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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bereitstellen einer Luftdarstellung, umfassend eine Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten, welche jeweils ein Leuchtmittel, einen Speicher und eine Kennung umfassen, mindestens eine Bodenstation, welche dazu eingerichtet ist, über eine erste Datenverbindung mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten zu kommunizieren und mindestens eine Kontrolleinheit zur Missionskontrolle und Schwarmkontrolle.
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Stand der Technik
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Unbemannte Fluggeräte können unter anderem in Schwärmen eingesetzt werden. Derartige Schwärme werden immer häufiger zu Research- und Showzwecken, zum Beispiel als Lichtspielelemente, eingesetzt. Ein solcher Einsatz ist beispielsweise in der
US 8,862,285 B2 gezeigt.
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Unbemannte Fluggeräte weisen in der Regel eine Steuerung (Autopiloten), eine Datenschnittstelle, einen Speicher für Missionsparameter und Flugpfade, eine Positions- und Höhenkontrolle und einen Akku für die Stromversorgung auf. Gegenwärtig muss für den Einsatz in Schwärmen jedes unbemannte Fluggerät einzeln, mit den für das entsprechende unbemannte Fluggerät individuell gestalteten Flugwegdaten, versorgt werden. Ein derartiges System ist beispielsweise in der
US 2014/0249693 A1 beschrieben.
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Das Aufspielen der Daten in den Speicher eines jeden einzelnen unbemannten Fluggeräts kann manuell über anstecken einer Kabelverbindung am Boden, über das manuelle Einbringen eines Speichermediums (zum Beispiel einer SD Speicherkarte) oder über eine drahtlose Funkverbindung während des Betriebs erfolgen. Zusätzlich muss ein Akku, der die Energieversorgung bereitstellt, gesondert geladen werden. Das Laden des Akkus erfolgt über den manuellen Austausch des Akkus, wobei dieser außerhalb des Fluggeräts einer Ladestation zugeführt werden kann. Alternativ kann das unbemannte Fluggerät direkt manuell an ein Ladegerät angesteckt werden, wenn es nicht möglich ist den Akku zu entfernen.
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Zudem muss jedes unbemannte Fluggerät permanent mit einer Missions- und Schwarmkontrolle, in der Regel mittels eines PC und einer Steuerungssoftware, verbunden sein, welche die Steuerung und Kontrolle des einzelnen unbemannten Fluggeräts innerhalb des Schwarms bilden und sicherstellt. Hierzu werden zwischen jedem unbemannten Fluggerät im Schwarm und der Missions- und Schwarmkontrolle ständig Daten ausgetauscht. Ein solcher Datenaustausch ist auch für die Erkennung von Statuszuständen und Fehlfunktionen von einzelnen oder mehreren unbemannten Fluggeräten im Schwarm relevant.
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Aus dieser Aufgabe heraus ist die Missions- und Schwarmkontrolle auch sicherheitsrelevant. Ein Datenaustausch kann auch mittels eines Netzwerks im Schwarm erfolgen, indem zum Beispiel die Missions- und Schwarmkontrolle nur die Verbindung zum räumlich nächstgelegenen unbemannten Fluggerät hält. Dieses unbemannte Fluggerät kommuniziert dann wiederum mit anderen teilnehmenden unbemannten Fluggeräten im Schwarm.
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Eine Konsequenz hieraus ist, dass ab einer n Anzahl von unbemannten Fluggeräten im Schwarm eine drahtlose Datenkommunikation der unbemannten Fluggeräte mit der Missions- und Schwarmkontrolle oder untereinander nicht mehr möglich ist, da die hierfür nutzbaren ISM-Frequenzbänder für Short Range Devices (SRD) und der hieraus nutzbaren Bandbreiten für die Datenkommunikation, ein Limit darstellen und die maximale Anzahl an unbemannten Fluggeräten, die im Schwarm eingesetzt werden können, begrenzen.
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Eine ausfallsichere Funkverbindung zu einzelnen oder mehreren unbemannten Fluggeräten kann nicht mehr sichergestellt werden. Zusätzlich steigt mit der Anzahl der unbemannten Fluggeräte im Schwarm die manuelle Arbeitslast für Tätigkeiten wie Datenaustausch per Kabelschnittstelle, Einbringen eines Speichermediums, Wartung, Systemüberwachung und Akkuwechsel derartig an, dass auch hier der dafür nötige Einsatz von Personal die wirtschaftliche Grenze und damit die Anzahl der unbemannten Fluggeräte im Schwarm darstellt. Eine hohe manuelle Arbeitslast birgt auch wiederum ein hohes Sicherheitsrisiko durch eine hohe Möglichkeit an Fehlerquellen.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist eine beliebige Aufstellung und Position der unbemannten Fluggeräte in einem Startfeld am Boden nicht ohne komplette Neuberechnung aller Flugwege aller an der Mission beteiligten unbemannten Fluggeräte möglich, da die Position am Boden bereits die erste Position in der Animation darstellt und von dieser alle anderen Positionen und Flugpfade dorthin abhängen.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Bereitstellen einer Luftdarstellung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Luftdarstellung angegeben, umfassend eine Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten, welche jeweils ein Leuchtmittel, einen Speicher, und eine Kennung umfassen, mindestens eine Bodenstation, welche dazu eingerichtet ist, über eine erste Datenverbindung mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten zu kommunizieren und mindestens eine Kontrolleinheit zur Missionskontrolle und Schwarmkontrolle, wobei die Kontrolleinheit zur indirekten Kommunikation mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten mit der Bodenstation verbunden ist, und wobei die Kontrolleinheit über eine zweite Datenverbindung mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten direkt kommunizieren kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Automatisches Laden der Missionsdaten von einer Vielzahl an unbemannten Fluggeräten in den Speicher eines unbemannten Fluggeräts über die Bodenstation mittels der ersten Datenverbindung, Abfragen und Speichern der Kennung, GPS-Daten sowie des Systemstatus von einer Vielzahl der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten durch die Kontrolleinheit mittels der ersten oder der zweiten Datenverbindung, Berechnen der Flugpfade für die Vielzahl an unbemannten Fluggeräten, basierend auf den GPS-Daten und den ersten Zielpositionen des jeweiligen unbemannten Fluggeräts mittels der Kontrolleinheit in Echtzeit, Zuteilen von Flugwegnummern an eine Vielzahl der unbemannten Fluggeräte durch die Kontrolleinheit mittels der ersten oder der zweiten Datenverbindung, und autarkes und synchronisiertes Durchführen der gesamten Mission durch die unbemannten Fluggeräte nach dem Start.
