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Die Erfindung betrifft ein Sensornetzwerk gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie entsprechende Verwendungen.
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Zur Vermessung von komplexen Höhlensystemen, beispielsweise in Minen, Bergwerken oder Naturhöhlen, künstlichen Röhrensystemen, wie beispielsweise eine Kanalisation einer Stadt, Pipelines, Gebäudesysteme oder beispielsweise hoher Gebäude oder Brücken sind herkömmlicherweise lediglich eingeschränkte Daten der dreidimensionalen Gesamtgeometrie, also auch über die in ihr befindlichen räumlich unterschiedlichen Kenngrößen, wie es beispielsweise eine Gaskonzentration, die Feuchte, ein Temperaturverlauf, eine Wandbeschaffenheit sein können, verfügbar.
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Herkömmlicherweise werden Vermessungen von Höhlen und Röhrensystemen von Menschen durchgeführt. Dabei ist eine 3D-Vermessung sowie die Erfassung entsprechender lokaler Messgrößen, wie es beispielsweise Gasgehalt oder Feuchte sein kann, lediglich manuell möglich. Automatisierte Geräte zur Detektion, wie es beispielsweise fahrbare Roboter sind, werden bei schwer zugänglichen Höhlen oder bei engen Passagen nicht verwendet. In der Kanalisation werden teilweise herkömmlicherweise fahrbare Roboter verwendet.
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Zur Inbetriebnahme und Instandhaltung von beispielsweise Kraftwerken, Brücken, Pipelines usw. wird herkömmlicherweise eine Vielzahl von Fachkräften benötigt. Zum Vermessen wichtiger Betriebsparameter werden lediglich die wichtigsten und oftmals einfach zugänglichen Messstellen instrumentiert. Die Instrumentierung erfordert einen Aufwand an Ressourcen und finanziellen Mitteln zur Ausstattung der Anlage mit geeigneten Sensoren und Messsystemen, der Durchführung der Messungen und der anschließenden Auswertung der anfallenden Daten.
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Wichtige Prozess- und Betriebsparameter werden herkömmlicherweise aus wirtschaftlichen Gründen lediglich temporär überwacht und stehen beispielsweise im Falle von Störungen nicht zur Verfügung.
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Herkömmlicherweise werden aufgrund eines hohen zeitlichen Aufwands einer Instrumentierung, aufgrund der hohen Kosten der Instrumentierung und der hohen Anschaffungskosten der Messsysteme lediglich die wichtigsten System- und Betriebsparameter dauerhaft erfasst. Einzelne, für die Installation und Instandhaltung zusätzliche wichtige Parameter werden lediglich temporär instrumentiert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein eine Vielzahl von Sensoren aufweisendes Sensornetzwerk autonom mit einer Kommunikations-Vernetzung derart bereit zu stellen, dass Messdaten einfach gewonnen werden können. Gewonnene Messdaten sollen in Echtzeit auswertbar, analysierbar und verwendbar sein. Sensoren und Messstationen sollen einfach und kostengünstig ausmessbar, einstellbar, ansteuerbar und/oder mit Energie versorgbar sein. Die Messdaten sollen für eine räumliche 3D-Erfassung einer Umgebung, insbesondere von Hohlräumen, und/oder Erfassung von Betriebsparametern, Steuerung, Inbetriebnahme und Wartung von Vorrichtungen, insbesondere Maschinen und Anlagen, verwendbar sein.
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Die Aufgabe wird mittels eines Sensornetzwerks gemäß dem Hauptanspruch und Verwendungen gemäß den Nebenansprüchen gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Sensornetzwerk mit einer autonom in der Luft bewegbaren und eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen aufweisenden Flugvorrichtung, insbesondere Drohne, vorgeschlagen, wobei die Flugvorrichtung einen mobilen Kommunikations-Hauptknoten aufweist, der mittels einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zum Senden- und/oder Empfangen von Daten und insbesondere von Energie zur Übertragung zu und/oder von Kommunikations-Nebenknoten eingerichtet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird der Betrieb eines Sensornetzwerks vorgeschlagen, wobei der mobile Kommunikations-Hauptknoten mit den Kommunikations-Nebenknoten und diese insbesondere untereinander, Daten, insbesondere zum Messen und/oder Steuern, insbesondere mittels elektromagnetischer Wellen, Schall und/oder Ultraschall austauscht(en).
