DE102016002354B4

DE102016002354B4 - System zum Bestimmen einer Topografie eines Geländes

Info

Publication number: DE102016002354B4
Application number: DE102016002354.6A
Authority: DE
Inventors: David Mauro
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2036-02-27
Also published as: DE102016002354A1

Abstract

Fluggerät zum Bestimmen einer Topografie eines Geländes, wobei das Fluggerät umfasst:wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente, welche dazu konfiguriert ist, eine Neigung des Fluggeräts relativ zu einer Vertikalrichtung zu verändern; ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Position einer Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems basierend auf von einem Navigationssatellitensystem empfangenen Signalen zu bestimmen;einen Entfernungsmesser mit einer Messachse, wobei der Entfernungsmesser dazu konfiguriert ist, einen Abstand zwischen einer Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände schneidet, zu messen; undeine Steuerung, welche dazu konfiguriert ist,- die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente derart anzusteuern, dass die Messachse des Entfernungsmessers in einer Richtung quer zu einer Flugrichtung des Fluggeräts hin und her ausgelenkt wird,- eine Orientierung der Messachse relativ zu der Vertikalrichtung zu bestimmen;- während einer Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers in der Richtung quer zur Flugrichtung des Fluggeräts mehrmals einen Datensatz zu bestimmen, welcher eine momentane Position der Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems, einen durch den Entfernungsmesser bestimmten momentanen Abstand zwischen der Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände momentan schneidet, und eine momentane Orientierung der Messachse relativ zu der Vertikalrichtung repräsentiert; dadurch gekennzeichnet, dassdie wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente derart angesteuert wird, dass per 1000 m zurückgelegte Flugstrecke mindestens 10 Hin- und Her-Bewegungen der Messachse um mindestens 1°, bevorzugt mindestens 2°, weiter bevorzugt mindestens 5° und noch mehr bevorzugt mindestens 10° erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, welches dazu verwendet werden kann, eine Topografie eines Geländes zu bestimmen. Das System zum Bestimmen der Topografie des Geländes kann beispielsweise ein Fluggerät oder ein Handgerät umfassen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren.
Die Vermessung einer Geländetopografie spielt im Baugewerbe schon immer eine wichtige Rolle, um den Bau eines Gebäudes zu planen oder während der Bauphase die einzelnen Baufortschritte zu überwachen.
Inzwischen haben sich die Anwendungsbereiche einer topologischen Vermessung bereits deutlich ausgeweitet. Beispielsweise werden heutzutage auch Lagerbestände von Kiesgruben, Deponien und Tagebaugruben mit topologischen Vermessungen ermittelt. Mit immer weiteren Anwendungsbereichen wächst auch der Bedarf nach immer weiter spezialisierten Vermessungssystemen, welche genau auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind und dabei auch noch günstig und effizient sind.
Zur Vermessung einer Topografie eines Geländes mit einer hohen Auflösung werden konventionell Vermessungssysteme verwendet, die ein Scansystem zum Scannen des Geländes umfassen. Einen Nachteil solcher Vermessungssysteme stellen die im Allgemeinen sehr hohen Kosten für die Scansysteme dar. Zudem weisen Scansysteme, die zum Scannen eine Schwenkspiegelkonstruktion verwenden, meist ein relativ hohes Gewicht im Vergleich zum Gewicht des gesamten Vermessungssystems auf. Dies führt bei luftgebundenen Vermessungssystemen zu hohen Anforderungen bezüglich einer Tragkraft des Fluggeräts, was weitere Kosten aufwirft, und auch (z.B. wegen einzuholender Start-, Überflug- und Landegenehmigungen) zu Einschränkungen beim spontanen Einsatz nach sich zieht. Bei handgetragenen Vermessungssystemen führt das hohe Gewicht zu erheblichen Defiziten in der Handhabung, beispielsweise zu einer starken körperlichen Belastung eines Benutzers während der Vermessung.
Es ist somit wünschenswert, Systeme bereitzustellen, welche dazu ausgebildet sind eine kostengünstige und effiziente Bestimmung einer Topografie eines Geländes zu ermöglichen, und dies mit einer hohen Auflösung, ohne jedoch ein gesondertes Scansystem zu benötigen.
Die Druckschrift US 5 557 397 A offenbart ein Flugzeug-basiertes Topographie-Bestimmungssystem mit einem Laser-Höhenmesser, einem Laser-Scansystem, einem GPS, einem Lasersensor und einem Prozessrechner. Das System zeichnet die Position, Höhe und Fluglage des Flugzeugs zu jedem Zeitpunkt während eines Überflugs über das zu vermessende Gelände auf, wobei der Laser mit dem Sensor verschwenkt wird.
Die Druckschrift DE 10 2004 050 682 A1 offenbart einen nach einem Signal-Laufzeitverfahren arbeitenden opto-elektronischen Entfernungsmesser mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der Mess-Strahlen, wobei die Scan-Einrichtung ein rotierendes Polygon-Spiegelrad umfasst, ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit oder der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte ermittelt, wobei sich die Raum-Koordinaten der einzelnen Datenelemente aus den Entfernungswerten und der Strahlablenkung der Scan-Einrichtung ergeben.
Die Druckschrift US 8 244 026 B2 offenbart eine Vorrichtung zum Verarbeiten von LiDAR-Daten aus einer topographischen Vermessung, mit einem Filter zum Abziehen von Bodendaten und einer Erkennungssoftware zum Identifizieren von Erhebungs-Punkten, sowie einer Rendering-Software zum Erzeugen einer grafischen Darstellung.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Systeme vorzuschlagen, mit welchen eine Topografie eines Geländes effizient und kostengünstig bestimmt werden kann und welche ohne ein Scansystem auskommen.
Zum Bestimmen der Topografie eines Geländes schlägt die Erfindung daher vor, eine Messachse eines Entfernungsmessers passiv pendelnd zu haltern oder/und fest an einem bei Benutzung eine Pendelbewegung vollführenden Träger zu haltern und bei der Bestimmung der Topografie die momentane Ausrichtung der Messachse rechnerisch zu berücksichtigen, wobei die Pendelbewegung gesteuert wird. Gemäß einem Aspekt schlägt die Erfindung vor, eine Fluglagensteuerung eines Fluggeräts dahingehend anzusteuern. Gemäß einem anderen Aspekt schlägt die Erfindung vor, eine Dämpfung der Pendelbewegung eines Handgeräts zwischen zwei Betriebsmodi umschaltbar auszubilden. Auch bei Einsatz eines Fluggeräts kann eine ggf. gedämpfte oder zwischen zwei Dämpfungsmodi umschaltbar gedämpfte Aufhängung verwirklicht sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist ein System zur Bestimmung einer Topografie eines Geländes als Fluggerät ausgebildet. Dabei umfasst es wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente, die eine Neigung des Fluggeräts relativ zu einer Vertikalrichtung (hier und im Weiteren als die Richtung der Schwerkraft festgelegt) steuern kann, ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, welches eine Position des Fluggeräts bestimmen kann und einen Entfernungsmesser, welcher einen Abstand des Fluggeräts von einem Ort auf dem Gelände, welcher durch einem Schnittpunkt einer Messachse des Entfernungsmessers mit dem Gelände definiert ist, messen kann. Ferner weist das Fluggerät eine Steuerung auf, welche dazu konfiguriert ist, die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente derart anzusteuern, dass die Messachse des Entfernungsmesser quer zu einer Flugrichtung des Fluggeräts hin und her ausgelenkt wird. Darüber hinaus ist die Steuerung dazu konfiguriert, eine Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers relativ zur Vertikalrichtung zu bestimmen und während einer mehrmaligen (wie oben beschrieben durch eine entsprechende Ansteuerung der Fluglagensteuerungskomponenten hervorgerufenen) Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers, Datensätze zu bestimmen, welche jeweils eine momentane Position des Fluggeräts, einen momentanen Abstand des Fluggeräts von dem Ort auf dem Gelände und eine momentane Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers relativ zur Vertikalen repräsentieren. Für Datensätze, welche durch die Steuerung bestimmt werden, gilt dabei, dass auf 1000 m zurückgelegte Flugstrecke mindestens 10 Hin- und Her-Bewegungen der Messachse um mindestens 1°, bevorzugt mindestens 2°, weiter bevorzugt mindestens 5° und noch mehr bevorzugt mindestens 10° erfolgen. Das kann beispielsweise zur Folge haben, dass eine Länge eines Weges (im Weiteren auch als Messweg bezeichnet), welchen der Messpunkt auf einem weitgehend ebenen Gelände während wenigstens 10, insbesondere wenigstens 100 Hin- und Her-Bewegungen der Messachse überstreicht, wenigstens 1,5-mal, insbesondere 5,0-mal und insbesondere wenigstens 15,0-mal, größer ist als die Länge des Weges (im Weiteren als Flugweg bezeichnet), welcher von dem Fluggerät während dieser Zeit zurückgelegt wird. Von einer anderen Warte aus pendelt der Entfernungsmesser bei der Vermessung mit einer Frequenz von 0,1 Hz bis 5 Hz, bevorzugt 0,5-2 Hz (sofern passiv pendelnd aufgehängt).