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Zum Bereitstellen der Missionskontrolle stellt die Kontrolleinheit eine fest definierte User-Frontendschnittstelle zur Verfügung, über welche die anwendungsspezifischen Daten, Aufgaben und Missionsparameter erstellt werden können. Die Schwarmkontrolle ist im Backend des Servers integriert und steuert alle grundlegenden Funktionen des Schwarms, das heißt, der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten. Darunter fallen Funktionen, wie zum Beispiel Start- und Landesequenzen, Positionierungs-, Flugpfad- und Kollisionskontrolle.
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Dadurch, dass jedem Fluggerät der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten eine Kennung zugeordnet ist, ist es möglich, jedes einzelne unbemannte Fluggerät eindeutig zu identifizieren.
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Dabei handelt es sich bei der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten um alle unbemannten Fluggeräte n, welche zur Bereitstellung der Luftdarstellung bereitgestellt sind. Bei der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten m handelt es sich um die Anzahl der unbemannten Fluggeräte, welche tatsächlich an der Mission einer Luftdarstellung teilnehmen, das heißt, die unbemannten Fluggeräte, welchen ein Flugpfad zugeordnet wird.
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Dadurch, dass die Kontrolleinheit mittels der ersten Datenverbindung zwischen der Bodenstation und der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten indirekt mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten kommunizieren kann, kann die zweite Datenverbindung zur direkten Kommunikation der Kontrolleinheit mit der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten entlastet werden. Handelt es sich bei der zweiten Datenverbindung beispielsweise um eine Funkverbindung, deren Kapazität durch eine definierte Bandbreite begrenzt ist, ist es möglich, mittels der ersten Datenverbindung den Verkehr auf der zweiten Datenverbindung zu reduzieren. So ist beispielsweise eine Ausgestaltung möglich, nach welcher nur dann auf die zweite Datenverbindung zur direkten Kommunikation zwischen der Kontrolleinheit und der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten zurückgegriffen wird, wenn dies zwingend erforderlich ist.
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Dadurch, dass die Missionsdaten der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten in dem jeweiligen Speicher eines unbemannten Fluggeräts geladen werden, ist es der Kontrolleinheit möglich, jedes unbemannte Fluggerät für einen beliebigen Flugpfad einzuteilen. Das heißt, jedes unbemannte Fluggerät trägt alle Flugpfade – auch die der anderen unbemannten Fluggeräte – in seinem Speicher und kann über die Zuweisung einer Flugpfadnummer und beispielsweise auch eines Zeitstempels einem bestimmten Flugpfad zugewiesen werden, welchen es während der Mission, das heißt, während der Luftdarstellung abfliegt. Entsprechend ist es nicht nötig, dass die Vielzahl von unbemannten Fluggeräten während der Luftdarstellung mittels einer kontinuierlichen Datenverbindung gesteuert wird. Dies führt zu einer erheblichen Entlastung der zweiten Datenverbindung zwischen den unbemannten Fluggeräten und der Kontrolleinheit.
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Somit ist es möglich, auch während einer bereits laufenden Mission einzelne unbemannte Fluggeräte dynamisch und zu jeder Zeit für neue Flugpfade einzuteilen. Wenn beispielsweise ein unbemanntes Fluggerät ausfällt, kann einem anderen funktionsfähigen Fluggerät die Flugpfadnummer des defekten unbemannten Fluggeräts zugeordnet werden, so dass das funktionsfähige unbemannte Fluggerät den Flugpfad des defekten unbemannten Fluggeräts übernimmt. Dabei werden die entsprechenden unbemannten Fluggeräte anhand ihrer Kennung identifiziert und erhalten jeweils von der Kontrolleinheit lediglich ein neues Triggerdatenpaket mit Flugpfadnummer und Zeitvorgabe.
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Da auch das neu ausgewählte funktionsfähige unbemannte Fluggerät alle Flugpfade in seinem Speicher aufweist, kennt es seinen neu zugeordneten Flugpfad, so dass eine Steuerung durch die Kontrolleinheit zum Abfliegen dieses Flugpfads mittels der zweiten Datenverbindung überflüssig ist.
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Durch das Abfragen und Speichern der Kennungen, GPS-Daten sowie des Systemstatus der Vielzahl der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten erhält die Kontrolleinheit die tatsächliche Position eines jeden unbemannten Fluggeräts sowie die Information darüber, ob ein unbemanntes Fluggerät einsatzfähig ist.