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird der Betrieb eines Sensornetzwerks vorgeschlagen, wobei der mobile Kommunikations-Hauptknoten, der insbesondere an einer Drohne ausgebildet ist, als 3D-Messsystem dessen Umgebung, insbesondere Hohlräume, Höhlen, Tunnel oder Rohre als Messobjekte, erfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt wird der Betrieb eines Sensornetzwerks vorgeschlagen, wobei der mobile Kommunikations-Hauptknoten, der insbesondere an einer Drohne ausgebildet ist, zum Messen und/oder Steuern, insbesondere zur Inbetriebnahme und Instandhaltung mittels als Sensorknoten wirkender Messstationen von Vorrichtungen, insbesondere Maschinen und Anlagen, geschaffen ist.
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Auf diese Weise können Drohnen für autonomes Fliegen in komplex verzweigten Röhren- und Höhlensystemen eingesetzt werden, um dreidimensionale Kartierungen automatisch zu machen und gleichzeitig physikalische, chemische oder biologische Messgrößen lokal zu bestimmen. Es ist keine Fernsteuerung oder sichtbares Licht erforderlich.
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In für Menschen gefährliche oder schwer zugängliche Bereiche, beispielsweise im Bergbau oder eine Infrastruktur, beispielsweise zur Gasüberwachung bei Gasaustritt, kann die Gefahr von Unfällen wirksam verringert werden.
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Die vorgeschlagene Erfindung ermöglicht es beispielsweise Servicetechnikern, schwer zugängliche Messstellen mit Sensorik auszustatten.
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Mittels der drahtlosen Übertragung von Daten und der Energieautarkie des lokal angebrachten Sensorsystems ist es nun ebenso möglich, interessante Messstellen, die zur Lokalisierung von beispielsweise Störungen von großer Bedeutung sind, herkömmlicherweise aber aus wirtschaftlicher Sicht nicht instrumentiert werden, mit Sensorik auszustatten. Mittels Nahfeldkommunikation kann die Datensicherheit mittels drahtloser Kommunikation über sehr geringe Distanzen erhöht werden. Die erhaltenen Daten können zur Ableitung wichtiger Informationen bezüglich Betriebsverhalten oder Verschleiß verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise Serviceverträge und Instandhaltung bedarfsgerecht zu optimieren. Weiterhin ist vorteilhaft eine Überwachung der einzelnen Sensorsysteme, beispielsweise bezüglich Batteriestatus oder Speicherstatus, ausführbar. Ein dauerhafter Einsatz vieler Messstellen hilft bei der Optimierung des Betriebsverhaltens und kann zur Effizienzsteigerung, beispielsweise einer Kraftwerksanlage, beitragen.
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Ein Kommunikations-Knoten ist hier insbesondere eine Sende-/Empfangseinrichtung in einem Übertragungsnetz. Je nach Priorisierung kann dies ein Haupt- oder Nebenknoten sein.
