DE102018205134B4

DE102018205134B4 - Abstandssensorsystem zur effizienten und automatischen Detektion von Landeplätzen für autonome schwebeflugfähige Fluggeräte

Info

Publication number: DE102018205134B4
Application number: DE102018205134.8A
Authority: DE
Inventors: Nils Gageik
Original assignee: Emqopter GmbH
Current assignee: Emqopter GmbH
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: DE102018205134A1

Abstract

Abstandssensorsystem (20) für ein schwebeflugfähiges Fluggerät (10) umfassend:mindestens vier rotationssymmetrisch in einer Rotorebene des schwebeflugfähiges Fluggeräts (10) anordenbaren Abstandssensoren (4), welche jeweils einen über ein ebenes Winkelfeld (Wa, Wb) schwenkbaren Laserpunktsensor (8) und eine zur Schwenkung des Laserpunktsensors (8) mit dem jeweiligen Laserpunktsensor (8) gekoppelte mechatronische Antriebseinheit (9) aufweisen;einen Steuerprozessor (6b), welcher mit den mechatronischen Antriebseinheiten (9) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die mechatronischen Antriebseinheiten (9) zur Schwenkung der jeweiligen Laserpunktsensoren (8) der Abstandssensoren (4) über das ebene Winkelfeld (Wa, Wb) anzusteuern; und einen Signalverarbeitungsprozessor (6a), welcher mit den Laserpunktsensoren (8) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, auf der Basis von nach Schwenkwinkel (θ) aufgelösten Abstandsmessdaten (M) der Laserpunktsensoren (8) ein räumlich aufgelöstes Abstandsprofil des Abstandssensorsystems (20) von Hindernissen (H) in der Umgebung des Abstandssensorsystems (20) zur autonomen Landemanöverplanung zu ermitteln.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Abstandssensorsystem für schwebeflugfähige Fluggeräte sowie ein autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät mit einem derartigen Abstandssensorsystem. Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit der Verwendung von mindestens vier synchron schwenkbaren Systemen räumlich verteilter Abstandssensoren auf bzw. an einem schwebeflugfähigen Fluggerät, welche zur autonomen Planung und Durchführung von Flugmanövern wie etwa Landemanövern eingesetzt werden können.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Der flächendeckende autonome Einsatz von unbemannten Fluggeräten wie beispielsweise als Liefer- und Paketdrohne von Medikamenten, als Notfalltransporter für Blutkonserven sowie als Überwachungs- oder Inspektionsdrohne ist heute absehbar. Für den Einsatz solcher unbemannter autonomer Fluggeräte („unmanned aerial vehicles“, UAVs) sind Sicherheitsvorkehrungen unabdingbar, um nicht vollständig vermeidbaren Problemen während der Mission wie etwa Ausfall von Navigationsinstrumenten, Antrieb oder Energieversorgung begegnen zu können.
Verschiedene Ansätze im Stand der Technik schlagen zum Beispiel die Verwendung eines Gleitschirms für den Notfall vor, mit dem das Sicherheitsrisiko eines herabfallenden bzw. sinkenden UAVs für Passanten und den Straßenverkehr verringert werden kann. Andere Möglichkeiten sind das Vorsehen eines Fernsteuermodus, mithilfe dessen ein Pilot das UAV im Notfall, wie etwa einem Ausfall von Satellitennavigation und Kompassfunktionen fliegen und sicher landen kann. In diesen Fällen muss ein ausgebildeter Pilot für die komplette Flugüberwachung vorgehalten werden.
Je nach Systemausfall kann selbst ein Eingriff durch den Piloten nicht mehr oder nicht mehr zuverlässig möglich sein, wie etwa bei Ausfällen der Videoübertragung. Manche Ausfälle wie Motorschäden machen beispielsweise eine möglichst rasche Landung erforderlich, so dass ein Pilot unter Umständen gar nicht mehr rechtzeitig reagieren kann. In anderen Fällen kann auch die Fernsteuerverbindung selbst ausfallen, so dass sich das UAV auch nicht mehr fernsteuern lässt.
Es besteht daher ein Bedarf an Lösungen für UAVs wie etwa Multikopter, mit Hilfe derer ein UAV jederzeit selbstständig einen Landeplatz ohne Piloten detektieren und ansteuern kann. Neben dem erforderlichen hohen Maß an Sicherheit darf das Ziel der Wirtschaftlichkeit der Erfindung nicht außer Acht gelassen werden, weshalb Einfachheit, Flexibilität und Ergonomie (Autonomie) weitere entscheidende Kriterien darstellen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungsansätze bekannt: Die Dokumente US 2015/0170526 A1 , US 2011/0285981 A1 , CN 103 868 521 A , US 8,996,207 B2 , Kumar, G.A. et al.: „A LiDAR and IMU Integrated Indoor Navigation System for UAVs and Its Application in Real-Time Pipeline Classification“, Sensors 2017, 17, S. 1268, Scherer S. et al.: „Autonomous landing at unprepared sites by a full-scale helicopter“, Robotics and Autonomous Systems, 2012, 60(12), S. 1545-1562 und Leblebici, R.: „Laserscanner basierte Hinderniserkennung für einen autonomen Quadrokopter“, Bachelorarbeit 2015, JMU Würzburg schlagen verschiedene Strategien für die Planung und Durchführung autonomer Landemanöver durch Fluggeräte wie etwa bemannter Helikopter oder unbemannter Drohnen vor.