Das bedeutet, dass über eine entsprechende Ansteuerung der wenigstens einen Fluglagensteuerung durch die Steuerung eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers quer zu einer momentanen Flugrichtung erfolgt. Eine so bewirkte Hin- und Her-Bewegung des Ortes auf dem Gelände, an welchem die Messachse das Gelände schneidet, quer zur aktuellen Flugrichtung führt dazu, dass der Entfernungsmesser während einem geraden Flug über ein Gelände auch das Gelände quer zur Flugrichtung abscannt. Dieses „Scannen ohne Scanner“ weist gegenüber herkömmlichen Systemen den erheblichen Vorteil auf, dass auf ein gesondertes Scansystem verzichtet werden kann, womit das System gemäß der Erfindung kostengünstig ist, aber gleichzeitig die Vorteile eines scannenden Messverlaufs (vor allem die Gebietsauflösung quer zur Flugrichtung) aufweist und somit auch effizient ist.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Fluggerät ferner einen Träger, über welchen der Entfernungsmesser starr mit einem Antriebssystem und der wenigstens einen Fluglagensteuerungskomponente des Fluggeräts verbunden ist. Damit ruft eine Änderung der Orientierung des Fluggeräts direkt eine Änderung der Orientierung des Entfernungsmessers und damit der Orientierung der Messachse des Entfernungsmesser hervor, womit die Hin- und Her-Bewegung der Messachse quer zur Flugrichtung beispielsweise unmittelbar über eine Rollbewegung des Fluggeräts, also eine Drehung des Fluggeräts um eine Längsachse, welche in die aktuelle Flugrichtung des Fluggeräts zeigt, gesteuert wird.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Fluggerät ferner ein Orientierungsmesssystem, welches fest mit dem Träger verbunden ist und dazu ausgebildet ist eine Orientierung des Trägers relativ zur Vertikalrichtung zu ermitteln. Die Steuerung ist dann dazu konfiguriert, die Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers aus einem Ausgabesignal des Orientierungsmesssystems zu bestimmen.
Alternativ zu der oben beschriebenen starren Kopplung der Orientierung des Fluggeräts mit der Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers, umfasst das Fluggerät gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen neben dem Träger eine Baugruppe, welche pendelnd an dem Träger aufgehängt ist. Dabei ist der Entfernungsmesser so mit der Baugruppe verbunden, dass die Messachse des Entfernungsmessers durch ein Schwingen der Baugruppe quer zur Flugrichtung hin- und her ausgelenkt werden kann. Diese pendelnde Aufhängung weist den Vorteil auf, dass bereits kleine Hin- und Her-Bewegungen des Fluggeräts ausreichen, um relativ große Hin- und Her-Bewegungen der Messachse hervorrufen, womit sich vorteilhafter Weise ein Einfluss der Fluglagensteuerung auf eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse deutlich verstärken lässt. Zudem können kleinere unerwünschte Vibrationen, welche durch den Träger von dem Antriebssystem oder der wenigstens einen Flugkomponente auf den Entfernungsmesser übertragen werden können, durch die Aufhängung gedämpft werden. Die Aufhängung kann ein Pendeln in nur einer Ebene, oder in zwei Ebenen gestatten. Im letzteren Fall kann bei geeigneter Anregung ein Pendeln auf einer Kegelmantelfläche (wobei der Kegel ein Kreiskegel oder ein Kegel mit ovalen Schnitten, z.B. ein elliptischer Kegel sein kann) oder, bei hinreichender Dämpfung, auf einer Spiralkegelfläche erfolgen. Das Pendeln in zwei Ebenen oder auf einer Kegelmantelfläche kann den abgescannten Bereich erheblich vergrößern und nicht erfasste Bereiche klein halten. Es ist aber auch möglich, ein Pendeln dieser Art zur Kalibrierung einzusetzen, indem es in verschiedenen Höhen über einer ebenen Fläche vollführt wird.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Fluggerät ein Orientierungsmesssystem, welches fest mit der pendelnden Baugruppe verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers relativ zur Vertikalrichtung zu ermitteln. Alternativ zu dem fest mit der Baugruppe verbundenen Sensor, ist gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen ein Orientierungsmesssystem vorgesehen, welches fest mit dem Träger verbunden ist und dazu ausgebildet ist, eine Orientierung der pendelnden Baugruppe relativ zum Träger zu ermitteln. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet, aus einem von dem Orientierungsmesssystem erhaltenen Signal die Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers zu ermitteln.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung umfasst die wenigstens eine Fluglagensteuerung des Fluggeräts ein beweglich gelagertes Gewicht und/oder ein aerodynamisch wirkendes Ruder und/oder einen Antriebspropeller und/oder eine Antriebsdüse, um damit die Fluglage des Fluggeräts zu steuern. Dabei kann die Fluglage beispielsweise über eine Verlagerung des beweglich gelagerten Gewichts und damit über eine Verlagerung des Schwerpunkts des Fluggeräts gesteuert werden. Alternativ kann das aerodynamische Ruder über ein Ablenken von Luftströmungen und damit einhergehende Gegenkräfte, welche dann auf das Fluggerät übertragen werden, eine Fluglage des Fluggeräts steuern. Des Weiteren können aerodynamische Antriebssysteme, wie der Antriebspropeller oder die Antriebsdüse ebenfalls vorhandene Luftströmungen beeinflussen oder neue Strömungen generieren, um so über resultierende Gegenkräfte die Lage des Fluggeräts zu steuern.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der Entfernungsmesser des Fluggeräts als optischer Entfernungsmesser ausgebildet und weist einen Messlichtstrahl auf, welcher entlang der Messachse des Entfernungsmessers emittiert wird.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist ein System zur Bestimmung einer Topografie eines Geländes als Handgerät ausgebildet. Dabei umfasst das Handgerät wenigstens ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, welches dazu ausgebildet ist, eine Position des Handgeräts zu bestimmen und einen Entfernungsmesser, welcher dazu ausgebildet ist, einen Abstand zwischen dem Handgerät und einem Ort auf dem Gelände, an welchem eine Messachse des Entfernungsmessers das Gelände schneidet, zu messen. Darüber hinaus umfasst das Handgerät einen Träger, an welchem eine Baugruppe pendelnd aufgehängt ist, wobei der Entfernungsmesser so mit der Baugruppe verbunden ist, dass eine Schwingung der pendelnden Baugruppe die Messachse des Entfernungsmessers hin und her auslenken kann. Um eine Schwingung der Baugruppe zu dämpfen, weist das Handgerät ferner ein Dämpfungssystem auf, welches dazu konfiguriert ist, die Schwingung der Baugruppe zu dämpfen. Ferner weist das Handgerät eine Steuerung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers relativ zur Vertikalrichtung zu bestimmen und Datensätze zu generieren, welche jeweils eine momentane Position des Ortes auf dem Gelände repräsentieren. Dabei ist das Handgerät gemäß der Erfindung im Besonderen dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Betriebsmodi aufweist. In einem ersten Betriebsmodus wird die Schwingung der pendelnden Baugruppe durch das Dämpfungssystem mit einem großen Dämpfungsgrad nahe dem aperiodischen Grenzfall, insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,7 und 1,3 und insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,8 und 1,2 gedämpft. In einem zweiten Betriebsmodus wird die Schwingung der pendelnden Baugruppe durch das Dämpfungssystem mit einem kleineren Dämpfungsgrad als im ersten Betriebsmodus, insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,0 und 0,7 und insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,1 und 0,6, gedämpft.