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Eine Drohne ist insbesondere ein unbemanntes Luftfahrzeug oder Fluggerät, das beispielsweise als ein Quadrocopter ausgebildet sein kann. Antrieb und Auftrieb können insbesondere mittels Rotoren erzeugt werden. Alternative Antriebe sind grundsätzlich ebenso möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Kommunikations-Nebenknoten jeweils mittels einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zum Senden- und/oder Empfangen von Daten und insbesondere von Energie zur Übertragung an und/oder von dem mobilen Kommunikations-Hauptknoten und insbesondere zwischen den Kommunikations-Nebenknoten eingerichtet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kommunikations-Nebenknoten an stationären Messstationen zur Erfassung lokaler Messgrößen ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kommunikations-Nebenknoten an autonom in der Luft bewegbare und jeweils mindestens eine Sensoreinrichtung aufweisende Flugvorrichtungen, insbesondere Drohnen, ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der mobile Kommunikations-Hauptknoten und insbesondere die Kommunikations-Nebenknoten jeweils eine Rechnereinrichtung, eine Datenspeichereinrichtung, eine Energiespeichereinrichtung und/oder eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine jeweilige Sensoreinrichtung mindesten einen/eines/einer aus Abstandssensoren, Drucksensoren und/oder Temperatursensoren, Mikrophonen, Kameras, 3D-Messeinrichtungen, Gassensoren, Sensoren für thermodynamische Größen, Vibrationen und/oder Materialuntersuchungen oder Stoffqualitäten, eine globale und/oder lokale Positionsbestimmungseinrichtung, insbesondere ein Gyrometer und/oder Beschleunigungssensoren aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der mobile Kommunikations-Hauptknoten und insbesondere die Kommunikations-Nebenknoten jeweils ein Spulensystem zur induktiven Ladung und/oder ein Energieerntesystem, insbesondere mittels Thermokopplung oder Vibration, aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine jeweilige Flugvorrichtung einer Heimstation zum elektrischen Aufladen, zur Auswertung von Messdaten und/oder Datenübertragung zugeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Heimstation mittels einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zum Senden- und/oder Empfangen von Daten und insbesondere von Energie zur Übertragung zu und/oder von dem Kommunikations-Hauptknoten eingerichtet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mobile Kommunikations-Hauptknoten als 3D-Messsystem dessen Umgebung, insbesondere Hohlräume, Höhlen, Tunnel oder Rohre als Messobjekte, erfassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an dem mobilen Kommunikations-Hauptknoten ein akustisches System zur Aussendung von Schallwellen angeordnet sein, wobei an den Kommunikations-Nebenknoten Mikrophone angeordnet sein können, die die ausgesendeten Schallwellen empfangen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine den mobilen Kommunikations-Hauptknoten aufweisende Drohne als Mutterdrohne eingerichtet sein, die mittels jeweils einen Kommunikations-Nebenknoten aufweisenden und als Babydrohnen eingerichteten Drohnen eine Kommunikationsstrecke schaffen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mobile Kommunikations-Hauptknoten mittels der Kommunikations-Nebenknoten Maschinen, insbesondere einen Maschinenpark oder eine technische Anlage überwachen, insbesondere ausmessen und/oder steuern.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mobile Kommunikations-Hauptknoten zeitlich alle Messstationen synchronisieren, Sensordaten aggregieren, analysieren und/oder als ein Gateway lokale Daten in eine übergeordnete Datenbank transferieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Kommunikations-Nebenknoten mittels einer mobilen Rechnereinrichtung, insbesondere mittels eines Handys, eines Tabletts oder Laptops, ausgemessen und/oder eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mobile Kommunikations-Hauptknoten jeden Kommunikations-Nebenknoten autonom anfliegen und, insbesondere mittels NFC oder BLE, ausmessen und/oder einstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mobile Kommunikations-Hauptknoten jeden Kommunikations-Nebenknoten nach dessen selbständigen Anmelden autonom anfliegen und aufladen.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensornetzwerks und einer erfindungsgemäßen Verwendung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensornetzwerks und einer erfindungsgemäßen Verwendung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung. 1 zeigt ein Sensornetzwerk mit einer Mutter-Drohne, an der ein Kommunikations-Hauptknoten 1 angeordnet ist. Die Drohne weist eine Vielzahl von Sensoren auf und ist autonom in der Luft bewegbar. Die Sensoren der den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisenden Mutter-Drohne ermöglichen, dass die Mutter-Drohne autonom sich in der Luft bewegt. Zusätzlich sind der Mutter-Drohne Sensoren zugeordnet und insbesondere an der Mutter-Drohne und damit an dem Kommunikations-Hauptknoten 1 positioniert, so dass eine Vielzahl von Messdaten von Messobjekten 3 der Umgebung der Drohne beziehungsweise dem Kommunikations-Hauptknoten 1 erfasst werden können. 1 zeigt ein Höhlensystem als Beispiel eines Messobjekts 3. Die Mutter-Drohne weist ein 3D-Messsystem zur dreidimensionalen Erfassung der Höhle als ein Beispiel für einen Hohlraum auf. Alternativ kann ebenso ein Tunnel- oder Röhrensystem als Messobjekt 3 dreidimensional erfasst werden. 1 zeigt, dass der Mutter-Drohne und damit dem Kommunikations-Hauptknoten 1 zusätzlich eine Anzahl von Baby-Drohnen zugeordnet ist, die jeweils Kommunikations-Nebenknoten 2 aufweisen und/oder ausbilden und als Kommunikationsstationen zum Aufbau einer Kommunikationsstrecke nach außerhalb der Höhle verwendet werden können.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Drohnen mit entsprechender Flugregelung, basierend auf integrierten Abstands-, Druck-, Temperatursensoren, verwendet, die ein kollisionsfreies Fliegen in einem 3D-Hohlraum, beispielsweise Höhlen oder Röhrensystem, ermöglichen.