Das Dokument US 2017/0201738 A1 offenbart einen Quadrokopter mit an den jeweiligen Rotorarmen angebrachten Bildsensoren und einem zentral unter dem Quadrokopter angebrachtes Laserprojektionssystem zur Bereitstellung einer Referenzbeleuchtung für die Sensoren. Das Dokument US 2011/0307126 A1 zeigt einen Quadrokopter mit zentral montierten Punktsensoren zur Abstandsvermessung der Umgebung. Das Dokument US 2017/0193830 A1 offenbart einen Quadrokopter mit verschiedenen Kameras oder Laserscannern, die unter verschiedenen Blickwinkeln an dessen Rotorarmen installiert sind. Schließlich zeigt das Dokument Dougherty, J.A.: „Laser-Guided Autonomous Landing of a Quadrotor UAV on an Inclined Surface“, 2014 SEAS Student Research and Development Showcase, ProQuest, Dissertations And Theses, The George Washington University, 2014 einen Quadrokopter mit Punktstrahlern an den Rotorarmen, deren reflektierte Referenzbeleuchtung durch eine zentral unter dem Quadrokopter installierte Kamera aufgenommen wird, so dass Landemanöver auf der Basis einer Triangulation zwischen den geometrisch entfernt voneinander liegenden Punktstrahlern und der Kamera geplant werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine der Aufgaben der Erfindung besteht darin, Lösungen zu finden, die es einem autonomen, schwebeflugfähigen Fluggerät ermöglichen, Landeplätze zu detektieren und basierend darauf eine relative Lokalisation als Steuerungshilfe für autonome Starts und Landungen ohne externe Hilfsmittel (wie GPS) und a-priori Informationen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Abstandssensorsystem für ein autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine Verwendung eines Abstandssensorsystems für die autonome Landemanöverplanung und -durchführung eines autonomen, schwebeflugfähigen Fluggerätes mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Abstandssensorsystem für ein autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät, insbesondere einen Multikopter wie etwa einen unbemannten Quadrokopter, mindestens vier rotationssymmetrisch in einer Rotorebene des schwebeflugfähiges Fluggeräts anordenbaren Abstandssensoren, welche jeweils einen über ein ebenes Winkelfeld schwenkbaren Laserpunktsensor und eine zur Schwenkung des Laserpunktsensors mit dem jeweiligen Laserpunktsensor gekoppelte mechatronische Antriebseinheit aufweisen. Das Abstandssensorsystem umfasst weiterhin einen Steuerprozessor, welcher mit den mechatronischen Antriebseinheiten gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die mechatronischen Antriebseinheiten zur Schwenkung der jeweiligen Laserpunktsensoren der Abstandssensoren über das ebene Winkelfeld anzusteuern, sowie einen Signalverarbeitungsprozessor, welcher mit den Laserpunktsensoren gekoppelt und dazu ausgelegt ist, auf der Basis von nach Schwenkwinkel aufgelösten Abstandsmessdaten der Laserpunktsensoren ein räumlich aufgelöstes Abstandsprofil des Abstandssensorsystems von Hindernissen in der Umgebung des Abstandssensorsystems zur autonomen Landemanöverplanung zu ermitteln.
Der Schwenkbereich ist dabei eindimensional, d.h. der durch den Laserpunktsensor ausgesandte Referenzlichtpunkt überstreicht entlang eines beispielsweise mindestens 10° und maximal 130° betragenden Winkelfeldes eine Linie auf Objekten und/oder dem Boden der Umgebung des Abstandssensorsystems. Die Limitierung der Winkelweite des Winkelfeldes, d.h. die Limitierung auf einen vorbestimmten begrenzten Schwenkbereich des Laserpunktsensors, steigert vorteilhafterweise Wiederholrate, Abtastgeschwindigkeit und Auflösung des jeweiligen Abstandssensors.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein schwebeflugfähiges Fluggerät, insbesondere ein unbemannter autonomer Quadrokopter, ein Abstandssensorsystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das schwebeflugfähige Fluggerät weist eine geradzahlige Anzahl an Rotoren, welche jeweils an Enden von in einer senkrecht zur Gierachse des schwebeflugfähigen Fluggerätes stehenden Rotorebene liegenden Rotorarmen (Ausleger) angeordnet sind, sowie einen Rotorantrieb auf, welcher mit den Rotoren gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die Rotoren anzutreiben. Je einer der Abstandssensoren des Abstandssensorsystems ist dabei an einem der Rotorarme auf Höhe der Rotorachse des zugehörigen Rotors angebracht.
