DE102017108733B4 - System and methods for remote monitoring of drones and aircraft for safety and health surveillance - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Schätzen der Masse eines Luftfahrzeugs (100,302,401) mit einem Antriebssystem mit einem oder mehreren rotierenden Teilen (101, 501), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Erfassung der momentanen Position des Fahrzeugs (100, 302, 401) in Bezug auf einen Bezugspunkt in den drei Raumkoordinaten x, y, z;- Erfassung der momentanen Drehgeschwindigkeit eines oder mehrerer rotierender Teile (101, 501) des Antriebssystems des Fahrzeugs;- Verarbeitung sowohl der momentanen Position des Fahrzeugs (100, 302, 401) als auch der momentanen Drehgeschwindigkeit des einen oder mehrerer rotierender Teile (101,501) zur Abschätzung der Fahrzeugmasse und der Flugeigenschaften des genannten Fahrzeugs (100,302,401), dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der momentanen Drehgeschwindigkeit des einen oder mehrerer rotierender Teile (101, 501) Folgendes umfasst:- eine Fernmessung der Oberflächenschwingung des Fahrzeugs (100, 302, 401) unter Verwendung eines Laser-Doppler-Vibrometers (LDV) (406); und- Signalverarbeitung der gemessenen Oberflächenschwingung.Method for estimating the mass of an aircraft (100,302,401) with a propulsion system with one or more rotating parts (101,501), the method comprising the following steps:- detecting the current position of the vehicle (100,302,401) with respect to a reference point in the three space coordinates x, y, z;- detecting the instantaneous rotational speed of one or more rotating parts (101, 501) of the drive system of the vehicle;- processing both the instantaneous position of the vehicle (100, 302, 401) and the instantaneous rotational speed of the one or more rotating parts (101,501) for estimating vehicle mass and flight characteristics of said vehicle (100,302,401), characterized in that detecting the instantaneous rotational speed of the one or more rotating parts (101,501) comprises:- a Remotely measuring the surface vibration of the vehicle (100, 302, 401) using a laser Doppler vibrome ters (LDV) (406); and- signal processing of the measured surface vibration.
Description
Es gibt eine erhöhte Nachfrage nach unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), oder Drohnen im Allgemeinen für viele zivile Anwendungen, z. B. Transport, Rettung und Überwachung. Gleichzeitig hat sich das Risiko des illegalen Gebrauchs von Drohnen in Bezug auf Datenschutzverletzungen, Spionage und Terrorismus stark erhöht. Der gegenwärtige Stand der Technik umfasst viele Drohnenerkennungs- und -identifikationssysteme, die auf verschiedenen Erfassungstechnologien und Verarbeitungsverfahren basieren. Beispiele hierfür sind: 1) Akustische Sensoren: Drohnen erzeugen relativ laute akustische Geräusche durch ihre Propeller, Motoren und Antriebe. Geeignete akustische Sensoren werden verwendet, um Drohnengeräusche in den Zeit- und Frequenzbereichen (z. B. Frequenzspektrum) zu erfassen und zu analysieren, um ihre einzigartige akustische Signatur im Vergleich zu anderen Geräuschen zu identifizieren, die von Nichtdrohnen-Geräuschquellen erzeugt werden. Diese Signaturen können direkt ausgewertet oder/und mit vorab gespeicherten Datenbanken verglichen werden, um Drohnenfähigkeiten, Hersteller und Risiken zu erkennen. Beispiele für diesen Ansatz:
2) Bild- und Videoüberwachung: Alle Arten von optischen Bildern, wie Schnappschüsse, Bilder aus Video- / Filmaufnahmen und Wärmebilder, werden dazu verwendet, Signaturen für die Form der Drohne und alle Erscheinungsaspekte zu extrahieren. Diese Signaturen können direkt ausgewertet und / oder mit vorab gespeicherten Datenbanken verglichen werden, um Drohnenfähigkeiten, Hersteller und Risiken zu erkennen. Beispiel für diesen Ansatz:
3) Funkfrequenzsensoren: Eine der Erkennungsmethoden basiert auf dem Detektieren von drahtlosen RF-Signalen zwischen einer Drohne und ihrer Fernsteuereinheit. Diese Signale können Steuersignale oder / und Videoströme zwischen einer Drohne und einer entfernten Einheit sein. Durch die Analyse dieser Signale können relevante Signaturen extrahiert werden. Diese Signaturen können direkt ausgewertet und / oder mit vorab gespeicherten Datenbanken verglichen werden, um Drohnenfähigkeiten, Hersteller und Risiken zu erkennen. Beispiel für diesen Ansatz:
Derzeit verfügbare Methoden sind nicht in der Lage, detaillierte Informationen zu einem angepeilten Luftfahrzeug zu liefern, wie zum Beispiel das Bruttogewicht (einschließlich Nutzlast) oder den Wartungszustand des Fahrzeugs und seiner rotierenden Teile. Die Sicherheitsvorschriften für Drohnen in den USA und Deutschland basieren zum Beispiel auf ihrem Gewicht. Das Drohnengewicht ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, um den Transport von gefährlichen Materialien wie Spionageausrüstung, Bomben oder Sprengstoffe zu verhindern. Die Informationen über den Wartungszustand, wie zum Beispiel Verschleiß und Alterung der Komponenten, Defekte oder Komponentenfehler sind ebenfalls wichtig, um Fahrzeugversagen und resultierende Unfälle vorherzusagen und zu vermeiden Akustische Sensoren sind empfindlich gegenüber Hintergrundgeräuschen, die bei lauten sensiblen Bereichen wie Flughäfen und Sportveranstaltungen unvermeidlich sind. Darüber hinaus weisen bestimmte Drohnentypen insbesondere bei großen Entfernungen ein geringes akustisches Geräusch auf. Probleme wie Hintergrundrauschen und schwache Drohnengeräuschemissionen können bei der Signaturextraktion zu häufigen und teuren Fehlalarmen führen.Currently available methods are unable to provide detailed information about a targeted aircraft, such as the gross weight (including payload) or the maintenance status of the vehicle and its rotating parts. For example, safety regulations for drones in the US and Germany are based on their weight. The drone weight is an important security feature to prevent the transport of dangerous materials such as spy equipment, bombs or explosives. The information about the maintenance status, such as wear and aging of the components, defects or component errors is also important to predict and avoid vehicle failures and resulting accidents. Acoustic sensors are sensitive to background noise, which is unavoidable in noisy sensitive areas such as airports and sporting events. In addition, certain types of drones have low acoustic noise, especially at long distances. Issues like background noise and weak drone noise emissions can lead to frequent and expensive false positives during signature extraction.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Drehflügel-Luftfahrzeugs ist aus der
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren und Systeme zur Fernüberwachung von Luftfahrzeugen bereitzustellen, die verbesserte Fähigkeiten aufweisen, um die erwähnten Nachteile zu verringern.An object of the invention is to provide methods and systems for remote aircraft monitoring which have improved capabilities to reduce the disadvantages mentioned.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schätzen der Masse eines Luftfahrzeugs mit einem Antriebssystem mit einem oder mehreren rotierenden Teilen gelöst, das die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.This object is achieved by a method for estimating the mass of an aircraft with a propulsion system with one or more rotating parts, which has the features of
Der Ausdruck „Luftfahrzeug“, wie er durch die Erfindung verstanden wird, umfasst jedes Objekt, bemannt oder unbemannt, das sich auf einer kontrollierten Flugbahn frei von Bodenkontakt durch die Luft fortbewegen kann. Dies umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein: Drohnen, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), Starrflügelflugzeuge, Drehflügelflugzeuge, Hubschrauber und Raketen.The term "aircraft" as understood by the invention includes any object, manned or unmanned, that can propel itself through the air on a controlled trajectory free of ground contact. This includes but is not limited to: drones, unmanned aerial vehicles (UAVs), fixed wing aircraft, rotary wing aircraft, helicopters and missiles.