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Basierend auf diesen Informationen berechnet die Kontrolleinheit für jedes unbemannte Fluggerät, welches an der Luftdarstellung teilnimmt, den Startzeitpunkt und optimalen Flugweg zur ersten Position in der Luftdarstellung. Dabei werden Aspekte, wie Länge der Flugstrecke zur Zielposition, das heißt, ersten Position der Luftdarstellung, und Kollisionsvermeidung berücksichtigt.
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Basierend auf dieser dynamischen Echtzeitberechnung weist die Kontrolleinheit jedem unbemannten Fluggerät vor dem Start eine Flugpfadnummer sowie eine Startzeit zu. Dadurch ist es nicht erforderlich, die unbemannten Fluggeräte im Vorfeld in einer definierten Startaufstellung anzuordnen. Somit unterliegt die Anordnung der unbemannten Fluggeräte vor dem Start keinem System, so dass die Aufstellung frei nach den örtlichen Gegebenheiten erfolgen kann. Dadurch minimiert sich der Aufwand zur Vorbereitung der Bereitstellung einer Luftdarstellung, was sich insbesondere auf Luftdarstellungen mit einer großen Anzahl an unbemannten Fluggeräten vorteilhaft auswirkt.
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Nach dem Start führt jedes unbemannte Fluggerät die gesamte Mission autark und synchronisiert durch. Während der Mission werden nur noch Systemstatusdaten der einzelnen unbemannten Fluggeräte in definierten Zeitabständen an die Kontrolleinheit gesendet. Ein kontinuierlicher Datenverkehr zur Steuerung der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten ist somit nicht mehr nötig. Dadurch kann die Auslastung der zu Verfügung stehenden Bandbreite in einem entsprechenden Band, beispielsweise einem ISM-Band, reduziert werden. Dadurch kann die Anzahl an unbemannten Fluggeräten, welche an einer Luftdarstellung beteiligt sind, signifikant erhöht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung teilt die Kontrolleinheit jedem unbemannten Fluggerät vor dem Start eine Startzeit zu. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die einzelnen unbemannten Fluggeräte rechtzeitig ihre erste Position der Luftdarstellung einnehmen. Darüber hinaus kann mittels der Zuteilung von Startzeiten eine Kollision der unbemannten Fluggeräte untereinander auf dem Weg zur ersten Position in der Luftdarstellung verhindert werden. Die Zuteilung von unterschiedlichen Startzeiten ermöglicht es beispielsweise, dass unbemannte Fluggeräte, welche weiter von ihrer ersten Position der Luftdarstellung entfernt sind, eine frühere Startzeit erhalten als unbemannte Fluggeräte, welche näher an ihrer ersten Position der Luftdarstellung liegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kommuniziert ein unbemanntes Fluggerät der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten und die Kontrolleinheit über die erste Datenverbindung, wenn das unbemannte Fluggerät mit der Bodenstation in physischem Kontakt steht und kommuniziert ein unbemanntes Fluggerät der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten und die Kontrolleinheit über die zweite Datenverbindung, wenn das unbemannte Fluggerät von der Bodenstation getrennt ist. Die erste Datenverbindung, welche insbesondere zum Laden von Missionsdaten auf die Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten sowie zum Abfragen der Kennung, GPS-Daten und des Systemstatus der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten dient, ist aufgrund des physischen Kontakts der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten mit der mindestens einen Bodenstation nicht auf die Bandbreite einer Funkverbindung beschränkt. Durch eine erste Datenverbindung in Form von beispielsweise einer optischen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle oder einer seriellen Schnittstelle in Form von Kontakten, ist es somit möglich, eine deutlich größere Anzahl an unbemannten Fluggeräten für eine Luftdarstellung vorzubereiten.
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In einer Weiterbildung werden während der Mission Systemstatusdaten in definierten Zeitabständen von den einzelnen unbemannten Fluggeräten über die zweite Datenverbindung an die Kontrolleinheit gesendet. Dadurch ist es beispielsweise möglich, defekte unbemannte Fluggeräte oder unbemannte Fluggeräte, welche von ihrem jeweiligen definierten Flugpfad abweichen, zu identifizieren. Insgesamt kann dadurch der Ablauf der Mission überwacht werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden nach dem Start mittels der zweiten Datenverbindung Triggersignale zur Synchronisation der Luftdarstellung mit anderen Elementen an die Vielzahl an unbemannten Fluggeräten gesendet. Bei den anderen Elementen kann es sich um optische und/oder akustische Showeffektelemente handeln. So ist es möglich die Luftdarstellung beispielsweise mit Feuerwerkskörpern oder Lichtstrahlen zu synchronisieren. Entsprechend können die unbemannten Fluggeräte mittels der Triggersignale angeregt werden, einen neuen Flugpfad einzunehmen und/oder ihren vorbestimmten Flugpfad wieder einzunehmen. So ist es beispielsweise möglich den unbemannten Fluggeräten mittels der Triggersignale den Befehl zu geben zu Pausieren, das heißt in der augenblicklichen Position im Luftraum zu verweilen oder die Luftdarstellung abzubrechen und beispielsweise zurück in eine Landezone zu fliegen.