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Die Drohne, die hier als Mutter-Drohne ausgeführt und dem Kommunikations-Hauptknoten 1 zugeordnet ist, ist mit weiteren Sensoren ausgestattet, beispielsweise mit einer optischen 3D-Messtechnik, die während des Durchfliegens des Höhlensystems eine 3D-Kartografierung durchführen kann, um das Gesamtsystem der Höhle, oder alternativ von Röhren, zu vermessen. Mittels der Integration zusätzlicher Sensoren lassen sich gleichzeitig Messungen durchführen, beispielsweise bezüglich des Zustandes der Umgebung. Dies betrifft beispielsweise die Gaskonzentration, beispielsweise von CO, CO2, O2 oder CH4, ther
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modynamische Größen wie beispielsweise eine Temperaturverteilung, eine Feuchte, eine Strömung und dergleichen, sowie eine Materialuntersuchung der umgebenden Wände, beispielsweise die chemische Zusammensetzung, die Identifikation von Mineralien, Rissbildungen und dergleichen. Die Daten werden auf der den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisenden Drohne gespeichert und mit entsprechenden Algorithmen weiterverarbeitet. Auf diese Weise entsteht eine Kartierung von verschiedenen Messgrößen, die später in einem Rechensystem weiter ausgearbeitet beziehungsweise verwertet werden können.
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Mittels der auf der Drohne mit dem Kommunikations-Hauptknoten 1 hinterlegten 3D-Geometrie des Höhlen- oder Röhrensystems, ist diese Drohne in der Lage, die kollisionsfreie und optimale Flugroute wieder aus der Höhle oder aus dem Röhrensystem heraus zu berechnen. Zur Lokalisierung dieser Drohne im Raum kann beispielsweise GPS oder GPRS verwendet werden oder mittels bereits auf dem Markt verfügbarer Komponenten wie beispielsweise UBlox, die eine intelligente Lokalisierungselektronik vertreiben, wobei eine Indoor-Lokalisierung beispielsweise in der Höhle oder einem Tunnel über Gyrometer, Beschleunigungssensoren und dergleichen und der Verknüpfung mit der letzten Global Positioning System-Position durchgeführt wird. Ein derartiger Ansatz kann ebenso zur Steuerung dieser Drohne mit dem Kommunikations-hauptknoten 1 in dem Höhlensystem 3 verwendet werden, um beispielsweise Transport-Drohnen oder Drohnen für den Einsatz von Rettungsaktionen, beispielsweise für den Transport von Medikamenten, Nahrung, Kommunikation mit Funkmikrofon usw. bereitzustellen.
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Eine einmalige Aufzeichnung beispielsweise eines Röhrensystems als Messobjekt 3 am Tage ermöglicht es, die Daten ebenso für zukünftige weitere Einsätze wie beispielsweise der Erforschung von Stollen aus dem Untertagebau zur Verfügung zu stellen, die heute aufgrund ihrer schweren Zugänglichkeit noch nicht erforscht werden konnten.
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Für den beschriebenen Fall weist die den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisende Drohne mindestens einen Prozessor, einen Datenspeicher, eine Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung der Daten, beispielsweise zu einer Rettungszentrale, eine Lokalisierungsmöglichkeit, beispielsweise mittels GPS oder GPRS, und einen Energiespeicher auf.