Das eine oder die mehreren rotierenden Teile des Fahrzeugs können Rotorblätter, Propellerblätter, Turbinenblätter, Strahl- / Gaskompressoren, Kolbenmotoren oder ähnliche Teile darstellen.The one or more rotating parts of the vehicle may represent rotor blades, propeller blades, turbine blades, jet/gas compressors, piston engines, or similar parts.
Die Verarbeitung des momentanen Ortes und der momentanen Drehgeschwindigkeit kann ferner die folgenden Schritte umfassen: Aufzeichnen und Verarbeiten eines Satzes von aufeinanderfolgenden Aufnahmen der momentanen Orte des Fahrzeugs, um die entsprechende momentane Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugs zu berechnen; Einsetzen des momentanen Ortes, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Fahrzeugs in einen ersten Satz von Polynom- und / oder Differentialgleichungen eines ersten Satzes unbekannter Koeffizienten, um Parameterformeln für den momentan verbrauchten Schub, die Energie und Leistung des Fahrzeugs zu bilden; Ersetzen eines Satzes der momentanen Drehgeschwindigkeiten der rotierenden Teile in einem zweiten Satz von Polynom- und / oder Differentialgleichungen eines zweiten Satzes unbekannter Koeffizienten zur Bildung parametrischer Formeln für augenblicklich erzeugten Schub, Energie und Leistung des Fahrzeugs; Bildung eines kombinierten Satzes von Polynom- und / oder Differentialgleichungen aus dem ersten Satz von Gleichungen und dem zweiten Satz von Gleichungen unter Verwendung folgender Grundbedingungen: dass die Summe der parametrisierten verbrauchten Schubkraft und der parametrisch erzeugten Schubkraft gleich Null ist und / oder die Summe der parametrisch erzeugten Energie und der parametrisch verbrauchten Energie gleich Null ist; numerisches Lösen des kombinierten Gleichungssatzes für den erzeugten und den verbrauchten Schub, die Energie und die Leistung unter Verwendung ausreichender Aufnahmen der Orte und der Drehzahlen, zum Schätzen der unbekannten Koeffizienten, die in dem kombinierten Satz von Gleichungen enthalten sind; wobei mindestens ein Koeffizient des ersten oder zweiten Satzes unbekannter Koeffizienten die Fahrzeugmasse darstellt.The processing of the current location and the current rate of rotation may further comprise the steps of: recording and processing a set of consecutive recordings of the current locations of the vehicle to calculate the corresponding current speed and acceleration of the vehicle; insertion of the current one location, velocity and acceleration of the vehicle into a first set of polynomial and/or differential equations of a first set of unknown coefficients to form parametric formulas for instantaneous expended thrust, energy and power of the vehicle; substituting a set of the instantaneous rotational speeds of the rotating parts in a second set of polynomial and/or differential equations of a second set of unknown coefficients to form parametric formulas for instantaneously produced thrust, energy and power of the vehicle; Formation of a combined set of polynomial and/or differential equations from the first set of equations and the second set of equations using the following basic conditions: that the sum of the parametrized thrust force consumed and the parametrically generated thrust force equal zero and/or the sum of the parametrically generated energy and the parametrically consumed energy is equal to zero; numerically solving the combined set of generated and consumed thrust, energy and power equations, using sufficient mappings of the locations and speeds, to estimate the unknown coefficients contained in the combined set of equations; wherein at least one of the first or second set of unknown coefficients represents vehicle mass.
Die Verarbeitung des Satzes von aufeinanderfolgenden Abtastwerten der momentanen Orte kann die Anwendung von Kalman-Filtern, Zustandsschätzern, Beobachtern oder numerischen Differenzierern beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt.The processing of the set of consecutive samples of the current locations may include, but is not limited to, the application of Kalman filters, state estimators, observers, or numerical differentiators.