Das bedeutet, dass das Handgerät im ersten Betriebsmodus eine Schwingung der Baugruppe und somit eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers zugunsten einer weitestgehend vertikalen Ausrichtung des Messachse unterdrückt und im zweiten Betriebsmodus eine Schwingung der Baugruppe und somit eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers begünstigt. Somit ist das Handgerät gemäß der Erfindung in der Lage, sowohl hochpräzise Messungen in einem beruhigten Messsystem (während dem ersten Betriebsmodus) als auch scannende Messungen, ähnlich dem oben beschriebenen Fluggerät, durchführen zu können, ohne ein schweres und teures gesondertes Scansystem zu benötigen. Wie oben beschrieben, sind auch Pendelbewegungen in zwei Ebenen bzw. auf einer Kegelmantelfläche möglich. Bei hinreichend hoher Dämpfung in beiden Ebenen wird sich dabei eine Bewegung ergeben, die einer Spiralbewegung nach innen ähnelt. Damit wird der gesamte unterhalb des Entfernungsmessers befindliche Bereich abgetastet.
Gemäß bespielhaften Ausführungsformen umfasst das Handgerät ferner ein Orientierungsmesssystem, welches fest mit der pendelnden Baugruppe verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers relativ zur Vertikalrichtung zu ermitteln. Alternativ zu dem fest mit der Baugruppe verbundenen Orientierungsmesssystem, ist gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen ein Orientierungsmesssystem vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, eine Orientierung der pendelnden Baugruppe relativ zum Träger zu ermitteln. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet, aus einem von dem Orientierungsmesssystem erhaltenen Signal die Orientierung der Messachse des Entfernungsmessers zu ermitteln.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der Entfernungsmesser des Handgeräts als optischer Entfernungsmesser ausgebildet und weist einen Messlichtstrahl auf, welcher entlang der Messachse des Entfernungsmessers emittiert wird.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Dämpfungssystem des Handgeräts einen Aktuator, welcher dazu konfiguriert ist, einen Dämpfungsgrad, mit welchem das Dämpfungssystem eine Schwingung der pendelnden Baugruppe dämpft, zu steuern. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet den Aktuator anzusteuern und so den entsprechenden Dämpfungsgrad einzustellen.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Dämpfungssystem des Handgeräts eine Komponente, über deren manuelle Bedienung der Dämpfungsgrad, mit welchem das Dämpfungssystem Schwingungen der pendelnden Baugruppe dämpft, per Hand eingestellt werden kann.
Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Fluggeräts gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Position eines Ortes auf einem Gelände;
3 eine Veranschaulichung geometrischer räumlicher Beziehungen verschiedener Werte aus dem Flussdiagramm in 2;
4 graphische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Vorgangs zur Bestimmung der Topografie eines Geländes;
5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fluggeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Unterschieds zwischen einer Vermessung mit einer vertikal ausgerichteten Messachse und einer Vermessung mit einer Messachse, welche sich quer zu einer Bewegungsrichtung des Messsystems hin und her bewegt;
7 eine schematische Darstellung eines Handgeräts zur Vermessung einer Topografie eines Geländes gemäß einer ersten Ausführungsform;
8 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Handgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Dämpfungssystems einer ersten Ausführungsform eines Handgeräts gemäß der Erfindung.
10 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Handgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Fluggerät 1, welches hier als Quadrokopter ausgebildet ist, gemäß einer ersten Ausführungsform vier aerodynamisch wirkende Antriebssysteme 3 (in 1 sind nur zwei der vier Antriebssysteme abgebildet), welche neben der Steuerung des Fluggeräts auch eine Fluglagensteuerung übernehmen (im Folgenden werden aufgrund des Bezugs zu den Ansprüchen die Antriebssysteme direkt als Fluglagensteuerungskomponenten bezeichnet). Die einzelnen Fluglagensteuerungskomponenten 3 umfassen hierbei je einen Propeller 5, eine Antriebswelle 7 und einen Motor 9, wobei angemerkt sei, dass bei entsprechender Konstruktion des Fluggeräts beispielsweise auch nur ein Motor 9 verwendet werden kann, um über Antriebswellen 7 alle Propeller 5 anzutreiben. Zudem umfasst das Fluggerät 1 einen Träger 11, welcher starr mit den Motoren 7 der Fluglagensteuerungskomponenten 3 verbunden ist und dazu dient, die unterschiedlichen Komponenten der Fluggeräts 1 stabil zusammen zu halten. Des Weiteren umfasst das Fluggerät einen Entfernungsmesser 13, welcher fest mit dem Träger 11 verbunden ist, und eine Steuerung 15, welche dazu konfiguriert ist, die Fluglagensteuerungskomponenten 3 zu steuern. Es ist auch möglich, die eigentliche Fluglagensteuerung on-board 14 zu realisieren, und die Steuerung nur zu einer Vorab-Programmierung des Flugwegs zu nutzen und zum Abrufen der erfassten Daten, in einigen Ausführungsformen auch lediglich der bereits durch Auswertung dieser Daten ermittelten Ergebnisse. Der Entfernungsmesser 13 weist dabei eine Messachse 17 auf, deren Schnittpunkt mit einem Gelände 19 einen Ort 21 auf dem Gelände 19 definiert, wobei der Entfernungsmesser 13 dazu konfiguriert ist einen Abstand zwischen dem Fluggerät und dem Ort 21 auf dem Gelände 19 zu messen. Zusätzlich verfügt das Fluggerät über ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem 16, um die Position des Fluggeräts zu bestimmen, und ein Orientierungsmesssystem 18, welches fest mit dem Träger 11 verbunden ist und dazu konfiguriert ist, eine Orientierung des Trägers 11 relativ zur Vertikalrichtung zu bestimmen (es sei klargestellt, dass das Orientierungsmesssystem keinen gemäß der Erfindung absolut notwendigen Bestandteil des Fluggeräts darstellt). Die Steuerung 15 ist dabei dazu konfiguriert, Messdaten des Entfernungsmessers 13, des Satelliten-Positionsbestimmungssystems und des Orientierungsmesssystems zu empfangen und diese in Datensätze umzuwandeln, welche zur Bestimmung einer Position des Ortes 21 auf dem Gelände 19 verwendet werden können.
Während einer Vermessung eines Geländes mit dem Fluggerät gemäß der ersten Ausführungsform überfliegt das Fluggerät das zu vermessende Gelände entlang eines Flugweges. Während dem Überflug versetzt die Steuerung das Fluggerät über eine entsprechende Ansteuerung der Fluglagensteuerungskomponenten in eine Schaukelbewegung quer zur momentanen Flugrichtung. Über diese Schaukelbewegung des Fluggeräts wird die Messachse des Entfernungsmessers quer zur Flugrichtung hin und her ausgelenkt. Durch die erhaltene Hin- und Her-Bewegung der Messachse überstreicht der Ort, an dem die Messachse das Gelände schneidet, einen schlangenlinienförmigen Messweg unterhalb des Flugweges. Durch diese schlangenlinienförmige Ausgestaltung des Messweges auf der Oberfläche des Geländes ergibt es sich, dass der Messweg deutlich länger als der Flugweg ist.
Insbesondere ist der resultierende Messweg auf dem Gelände, für wenigstens 10, insbesondere für wenigstens 100 Hin- und Her-Bewegungen der Messachse quer zur Flugrichtung, wenigstens 1,5-mal länger, insbesondere wenigstens 5-mal länger und insbesondere wenigstens 15-mal länger als der Flugweg, den das Fluggerät zurücklegt. Während den Hin- und Her-Bewegungen der Messachse bestimmt die Steuerung aus Messwerten des Satelliten-Positionsbestimmungssystems, des Entfernungsmessers und des Orientierungsmesssystems eine Vielzahl von Datensätze, welche Positionen verschiedener Orte entlang des Messweges auf dem Gelände repräsentieren. Die Gesamtheit der Vielzahl von Datensätzen repräsentiert schließlich die Topografie des vermessenen Geländes.