Dabei müssen aus Gründen der Kosten und Energieeffizienz nicht alle Rotorarme notwendigerweise mit einem Abstandssensor bestückt sein. Eine vorteilhafte Anzahl an Abstandssensoren mit schwenkbaren Laserpunktsensoren beträgt vier.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst eine Verwendung eines Abstandssensorsystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die autonome Landemanöverplanung und -durchführung eines schwebeflugfähigen Fluggerätes auf der Basis von dem durch den Signalverarbeitungsprozessor ermittelten räumlich aufgelösten Abstandsprofil des Abstandssensorsystems.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, ein unbemanntes autonomes oder teil-autonomes schwebeflugfähiges Fluggerät mit rotationssymmetrisch in einer Rotorebene angeordneten Laserpunktsensoren auszustatten, die jeweils durch mechatronische Antriebe bewegbar sind und dynamische Abstandsmessdaten der Umgebung erzeugen können. Diese Abstandsmessdaten werden zur autonomen Landemanöverplanung durch einen Signalverarbeitungsprozessor des schwebeflugfähigen Fluggerätes herangezogen, der auf der Basis der Landemanöverplanung dann einen Steuerprozessor des schwebeflugfähigen Fluggerätes instruiert, welcher wiederum Flugantriebssysteme des schwebeflugfähigen Fluggerätes zur Landemanöverdurchführung entsprechend ansteuert.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Idee besteht darin, es einem schwebeflugfähigen Fluggerät zu ermöglichen, ohne zusätzliche Infrastruktur auf freien Flächen und Parkplätzen, in Höfen und auf Flachdächern sicher zu landen. Dabei können Start- und Ziellandepunkt ohne nennenswerten Aufwand verlegt werden. Die Lokalisation und Steuerung bedient sich dabei einzig und allein der relativen Position zum detektierten Landeplatz. Mögliche Landeplätze sind dadurch gekennzeichnet, dass Sie eine ausreichend große (flache) Fläche aufweisen, wie z.B. Höfe, Parkplätze oder Flachdächer. Für eben diese Landeplätze ist die Erfindung optimal ausgelegt. Entscheidend hierbei ist das durch das Abstandssensorsystem erstellte Bodenprofil, welches der Steuerung des schwebeflugfähigen Fluggerätes als Eingabe dienen kann.
Weiterhin besteht der Vorteil, dass die schwenkbaren Laserpunktsensoren nicht nur eine Bodenprofilerfassung bei der Landung, sondern auch eine Hinderniserkennung beim Streckenflug oder beim Start ermöglichen.
Vorteilhafterweise ist eine Bodenprofilerfassung mit der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur hochgenau und zuverlässig möglich, sondern auch mit platzsparenden Mitteln geringen Gewichts zu erreichen. Dadurch wird die Energieeffizienz eines schwebeflugfähigen Fluggerätes erheblich gesteigert. Das Sensorsystem des schwebeflugfähigen Fluggerätes ermöglicht in vorteilhafter Weise eine automatische Umgebungserkennung, ohne auf a-priori Informationen der Umgebung oder der Ortskoordinaten zurückgreifen zu müssen. Die Flugmanöverplanung und -durchführung ist allein durch Datenfusion der Abstandsmessdaten und eines geeigneten Auswertungsalgorithmus möglich, insbesondere bei der Erkennung und Eignungsbewertung eines Landeplatzes für das schwebeflugfähige Fluggerät, beispielsweise auf einer ebenen Freifläche, auf einem Hof zwischen Gebäuden oder auf einem Dach eines Gebäudes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandssensorsystems kann die Winkelweite der Winkelfelder der Laserpunktsensoren zwischen 30° und 130°, insbesondere 90° oder 120°, betragen. Dadurch kann ein Bereich von senkrecht unter dem schwebeflugfähigen Fluggerät bis zur Horizontalen durch den Laserpunktsensor abgedeckt werden, so dass die Datenfusion aller Laserpunktsensoren eine vollständige Überwachung des Bereichs unter dem schwebeflugfähigen Fluggerät und in allen Himmelsrichtungen neben dem schwebeflugfähigen Fluggerät ermöglicht. Gleichwohl wird die Winkelweite limitiert, um die Vorteile der Erfindung wie hohe Wiederholrate und geringe Latenz zu bewahren.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandssensorsystems kann das Abstandssensorsystem weiterhin einen nicht schwenkbar ausgebildeten Distanzsensor aufweisen, welcher mit dem Signalverarbeitungsprozessor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Distanz des Abstandssensorsystems über dem Boden zu messen. Der Distanzsensor kann dabei zentral an einer Unterseite des schwebeflugfähigen Fluggerätes befestigt werden und entlang der Gierachse des schwebeflugfähigen Fluggerätes nach unten weisen. Der Distanzsensor wird dabei bewusst nicht schwenkbar ausgebildet, um die Implementierungskosten zu senken und die Ausfallsicherheit zu erhöhen, und dient als Höhenreferenz.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandssensorsystems können die Abstandssensoren Abstandsmessdaten nach dem Laufzeitprinzip, dem Phasendifferenzprinzip oder dem Triangulationsprinzip gewinnen. Besonders bevorzugt sind hierbei nach dem Laufzeitprinzip oder dem Phasendifferenzprinzip arbeitende Sensoren, da deren Aufbau besonders kompakt ist und keine räumlich voneinander getrennte Lichtquellen und Reflexionsdetektoren benötigt.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandssensorsystems können die mechatronischen Antriebseinheiten Servoantriebe umfassen. Servoantriebe bieten vorteilhafterweise eine sehr hohe Stellgenauigkeit bei ausreichend dynamischen Ansprechverhalten, welches insbesondere für eine rasche und exakte Synchronisierung der gewonnenen Abstandsmessdaten verschiedener Abstandssensoren.