In einigen Ausführungsformen kann das Erfassen der momentanen Drehgeschwindigkeit eines oder der mehrerer rotierender Teile umfassen: eine Fernmessung des Fahrzeuggeräuschs unter Verwendung eines akustischen Sensors; und Signalverarbeitung des akustischen Geräuschs unter Verwendung der Zeitwellenform und / oder des Frequenzspektrums, um die Drehgeschwindigkeit des einen oder der mehreren rotierenden Teile des Fahrzeugs zu extrahieren.In some embodiments, sensing the instantaneous rotational speed of one or more rotating parts may include: remotely sensing vehicle noise using an acoustic sensor; and signal processing the acoustic noise using the time waveform and/or the frequency spectrum to extract the rotational speed of the one or more rotating parts of the vehicle.
Die Verarbeitung des akustischen Geräuschs kann die Anwendung bekannter Signalverarbeitungsverfahren wie Frequenzspektrumvergleich, zyklostationäre Korrelation, Blattdurchlauffrequenz und Analyse der momentanen Energie umfassen.The processing of the acoustic noise may involve the application of known signal processing methods such as frequency spectrum comparison, cyclostationary correlation, blade sweep frequency and instantaneous energy analysis.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das Erfassen der momentanen Drehgeschwindigkeit der genannten ein oder mehreren rotierenden Teile: eine Fernmessung von Oberflächenschwingungen des Fahrzeugs unter Verwendung eines Laser-Doppler-Vibrometers (LDV); und eine Signalverarbeitung der gemessenen Oberflächenvibration.In the method according to the invention, detecting the instantaneous rotational speed of said one or more rotating parts comprises: a remote measurement of surface vibrations of the vehicle using a Laser Doppler Vibrometer (LDV); and signal processing of the measured surface vibration.
Die Signalverarbeitung der gemessenen Oberflächenvibration kann ferner Folgendes umfassen: Anwenden einer Zeitwellenform und / oder eines Frequenzspektrumvergleichs, um die Drehgeschwindigkeit des einen oder mehrerer rotierender Teile des Fahrzeugs zu extrahieren.Signal processing of the measured surface vibration may further include: applying a time waveform and/or a frequency spectrum comparison to extract the rotational speed of the one or more rotating parts of the vehicle.
Der Wellenform- und / oder Frequenzspektrumsvergleich kann eine Anwendungbekannter Signalverarbeitungsverfahren wie Frequenzspektrumvergleich, zyklostationärer Korrelation, Blattdurchlauffrequenz und / oder momentaner Energieanalyse beinhalten.The waveform and/or frequency spectrum comparison may involve an application of known signal processing techniques such as frequency spectrum comparison, cyclostationary correlation, blade sweep frequency, and/or instantaneous energy analysis.
In einigen Ausführungsformen kann das Erfassen der momentanen Drehgeschwindigkeit das eine genannte oder mehrere rotierende Teile des Fahrzeugs umfassen: Anwenden einer Signalverarbeitung auf Abstandssignale zwischen Propellern oder Rotorblättern und einem Bezugspunkt, der durch eine Laser-Entfernungsmesseinrichtung gemessen wird; wobei die Signalverarbeitung das Extrahieren von Zeit- und / oder Frequenzmerkmalen aus dem Abstandssignal beinhaltet, die mit der momentanen Drehgeschwindigkeit des einen oder der mehreren rotierenden Teile synchronisiert sind.In some embodiments, detecting the instantaneous rotational speed of said one or more rotating parts of the vehicle may include: applying signal processing to distance signals between propellers or rotor blades and a reference point measured by a laser range finder; wherein the signal processing includes extracting from the distance signal time and/or frequency features that are synchronized with the instantaneous rotational speed of the one or more rotating parts.