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Für den Einsatz der den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisenden Drohne, beispielsweise bei der Bergung von Verschütteten bei Erdbeben oder der Ortung von Personen in einsturzgefährdeten Gebäuden, ist es ebenso denkbar, dass diese Drohne entlang ihrer Flugroute einzelne so genannte Drohnen-Babys positioniert, denen Kommunikations-Nebenknoten 2 zugeordnet werden können, die als Sendeverstärkereinheiten mit denkbarer Intelligenz ausgestaltet sind. Zu Beginn des Einsatzes fliegt der Drohnenschwarm zur möglichen Einsatzstelle, wie es 1 darstellt. Nach und nach setzen sich die einzelnen Drohnen örtlich ab, um eine durchgehende Kommunikation zwischen einer außerhalb des Höhlensystems positionierten Rettungswarte und der als Multisensordrohne ausgeführten Mutter-Drohne mit dem Kommunikations-Hauptknoten 1 herzustellen. Dadurch ist es ebenso möglich, große Funkstrecken zu überbrücken. Das Absetzen der Baby-Drohnen mit den Kommunikations-nebenknoten 2 von der den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisenden Mutterdrohne wird mittels eines auf den einzelnen Drohnen programmierten, intelligenten Algorithmus eines selbstorganisierten Drohnenschwarms bestimmt, so dass die Funkqualität und Robustheit ebenso während des Einsatzes gewährleistet ist. Zur Erhöhung der Robustheit wäre es ebenso denkbar, zwei oder mehrere Baby-Drohnen mit jeweiligen Kommunikations-Nebenknoten 2 an gleicher Stelle oder enger zueinander zu positionieren.
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Ist eine Drohne beispielsweise noch mit einem akustischen System ausgestattet, so ist es möglich, den Drohnenschwarm zur Ortung von Lecks oder Rissen in beispielsweise Pipelines einzusetzen. Die beispielsweise den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisende Mutter-Drohne sendet sein akustisches Signal an der Pipeline ab. Die entlang der Pipeline positionierten Kommunikations-Nebenknoten 2 aufweisenden Baby-Drohnen detektieren das Körperschallsignal der Pipeline. Mittels einer GPS-Lokalisierung und einer Synchronisation des Drohnenschwarms bezüglich der Mutter-Drohnen kann beispielsweise über Time-Of-Flight-Messungen die Oberflächenbeschaffenheit der Pipeline untersucht werden. Eine Pipeline ist in 1 nicht dargestellt.
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Die Verwendung eines Schwarms selbstorganisierender Drohnen ermöglicht eine kostengünstige und risikominimierte Ortsvermessung, beispielsweise im Bergbau oder in einer Kanalisation und eine Überwachung unterschiedlichster Anwendungen. So können beispielsweise Lecks von Öl- oder Gas-Pipelines mittels Monitoring erfasst werden. Die hohe Datenqualität kann allgemein zur verbesserten Simulation und Optimierung eines überwachten Messobjektes 3, beispielsweise von Pipelines, verwendet werden. Die Verwendung beispielsweise einer Kamera oder von beispielsweise Gassensoren, ermöglicht es insbesondere vorhandene Lecks schneller zu lokalisieren und zu schließen. Auf diese Weise werden Wartungskosten wirksam verkleinert. Ebenso im Bereich der Robotik können kostenintensive Robotersysteme zumindest teilweise ersetzt beziehungsweise der kostenintensive Einsatz mittels der Zuhilfenahme mindestens einer Mess-Drohne unterstützt werden.
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1 zeigt ein Multisensor-Sensornetzwerk mit verteilten Sende-/Empfänger-Verstärkereinheiten für eine autonome Vermessung von Höhlen- und Bergbausystemen.
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Es kann eine jeweilige Drohne, aus Mutter- und Babydrohne, eine globale und/oder lokale Positionsbestimmungseinrichtung, insbesondere ein dreiachsiger Gyrometer, Sensoren zur Höhenbestimmung und/oder Beschleunigungssensoren, sowie z.B. GPS/ GSM (globales Positionsbestimmungssystem/ globales System für mobile Kommunikation) zur Positionsbestimmung aufweisen. Die Höhe beziehungsweise der Abstand der Drohne beispielsweise zur Röhrenwand kann über Ultraschallsensoren detektiert werden. Drucksensoren zur Höhenbestimmung sind aufgrund der Druckschwankungen nachteilig. Die Lokalisierung mittels GPS oder GSM ist vor allem in abgeschlossenen Gebäuden, Röhrensystem etc. kaum bzw. gar nicht möglich. Abgeschlossen Gebäude etc. haben keinen Sichtkontakt zu Satelliten. Zur Lokalisierung innerhalb der abgeschlossenen kann die Ortung durch folgende Features möglich sein, und zwar optisch, drei dimensionale Bildaufnahmen, Bewegungsmuster aus Ultraschallaufnahmen und Gyrometer, Beschleunigungssensoren und Aufzeichnen der Bewegungsmuster und Hinterlegen um den Weg zur Basisstation zu kommunizieren, Akustisch, und zwar akustisches Abbilden, wie es Fledermäuse ausführen.