Gemäß einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggerätes kann der Steuerprozessor dazu ausgelegt sein, den Rotorantrieb in Abhängigkeit von dem durch den Signalverarbeitungsprozessor ermittelten räumlich aufgelösten Abstandsprofil des Abstandssensorsystems anzusteuern. So kann eine kontinuierliche Erfassung und Aktualisierung von ermittelten Abstandsprofilen für eine dynamische und autonome Flugmanöverdurchführung erfolgen.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen schwebeflugfähigen Fluggerätes kann der Steuerprozessor dazu ausgelegt sein, den Rotorantrieb nach vorbestimmten Abstandsmessintervallen, beispielsweise nach jedem vollständigen Aktualisieren eines Abstandsprofils, so anzusteuern, dass das schwebeflugfähige Fluggerät um einen definierten Winkel giert, d.h. sich um die Gierachse dreht. Dadurch kann ein umfassenderes Abstandsprofil gewonnen werden, da eindimensionale Laserpunktsensormessung mit einer höheren Gierwinkelauflösung generiert werden. Durch die Drehung um die Gierachse werden also beispielsweise nicht nur vier Profillinien, sondern ein umfassendes Bodenprofil mit einer Auflösung α aus einer Anzahl = 360° / 4 α Schwenkungsmessungen generiert. Für eine gewünschte Auflösung von 1° wären beispielsweise bei vier Abstandssensoren 90 Gier-Schritte mit vollständiger Aktualisierung des Abstandsprofils notwendig.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine abstrahierte Perspektivdarstellung eines schwebeflugfähigen Fluggerätes in Form eines Quadrokopters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht eines beispielhaften schwebeflugfähigen Fluggerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 ein schematisches Blockschaubild funktioneller Komponenten eines Abstandssensorsystems für ein schwebeflugfähiges Fluggerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Illustration für die Funktionsweise eines Abstandssensors des Abstandssensorsystems für ein schwebeflugfähiges Fluggerät gemäß 2 sowie eine vereinfacht dargestellte, beispielhafte Messkurve für Abstandsmessdaten des Abstandssensors gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung; und
5, 6 und 7 Perspektivskizzen beispielhafter Flugsituationen eines Quadrokopters mit Abstandssensorsystem gemäß 1 bis 3 gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Schwebeflugfähige Fluggeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen bemannte oder unbemannte Fluggeräte („unmanned aerial vehicles“, UAVs), die im Allgemeinen autonom oder teil-autonom sowie flugfunktionsmäßig eigenständig und computergestützt operieren. Insbesondere umfassen schwebeflugfähige Fluggeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Drohnen, Multikopter, Flugroboter und zu vertikalen Starts und Landungen befähigte autonome Flugobjekte. Dabei definiert sich ein Schwebeflug als jeglicher Flugzustand eines Fluggerätes, in dem es aus eigenem Antrieb und für eine steuerbare Zeitspanne an im Wesentlichen unveränderter Position und Höhe in der Luft verbleibt.
1 zeigt eine abstrahierte Perspektivdarstellung eines autonomen, schwebeflugfähigen Fluggerätes in Form eines Quadrokopters 10. Der Quadrokopter 10 kann vier Rotoren 3 aufweisen, die entlang vier Rotorarmen 2a, 2b, 2c und 2d einer Trägerplattform des Quadrokopters in einer senkrecht zu einer Gierachse G liegenden (im Flug im Wesentlichen horizontalen) Rotorebene angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Rotorarmen 2a, 2b, 2c und 2d liegt im Beispiel der 1 ein rechter Winkel. An den Rotorarmenden befinden sich jeweils mechanische Strukturelemente 1a, 1b, 1c und 1d, die einerseits zur Abschirmung und zum Schutz der Rotoren 3 dienen und andererseits die mechanische Halterung und Fixierung von Fluggerätelementen gewährleisten, wie etwa von Motoren und/oder Servoreglern für die Rotoren 3 oder auch im Folgenden erläuterten Abstandssensoren 4. Im Bild der 1 sind zwei Abstandssensoren 4a, 4b schematisch als an der Unterseite der Rotorarme 2a, 2b koaxial mit den Rotorachsen der Rotoren 3 angebracht dargestellt. Es versteht sich dabei, dass auch an den anderen Rotorarmen 2c und 2d entsprechende Abstandssensoren in ähnlicher Weise installiert werden können.