2 bis 4 veranschaulichen einen vereinfachten Prozess zur Bestimmung einer Topografie eines Geländes mit einem Fluggerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zur Bestimmung einer Position eines Ortes unter Verwendung des oben beschriebenen Fluggeräts veranschaulicht. Das Satelliten-Positionsbestimmungssystem 16 ermittelt einen ersten Wert 101, welcher eine momentane Position des Fluggeräts repräsentiert, beispielsweise A(t)=(x(t), y(t), z(t)), und übermittelt diesen ersten Wert 101 an die Steuerung 15. Das Orientierungsmesssystem 18 ermittelt einen zweiten Wert 102, welcher eine momentane Orientierung der Messachse relativ zu einer Vertikalrichtung repräsentiert, beispielsweise O(t)=(α(t), β(t)), und übermittelt diesen zweiten Wert 102 an die Steuerung 15. Der Entfernungsmesser 13 ermittelt einen dritten Wert 103, welcher einen momentanen Abstand zwischen dem Fluggerät 1 und dem Ort 21 auf dem Gelände 19 repräsentiert, an welchem die Messachse 17 momentan das Gelände 19 schneidet, beispielsweise d(t), und übermittelt diesen dritten Wert 103 an die Steuerung 15. Die Steuerung 15 berechnet aus dem zweiten Wert 102, welcher die momentane Orientierung der Messachse relativ zu einer Vertikalrichtung repräsentiert, und dem dritten Wert 103, welcher den momentanen Abstand zwischen dem Fluggerät 1 und dem Ort 21 auf dem Gelände 19 repräsentiert, einen vierten Wert 104, welcher eine momentane Positionierung des Ortes 21 relativ zur momentanen Position des Fluggeräts 1 repräsentiert. Anschließend können der erste Wert 101, welcher die momentane Position des Fluggeräts 1 repräsentiert, und der vierte Wert 104, welcher die momentane relative Positionsbeziehung zwischen dem Ort 21 und dem Fluggerät 1 repräsentiert, dazu verwendet werden um (beispielsweise wie hier über die Steuerung) einen fünften Wert 105 zu berechnen, welcher eine momentane Position des Ortes 21, beispielsweise P(t), repräsentiert.
Um die geometrische Situation während einer Generierung eines Datensatzes, wie sie in 2 dargestellt ist, zu veranschaulichen, zeigt 3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften geometrischen Messsituation. Das Fluggerät 1 (als ⊗ dargestellt) befindet sich an einer Position A(t) (erster Wert) in einem Luftraum über dem Gelände 19. Eine Messachse 17 des Entfernungsmessers verläuft geradlinig vom Fluggerät 1 bis zu einem Ort 21 (als □ dargestellt), an welchem die Messachse das Gelände 19 schneidet. Dabei weist die Messachse 17 eine Orientierung bezüglich der Vertikalrichtung 37 (zweiter Wert) auf, welche sich beispielsweise durch die Winkel α(t) und β(t) ausdrücken lässt. Entlang der Messachse 17 des Entfernungsmessers ergibt sich ein Abstand des Fluggeräts 1 von dem Ort 21 (dritter Wert), beispielsweise d(t). Über eine Verrechnung der momentanen Orientierung der Messachse 17 relativ zur Vertikalrichtung 37 (zweiter Wert) mit der momentanen Entfernung des Fluggeräts 1 von dem Ort 21 (dritter Weg) kann eine relative Lagebeziehung, beispielsweise K(t), zwischen dem Ort 21 und dem Fluggerät 1 ermittelt werden (vierter Wert). Ausgehend von der Position des Fluggeräts 1 (erster Wert) kann schließlich die relative Lagebeziehung (vierter Wert) dazu verwendet werden, um eine Position des Ortes 21, beispielsweise P(t), zu ermitteln (fünfter Wert).
Um eine Topografie eines Geländes zu ermitteln, werden die Positionen einer Vielzahl von Orten entlang eines Messweges benötigt. Eine Messung über einen kleinen Bereich hinweg könnte wie beispielsweise wie in 4 illustriert aussehen.
4 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften Messverlaufs für vier aufeinander folgende Messungen (zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄) und zwar in einem System mit einer geometrischen Anordnung, wie sie in 3 dargestellt ist. Dabei zeigt die obere Zeile Grafiken 4A_t, welche eine jeweilige (zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄) Position des Fluggeräts 1 (als ⊗ dargestellt) und eines Ortes 21 (als □ dargestellt) auf einem Gelände 19 in einem x-z-Koordinatensystem darstellen (wobei die z-Achse entlang der Vertikalrichtung verläuft). Die mittlere Zeile an Grafiken 4B_t illustriert die jeweilige (zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄) Position des Fluggeräts 1 (als ⊗ dargestellt) und des Ortes 21 (als □ dargestellt) in einem y-z-Koordinatensystem (wobei die z-Achse entlang der Vertikalrichtung verläuft). Die untere Zeile an Grafiken 4Ct illustriert die jeweilige (zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄) Position des Fluggeräts 1 (als ⊗ dargestellt) und des Ortes 21 (als □ dargestellt) in einem x-y-Koordinatensystem. Grafik 4D zeigt schließlich eine Kombination der einzelnen Messergebnisse für die Positionen des Fluggeräts 1 (als ⊗ dargestellt) und die Positionen des Ortes 21 (als □ dargestellt) in einem x-y Koordinatensystem. Dabei ist ein Flugweg 41 des Fluggeräts 1 (durchgezogene Linie) und ein Messweg 43 (gestrichelte Linie), welchen der Ort 21 auf dem Gelände 19 überstreicht, markiert. Klar zu erkennen ist hierbei, dass der Messweg 43 deutlich länger ist als der Flugweg 41, und das Gelände effektiv durch den Entfernungsmesser quer zum Flugweg 41 abgescannt wird. Dies schafft das System gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise ohne ein teures und schweres Scansystem verwenden zu müssen. Über die Kombinationen der x-y-Positionen einzelner Orte 21 mit ihren jeweiligen Höhenpositionen entsteht eine dreidimensionale Punktwolke, welche die Topografie eines vermessenen Geländes repräsentiert.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Fluggeräts 1a gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei unterscheidet sich das Fluggerät 1 a von dem Fluggerät 1 im Wesentlichen nur um eine zusätzliche Aufhängung 23 (soweit nicht anderweitig beschrieben umfasst ein Fluggerät gemäß der zweiten Ausführungsform alle oben beschriebenen und notwendigen Komponenten eines Fluggeräts gemäß der ersten Ausführungsform). Die Aufhängung 23 erlaubt es einer Baugruppe 25, um eine Pendelachse 26 quer zur Flugrichtung zu pendeln. Dabei sind an der Baugruppe 25 der Entfernungsmesser 13a, das Orientierungsmesssystem 18a und das Satelliten-Positionsbestimmungssystem 16a fest montiert. Eine resultierende feste räumliche Relativbeziehung der Messkomponenten erleichtert eine Verrechnung der jeweils ermittelten Daten erheblich. Jedoch ist es gemäß der Erfindung nur erforderlich, dass der Entfernungsmesser 13a so mit der Baugruppe 25 verbunden ist, dass eine Pendelbewegung der Baugruppe 25 die Messachse 17a des Entfernungsmessers 13a quer zur Flugrichtung hin und her auslenken kann, um so gemäß der Erfindung das Scannen der Topografie des Geländes ohne Verwendung eines Scansystems zu ermöglichen.
Während einer Vermessung eines Geländes mit dem Fluggerät gemäß der zweiten Ausführungsform überfliegt das Fluggerät das zu vermessendes Gelände entlang eines Flugwegs. Während dem Überflug versetzt die Steuerung das Fluggerät über eine entsprechende Ansteuerung der Fluglagensteuerungskomponenten in eine Schaukelbewegung. Durch diese Schaukelbewegung wird die pendelnde Baugruppe in Schwingung versetzt und ruft damit eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers quer zu einer aktuellen Flugrichtung hervor. Damit scannt der Entfernungsmesser, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, einen Messweg auf dem Gelände ab, welcher deutlich länger ist als der Flugweg, welchen das Gerät während der Vermessung zurücklegt. Während den Hin- und Her-Bewegungen der Messachse, bestimmt die Steuerung (analog zur ersten Ausführungsform) eine Vielzahl von Datensätzen, welche Positionen von Orten auf dem Gelände repräsentieren, an welchen die Messachse das Gelände geschnitten hat. Die Gesamtheit dieser ermittelten Datensätze repräsentiert schließlich die Topografie des Geländes.