Bei der Messung der Entfernung des Fahrzeugs von einem Referenzpunkt mit darauf basierenden Entfernungsmessgeräten können periodische Schwankungen, Störungen oder Fehler in dem gemessenen Abstandssignal auftreten, die durch rotierende Teile verursacht werden, die durch den für die Messung verwendeten Laserstrahl verlaufen. Solche Variationen können wiederum durch bekannte Signalverarbeitungsverfahren wie Zeitwellenform oder Frequenzspektrumanalyse verarbeitet werden. Solche Verfahren können einen Frequenzspektrumsvergleich, eine zyklostationäre Korrelation, eine Blattdurchlauffrequenz, eine Winkel-Neuabtastung und / oder eine Momentan-Energie-Analyse umfassen.When measuring the distance of the vehicle from a reference point with distance measuring devices based on it, periodic fluctuations, disturbances or errors in the measured distance signal can occur, which are caused by rotating parts passing through the laser beam used for the measurement. Such variations can in turn be processed by known signal processing techniques such as time waveform or frequency spectrum analysis. Such methods may include frequency spectrum comparison, cyclostationary correlation, blade sweep frequency, angle resampling, and/or instantaneous energy analysis.
In weiteren Ausführungsformen kann die Oberflächenvibration des Fahrzeugs, die durch das Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) gemessen wird, mit digitalen oder analogen Verfahren aufgezeichnet werden, und bearbeitet werden, um Verschleiß, Fehler und Ausfälle der besagten Fahrzeugkomponenten zu überwachen; diese Verarbeitung kann in eine zustandsbasierte Wartung integriert werden.In further embodiments, the surface vibration of the vehicle measured by the Laser Doppler Vibrometer (LDV) can be recorded using digital or analog methods, and processed to monitor wear, failures and failures of said vehicle components; this processing can be integrated into condition-based maintenance.
Die Verarbeitung der Oberflächenvibration kann ferner Folgendes umfassen: Anwenden eines Zeitwellenform- und / oder Frequenzspektrumsvergleichs zum Extrahieren von Signaturen, die mit Verschleißgrad, Fehlern und Störungen des Fahrzeugs korreliert sind.Surface vibration processing may further include: applying a time waveform and/or frequency spectrum comparison to extract signatures compatible with Ver degree of wear, faults and malfunctions of the vehicle are correlated.
Die durch das Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) gemessene Oberflächenvibration des Fahrzeugs kann ferner über digitale oder analoge Verfahren aufgezeichnet und verarbeitet werden und zum Klassifizieren der Signaturen des Fahrzeugs genutzt werden; diese Signaturen werden gespeichert, um verschiedene Hersteller und Flugeigenschaften des Fahrzeugs zu vergleichen.The surface vibration of the vehicle measured by the Laser Doppler Vibrometer (LDV) can also be recorded and processed via digital or analog methods and used to classify the vehicle's signatures; these signatures are stored to compare different vehicle manufacturers and flight characteristics.
In anderen Ausführungsformen kann das akustische Geräusch des Fahrzeugs weiterhin über digitale oder analoge Verfahren aufgezeichnet und verarbeitet werden, um Verschleiß, Fehler und Störungen der Fahrzeugkomponenten zu überwachen, und zwar unter Anwendung der Zeitwellenform und / oder Frequenz-Spektrenvergleichs, um Signaturen zu extrahieren, die mit dem Verschleißgrad oder Fehlertyp des Fahrzeugs korreliert sind.In other embodiments, the vehicle's acoustic noise may be further recorded and processed via digital or analog methods to monitor vehicle component wear, failures and failures, using time waveform and/or frequency spectrum comparison to extract signatures that are correlated with the degree of wear or type of failure of the vehicle.
Die Aufzeichnung und Verarbeitung von Vibrationen und / oder akustischem Rauschen kann in Kombination mit oder unabhängig von den Schätzverfahren verwendet werden, bei denen die Fahrzeugmasse wie oben beschrieben geschätzt wird.Vibration and/or acoustic noise recording and processing may be used in combination with or independently of the estimation methods that estimate vehicle mass as described above.
Die oben erwähnten Signaturen können, ohne Beschränkung nur hierauf, umfassen: die quadratische Energie des gesamten Schwingungssignals, die mittlere quadratische Energie eines Satzes von bandpassgefilterten Segmenten des gesamten Schwingungssignals, das Frequenzspektrums, die Schwingungsbandbreite, eine zyklostationäre Korrelation, spektrale Kurtosis und eine Winkel-Resampling-Technik.The signatures mentioned above can include, but are not limited to: the square energy of the entire vibration signal, the mean square energy of a set of bandpass filtered segments of the entire vibration signal, the frequency spectrum, the vibration bandwidth, a cyclostationary correlation, spectral kurtosis, and an angle resampling -Technology.