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In einer weiter bevorzugten Weiterbildung wird bei physischem Kontakt zwischen einem unbemannten Fluggerät und der Bodenstation ein Akku des unbemannten Fluggeräts geladen. Entsprechend kommt der Bodenstation die Funktion einer Dockingstation zu, welche den zusätzlichen Vorgang eines Anschließens eines unbemannten Fluggeräts zu Ladezwecken überflüssig macht. Dabei vermag die Bodenstation durch einfaches Anordnen eines unbemannten Fluggeräts auf der Bodenstation einen Ladevorgang bereitzustellen, wobei der Akku des unbemannten Fluggeräts direkt oder induktiv geladen werden kann. Insgesamt lässt sich so der Aufwand zur Vorbereitung einer Luftdarstellung reduzieren.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird die erste Datenverbindung zwischen der Bodenstation und dem jeweiligen unbemannten Fluggerät durch Abheben des unbemannten Fluggeräts getrennt. Entsprechend erfordert die erste Datenverbindung einen physischen Kontakt zwischen dem unbemannten Fluggerät und der Bodenstation.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann ein Landen eines unbemannten Fluggeräts der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten durch Vorgabe einer Sinkrate und einer GPS-Zielkoordinate mittels der Kontrolleinrichtung durchgeführt werden. Entsprechend ist es nicht nötig, dass die Kontrolleinheit die Vielzahl an unbemannten Fluggeräten von der jeweils letzten Position der Luftdarstellung bis hin zur Zielkoordinate der Landeposition steuert. Da auch am Ende der Mission die zweite Datenverbindung lediglich zur Vorgabe der Sinkrate und der GPS-Zielkoordinate für die einzelnen unbemannten Fluggeräte beansprucht wird, ist es möglich, auch am Ende einer Mission eine signifikant größere Anzahl an unbemannten Fluggeräten zu koordinieren. Mit anderen Worten gibt die Kontrolleinheit einem unbemannten Fluggerät zum Landen lediglich das Wie und das Wohin vor. Die Landung selbst, das heißt, den Landeanflug, kann dann von jedem unbemannten Fluggerät wieder autark ohne ein kontinuierliches Aufrechterhalten der zweiten Datenverbindung erfolgen, da der Flugpfad bereits im Speicher des unbemannten Fluggeräts enthalten ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend wird ein System zum Bereitstellen einer Luftdarstellung angegeben, umfassend eine Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten, welche jeweils ein Leuchtmittel, einen Speicher, und eine Kennung umfassen, mindestens eine Kontrolleinheit zur Missions- und Schwarmkontrolle, und mindestens eine Bodenstation, welche zwischen einem unbemannten Fluggerät und der Kontrolleinheit mindestens eine Datenverbindung bereitstellen kann, wobei jedes unbemannte Fluggerät die Daten mindestens einer Vielzahl der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten in dem Speicher des unbemannten Fluggeräts bereitstellt.
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Dabei handelt es sich bei der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten um alle unbemannten Fluggeräte n, welche zur Bereitstellung der Luftdarstellung bereitgestellt sind. Bei der Vielzahl an unbemannten Fluggeräten m handelt es sich um die Anzahl der unbemannten Fluggeräte, welche tatsächlich an der Mission einer Luftdarstellung teilnehmen, das heißt, die unbemannten Fluggeräte, welchen ein Flugpfad zugeordnet wird.
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Dadurch, dass jedes unbemannte Fluggerät die Daten der Vielzahl der an der Mission teilnehmenden unbemannten Fluggeräte im Speicher aufweist, ist es ausreichend, einem unbemannten Fluggerät eine Flugpfadnummer zuzuordnen. Das unbemannte Fluggerät kann mittels der ihm zugeordneten Flugwegnummer den entsprechenden, in seinem Speicher bereitgestellten Flugpfad auswählen und während der Luftdarstellung abfliegen. Somit ist es nicht nötig, dass die Vielzahl von unbemannten Fluggeräten während der Luftdarstellung mittels einer kontinuierlichen Datenverbindung gesteuert wird. Dies führt zu einer erheblichen Entlastung der Datenverbindung zwischen den unbemannten Fluggeräten und der Kontrolleinheit. Handelt es sich bei der Datenverbindung zwischen einem unbemannten Fluggerät und der Kontrolleinheit beispielsweise um eine Funkverbindung, deren Kapazität durch eine vorbestimmte Bandbreite begrenzt ist, kann auf diese Weise die Auslastung der Bandbreite reduziert werden, wodurch eine signifikant größere Anzahl an unbemannten Fluggeräten an einer Luftdarstellung teilnehmen können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Daten der unbemannten Fluggeräte die Missionsdaten und Flugpfadnummern. Zu den Missionsdaten zählen Keyframes, Zeitstempel, Bildpunktnummern sowie die Kennung der einzelnen unbemannten Fluggeräte. Dabei stellt ein Keyframe ein komplettes Bild der Luftdarstellung dar, welches sich aus einer Vielzahl an Bildpunkten zusammensetzt. Die Zeit, beziehungsweise die Zeitstempel geben vor, wann ein unbemanntes Fluggerät an der jeweiligen Bildpunktnummer zu sein hat.