In einem zentral gelegenen Hauptkörper des Quadrokopters 10 ist neben einem Steuersystem 6 des Quadrokopters 10 auch ein (in 1 nicht explizit dargestelltes) Antriebssystem für die Rotoren 3 sowie eine Energieversorgungseinheit wie etwa ein wiederaufladbarer elektrischer Akkumulator installiert. Daneben kann der Quadrokopter 10 optional auch über weitere Fluggerätkomponenten verfügen, wie etwa Avionik, Satellitennavigationsinstrumentation, Inertialsensoreinheiten (IMUs), Tachymeter, Barometer, Telemetriekomponenten, elektronische Stabilitätskontrollsysteme und/oder Kommunikationsgeräte zur drahtlosen Kommunikation mit dem Quadrokopter 20 von einer Bodenstation aus. Der Quadrokopter 10 kann eine Nutzlast 5 aufnehmen, die im Beispiel der 1 als Kamera dargestellt ist. Die Nutzlast 5 kann dabei zentral unter dem Quadrokopter 10 aufgenommen werden.
Auch wenn in den Figuren und der Beschreibung beispielhaft und zur Vereinfachung der Diskussion auf einen Quadrokopter 10 Bezug genommen wird, lassen sich die technischen Lehren der vorliegenden Offenbarung problemlos auch auf andere Multikoptertypen wie etwa Hexakopter, Oktokopter oder andere rotorgebundene Fluggeräte mit Schwebeflugfähigkeit übertragen.
Der Quadrokopter 10 wird im Bezug auf die schematische Seitenansicht der 2 im Folgenden näher erläutert. 2 zeigt eine Frontalansicht auf den Bereich zwischen zwei Rotorarmen 2a und 2b, an deren Enden im Bereich unter den Rotoren 3 bzw. den mechanischen Strukturelementen 1a und 1b Abstandssensoren 4a und 4b montiert sind. Die Abstandssensoren 4a und 4b sind Teil eines in 3 als funktionelles Blockschaubild illustrierten Abstandssensorsystems 20 für ein schwebeflugfähiges Fluggerät wie etwa den Quadrokopter 10 der 1.
Die Abstandssensoren 4 der 3 stellen dabei eine allgemeine Form der Abstandssensoren 4a und 4b der 1 und 2 dar. Generell kann ein Abstandssensorsystem 20 über eine variable Anzahl von zumindest vier Abstandssensoren 4 verfügen.
Jeder der Abstandssensoren 4 weist einen über ein ebenes Winkelfeld Wa, Wb schwenkbaren Laserpunktsensor 8 auf. Ein solches Winkelfeld ist zumindest 10° und maximal 130° groß. Vorteilhafte Werte für die Winkelweite sind dabei 90° und 120°. Der Laserpunktsensor 8 weist in prinzipiell bekannter Weise eine Laserlichtquelle zur Abstrahlung von im Wesentlichen punktförmigem, d.h konfokalem Referenzlicht in die Umgebung auf, dessen Reflexionen an Objekten in der Umgebung durch einen Detektor des Laserpunktsensors 8 gemessen werden. Der Laserpunktsensor 8 kann beispielsweise Abstandsmessdaten nach dem Laufzeitprinzip, dem Phasendifferenzprinzip oder dem Triangulationsprinzip gewinnen. Dazu wird eine von der zurückgelegten Distanz des reflektierten Referenzlichts von dem Objekt zu dem Laserpunktsensor 8 abhängige Charakteristik des Messsignals in dem Detektor ausgewertet, um entsprechende Abstandsmessdaten zu gewinnen.
Die Abstandsmessdaten der Laserpunktsensoren 8 werden an einen Signalverarbeitungsprozessor 6a innerhalb des Steuersystems 6 zurückgegeben, der mit der Vielzahl von Laserpunktsensoren 8 gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die Abstandsmessdaten zu verarbeiten. Um aus den prinzipbedingt eindimensional vorliegenden Abstandsmessdaten der Laserpunktsensoren 8 ein räumlich aufgelöstes Abstandsprofil des Abstandssensorsystems 20 von Objekten wie etwa Gebäuden oder dem Boden in der Umgebung des Abstandssensorsystems 20 ermitteln zu können, weisen die Abstandssensoren 4 zusätzlich zu den Laserpunktsensoren 8 eine zur Schwenkung des Laserpunktsensors 8 mit dem jeweiligen Laserpunktsensor 8 gekoppelte mechatronische Antriebseinheit 9 auf.