Diese Erfindung beinhaltet drei neuartige Teile: erstens ein Verfahren, um das Drohnengewicht, einschließlich der Nutzlast, während des Fluges unter Verwendung der Oberflächenschwingung sowie der momentanen Flugposition der Drohne aus der Ferne zu schätzen. Zweitens, zwei laserbasierte Methoden zur Fernmessung von Oberflächenvibrationen fliegender Drohnen. Drittens, eine Methode, um die einzigartige Signatur der Oberflächenvibration der Drohne zum Zwecke der Identifizierung verschiedener Drohnen zu extrahieren, und um die die Überwachung des Verschleißzustands der Drohne sowie von Fehlern und Störungen von Drohnen als vorausschauendes Wartungssystem vorzunehmen.This invention involves three novel parts: first, a method to remotely estimate drone weight, including payload, in flight using surface vibration and the drone's current flight position. Second, two laser-based methods for remotely measuring surface vibrations of flying drones. Third, a method to extract the unique signature of the drone's surface vibration for the purpose of identifying different drones, and to undertake the monitoring of the drone's wear status, failures and malfunctions of drones as a predictive maintenance system.
Einige mögliche Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben. Diese zeigen Folgendes:
Diese Methode ist anwendbar auf alle bemannten und unbemannten Flugzeuge und Drohnen, wie z.B. Starrflügler, Drehflügler und Helikopter, Flugzeuge mit elektrischen und nichtelektrischen Antrieben und Raketen. Hier wird sie als Beispiel für eine Multirotor-Quadcopter-Drohne erläutert.This method is applicable to all manned and unmanned aircraft and drones, such as fixed-wing aircraft, rotorcraft and helicopters, aircraft with electric and non-electric engines and rockets. Here it is explained as an example of a multi-rotor quadcopter drone.
Die Bewegungsgleichung (EOM) des Fahrzeugs 100 in Bezug auf den Rahmen 110 kann wie folgt durch das folgende dynamische Modell beschrieben werden:
Es gibt viele Positionierungsmethoden zur Schätzung P und R wie typische RF-Radar-, Laser-Radar-, Tonlokalisierungs- oder Kamerapositionierungssysteme. Eine Menge von n Positionierungspunkten oder Aufnahmen, d.h. (P (1), P (2), ...P(n)) sind erforderlich, mit einem Zeitstempel, um den momentanen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektor zu schätzen (siehe Gl. (1)). Die restlichen Variablen in Gl. (1) sind: der gesamte erzeugte Schub T von dem Antriebssystem 101 und der Gesamtreibungsvektor, Fr. Der Schub des Antriebssystems 101 kann mit der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors in Beziehung stehen, und zwar ω in rad/s unter Annahme einer Polynomformel, beispielsweise in Gl. (2):
Ein Verfahren zum Extrahieren der Drehgeschwindigkeit ω eines rotierenden Teils aus einem akustischen Geräusch ist in
Das akustische Geräusch wird von einem geeigneten akustischen Sensor (z.B. Mikrofon) erfasst, um Zeitwellenformdaten zu sammeln. Das obere Diagramm 201 zeigt beispielhafte Zeitwellenformdaten, die durch Aufzeichnen der Ausgangsspannung eines Mikrofons über die Zeit erhalten werden, während das Mikrofon den transienten Schall eines Quadcopters während des Starts erfasst. Die Zeitwellenformdaten werden dann in ein Frequenzspektrum transformiert, um die Motorwellenrotationsgeschwindigkeit über die Rotorblattvorbeilauffrequenz zu extrahieren. Das Frequenzspektrum, das aus den in dem Diagramm 201 angezeigten Zeitwellenformdaten erhalten wird, wird im Diagramm 202 angezeigt. In diesem Diagramm 202 wird die Leistungsdichte in jeder Frequenz und zu jedem Zeitpunkt so angezeigt, dass höhere Leistungsdichten als hellere Schattierung angezeigt werden. Das Diagramm 202 wird auch als „Leistungsspektraldichten“ Diagramm oder PSD bezeichnet. Eine Rotordrehzahl (ca. 640 Hz) und seine zweite Oberschwingung (640x2 Hz) werden durch die Linien 203, 204 angezeigt. Das Vorhandensein einer dritten Oberschwingung (640x3 Hz) ist ebenfalls aus dem Diagramm ersichtlich.The acoustic noise is captured by a suitable acoustic sensor (e.g. microphone) to collect time waveform data. The
Eine Reihe von Motordrehzahlen (ω1, ω2 ..., ωn) sind für den nächsten Schritt erforderlich.A range of engine speeds (ω 1 , ω 2 ..., ω n ) are required for the next step.