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Entsprechend weist jedes unbemannte Fluggerät alle relevanten Informationen auf, um nach Zuordnung einer Flugpfadnummer die gesamte Mission einer Luftdarstellung auszuführen beziehungsweise abzufliegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die unbemannten Fluggeräte Akkus auf, welche durch physischen Kontakt der unbemannten Fluggeräte mit der Bodenstation geladen werden können. Entsprechend ist es ausreichend, zum Laden der Akkus der unbemannten Fluggeräte, diese lediglich mit der Bodenstation in Kontakt zu bringen. Dabei kann die Bodenstation entsprechend ausgebildet sein, um eine relative Positionierung des unbemannten Fluggeräts zur Bodenstation zu begünstigen, welche ein Laden der Akkus ermöglicht. Das Bereitstellen eines physischen Kontakts zwischen einem unbemannten Fluggerät und der Bodenstation, das heißt, das Aufsetzen eines unbemannten Fluggeräts auf die Bodenstation, ist aufwändungsärmer als das Anschließen eines Ladekabels an ein unbemanntes Fluggerät zu Ladezwecken. Entsprechend kann der manuelle Aufwand zum Laden der unbemannten Fluggeräte reduziert werden, so dass eine größere Anzahl an unbemannten Fluggeräten für eine Luftdarstellung bereitgestellt werden kann.
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In einer Weiterbildung kann eine erste Datenverbindung bei physischem Kontakt zwischen einem unbemannten Fluggerät der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten und der Bodenstation bereitgestellt werden. Entsprechend weist ein unbemanntes Fluggerät einen Kontakt auf, welcher mit einem Kontakt der Bodenstation in Verbindung gebracht werden kann, wodurch die erste Datenverbindung bereitgestellt wird. Auf diese Weise können Daten von einem unbemannten Fluggerät ausgelesen und über die Bodenstation an die Kontrolleinheit zur Auswertung weitergeleitet werden. Umgekehrt können Daten, wie zum Beispiel Missionsdaten und/oder Flugpfadnummern und dergleichen von der Kontrolleinheit über die Bodenstation in den Speicher der unbemannten Fluggeräte geladen werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann eine erste Datenverbindung mittels einer optischen Verbindung zwischen der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten und der Bodenstation bereitgestellt werden. Entsprechend ist es ausreichend, ein optisches Datenverbindungselement an dem unbemannten Fluggerät relativ zu einem optischen Datenverbindungselement der Bodenstation zu positionieren, so dass zwischen diesen Datenverbindungselementen eine optische Verbindung bereitgestellt werden kann. Eine solche optische Datenverbindung ist weniger anfällig gegenüber Verschleiß. Des Weiteren reduziert eine optische Verbindung den konstruktiven Aufwand eines unbemannten Fluggeräts und der Bodenstation, da das Bereitstellen eines Kontaktpunkts zwischen dem unbemannten Fluggerät und der Bodenstation wegfällt.
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In einer weiter bevorzugten Weiterbildung ist ein unbemanntes Fluggerät der Mehrzahl an unbemannten Fluggeräten aerodynamisch derart ausgebildet, dass eine maximale Aufprallenergie von 60 Joule nicht überschritten werden kann. Dadurch ist es möglich, das System zum Bereitstellen einer Luftdarstellung auch im urbanen Bereich anzuwenden, da eine Aufprallenergie von 60 Joule noch im Bereich von unkritischen potentiellen Verletzungen aufgrund eines herabstürzenden unbemannten Fluggeräts liegt. So kann das unbemannte Fluggerät beispielsweise einen Propellerschutz aufweisen, um potentiellen Verletzungen aufgrund eines Herabstürzens des unbemannten Fluggeräts entgegenzuwirken. Des Weiteren können verhältnismäßig weiche Materialien für die Komponenten des unbemannten Fluggeräts verwendet werden. Darüber hinaus kann das unbemannte Fluggerät konstruktiv derart ausgebildet sein, dass es im freien Fall stabilisiert wird und zusätzlich einen möglichst hohen Luftwiderstand erzeugt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein Blockdiagramm, welches schematisch das Verfahren zum Bereitstellen einer Luftdarstellung zeigt,
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2 schematisch die Datenverbindungen zwischen der Kontrolleinheit und den unbemannten Fluggeräten, und
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3 schematisch eine Bodenstation mit unbemannten Fluggeräten.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Um Redundanzen zu vermeiden, wird auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in der nachfolgenden Beschreibung teilweise verzichtet.
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Schritt S-110 des in 1 gezeigten Verfahrens zur Bereitstellung einer Luftdarstellung beinhaltet das Laden von Animationsdaten von einer Kontrolleinheit in das jeweilige unbemannte Fluggerät. Dabei handelt es sich bei der Kontrolleinheit um eine Bodenkontrolle in Form eines Servers. Alternativ kann die Kontrolleinheit auch durch einen Laptop, PC oder dergleichen ausgebildet sein. Die Animation, das heißt die Luftdarstellung, welche durch die Animationsdaten beschrieben wird, umfasst alle für die Animation benötigten Keyframes sowie alle Flugpfade zwischen den einzelnen Keyframes für alle unbemannten Fluggeräte. Dabei wird ein einzelner Keyframe jeweils durch die GPS-Positionen der an der Animation beteiligten unbemannten Fluggeräte definiert. Dabei bildet der erste Keyframe die erste Formation der unbemannten Fluggeräte nach dem Start. Der letzte Keyframe der Animation bildet die Formation der unbemannten Fluggeräte vor der Landung.
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Das Laden der Animationsdaten auf die unbemannten Fluggeräte erfolgt dabei von dem Server über eine Bodenstation in einen Speicher eines jeden unbemannten Fluggeräts.