Die mechatronischen Antriebseinheiten 9 sind mit einem Steuerprozessor 6b innerhalb des Steuersystems 6 des Quadrokopters 10 gekoppelt. Der Steuerprozessor 6b kann die mechatronischen Antriebseinheiten 9 zur Schwenkung der jeweiligen Laserpunktsensoren 8 über ihr zugehöriges Winkelfeld hinweg ansteuern. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, kann die Winkelweite der Winkelfelder Wa, Wb der Laserpunktsensoren 8 90° betragen. Dabei können die Laserpunktsensoren 8 jeweils so verschwenkt werden, dass die Strahlen des Referenzlichtes einen Winkelbereich zwischen der Horizontalen in der Verlängerung des jeweiligen Rotorarmes 2a bzw. 2b einerseits und der Gierachsenrichtung der Gierachse G nach unten andererseits überstreichen können.
Der Steuerprozessor 6b steuert die beispielsweise als Servoantriebe ausgestalteten mechatronischen Antriebseinheiten 9 so an, dass der Laserpunktsensor 8 in einer Scanbewegung kontinuierlich über das gesamte Winkelfeld Wa bzw. Wb geschwenkt wird. Dabei werden nach jeweiligem Schwenkwinkel θ aufgelöste Abstandsmessdaten der Laserpunktsensoren 8 generiert. In Abhängigkeit von den durch den Steuerprozessor 6b an den Signalverarbeitungsprozessor 6a übermittelten Steuerinformationen kann auf der Basis dieser schwenkwinkelabhängigen Abstandsmessdaten über eine Datenfusion aller Laserpunktsensoren 8 der verschiedenen Abstandssensoren 4 ein räumlich aufgelöstes Abstandsprofil des Abstandssensorsystems 20 von Objekten in der Umgebung des Abstandssensorsystems 20 berechnet werden.
Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass ein erster Abstandssensor 4a (im Bild der 2 links) einen ersten Laserpunktsensor 8a aufweist, dessen Schwenkungsebene senkrecht zur Schwenkungsebene eines zweiten Laserpunktsensors 8b eines zweiten Abstandssensors 4b (im Bild der 2 rechts) steht. Bei Quadrokoptern 10 oder generell schwebeflugfähigen Fluggeräten 10 mit rotationssymmetrisch in einer Rotorebene verteilten geradzahligen Rotoren 3 ist das bei benachbarten Rotoramen 2a bzw. 2b bereits aufbaubedingt der Fall. Diese Rotoren 3 sind jeweils an Enden von in einer senkrecht zur Gierachse G des schwebeflugfähigen Fluggerätes 10 stehenden Rotorebene liegenden Rotorarmen angeordnet.
Die Abstandssensoren 4 mit den schwenkbaren Laserpunktsensoren 8 sind dabei im Gegensatz zu Laserscannern eindimensional operierende Sensoren, bei denen die Lasersensorik an sich nicht beweglich ist, d.h. kein optisches System mit beweglichen Systemkomponenten wie etwa dreh- oder kippbare Planspiegel, Polygonspiegel oder dichroitische Strahlteiler aufweist. Vielmehr wird die Laserabtastung einer eindimensionalen Linie entlang eines ebenen Winkelfeldes durch die Verschwenkung des gesamten Laserpunktsensors 8 über die mechatronischen Antriebseinheiten 9 vermittelt. Durch diese Art des Betriebs können die Laserpunktsensoren 8 mit den mechatronischen Antriebseinheiten 9 erheblich einfacher, robuster und kostensparender implementiert werden als Laserscanner.
Das Abstandssensorsystems 20 der 3 kann vorteilhafterweise für eine autonome Landemanöverplanung und -durchführung eines schwebeflugfähigen Fluggerätes 10 genutzt werden. Dazu kann der Steuerprozessor 6b mit einem Rotorantrieb D für den geregelten Antrieb der Rotoren 3 gekoppelt werden und die Rotoren 3 auf der Basis von dem durch den Signalverarbeitungsprozessor 6a ermittelten räumlich aufgelösten Abstandsprofil des Abstandssensorsystems 20 gezielt antreiben. Selbstverständlich kann das Abstandsprofil durch kontinuierliche Messwertaktualisierungen an die jeweilige Flugposition dynamisch angepasst werden, so dass das schwebeflugfähige Fluggerät 10 in der Lage ist, ein sicheres und die Veränderungen in der Umgebung berücksichtigendes Landemanöver autonom durchzuführen.