Der Gesamtreibungsvektor Fr kann vernachlässigt oder als ein Polynom berechnet werden, das die Geschwindigkeit der Drohne enthält, zum Beispiel in Gl. (3):
Eine Vorrichtung 304 zum Messen der Drehzahl eines rotierenden Elements des Fahrzeugs 302 stellt die jeweiligen Daten als Datensatz 305 zur weiteren Verarbeitung bereit.A
Die Vorrichtung 304 kann wie oben mit Bezug auf
Der Betrieb der Vorrichtung 304 erfordert üblicherweise ein genaues Ausrichten der Vorrichtung 304 auf das Fahrzeug 302. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung 304 oder ein zugehöriges Verfolgungs- oder Zielsystem Standortdaten des Fahrzeugs 302 von der Vorrichtung 301 abrufen.Operation of
In einem folgenden Verarbeitungsschritt 306 wird ein Satz von mehreren Datensätzen 303, 305 in den parametrischen dynamischen Bewegungsgleichungen wie Gl. (1-3) substituiert, um unbekannte Parameter zu schätzen, die die Masse des Fahrzeugs 302 und andere Parameter 307 enthalten, etwa K und α. Die minimale Anzahl von Datensätzen 303, 305 muss mindestens gleich der Anzahl von unbekannten Parametern in Gl. (1-3) sein, z.B. m, K und α.In a
Das akustische Geräusch von Drohnen bietet eine zuverlässige Signatur zur Identifizierung von Drohnenherstellem und -eigenschaften. Die Effizienz der aktuellen Mikrofontechnologien (z. B. Kondensator, Piezotransducer, Parabol) ist jedoch auf kurze Reichweiten unter 100-300 Metern begrenzt und kann bis zu 1000 Meter betragen, etwa im Fall eines Parabolmikrofons. Außerdem muss das Geräusch der Drohne stärker sein als die Hintergrundgeräusche, und diese Bedingung kann für laute Bereiche wie Flughäfen und laute Orte mit Musik- oder / Sportveranstaltungen nicht erfüllt sein.Drone acoustic noise provides a reliable signature to identify drone manufacturers and characteristics. The efficiency of current microphone technologies (e.g. condenser gate, piezotransducer, parabolic) is limited to short ranges below 100-300 meters and can be up to 1000 meters, e.g. in the case of a parabolic microphone. Also, the drone's noise must be stronger than the background noise, and this condition may not be met for noisy areas such as airports and noisy places with music or sports events.
Eine Alternative zu akustischem Geräusch ist die Oberflächenvibration von Drohnen, die mit Hilfe von Lasertechnologie in zwei verschiedenen und unabhängigen Methoden überwacht werden kann:
- Die erste Methode verwendet ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV). Das LDV ist eine bekannte Vorrichtung, die Vibrationen einer entfernten Oberfläche mittels einer Doppler-Verschiebung der reflektierten Laserstrahlfrequenz aufgrund der Bewegung (z. B. Körpervibration) einer Zieloberfläche femmessen kann. Das neue Verfahren in dieser Erfindung ist, dass das LDV verwendet werden kann, um die mechanische Vibration einer Drohne oder irgendwelcher Luftfahrzeuge berührungslos zu messen, indem der LDV-Laserstrahl auf einen Punkt auf der äußeren Oberfläche der Drohne gerichtet wird. Die Schwingung des Drohnenkörpers beinhaltet ein Vibrationsgeräusch von den Drohnenmotoren, das beispielsweise durch das Spektrogramm in
2 verarbeitet werden kann, um die momentane Drehzahl der Drohnenmotoren zu extrahieren.