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Bei Schritt S-112 werden die aktuelle GPS-Position und die Fluggerätekennung aus einem unbemannten Fluggerät von dem Server ausgelesen. Anschließend wird bei Schritt S-114 der Systemstatus eines unbemannten Fluggeräts von dem Server abgefragtr. Abhängig von dem Systemstatus eines Fluggeräts vor dem Start entscheidet der Server bei Schritt S-115, ob das jeweilige Fluggerät einsatzbereit ist oder nicht. Für den Fall, dass das entsprechende Fluggerät nicht einsatzbereit ist, führt der Server eine Fehleranalyse bezüglich des Flugsystems des entsprechenden Fluggeräts durch und schließt, wie unter Schritt S-160 gezeigt, das unbemannte Fluggerät aus der bevorstehenden Animation aus, indem er eine Sicherheitsabschaltung des betroffenen unbemannten Fluggeräts durchführt. Die Sicherheitsabschaltung erfolgt also zu einem Zeitpunkt, zu dem das unbemannte Fluggerät sich noch nicht in der Luft befindet.
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In der Regel stehen mehr Fluggeräte bereit, als für eine Animation benötigt werden, so dass bei einem Ausschluss eines Fluggeräts aus der Animation, wie unter Schritt S-160 gezeigt, auf eine Reserve von Fluggeräten zurückgegriffen werden kann.
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Stuft der Server das Fluggerät hingegen für einsatzbereit ein, beginnt er unter Schritt S-120 damit, den jeweiligen Fluggerätekennungen Bildpunktnummern zuzuweisen. Die Zuweisung der Bildpunktnummern erfolgt dabei dynamisch, das heißt, der Server berechnet für jedes an der Animation teilnehmende Fluggerät den optimalen Startpunkt, das heißt, den am besten geeigneten ersten Bildpunkt der Animation. Dabei berücksichtigt der Server die jeweilige aktuelle GPS-Position eines Fluggeräts und ermittelt einen möglichst kurzen Flugpfad der einzelnen Fluggeräte zu ihrer jeweils ersten Keyframe-Position unter Vermeidung von Kollisionen der Fluggeräte untereinander. Das Ergebnis dieser Berechnung führt unter anderem zu verzögerten Startzeiten der einzelnen Fluggeräte untereinander, wodurch ein linearer Flug eines Fluggeräts von dessen ursprünglichen GPS-Position zu der vom Server zugeteilten ersten Keyframe-Position ermöglicht wird. Entsprechend müssen die Fluggeräte sich nicht gegenseitig ausweichen und können sich auf dem kürzesten Weg zu ihrer ersten Keyframe-Position begeben.
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Nachdem die Flugpfade der aktuellen GPS-Positionen der Fluggeräte zu der jeweils ersten Keyframe-Position berechnet wurden, erfolgt das Startkommando unter Schritt S-130. Beispielsweise kann einem unbemannten Fluggerät ein Kommando erteilt werden, wodurch es veranlasst wird, zu einem Zeitpunkt, welcher um ein δt von einem allgemeinen Startzeitpunkt versetzt ist, auf einem linearen Flugpfad zu einer vorbestimmten Position eines Bildpunkts des ersten Keyframes zu fliegen.
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Bei Schritt S-134 erfolgt eine erneute Systemstatusabfrage. Diese kann beispielsweise während der Animation in festen Zeitintervallen erfolgen. Alternativ kann stets nach der Einnahme einer neuen Keyframe-Position eine Abfrage des Systemstatus erfolgen.
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Erachtet der Server das System eines Fluggeräts für nicht in Ordnung, führt er eine Fehleranalyse durch und ordnet eines der unter Schritt S-162 aufgeführten Notverfahren an. Zu den unter Schritt S-162 aufgeführten Notverfahren zählen eine Notlandung, eine Notabschaltung und eine Sicherheitslandung. Dabei handelt es sich bei einer Notlandung um das Veranlassen einer außerplanmäßigen Landung des betroffenen Fluggeräts. Dazu erhält das betroffene Fluggerät vom Server eine vorgegebene Sinkrate um an der aktuellen GPS-Position des betroffenen unbemannten Fluggeräts notzulanden. Im Fall einer Notabschaltung wird das Fluggerät, insbesondere dessen Propeller, unmittelbar, das heißt, noch im Flugzustand, abgeschaltet. Dies führt dazu, dass das Fluggerät zu Boden fällt. Eine Notabschaltung eines Fluggeräts kann beispielsweise erforderlich sein, wenn sich ein Fremdgegenstand in den Propellern des Fluggeräts verfangen hat, beispielsweise Haare eines Zuschauers.
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Im Fall einer Sicherheitslandung ordnet der Server dem Fluggerät an, gemäß einer vorbestimmten Sinkrate sowie vorbestimmten GPS-Zielkoordinaten zu landen. Dies kann beispielsweise auf einen Eingabebefehl eines Anwenders oder auf andere, dem Server vorgegebene Kriterien, wie zum Beispiel das Überschreiten einer kritischen Windstärke, erfolgen. Für die Sicherheitslandung kann ein gesondertes Sicherheitslandefeld vorhergesehen sein, dessen Koordinaten bereits im Speicher der unbemannten Fluggeräte enthalten sind.
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Erachtet der Server bei der Systemstatusabfrage unter Schritt S-134 den Systemstatus für in Ordnung, gibt er unter Schritt S-140 ein Triggersignal aus, woraufhin sich das Fluggerät entlang des vorbestimmten Flugpfads, welcher sich im Speicher des Fluggeräts befindet, zur nächsten Keyframe-Position begibt.
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Unter Schritt S-144 erfolgt die erneute Ausgabe eines Triggersignals von dem Server, woraufhin das Fluggerät sich auf dem vorbestimmten Flugpfad zur nächsten Keyframe-Position begibt.
