example, or for determining weed growth.
Weiterhin kann mittels eines Thermalsensors oder einer Wärmebildkamera die Anwesenheit von Feldtieren, die sich im Bewuchs befinden, erkannt werden. Ebenfalls ist eine Schwad-Erkennung und -Verfolgung möglich, also eines auf Reihen zusammengerechten Mähguts, mittels Kameratechnik oder 3D-Sensor. Dabei fliegt das Luftfahrzeug seitlich in Fluchtlinie zum Arbeitsgerät.Furthermore, the presence of field animals that are in the vegetation can be detected by means of a thermal sensor or a thermal imaging camera. It is also possible to recognize and track a swath, i.e. a row of mowing material, using camera technology or a 3D sensor. The aircraft flies sideways in alignment with the working device.
Da die Anbaugeräte relativ große Arbeitsbreiten aufweisen, ist eine optische Anzeige des Arbeitsweges möglich, wobei eine automatische Ermittlung der Arbeitsbreite mittels kamerabasierter oder laserbasierter Auswertesysteme erfolgt.Since the attachments have relatively large working widths, a visual display of the working path is possible, with the working width being automatically determined using camera-based or laser-based evaluation systems.
Auch kann das Luftfahrzeug nach hinten versetzt über oder hinter dem an dem Traktor angeschlossenen Anbaugerät fliegen. Mittels geeigneter Kamerasensorik lässt sich beispielsweise die Streuweite von Düngemittel bei einem Feststoff-Düngestreuer ermitteln.Also, the aircraft may fly backwards above or behind the implement attached to the tractor. For example, the spread of fertilizer in a solid fertilizer spreader can be determined using suitable camera sensors.
Bei einem Einsatz des Luftfahrzeugs in Korrespondenz mit einem Mähdrescher, einem Feldhäcksler oder dergleichen fliegt das Luftfahrzeug voraus, wobei, wie erwähnt, mittels eines Thermalsensors und einer Kamera im Bewuchs vorhandene Feldtiere erkannt werden, so dass diese vor Einsatz des Mähdreschers gerettet werden können. Auch die übrigen zum Einsatz des Luftfahrzeugs an einem Traktor genannten Möglichkeiten sind beim Einsatz an einem Mähdrescher möglich.When the aircraft is used in correspondence with a combine harvester, a forage harvester or the like, the aircraft flies ahead, with, as mentioned, by means of a thermal sensor and a camera in the vegetation Field animals are recognized so that they can be rescued before the combine harvester is used. The other options mentioned for using the aircraft on a tractor are also possible when using on a combine harvester.
Bei einer zum Mähdrescher als Arbeitsgerät seitlich fliegenden Anordnung des Luftfahrzeugs ist beim Umladen von der Kornkammer des Mähdreschers in ein parallel fahrendes Ladefahrzeug der Auswurf optisch oder automatisch kontrollierbar und gegebenenfalls mittels Auswertealgorithmen der Kameras korrigierbar.When the aircraft is arranged to fly sideways to the combine harvester as a working device, the ejection can be checked optically or automatically when reloading from the granary of the combine harvester into a loading vehicle traveling parallel and can be corrected, if necessary, by means of evaluation algorithms of the cameras.
Als Arbeitsgerät kann neben einem Traktor und einem Mähdrescher, wie sie vorstehend beschrieben sind, ein selbstfahrender Feldhäcksler eingesetzt werden, wobei dann die beschriebenen Funktionen in gleicher Weise erfolgen.In addition to a tractor and a combine harvester, as described above, a self-propelled forage harvester can be used as the working implement, in which case the functions described take place in the same way.