Der Steuerprozessor 6b kann den Rotorantrieb D nach vorbestimmten Abstandsmessintervallen so ansteuern, dass das schwebeflugfähige Fluggerät 10 um einen vordefinierten Winkel giert. Eine solche Gierung ist eine Drehung um die Gierachse G. Vor und nach der Gierung kann der Steuerprozessor 6b den Rotorantrieb D so ansteuern, dass das schwebeflugfähige Fluggerät 10 stabil in der Luft schwebt, um eine Messung eines Abstandsprofils durchzuführen. Dazu können die Laserpunktsensoren 8 zumindest einmal über den vorbestimmten Winkelbereich geführt werden, um eine vollständige Abrasterung des eindimensionalen Linienbereichs in den momentan durch die Schwebposition des schwebeflugfähigen Fluggerätes 10 vorgebenen Rasterrichtungen zu ermöglichen. Nach einer Gierung um den vordefinierten Winkel wird eine erneute vollständige Abrasterung vorgenommen. Dadurch kann ein umfassenderes Abstandsprofil mit einer höheren Gierwinkelauflösung gewonnen werden. Durch die Drehung um die Gierachse wird das Abstandsprofil bis auf eine Auflösung α aus einer Anzahl = 360° / 4 α Schwenkungsmessungen verdichtet.
Für eine verbesserte Landemanöverdurchführung kann das schwebeflugfähige Fluggerät 10 - wie in 2 beispielhaft dargestellt - einen nicht schwenkbar ausgebildeten Distanzsensor 7 aufweisen, welcher mit dem Signalverarbeitungsprozessor 6a gekoppelt ist. Dieser Distanzsensor 7 kann eine Distanz des Abstandssensorsystems 20 über dem Boden B messen, beispielsweise durch Aussendung von Referenzstrahlung in Richtung der Gierachse G. Die Distanzinformation zum Boden kann durch den Steuerprozessor 6b bei der Ansteuerung des Rotorantriebes D berücksichtigt werden.
4 illustriert die Funktionsweise des in 2 rechten Abstandssensors 4b des Abstandssensorsystems 20 für ein schwebeflugfähiges Fluggerät 10. Dazu sind verschiedene Abstrahlstellungen des Laserpunktsensors 8b über das Winkelfeld Wb hinweg dargestellt, deren jeweilige Schwenkwinkel θ in einer vereinfacht dargestellten, beispielhafte Messkurve für Abstandsmessdaten M des Abstandssensors 4b abgebildet werden.
Unterhalb eines ersten Schwenkwinkels θ₁ sind keine Objekte in der Reichweite des Laserpunktsensors 8b zu ermitteln, so dass der erfasste Abstandsmesswerte d oberhalb einer Erfassunggrenze des Abstandssensors 4b liegt. Bei einem Verschwenken des Laserpunktsensors 8b aus der Horizontalen in Richtung Boden B wird ab dem ersten Schwenkwinkels θ₁ ein Hindernis H detektierbar, im Beispiel der 4 ein Gebäude mit einem Flachdach. Unter einem zweiten Schwenkwinkel θ₂ nimmt der ermittelt Abstandsmesswert d ein Minimum dmin an. Dieses Minimum entspricht einer Dachkante des Gebäudes H. Zwischen dem zweiten Schwenkwinkel θ₂ und einem dritten Schwenkwinkel θ₃ nimmt der erfasste Abstandsmesswert d wieder zu, bis eine Unterkante des Gebäudes H am Boden B erreicht ist. Oberhalb des dritten Schwenkwinkels θ₃ nimmt der erfasste Abstandsmesswert d bis zu einer Distanz senkrecht nach unten zum Boden (Schwenkwinkel von 90°) wieder ab.
Die Minima d_min aller Abstandsmessdaten M der einzelnen Laserpunktsensoren 8 können durch den Signalverarbeitungsprozessor 6a zur Ermittlung des Abstandsprofils von den Hindernissen H und dem Boden in der Umgebung des Multikopters 10 herangezogen werden. Es sollte klar sein, dass der beispielhaft dargestellte Verlauf der Abstandsmessdaten M im Graphen der 4 nicht der Realität entsprechen muss und gegebenenfalls andere Kurvenverläufe aufweisen kann.
In den 5, 6 und 7 sind jeweils perspektivische Skizzen beispielhafter Flugsituationen eines Multikopters 10 mit einem Abstandssensorsystem gemäß den 1 bis 3 abgebildet. Der Multikopter 10 ist als Quadrokopter 10 mit vier Abstandssensoren 4 dargestellt, die jeweils nach dem in 4 erläuterten Prinzip arbeiten. Die vier Abstandssensoren 4 sind an den Rotorarmen (Auslegern) des Quadrokopters 10 angebracht und weisen jeweils Laserpunktsensoren auf, die über Winkelfelder zwischen der Horizontalen und der Senkrechten zum Boden hin schwenkbar sind. Die Winkelfeldebenen benachbarter Abstandssensoren, d.h. von an benachbart liegenden Rotorarmen angebrachten Laserpunktsensoren stehen dabei jeweils senkrecht zueinander, so dass die vier Laserpunktsensoren Winkelfelder an 90°-Kreissektorgrenzen rund um den Quadrokopter 10 abdecken.
5 zeigt die Flugsituation, in der sich der Quadrokopter 10 über einem Flachdach eines Gebäudes befindet. Neben dem Gebäude befindliche Bodenflächen können durch die Abstandssensoren ebenfalls erfasst werden.