- The first method uses a Laser Doppler Vibrometer (LDV). The LDV is a known device that can remotely measure vibrations of a remote surface using a Doppler shift in the reflected laser beam frequency due to movement (e.g., body vibration) of a target surface. The new method in this invention is that the LDV can be used to non-contact measure the mechanical vibration of a drone or any aircraft by aiming the LDV laser beam at a point on the outer surface of the drone. The vibration of the drone body includes vibration noise from the drone motors, which can be seen, for example, by the spectrogram in
2 can be processed to extract the instantaneous RPM of the drone motors.
Die vom LDV gesammelten Oberflächenvibrationen haben mehrere Vorteile: Das LDV kann Vibrationen mit großen Frequenzbreiten (z. B.> 20 kHz) besser als normale akustische Sensoren dank der Laserstrahlempfindlichkeit messen. Frequenz- und Zeitmerkmale von LDV-Schwingungen können einzigartige Signaturen von Drohnen liefern. Eine Datenbank von Schwingungssignaturen von kommerziellen Drohnen und Flugzeugen im Allgemeinen von verschiedenen Herstellern können gesammelt werden, um Flugeigenschaften und Drohnenhersteller zu identifizieren.The surface vibrations collected by the LDV have several advantages: The LDV can measure vibrations with large frequency ranges (e.g. > 20 kHz) better than normal acoustic sensors thanks to the laser beam sensitivity. Frequency and time characteristics of LDV oscillations can provide unique drone signatures. A database of vibration signatures from commercial drones and aircraft in general from different manufacturers can be collected to identify flight characteristics and drone manufacturers.
Das LDV misst die Vibration der Zieloberfläche (Drohne) bei minimaler Störung mit Hintergrundrauschen. Die Dronenvibrationen können mit einem LDV auch in extrem lauten Bereichen gemessen werden.The LDV measures the vibration of the target surface (drone) with minimal interference with background noise. The drone vibrations can be measured with an LDV even in extremely noisy areas.
Die vom LVD gemessene Schwingungssignatur kann ferner zur Überwachung des allgemeinen Gesundheits- oder Wartungsstatus und dem Verschleiß von Drohnen sowie der Suche nach Fehlern oder Ausfallbedingungen verwendet werden. Ein Beispiel für das Gesundheitsbewertungsmerkmal von Luftfahrzeugen (z.B. Drohne) mit rotierenden Teilen und Strukturen ist das Verhältnis von Hochfrequenzleistung zu Gesamtleistung der Signatur der Vibration. Aufgrund der normalen Betriebsbeeinträchtigung erhöht sich der Beitrag von Hochfrequenzpegeln, von Oberflächenvibrationen oder akustischen Geräuschen und Gesamtvibrationsgeräuschen. Dies kann verwendet werden, um die verbleibende Lebensdauer der Drohne und kritische Fehler zu überwachen und vorherzusagen.The vibration signature measured by the LVD can also be used to monitor the general health or maintenance status and wear of drones, and to search for faults or failure conditions. An example of the health rating characteristic of aircraft (e.g. drone) with rotating parts and structures is the radio frequency power to total power ratio of the vibration signature. Due to normal operational degradation, the contribution from high frequency levels, from surface vibration or acoustic noise and overall vibration noise increases. This can be used to monitor and predict remaining drone life and critical errors.
Ein Beispiel für ein Gesundheitsüberwachungssystem ist in
Ein LDV 406 ist relativ teuer. Ein alternatives Verfahren zum Messung der Drehzahl rotierender Teile eines Fahrzeugs wird unter Bezugnahme auf die
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