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Nachdem der Server zwei Triggersignale zum Abfliegen des Flugpfads durch das Fluggerät ausgegeben hat, folgt unter Schritt S-147 eine erneute Abfrage des Systemstatus. Bei Schritt S-148 ordnet der Server eines der unter Schritt S-162 aufgeführten Notverfahren an, wenn der Systemstatus des unbemannten Fluggeräts nicht in Ordnung ist.
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Ist der Systemstatus des unbemannten Fluggeräts in Ordnung ermittelt der Serverbei Schritt S-140, ob das jeweilige Fluggerät den letzten Keyframe erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so erfolgen erneut die Schritte S-140 und S-144. Stellt der Server bei Schritt S-149 fest, dass das jeweilige Fluggerät die letzte Keyframe-Position erreicht hat, geht es weiter bei Schritt S-150.
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1 zeigt in den Schritten S-140 und S-144 eine Alternative zu dem servergetriggerten, schrittweise Abfliegen der Flugpfade auf. Entsprechend ist in den Schritten S-140 und S-144 alternativ ein Autotrigger angegeben, nach welchem die Fluggeräte die komplette Animation automatisch bis zur letzten Keyframe-Position abfliegen. Haben die Fluggeräte mittels der Autotrigger-Variante die Animation abgeflogen, stellt der Server bei Schritt S-149 fest, dass der letzte Keyframe erreicht ist. Wie bei der schrittweise servergetriggerten Variante geht es weiter bei Schritt S-150.
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Bei Schritt S-150 hat der Server bereits festgestellt, dass der letzte Keyframe erreicht worden ist. Das heißt, alle Fluggeräte befinden sich an ihrer letzten Keyframe-Position der Animation. Die Fluggeräte verharren zunächst an dieser Position. Bei Schritt S-150 führt der Server eine dynamische Echtzeitberechnung durch, um für jedes Fluggerät die Koordinaten einer Landeposition festzulegen. Damit die Fluggeräte von ihrer letzten Keyframe-Position zur Landeposition, das heißt zur Zielposition, einen linearen Flugpfad beschreiben, berechnet der Server eine Zeitverzögerung δt, nach welcher sich die Triggerung der Fluggeräte richtet, damit diese den Sinkflug zu ihrer Landeposition beschreiben. Eine komplexe Berechnung von Ausweichmanövern der einzelnen Fluggeräte untereinander ist somit überflüssig.
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Bei Schritt S-152 weist der Server jeder Fluggerätekennung, das heißt jedem unbemannten Fluggerät, das sich an der letzten Keyframe-Position befindet, eine Landepositionsnummer sowie die berechnete Landezeitverzögerung δt zu. Insgesamt müssen pro Fluggerät somit lediglich drei Zahlenwerte übertragen werden. Daraus ergibt sich ein vergleichsweise geringes Datenaufkommen zur Koordinierung beziehungsweise Triggerung der Landung der an der Animation beteiligten unbemannten Fluggeräte. Entsprechend eignet sich das vorliegende Verfahren insbesondere für die Skalierung großer Schwärme, das heißt Luftdarstellung mit einer großen Anzahl an unbemannten Fluggeräten.
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Alternativ kann der Server jedem Fluggerät eine Sinkrate zuweisen, gemäß welcher sich die Fluggeräte von ihrer letzten Keyframe-Position zu ihrer vorbestimmten Landeposition begeben. Mittels unterschiedlicher Sinkraten der einzelnen Fluggeräte kann, wie schon durch die Zeitverzögerung δt ein linearer Flugpfad zur Landung der Fluggeräte ermöglicht werden, ohne dass diese kollidieren.
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Bei Schritt S-154 erteilt der Server den Fluggeräten das Triggersignal zur Landung. Die Fluggeräte beginnen bei Schritt S-156 mit dem Landeanflug, wobei sich der Start des Landeanflugs nach dem Triggerzeitpunkt und der Zeitverzögerung δt richtet. Das Fluggerät begibt sich zu der ihm zugewiesenen Landeposition. Alternativ fliegt das Fluggerät den im Speicher vorgegebenen Flugpfad zur Landeposition unter Berücksichtigung der berechneten Sinkrate ab. Nach der erfolgreichen Landung aller an der Animation beteiligten Fluggeräte an ihrer Landeposition ist die Mission beendet.
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2 zeigt schematisch ein System 1 zum Bereitstellen einer Luftdarstellung, das heißt einer Animation. Das System 1 umfasst unbemannte Fluggeräte 10, welche ein Leuchtmittel 12 aufweisen, mittels welchem die unbemannten Fluggeräte eine Luftdarstellung abbilden können. Ferner umfasst das System 1 Bodenstationen 30, welche als Start- und/oder Landeplattform, Transportvorrichtung, Ladestation und Schnittstelle zum Datenaustausch für die unbemannten Fluggeräte 10 dienen. Das in 2 gezeigte System 1 umfasst drei Bodenstationen 30. Alternativ kann je nach Anzahl der unbemannten Fluggeräte 10 eine beliebige Anzahl an Bodenstationen 30 bereitgestellt sein. Die in 2 gezeigten Bodenstationen 30 können jeweils sechs unbemannte Fluggeräte 10 aufnehmen. Alternativ können die Bodenstationen 30 auch derart ausgelegt sein, dass sie mehr oder weniger als sechs unbemannte Fluggeräte 10 aufnehmen können. So sind auch Bodenstationen zur Aufnahme von ein oder maximal zwei unbemannten Fluggeräten 10 möglich, wenn es sich beispielsweise um besonders große unbemannte Fluggeräte handelt. Alternativ sind auch Bodenstationen 30 möglich, welche 10, 20 oder mehr unbemannte Fluggeräte 10 aufnehmen können. Derartige Bodenstationen eignen sich beispielsweise bei besonders kleinen unbemannten Fluggeräten.