Gegenüber dem starren Anbringen des Entfernungsmessers gemäß der ersten Ausführungsform weist diese pendelnde Aufhängung den Vorteil auf, dass selbst bei kleinen schwingungsförmigen Änderungen der Lage des Fluggeräts große Änderungen in der Orientierung der Messachse hervorgerufen werden können, vor allem für Lageänderungen mit Frequenzen nahe einer Eigenfrequenz (bzw. Resonanzfrequenz) der Schwingung der Baugruppe.
Zuvor beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Fluggeräte, welche in Multikopter-Bauweise ausgebildet sind. Allerdings sind Ausführungsformen für Fluggeräte gemäß der Erfindung nicht auf Fluggeräte der Multikopter-Bauweise beschränkt, sondern umfassen vielmehr Fluggeräte jeglicher Bauweise von Fluggeräten. Darunter fallen neben Multikopter-Bauweisen auch beispielsweise Helikopter-Bauweisen und Flugzeug-Bauweisen. Neben den grundsätzlichen Bauweisen eines Fluggeräts gibt es jeweils auch unterschiedliche Möglichkeiten die Fluglagensteuerungskomponenten auszubilden.
Um einen Unterschied zwischen einer vertikalen Ausrichtung des Entfernungsmessers und dem „Scannen ohne Scanner“ mit einem Fluggerät gemäß der Erfindung grafisch hervorzuheben, zeigt 6 eine mit Höhenlinien 39 versehene topologische Karte 40 eines Geländes und eine Flugbahn 41 (bzw. den Flugweg) eines Fluggeräts, von welchem aus die jeweiligen Messungen durchgeführt werden. Zur Flugbahn 41 sind noch zwei Messwege 43 und 45 eingezeichnet. Dabei repräsentiert der Messweg 43 den Weg, welchem der Ort, an welchem eine Messachse des Entfernungsmessers das Gelände schneidet, bei einer Hin- und Her-Bewegung der Messachse quer zur Flugrichtung folgt und der Messweg 45 den Weg, welchem der Ort bei einer konstanten vertikalen Orientierung der Messachse während der Vermessung des Geländes folgt. Während für die Vermessung mit einer vertikalen Ausrichtung der Messachse ein durch den Ort auf dem Gelände zurückgelegter Messweg 45 direkt dem Flugweg 41 des Fluggeräts folgt, weicht der Messweg 43, den der Ort unter Verwendung eines Fluggeräts mit Hin- und Her-Bewegung der Messachse, in Folge der mehrmaligen Verschwenkung deutlich in Bezug auf eine Weglänge wie auch in Bezug auf einen Wegverlauf vom Flugweg 41 ab. In der schematischen Darstellung gemäß 6 sind nur 10 Verschwenkungen je geradem Stück der Flugstrecke dargestellt; selbstverständlich sind auch mehr möglich. Auch sind die Verschwenkungen als Zickzack-Linie dargestellt; tatsächlich wird diese Linie eher einer Sinuskurve oder einer Abfolge von einander gegenüberliegenden Kreislinienabschnitten ähneln, wobei letztere durchaus jeweils mehr als ein Halbkreis sein können, wenn nämlich das Pendeln synchron in zwei Dimensionen erfolgt. Durch diese Abweichung und die deutliche Verlängerung des vermessenen Weges gegenüber dem geflogenen Weg erfolgt ein Scan des Geländes, ohne ein Scansystem zu benötigen. Über diesen „Scan ohne Scanner“ wird während eines Überflugs ein deutlich größerer Bereich des Geländes erfasst, was einen deutlichen Vorteil gegenüber der stets vertikalen Ausrichtung der Messachse darstellt. Zudem wird kein schweres und teures gesondertes Scansystem benötigt, was einen deutlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Scansystemen darstellt.
Das erforderliche Maß der Quer-Verschwenkung des Messstrahls hängt von der Flughöhe und vom zu vermessenden Gelänge ab; die Winkeldifferenz, jeweils gemessen zur selben Bezugsrichtung (z. B. der Vertikalrichtung) sollte jeweils mindestens 1°, vorzugsweise 2°, weiter vorzugsweise 5° und noch weiter bevorzugt 10° übersteigen, damit ein ausreichend breiter Geländestreifen abgescannt wird. Außerdem sollte das Verschwenken mit hinreichend großer Ortsfrequenz erfolgen, damit nicht größere Geländebereiche ausgespart werden; dazu sollten, per 1000 m Flugstrecke, mindestens 10°, vorzugsweise mindestens 20, weiter vorzugsweise mindestens 50 und noch weiter bevorzugt mindestens 100 Verschwenkungen erfolgen. Damit ist die zurückzulegende Flugstrecke aber nicht zwangsläufig auf über 1000 m beschränkt, obgleich dies für ein Areal von beispielsweise 1 ha von beispielsweise annähernd quadratischer Form ein typischer Wert wäre, nämlich 10 Überflüge von je 100 m Länge über das zu vermessende Terrain.
7 bis 10 illustrieren schematisch Ausführungsformen der Erfindung als Handgerät.
Entsprechend 7 umfasst eine erste Ausführungsform der Erfindung als Handgerät 1b ein Satellitenbestimmungssystem 16b, welches dazu konfiguriert ist eine Position des Handgeräts zu bestimmen und einen Entfernungsmesser (siehe 8), welcher eine Messachse 17b aufweist und dazu konfiguriert ist, einen Abstand zwischen dem Handgerät und einem Ort 21b, an welchem die Messachse 17b das Gelände 19b schneidet, zu messen (ähnlich dem Fluggerät). Zudem umfasst das Handgerät einen Träger 11b, welcher alle Komponenten des Handgeräts haltert und zusammenhält, sowie einen Bereich umfasst, welcher als Haltegriff 46 ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst das Handgerät eine Steuerung (nicht dargestellt), welche in der vorliegenden Ausführungsform eine, als Touchscreen ausgebildete, Steuerungs- und Anzeigekomponente 47 umfasst. Hierbei kann die Anzeigekomponente auch separat realisiert sein. Wie in 8 detaillierter dargestellt, weist das Handgerät (ähnlich der zweiten Ausführungsform des Fluggeräts) eine Baugruppe 25b auf, welche pendelnd an dem Träger 11b aufgehängt ist. Der Entfernungsmesser 13b ist an der Baugruppe 25b so angebracht, dass ein Pendeln der Baugruppe 25b eine Hin- und Her-Bewegung der Messachse 17b des Entfernungsmessers 13b hervorruft. Dabei erfolgt das Pendeln der Baugruppe 25b und damit die Hin- und Her-Bewegung der Messachse 17 um eine Pendelachse 26b. Gemäß der Erfindung umfasst das Handgerät des Weiteren ein Dämpfungssystem (siehe 9) welches dazu ausgebildet ist eine Pendelbewegung der Baugruppe 25b zu dämpfen. Die Steuerung ist ferner dazu konfiguriert, eine Orientierung der Messachse 17b relativ zur Vertikalrichtung 37 zu ermitteln (beispielsweise über ein Signal des Dämpfungssystems und des Satelliten-Positionsbestimmungssystems) und einen Datensatz zu bestimmen, welcher eine aktuelle Position des Handgeräts 1b, einen aktuellen Abstand des Handgeräts 1b von dem Ort 21b und eine aktuelle Orientierung der Messachse 21b des Entfernungsmessers 13b relativ zur Vertikalrichtung 37b repräsentiert. Der bestimmte Datensatz ist dabei so konfiguriert, dass er sich dazu eignet, eine momentane Position des Ortes 21 zu ermitteln. Im Handgerät 1b ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, aus einer Vielzahl ermittelter Datensätze eine topologische Karte (vgl. beispielsweise 6) des vermessenen Geländes zu generieren und auf der Steuerungs- und Anzeigekomponente 47 anzuzeigen. Eine solche Kartengenerierung und Anzeige ist wohl vorteilhaft, jedoch für die Erfindung selbst kein notwendiger Bestandteil. Gemäß der Erfindung weist das Handgerät mindestens zwei Betriebsmodi auf, in welchen sich ein Dämpfungsgrad des Dämpfungssystems, mit welchem eine Schwingung der Baugruppe gedämpft wird, deutlich unterscheidet. Dabei liegt der Dämpfungsgrad in einem ersten Betriebsmodus nahe dem aperiodischen Grenzfall, insbesondere zwischen 0,7 und 1,3 und insbesondere zwischen 0,8 und 1,2, während der Dämpfungsgrad in einem zweiten Betriebsmodus kleiner ist als in dem ersten Betriebsmodus und insbesondere einen Wert zwischen 0,0 und 0,7 und insbesondere zwischen 0,1 und 0,6, aufweist. 