Weiterhin kommen als Arbeitsgeräte militärische Fahrzeuge, Polizeifahrzeuge oder Rettungsfahrzeuge zum Einsatz. Dabei ist durch das Luftfahrzeug beispielsweise ein Überblick über das Gelände möglich, ohne selbst gesehen zu werden bzw. aus dem Arbeitsgerät, d.h. einem der genannten Fahrzeuge, aussteigen zu müssen. Auch die Untersuchung des Geländes, wenn dies nicht sicher und gut begehbar ist, ist möglich sowie die Verfolgung von entwendeten Fahrzeugen, um deren Elektronik lahmzulegen.Military vehicles, police vehicles or rescue vehicles are also used as work equipment. For example, an overview of the terrain is possible through the aircraft without being seen or having to get out of the working device, i.e. one of the vehicles mentioned. It is also possible to examine the site if it is not safe and easy to walk on, as well as to track stolen vehicles in order to paralyze their electronics.
Ferner ist nach der Erfindung vorgesehen, das Luftfahrzeug mit mindestens einem Aktor auszustatten, beispielsweise in Form eines optischen oder akustischen Signalgebers, wie einer Sirene oder dergleichen.Furthermore, the invention provides for the aircraft to be equipped with at least one actuator, for example in the form of an optical or acoustic signal generator, such as a siren or the like.
Daneben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an Wasserfahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise zum Übersetzen von Fangleinen und leichten Gütern. Gleichermaßen ist es geeignet zur Schiffsüberwachung gegen Piraterie.In addition, the method according to the invention can also be used on watercraft, for example for transferring suspension lines and light goods. It is also suitable for ship surveillance against piracy.
Die genannten Verwendungsbereiche sind lediglich beispielhaft zu sehen und finden an geeigneter Stelle vielfältig ihre Fortsetzung.The areas of use mentioned are only to be seen as examples and are continued in a variety of ways at appropriate points.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.The method according to the invention and a device for carrying it out are described below with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:
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1 ein im Einsatz befindliches Luftfahrzeug in Korrespondenz mit einem Arbeitsgerät in einer schematischen perspektivischen Ansicht -
2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Einzelheit des Arbeitsgerätes in einer Seitenansicht.
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1 an aircraft in use in correspondence with a working device in a schematic perspective view -
2 an enlarged section of a detail of the implement in a side view.
In der
Das Luftfahrzeug 1 ist mit mindestens einem mit Kleinspannung antreibbaren Elektromotor ausgestattet, der wiederum einen Rotor antreibt.The aircraft 1 is equipped with at least one electric motor which can be driven with low voltage and which in turn drives a rotor.
Im Beispiel ist die Station 2 integraler Bestandteil des als Traktor ausgebildeten Arbeitsgerätes 3, mit dem der erforderliche Strom erzeugt wird.In the example, the
Zur Aufrechterhaltung der permanenten Zugspannung auf das Kabel 4 ist dies an einer vorzugsweise elektrisch betriebenen Winde 5 angeschlossen, die im Zusammenspiel mit dem Rotor des Luftfahrzeugs 1 das Kabel 4 in einer vorgesehenen Höhe h vom Boden hält und überdies das Luftfahrzeug 1 bei Nichtgebrauch einholt. In diesem Fall wird das Luftfahrzeug 1 auf einer Halteeinrichtung 6 geparkt, die vorliegend auf einem Dach des Fahrerhauses des Arbeitsgerätes 3 positioniert ist. (
In der
Im Ausführungsbeispiel wird das Luftfahrzeug 1 in einer gegenüber dem Arbeitsgerät 3 bzw. der Station 2 stets gleichbleibenden Position vor dem Arbeitsgerät 3 geführt in einem Winkel von beispielsweise 45°, bezogen auf das Kabel 4 als Hypotenuse.In the exemplary embodiment, the aircraft 1 is guided in a position in front of the working
Durch eine geeignete Positionserkennung wird das Luftfahrzeug 1 entsprechend der Vorgaben stets gleichbleibend vor dem Arbeitsgerät 3, dahinter oder seitlich dazu geführt.By means of a suitable position detection, the aircraft 1 is always consistently guided in front of the working
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