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In der in 2 gezeigten Situation nehmen sechs unbemannte Fluggeräte an einer Luftdarstellung teil, das heißt, befinden sich in der Luft. 12 weitere unbemannte Fluggeräte 10 befinden sich hingegen auf dem Boden, verteilt auf zwei Bodenstationen 30. Die unbemannten Fluggeräte 10, die nicht an der Luftdarstellung teilnehmen, können als Reserve dienen und kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn eines der an der Luftdarstellung teilnehmenden unbemannten Fluggeräte 10 ausfällt. Während die unbemannten Fluggeräte 10 sich auf der Bodenstation 30 befinden, das heißt, mit der Bodenstation 30 in physischem Kontakt stehen, können die Akkus der unbemannten Fluggeräte 10 geladen werden.
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Das System 1 umfasst ferner eine Kontrolleinheit 20 in Form eines Servers. Die Kontrolleinheit 20 kann über eine erste Datenverbindung 40 mit den auf den Bodenstationen 30 befindlichen unbemannten Fluggeräten 10 kommunizieren. Dabei lädt die Kontrolleinheit 20 die Missionsdaten aller Flugpfade in den Speicher eines jeden mit einer Bodenstation 30 verbundenen unbemannten Fluggeräts. Darüber hinaus kann die Kontrolleinheit 20 die Kennungen, GPS-Daten und den Systemstatus der sich auf einer Bodenstation 30 befindlichen unbemannten Fluggeräte 10 abfragen.
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Werden die unbemannten Fluggeräte 10 von der Bodenstation 30 getrennt, was zum Beispiel bei einem Start eines unbemannten Fluggeräts 10 der Fall ist, wird die erste Datenverbindung 40 zwischen dem unbemannten Fluggerät 10 und der Kontrolleinheit 20 getrennt. Die sich in der Luft befindlichen unbemannten Fluggeräte 10 können über eine zweite Datenverbindung 50 mit der Kontrolleinheit 20 kommunizieren.
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Die zweite Datenverbindung 50 weist eine Antenne 52 auf, welche über eine Datenleitung 54 mit der Kontrolleinheit 20 verbunden ist. Zwischen der Antenne 52 und den sich in der Luft befindlichen unbemannten Fluggeräten 10 kann eine Funkverbindung 56 aufgebaut werden.
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Da auch die sich in der Luft befindlichen unbemannten Fluggeräte 10 bereits alle Missionsdaten, insbesondere alle Flugpfade, in ihrem jeweiligen Speicher tragen, ist es nicht nötig, eine permanente Funkverbindung 56 zur Steuerung der sich in der Luft befindlichen unbemannten Fluggeräte 10 bereitzustellen. Entsprechend wird die zweite Datenverbindung 50 lediglich zum Senden von Systemstatusdaten von den unbemannten Fluggeräten 10 an die Kontrolleinheit sowie zum Senden von Triggersignalen, beispielsweise zur Synchronisation der Luftdarstellung, von der Kontrolleinheit 20 zu den sich in der Luft befindlichen unbemannten Fluggeräten 10 benötigt. Aufgrund der sich daraus ergebenden geringen Auslastung der zweiten Datenverbindung 50 ist es möglich, Luftdarstellungen mit einer großen Anzahl an unbemannten Fluggeräten 10 durchzuführen.
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3 ist eine Bodenstation 30 zu entnehmen, auf welcher mehrere unbemannte Fluggeräte 10 angeordnet sind. Zwei unbemannte Fluggeräte 10 befinden sich bereits in der Luft knapp über der Bodenstation 30.
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Die Bodenstation 30 weist Aufnahmen 32 auf, welche komplementär zu dem Rumpf der unbemannten Fluggeräte 10 ausgebildet sind, um die unbemannten Fluggeräte 10 in einer definierten Position auf der Bodenstation aufzunehmen. Die Positionierung, welche ein unbemanntes Fluggerät 10 aufgrund der Aufnahme 32 auf der Bodenstation 30 erfährt, ermöglicht die Bereitstellung eines Ladekontakts sowie der ersten Datenverbindung zwischen der Bodenstation 30 und dem unbemannten Fluggerät 10.
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Die Bodenstation 30 weist ferner einen Anschluss 34 zum Bereitstellen der ersten Datenverbindung zwischen einer Kontrolleinheit und der Bodenstation 30 auf. Darüber hinaus umfasst die Bodenstation 30 einen Stromanschluss 36, welcher entsprechende Ladekontakte in den Aufnahmen 32 mit Strom versorgt.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- S-110 bis S-162
- Schritte eines Verfahrens zur Breitstellung einer Animation
- 1
- System
- 10
- Unbemanntes Fluggerät
- 12
- Leuchtmittel
- 20
- Kontrolleinheit
- 30
- Bodenstation
- 32
- Aufnahme
- 34
- Anschluss
- 36
- Stromanschluss
- 40
- Erste Datenverbindung
- 50
- Zweite Datenverbindung
- 52
- Antenne
- 54
- Datenleitung
- 56
- Funkverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8862285 B2 [0002]
- US 2014/0249693 A1 [0003]