9 illustriert, wie ein beispielhaftes Dämpfungssystem des Handgeräts 1b ausgestaltet sein kann. Die Aufhängung 23b ist über ein Lager 31b, um die Pendelachse 26b drehbar, über eine Achse mit dem Träger 11b verbunden. Gemäß der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist das Dämpfungssystem 49 einen Aktuator 51, ein Kraftübertragungssystem (hier Zugdrähte 53) und ein Bremssystem 55 (hier Bremsbürsten 55, welche über eine federnde Aufhängung 57 fest mit dem Träger 11 verbunden sind) auf. Dabei ist die Steuerung dazu konfiguriert, den Aktuator 51 so anzusteuern, dass dieser eine Zugkraft auf die Zugdrähte 53 ausübt. Die Zugkraft wird über die Zugdrähte 43 auf die Bremsbürsten 55 übertragen, welche schließlich auf die Achse 59 der Aufhängung 23b angedrückt werden. Über eine Regelung der Zugkraft des Aktuators 51 durch die Steuerung wird dabei ein Anpressdruck der Bremsbürsten 55 auf die Achse 59 geregelt. Der so einstellbare Anpressdruck resultiert in einer einstellbaren Reibung zwischen den Bremsbürsten 55 und der Achse 59, welche während einer Drehbewegung der Achse 59 um die Pendelachse 26b auftritt. Damit ist es der Steuerung ermöglicht, den Dämpfungsgrad, mit welchem die Schwingung der Baugruppe 25b um die Pendelachse 26b gedämpft wird, einzustellen. Neben einer elektrischen Ansteuerung des Dämpfungssystems 49 über die Steuerung ist auch eine manuelle Regelung von Hand denkbar. Alternativ zu dem vorgestellten mechanischen Reibungssystem gibt es für einen Fachmann noch viele andere Möglichkeiten Schwingungen der Baugruppe einstellbar zu dämpfen. Diese entsprechen aufgrund des einstellbaren Dämpfungsgrades alle dem Geist der Erfindung, da über die ermöglichte Hin- und Her-Bewegung der Messachse ein Scannen des Geländes ohne Scanner ermöglicht wird.
Um eine Bestimmung einer Topografie eines Geländes mit dem Handgerät durchzuführen, wird das Handgerät entlang eines Vermessungsweges (ähnlich dem Flugweg eines Fluggeräts) über das Gelände bewegt. Während der Bewegung des Handgeräts über das Gelände ermittelt die Steuerung immer wieder Datensätze, welche eine momentane Position des Ortes repräsentieren, an welchem die Messachse des Entfernungsmessers aktuell das Gelände schneidet. Aus einer Vielzahl solcher Datensätze kann schließlich die Topografie des Geländes ermittelt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Handgerät, wie oben beschrieben, wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsmodi auf. Über eine gezielte Wahl des jeweiligen Betriebsmodus, kann man einen Dämpfungsgrad für Schwingungen der pendelnden Baugruppe und für eine Hin- und- Her-Bewegung der Messachse einstellen. Im ersten Modus werden Messdaten mit einer hohen Genauigkeit ermittelt, da eine Ausrichtung der Messachse des Entfernungsmessers weitestgehend vertikal ist und kaum Abweichungen von der Vertikalrichtung zur Korrektur von Messwerten beachtet werden müssen. Dabei können jedoch nur Positionen von Orten auf einem Messweg vertikal unterhalb des verfolgten Vermessungsweges ermittelt werden. In dem zweiten Betriebsmodus ist es möglich, analog zu den Fluggeräten gemäß der Erfindung, durch eine Schwingung der Messachse um die Vertikalrichtung ein Gelände in einem ausgedehnten Bereich unterhalb des Handgeräts abzuscannen, ohne ein teures und schweres Scansystem zu benötigen. Über die Aufhängung ist es dabei möglich (wie bei einem Fluggerät gemäß der zweiten Ausführungsform), bereits über kleine Hin- und Her-Bewegungen des Handgeräts relativ große Schwingungen der Messachse des Entfernungsmessers um die Vertikalrichtung anzuregen und somit einen relativ großen Bereich abzuscannen. Damit erlaubt auch das Handgerät gemäß der Erfindung das „Scannen ohne Scanner“, was gegenüber Systemen mit gesonderten Scannern kosten- und gewichtssparsam ist.
Das Handgerät gemäß der ersten Ausführungsform weist eine Aufhängung auf, welche eine Schwingung der Baugruppe um nur eine Pendelachse erlaubt. Gemäß der Erfindung ist es jedoch auch ohne weiteres möglich, mehrere Freiheitsgrade den Schwingungen der Baugruppe zugänglich zu machen. 10 zeigt deshalb eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Aufhängung 23c. Dabei wird ein Aufbau eines Abschnittes eines Handgeräts 1c (welches in den übrigen Merkmalen dem Handgerät 1b entspricht) aus Sicht eines Punktes vertikal unter dem Entfernungsmesser 13c gezeigt. Dabei ist die Baugruppe 25c über eine Aufhängung 23c, welche hier im Besonderen als kardanische Aufhängung ausgebildet ist, mit dem Träger 11c verbunden. Die Aufhängung 23c erlaubt es der Baugruppe 25c und somit der Messachse 17c des Entfernungsmessers 13c um sowohl eine Querpendelachse 26c wie auch um eine Längspendelachse 28c und damit entlang zweier Freiheitsgrade zu schwingen. Eine solche Aufhängung eröffnet die Möglichkeit einer kreiselnden Pendelbewegung der Messachse 17c um die Vertikalrichtung. Damit ist es bereits ohne ein Abgehen eines Geländes möglich einen relativ großen zweidimensionalen Bereich des Geländes abzuscannen, vor Allem wenn das Handgeräts zudem vorteilhafter Weise an einem Messstab befestigt wird.
Letztere Ausführung ist auch bei einem Fluggerät wie oben beschrieben möglich. Es ist dann möglich, den Entfernungsmesser nicht nur seitwärts, sondern auch nach vorn und hinten ausschwingen zu lassen. Bei geeigneter Koordination mit der Schaukelbewegung (roll) kann ein „pitch“-Pendeln dieser Art einen Vermessungsweg mit seitlichen Schlaufen verursachen, mittels dessen das zu vermessende Areal besonders gleichmäßig (hinsichtlich der Dichte der Messpunkte) abgescannt wird. Der Grund ist, dass die außen liegenden Bereiche des zu vermessenden Streifens besonders schnell von der Messachse überstrichen werden, die weiter innen liegenden Bereiche jedoch langsamer oder sogar rückwärts.
Abschließend werden im Folgenden ergänzende Hinweise bezüglich weiteren Überlegungen zu möglichen Optimierungen der vorgestellten Systeme gegeben.