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Darüber hinaus können die Mutterdrohnen mit einer Lichtquelle ausgestattet werden. Dadurch kann der außerhalb des Röhrensystems eingesetzte Forscher, Techniker etc. zeitnah Einblick über die Geschehnisse im Inneren erhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bildqualität verbessert wird.
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Zur Wartung an einer Maschine kann die Positionierung der einzelnen Babydrohnen so erfolgen, dass diese sich beispielsweise an mit unterschiedlichen Abständen bzgl. eines Spots (Leck an einer Pipeline) ausrichten. An der Position des Lecks ist der Abstand (beispielsweise 0,1m) am geringsten. Die Orientierung kann dabei je nach Anwendung variieren.
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Die einzelnen Babydrohnen können so abgesetzt werden, dass die Empfangsqualität zwischen den einzelnen Babydrohnen zur Kommunikation ausreichend ist. Über die Babydrohnen kann beispielsweise eine Kommunikation mit der Mutterdrohne hergestellt werden. Die Mutterdrohne ist diejenige Drohne, die Höhle untersucht. Die Ausstattung der Mutterdrohne und der Babydrohnen kann unterschiedlich sein. Die Drohnenbabys können mittels intelligenter Algorithmen zur Datenaggregation, analyse etc. betrieben werden und beispielsweise eine Schnittstelle besitzen.
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In abgeschlossenen Gebäuden, Röhren etc. ist die Kommunikation über das Drohnennetz herstellbar. Die Kommunikation erfolgt z.B. über WiFi oder bei hoher Feuchte per Ultraschall. Die Drohnenbabys dienen primär als Sendeverstärker mit intelligenten Algorithmen zur Datenaggregation, -analyse und dergleichen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung. 2 zeigt ein Sensornetzwerk mit einer einen Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisenden und/oder ausbildenden Drohne, die eine Vielzahl von Sensoren derart aufweist, dass die Drohne autonom in der Luft beweglich ist. Zudem weist die Drohne eine Vielzahl von Messdaten von Messstationen 5 der Umgebung der Drohne erfassenden Sensoren auf. 2 zeigt damit ein Multisensor-Sensornetzwerk. Eine Heimstation 7 weist dabei eine Ladestation auf, die zum Aufladen eines Energiespeichers der Drohne dient. Des Weiteren findet mittels der Heimstation 7 eine Auswertung der Messdaten und eine Übertragung der wichtigsten Parameter statt. Der in der Heimstation 7 eingebaute Energiespeicher kann beispielsweise mittels einer Solaranlage 9 gespeist werden. Die verschiedenen Messstationen 5 führen eine dezentrale Signalverarbeitung aus. Darüber hinaus weisen die Messstationen 5 eine Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise eine NFC-Schnittstelle (eine Nahfeldkommunikation-Schnittstelle), einen lokalen Energie- und einen lokalen Datenspeicher auf. Mittels der Drohne können Daten aus den einzelnen Messstationen 5 ausgelesen werden. Ebenso kann mittels der Drohne eine Übertragung wichtiger Einstellparameter, wie es beispielsweise eine Abtastrate oder ein Messbereich sein können, übertragen. Ebenso kann mittels der Drohne eine Versorgung der Messstationen 5 mit Energie ausgeführt werden. Hierzu kann sich zum Beispiel eine jeweilige Messstation 5 selbständig zum Laden anmelden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist eine Drohne als ein mobiler Kommunikations-Hauptknoten 1 ausgebildet. Die Messstationen können vorteilhaft als Kommunikations-Nebenknoten 5 geschaffen sein, die den Kommunikations-Hauptknoten 1 aufweisende Drohne kann auf diese Weise den Messstationen zugeordnete Vorrichtungen, insbesondere Maschinen und Anlagen, erfassen und/oder steuern.