Einflüsse durch Luftströmungen:
Während einer Messung, vor Allem unter Verwendung eines Fluggeräts mit einer pendelnden Baugruppe, können sich durch Luftströmungen störende Einflüsse auf ein Pendelverhalten der Baugruppe und somit auf die Hin- und Her-Bewegung der Messachse ergeben. Um diese Einflüsse zu verringern ist es sinnvoll, eine dreidimensionale Ausgestaltung des Systems und vor allem von Elementen welche schwingend aufgehängt sind entsprechend anzupassen. Eine Möglichkeit einer solchen gezielten Anpassung ergibt sich bereits beispielsweise aus 5:
Wie in 5 dargestellt, sind pendelnd aufgehängte Elemente des Fluggeräts von einem kreiszylinderförmigen Gehäuse umgeben. Über eine solche Ausgestaltung eines Gehäuses, wird der Luftwiderstand der pendelnd aufgehängten Elemente herabgesetzt und symmetrisiert, was starke unkontrollierbare Hin- und Her-Schwingungen der aufgehängten Elemente verringert. Neben der kreiszylindrischen Ausgestaltung sind dem Fachmann auch andere vorteilhafte Formen zugänglich, welche diese ohne weiteres ersetzen können. Des Weiteren lässt sich anhand von 5 ein weiterer wichtiger Aspekt einer Optimierung des Systems gegen störende Einflüsse durch Luftströmungen aufzeigen. Für den Fall, dass die pendelnd aufgehängten Elemente Bereiche aufweisen, welche oberhalb und unterhalb der Aufhängung durch horizontale störende Luftströmungen beeinflusst werden, ist es möglich das Gehäuse über entsprechende Anpassungen so auszugestalten, dass sich Drehmomente, welche oberhalb der Aufhängung entstehen, mit Drehmomenten, welche unterhalb der Aufhängung entstehen, weitestgehend ausgleichen. Sind hingegen nur Bereiche der pendelnden Elemente vorhanden, welche nur oberhalb oder nur unterhalb der Aufhängung durch störende Luftströmungen beeinflusst werden, ist es neben der Minimierung solcher über eine Anpassung der Form des Gehäuses (wie oben beschrieben) ebenso möglich, eine gezielte Auslegung des gemeinsamen Schwerpunktes der pendelnden Elemente vorzusehen, um das pendelnde System zu stabilisieren.
Andererseits ist es aber auch denkbar, solche unkontrollierten Orientierungsänderungen der Messachse aufgrund von Luftströmungen, welche an den pendelnd aufgehängten Elementen angreifen, gezielt als eine erwünschte Hin- und Her-Bewegung der Messachse auszunutzen und die Komponenten des Fluggeräts dementsprechend anzupassen.
Die Pendel-Aufhängung gestattet typischerweise Auslenkungen von bis zu 45° in beide Richtungen, wobei für einen effektiven Scan Pendelauslenkungen von 5° bis 30° zur Vertikalen ausreichen dürften (bei Handgerät: bis zu 45°). Bei Verwendung mit einem Fluggerät, das einen Schaukelflug vollführt, sollten die Auslenkungen im Modus mit hoher Dämpfung höchstens 10° gegenüber der Vertikalen betragen.
Zeitpunkte für die einzelnen Bestimmungen von Datensätzen:

Im Allgemeinen erfolgt eine Messwerterfassung durch die einzelnen Messsysteme (hier dem Satelliten-Positionsbestimmungssystem, dem Entfernungsmesser und möglicherweise dem Orientierungsmesssystem) in zeitlich konstanten Abständen. Nachdem die zeitlichen Abstände zwischen den Messwerten meist extrem kurz sind und damit eine Messwertgenerierung eine deutlich höhere Rate als eine notwendige Rate einer Datensatzerfassung aufweist, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten ein zeitliches Taktmuster, anhand welchem Datensätze durch die Steuerung bestimmt werden, festzulegen. Einige vorteilhafte Möglichkeiten für Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung sind:
- - eine äquidistante Erfassung: Hierbei werden entlang eines Messweges (dem Weg, den der Ort, also der Schnittpunkt aus Messachse und Gelände, auf dem Gelände überstreicht) Datensätze in konstanten geographischen Abständen bestimmt, was den Vorteil aufweist, dass eine konstante Messpunktdichte entlang des Messweges, unabhängig von einer Bewegungsgeschwindigkeit des Systems oder einer Schwingung der Messachse, erhalten wird;
- - eine rasternde 2D-Erfassung: Hierbei werden nur Datensätze entsprechend einem voreingestellten Raster bestimmt, was den Vorteil aufweist, keine Rasterbereiche mehrmals mit Datensätzen abzubilden und keine Rasterbereiche überhaupt nicht mit Datensätzen abzubilden;
- - eine höhendynamische Erfassung: Hierbei wird eine Erfassungsrate in Abhängigkeit von Änderungen einer Höhenkoordinate aufeinander folgender Orte, an welchen gemessen wurde, angepasst, was den Vorteil aufweist, dass für große Flächen, welche kaum eine Höhendynamik aufweisen, nicht unnötig viele Datensätze ermittelt werden und an interessanten Stellen mit starker Höhendynamik, wie beispielsweise Abbrüchen oder Hängen, entsprechend mehr Datensätze gesammelt werden, um diese Bereiche auch genauer beschreiben zu können; oder
- - eine externe Triggerung: Hierbei erfasst die Steuerung des Systems Datensätze zeitlich synchron mit einer Erfassung von Datensätzen durch ein externes System (beispielsweise einem fotogrammmetrischen Vermessungssystem), was den Vorteil aufweist, dass die Datensätze beider Systeme zumindest zeitlich bereits miteinander korreliert sind;

Steuerung eines Messweges
Um eine Topografie eines Geländes möglichst effizient erfassen zu können, sind unterschiedliche Vorgaben an einen Vermessungsweg (also den Weg, welchen das Messsystem während der Vermessung zurücklegt) denkbar. Diese können sich bei einem Fluggerät beispielsweise direkt auf eine Flugsteuerung auswirken oder bei einem Handgerät einem Benutzer angezeigt werden, um diesen entlang eines vorteilhaften Vermessungsweges zu leiten. Neben anderen vorteilhaften Verfahren einer Messwegsteuerung scheinen folgende Verfahren für Systeme gemäß der Erfindung ebenfalls als vorteilhaft:

- Ein-Schritt-Verfahren: Hierbei folgt der Vermessungsweg zunächst einem festgelegten Raster. Werden während der Datenerfassung Unregelmäßigkeiten, beispielsweise Sprünge in einer Höhenkoordinate, ermittelt, werden Orte, an welchen solche Unregelmäßigkeiten aufgetreten sind erneut (ein Rückweg zu diesen könnte beispielsweise über Backtracking-Algorithmen ermittelt werden) mit einer erhöhten Datensatzdichte vermessen, was den Vorteil aufweist, dass regelmäßige Bereiche nur einmal vermessen werden, wobei unregelmäßige Bereiche unmittelbar mehrmals vermessen und damit genauer untersucht werden;
- Mehrschrittverfahren: Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt eine Vermessung des gesamten Geländes in einem ersten festgelegten Raster. Nach einer kompletten Auswertung der Datensätze des ersten Vermessungsdurchlaufs, wird ein zweites Raster generiert, welches gegenüber dem ersten Raster optimiert wurde um Messdaten zu generieren, welche sich zu einer genaueren Abbildung des Geländes eignen. Anschließend wird eine zweite Vermessung des Geländes entlang des zweiten Rasters durchgeführt. Über eine wiederholte schrittweise Optimierung des jeweiligen Rasters und wiederholte Messdurchläufe wird somit ein erhaltenes Vermessungsergebnis verfeinert, was den Vorteil aufweist, dass ein Ergebnis der Vermessung, über eine entsprechend oft wiederholte Optimierung des jeweiligen Rasters und mehreren Vermessungen des Geländes, eine beinahe beliebig hohe Genauigkeit aufweisen kann.

Wie oben bereits erwähnt, kann eine Kalibrierung der Vorrichtung mittels Messung über einer ebenen Fläche erfolgen. Wenn dazu mindestens zwei unterschiedliche Höhen angeflogen bzw. eingehalten werden, ist eine exakte Kenntnis der Fläche selbst nicht erforderlich, solange sie (im Rahmen der Messgenauigkeit) hinreichend eben ist.
Neben den eben beschriebenen Möglichkeiten gibt es noch weitere Möglichkeiten zur Optimierung von Systemen gemäß der Erfindung, welche in Reichweite des Fachmanns liegen und dem Konzept der Erfindung entsprechen.