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Zur dauerhaften Überwachung von Systemen wird erfindungsgemäß ein intelligentes Sensornetzwerk verwendet. Dieses besteht aus vielen Sensorknoten als ein Cyber Physical Systemen – CPS und beispielsweise dem mobilen Master-Knoten, der mittels der Drohne bereitgestellt wird. Dieser Kommunikations-Hauptknoten 1 oder Master-Knoten beziehungsweise Masternode ist für eine zeitliche Synchronisation innerhalb des Netzes verantwortlich und koordiniert übergeordnet die Kommunikation innerhalb des Sensornetzes der Kommunikations-Nebenknoten 5 ausbildenden und/oder aufweisenden Messstationen. Das Sensornetz kann dabei als Stern- oder Gittertopologie aufgebaut sein. Des Weiteren dient die Drohne als mobiler Master-Knoten und damit als Kommunikations-Hauptknoten 1 für das Aggregieren der Sensordaten und den Transfer lokaler Daten, beispielsweise einer Maschinenhalle, in eine übergeordnete Datenbank, die beispielsweise als Cloud oder Wolke ausgeführt ist. Der Master-Knoten oder Kommunikations-Hauptknoten 1 der Drohne kann ebenso die Funktion eines Gateways übernehmen. Das Gateway verbindet das Netz der Messstationen und Kommunikations-Nebenknoten 5 und der den Kommunikations-Hauptknoten 1 ausbildenden Drohne mit übergeordneten Daten- und Analysesystemen, die beispielsweise als Cloud oder Wolke oder Service-Apps bereitgestellt sind. An den einzelnen als Sensorknoten ausgebildeten Kommunikations-Nebenknoten 5 der Messstationen können verschiedene Sensoren zur Messung beispielsweise von Feuchte, Ölqualität, Druck, Temperatur, Vibration usw. angeschlossen sein, um unterschiedlichste Aufgaben aus dem Bereich beispielsweise zustandsberuhender Wartung, zustandsberuhender Überwachung und dergleichen zu übernehmen. Die kleinste Ausstattung eines Sensorknotens einer Messstation weist dabei einen kleinen Mikrocontroller oder Prozessor, einen Speicher und onboard oder externe Schnittstellen zum Anschluss eines Sensors an den Knoten und eine Schnittstelle des Sensorknotens an die übergeordnete Netzstruktur auf. Mit Hilfe eines derartigen Systems ist es möglich, Messdaten aufzuzeichnen und dezentral zu verarbeiten. Dadurch kann die notwendige Datentransferrate für ein kontinuierliches Übertragen der Daten zu dem zentralen Kommunikations-Hauptknoten 1 der Drohne reduziert werden. Darüber hinaus werden mittels der bereits auf dem Sensorknoten der Messstation durchgeführten dezentralen Verarbeitung die Rohdaten vor unerlaubten externen Zugriffen geschützt. Der Einsatz ereignisbasierter Algorithmen ermöglicht es zusätzlich, dass das System überwiegend im Bereitschaftsmodus betrieben werden kann, um so einen Energieverbrauch auf das Nötigste zu minimieren.
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Aufgrund der hohen Kosten von industrietauglicher Verdrahtung in rauer Umgebung, beispielsweise bei Öl oder Hitze, und einer möglichen hohen Anzahl von als Sensorknoten ausgebildeten Kommunikations-Nebenknoten 5 der Messstationen, sollen die Daten mittels drahtloser Kommunikation von dem Sensorknoten der Messstation auf den mobilen Kommunikations-Hauptknoten 1 der Drohne, beispielsweise mittels Nahfeldkommunikation, übertragen werden. Aufgrund der ausgeführten Nahfeldkommunikation kann die Datensicherheit und die Robustheit der Datenübertragung erhöht werden. Große Stecken, die beispielsweise per WLAN überbrückt werden, benötigen viel Energie. Darüber hinaus werden die Funkkanäle, beispielsweise bei 2,4 GHz von anderen Nutzern mitverwendet, so dass bei einer Überlastung eines Funkkanals eine sichere Übertragung von Daten an einem zentral positionierten Master-Knoten nicht mehr gewährleistet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines mobilen Master-Knotens mittels einer Drohne 1 wird dieses Problem übergangen.