Während die voranstehenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lediglich beispielhaft erläutert worden sind, werden Fachleute erkennen, dass zahlreiche Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich der in den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Erfindung abzuweichen.

Claims

Fluggerät zum Bestimmen einer Topografie eines Geländes, wobei das Fluggerät umfasst: wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente, welche dazu konfiguriert ist, eine Neigung des Fluggeräts relativ zu einer Vertikalrichtung zu verändern; ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Position einer Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems basierend auf von einem Navigationssatellitensystem empfangenen Signalen zu bestimmen; einen Entfernungsmesser mit einer Messachse, wobei der Entfernungsmesser dazu konfiguriert ist, einen Abstand zwischen einer Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände schneidet, zu messen; und eine Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, - die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente derart anzusteuern, dass die Messachse des Entfernungsmessers in einer Richtung quer zu einer Flugrichtung des Fluggeräts hin und her ausgelenkt wird, - eine Orientierung der Messachse relativ zu der Vertikalrichtung zu bestimmen; - während einer Hin- und Her-Bewegung der Messachse des Entfernungsmessers in der Richtung quer zur Flugrichtung des Fluggeräts mehrmals einen Datensatz zu bestimmen, welcher eine momentane Position der Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems, einen durch den Entfernungsmesser bestimmten momentanen Abstand zwischen der Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände momentan schneidet, und eine momentane Orientierung der Messachse relativ zu der Vertikalrichtung repräsentiert; dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente derart angesteuert wird, dass per 1000 m zurückgelegte Flugstrecke mindestens 10 Hin- und Her-Bewegungen der Messachse um mindestens 1°, bevorzugt mindestens 2°, weiter bevorzugt mindestens 5° und noch mehr bevorzugt mindestens 10° erfolgen.
Fluggerät gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen Träger, welcher einen Antriebsmotor des Fluggeräts und die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente trägt, und wobei der Entfernungsmesser starr mit dem Träger verbunden ist.
Fluggerät gemäß Anspruch 2, ferner umfassend ein fest mit dem Träger verbundenes Orientierungsmesssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Orientierung des Trägers relativ zu der Vertikalrichtung zu ermitteln, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung basierend auf einem Ausgabesignal des Orientierungsmesssystems zu bestimmen.
Fluggerät gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen Träger, welcher einen Antriebsmotor des Fluggeräts und die Fluglagensteuerungskomponente trägt, wobei eine Baugruppe pendelnd an dem Träger aufgehängt ist, wobei der Entfernungsmesser mit der Baugruppe verbunden ist, wobei die Messachse des Entfernungsmessers durch ein Schwingen der Baugruppe in der Richtung quer zur Flugrichtung des Fluggeräts hin und her ausgelenkt wird, und wobei das Schwingen der Baugruppe durch das Ansteuern der Fluglagensteuerungskomponente angeregt wird.
Fluggerät gemäß Anspruch 4, ferner umfassend ein Orientierungsmesssystem, welches dazu konfiguriert ist, die Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung zu ermitteln, wobei das Orientierungsmesssystem an der pendelnden Baugruppe befestigt ist.
Fluggerät gemäß Anspruch 4, ferner umfassend ein Orientierungsmesssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Orientierung der Baugruppe relativ zum Träger zu ermitteln, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung basierend auf einem Ausgabesignal des Orientierungsmesssystems zu bestimmen.
Fluggerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine Fluglagensteuerungskomponente ein beweglich gelagertes Gewicht und/oder ein aerodynamisch wirkendes Ruder und/oder einen Antriebspropeller und/oder eine Antriebsdüse umfasst.
Fluggerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Entfernungsmesser ein optischer Entfernungsmesser ist, welcher eine Messlichtquelle aufweist, welche dazu konfiguriert ist, einen Messlichtstrahl entlang der Messachse zu emittieren.
Handgerät zum Bestimmen einer Topografie eines Geländes, wobei das Handgerät umfasst: ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Position einer Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems basierend auf von einem Navigationssatellitensystem empfangenen Signalen zu bestimmen; einen Entfernungsmesser mit einer Messachse, wobei der Entfernungsmesser dazu konfiguriert ist, einen Abstand zwischen einer Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände schneidet, zu messen; einen Träger, wobei eine Baugruppe pendelnd an dem Träger aufgehängt ist, wobei der Entfernungsmesser mit der Baugruppe verbunden ist, wobei die Messachse des Entfernungsmessers durch eine Schwingung der Baugruppe hin und her auslenkbar ist; ein Dämpfungssystem, welches dazu konfiguriert ist, die Schwingung der Baugruppe zu dämpfen; und eine Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, - eine Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung zu bestimmen; - einen Datensatz zu bestimmen, welcher eine momentane Position der Komponente des Satelliten-Positionsbestimmungssystems, einen durch _ den Entfernungsmesser bestimmten momentanen Abstand zwischen der Komponente des Entfernungsmessers und einem Ort des Geländes, an welchem die Messachse das Gelände momentan schneidet, und eine momentane Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung repräsentiert; dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät mindestens zwei Betriebsmodi aufweist, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Schwingung der Baugruppe mit einem großen Dämpfungsgrad, insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,7 und 1,3 und insbesondere mit einem Dämpfungsgrad zwischen 0,8 und 1,2, gedämpft wird und in einem zweiten Betriebsmodus die Schwingung der Baugruppe mit einem kleineren Dämpfungsgrad als in dem ersten Betriebsmodus, insbesondere einem Dämpfungsgrad zwischen 0,0 und 0,7 und insbesondere einem Dämpfungsgrad zwischen 0,1 und 0,6, gedämpft wird.
Handgerät gemäß Anspruch 9, ferner umfassend ein Orientierungsmesssystem, welches dazu konfiguriert ist, die Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung zu ermitteln, wobei das Orientierungsmesssystem an der Baugruppe befestigt ist.
Handgerät gemäß Anspruch 9, ferner umfassend ein Orientierungsmesssystem, welches dazu konfiguriert ist, eine Orientierung der Baugruppe relativ zum Träger zu ermitteln, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung basierend auf einem Ausgabesignal des Orientierungsmesssystems zu bestimmen.
Handgerät gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Entfernungsmesser ein optischer Entfernungsmesser ist, welcher eine Messlichtquelle aufweist, welche dazu konfiguriert ist, einen Messlichtstrahl entlang der Messachse zu emittieren.
Handgerät gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Dämpfungssystem wenigstens einen Aktuator umfasst, welcher den Dämpfungsgrad, mit welchem die Schwingung der Baugruppe gedämpft wird, einstellen kann, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den Aktuator zu steuern.
Handgerät gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Dämpfungssystem wenigstens eine Komponente umfasst, über welche der Dämpfungsgrad, mit welchem die Schwingung der Baugruppe gedämpft wird, von Hand eingestellt werden kann.
Verfahren zum Bestimmen der Topografie eines Geländes, beinhaltend: laterales Bewegen eines Entfernungsmessers über dem Gelände; passiv-pendelndes Haltern einer Messachse des Entfernungsmessers und Vollführen einer Pendelbewegung mit der Messachse, oder/und festes Haltern einer Messachse des Entfernungsmessers an einem Träger und Vollführen einer Pendelbewegung mit dem Träger, so dass die Messachse fortlaufend verschiedene Geländeorte schneidet; Bestimmen einer Orientierung der Messachse relativ zur Vertikalrichtung; wiederholtes Bestimmen eines Datensatzes, welcher eine momentane Position des Entfernungsmessers, einen durch den Entfernungsmesser gemessenen Abstand des momentan von der Messachse geschnittenen Geländeortes, und eine momentane Orientierung der Messachse umfasst; und rechnerisches Berücksichtigen der momentanen Ausrichtung der Messachse bei der Bestimmung der Topografie anhand der gemessenen momentanen Abstände und Positionen des Entfernungsmessers, gekennzeichnet durch Steuern der vollführten Pendelbewegung so, dass sie mindestens quer zur lateralen Bewegung des Entfernungsmessers, oder in zwei einander entlang einer Schnittgeraden schneidenden Ebenen erfolgt.