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Die als mobiler Kommunikations-Hauptknoten 1 ausgeführte Drohne weist insbesondere ein Positionsbestimmungssystem, beispielsweise GPS oder GPRS, zur autonomen Lokalisierung und Orientierung im Raum und zur Synchronisation, eine Kommunikationsschnittstelle zum Abgriff der Daten von den einzelnen als Sensorknoten ausgebildeten Kommunikations-Nebenknoten 5 der Messstationen, einen Datenspeicher, einen Prozessor, beispielsweise einen Mikro-Controller, einen Energiespeicher, aus dem die einzelnen Energiespeicher der Sensorknoten der Messstationen geladen werden können, sowie ein Spulensystem zur induktiven Ladung eines Sensorknotens der Messstation auf.
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Neben der minimalen Ausstattung der als Sensorknoten ausgebildeten Kommunikations-Nebenknoten 5 der Messstationen ist es ebenso möglich, diese zusätzlich mit beispielsweise Energieernteeinrichtungen oder GPS-Empfänger zu erweitern. Der Ausbau des Sensorsystems zu einem energieautarken Sensorsystem erfordert jedoch, dass an jeder Messstation, der Einsatz von Energieernteeinrichtungen möglich ist. Dies können beispielsweise Thermokopplungseinrichtungen oder Vibrationsnutzeinrichtungen sein. Ist dies nicht möglich, so ist ebenso denkbar, an dem Sensorsystem einen Energiespeicher zu verwenden, der beispielsweise mittels induktiver Ladung aufgeladen werden kann. Das Aufladen kann dann beispielsweise ebenso mittels der als mobiler Master-Knoten 1 ausgeführten Drohne erfolgen. Diese würde bei der Abholung der Daten aus den jeweiligen als Sensorknoten ausgebildeten Kommunikations-Nebenknoten 5 der Messstation, den lokalen Batteriespeicher der den Sensorknoten ausbildenden Messstation, beispielsweise induktiv, laden.
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Das Multisensor-Sensornetzwerk gemäß 2 dient zur Abfrage von Sensordaten in sehr großen, räumlich verteilten Sensornetzen. Das Sensornetz kann beispielsweise in einem Kraftwerk verwendet werden. Durch die hohe räumliche Verteilung innerhalb eines Kraftwerkes ist es notwendig, viele Leitungen zu den einzelnen Messstationen zu verlegen oder viele so genannte Koordinaten/Router in dem Kraftwerk herkömmlicherweise zu verteilen, um die Daten zwischen den Sensorknoten und einem zentral befestigten Masterknoten zu übertragen. Aufgrund vieler metallischer Gegenstände, beispielsweise Kühlwasserrohre, Gasturbinen, Dampfturbinen oder Schaltschränken, ist eine robuste Übertragung nicht immer gewährleistet. Für derartige Anwendung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen intelligenten Sensornetzes mit unterschiedlichen Kommunikations-Nebenknoten 5 ausbildenden Messstationen und der einen mobilen Masterknoten 1 bereitstellenden Drohne bestens geeignet. Alternativ können die Daten der Kommunikations-Nebenknoten 5 ausbildenden Messstationen ebenso direkt mittels beispielsweise Nahfeldkommunikation ausgelesen und mittels einer Service-App auf einem mobilen Rechner, wie es beispielsweise ein Handy oder ein Tablet ist, visualisiert werden, um eine Vor-Ort-Analyse oder eine Sensorknotenkonfiguration auszuführen.
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Der Einsatz einer Lokalisierung beispielsweise mittels GPS ermöglicht ein autonomes Fliegen der als mobiler Masterknoten 1 bereitgestellten Drohne und ein selbständiges Auslesen der Messdaten an den einzelnen Messstationen. Vorteilhaft können die einzelnen Messstationen mittels induktivem Laden mittels der Drohne elektrisch versorgt werden. Mittels einer dezentralen Datenverarbeitung und Datenanalyse vor Ort an den Messstationen können die Rohdaten vor unerlaubtem Zugriff geschützt werden.
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Im Fall der Verwendung des einfach an einer Drohne angeordneten mobilen Kommunikations-Hauptknotens zur Wartung, Datenabfrage etc. stationierter Knoten an z.B. Maschinen in Maschinenparks kann die Kommunikation über bekannte Standards wie beispielsweise WLAN, BLE, 6LoWPan erfolgen.