6 zeigt die Flugsituation, in der sich der Quadrokopter 10 aus 5 von dem Flachdach des Gebäudes über die Dachkante hinweg bewegt hat. Dadurch erkennt einer der Abstandssensoren (in 6 rechts dargestellt), dass eine Dachkante erreicht worden ist. Das gemessene Abstandsprofil indiziert, dass eine Bewegung vom Dach weg notwendig ist, um einen geeigneten Landeplatz auf dem Boden neben dem Gebäude finden zu können.
7 schließlich zeigt die Flugsituation, in der sich der Quadrokopter 10 aus 6 vollständig in den Hof zwischen drei Gebäuden hinein bewegt hat. Durch die Abstimmung der Abstandsmessungen auf der linken und der rechten Seite des Quadrokopters 10 kann die Mitte des Hofes lokalisiert und gegebenenfalls als geeigneter Landeplatz klassifiziert werden. Mithilfe eines fix montierten, senkrecht nach unten weisenden Distanzsensors kann der Quadrokopter 10 die momentane Höhe über dem Boden bei der Durchführung eines Landemanövers berücksichtigen.
Nachteile bestehender Sensorsysteme, die beispielsweise teure und aufwändig auszuwertende dreidimensionale Laserscanner einsetzen, werden durch oben beschriebene Abstandssensorsysteme überwunden. Leistungsstarke Rechner für die Auswertung von Messdaten von Laserscannern sind nicht mehr notwendig, so dass das offenbarte Abstandssensorsystem weniger Latenz, weniger Gewicht und weniger Leistungsaufnahme bietet, wodurch sich wiederum die Reaktionsschnelligkeit, die Flugzeit, die verfügbare Tragkraft und die Reichweite eines das Abstandssensorsystem einsetzenden schwebeflugfähigen Fluggerätes verbessert.
Wie oben beschrieben, kann durch den Einsatz von verteilten schwenkbaren Laserpunktsensoren schnell und effizient ein Landeplatz detektiert werden. Durch die optionale Implementierung eines weiteren, fix montierten und nach unten entlang der Gierachse weisenden Abstandssensors kann darüber hinaus eine sichere Landemanöverdurchführung unter genauer Berücksichtigung der aktuellen Flughöhe gewährleistet werden.
Das oben beschriebene Abstandssensorsystem ermöglicht die effiziente Differenzierung zwischen unterschiedlichen Landeplatzarten wie etwa Flachdächern, Höfen und Parkplätzen sowie die Identifizierung von ungeeigneten Landeplatzarten wie etwa geneigten oder unebenen Dächern. Ein mit dem oben beschriebenen Abstandssensorsystem ausgestattetes schwebeflugfähiges Fluggerät kann neue Landeplätze ohne externe Navigation, ohne Fernsteuerung und ohne a-priori-Wissen über die Umgebung finden und ansteuern. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Genauigkeit des Abstandssensorsystems die Genauigkeit einer durch ein Satellitennavigationssystem gestützten Lokalisierung erheblich übertrifft.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.

Claims

Abstandssensorsystem (20) für ein schwebeflugfähiges Fluggerät (10) umfassend: mindestens vier rotationssymmetrisch in einer Rotorebene des schwebeflugfähiges Fluggeräts (10) anordenbaren Abstandssensoren (4), welche jeweils einen über ein ebenes Winkelfeld (Wa, Wb) schwenkbaren Laserpunktsensor (8) und eine zur Schwenkung des Laserpunktsensors (8) mit dem jeweiligen Laserpunktsensor (8) gekoppelte mechatronische Antriebseinheit (9) aufweisen; einen Steuerprozessor (6b), welcher mit den mechatronischen Antriebseinheiten (9) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die mechatronischen Antriebseinheiten (9) zur Schwenkung der jeweiligen Laserpunktsensoren (8) der Abstandssensoren (4) über das ebene Winkelfeld (Wa, Wb) anzusteuern; und einen Signalverarbeitungsprozessor (6a), welcher mit den Laserpunktsensoren (8) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, auf der Basis von nach Schwenkwinkel (θ) aufgelösten Abstandsmessdaten (M) der Laserpunktsensoren (8) ein räumlich aufgelöstes Abstandsprofil des Abstandssensorsystems (20) von Hindernissen (H) in der Umgebung des Abstandssensorsystems (20) zur autonomen Landemanöverplanung zu ermitteln.
Abstandssensorsystem (20) gemäß Anspruch 1, wobei die Winkelweite der Winkelfelder (Wa, Wb) der Laserpunktsensoren (8) zwischen 10° und 130° beträgt.
Abstandssensorsystem (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit: einem nicht schwenkbar ausgebildeten Distanzsensor (7), welcher mit dem Signalverarbeitungsprozessor (6a) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Distanz des Abstandssensorsystems (20) über dem Boden (B) zu messen.
Abstandssensorsystem (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abstandssensoren (4) Abstandsmessdaten nach dem Laufzeitprinzip, dem Phasendifferenzprinzip oder dem Triangulationsprinzip gewinnen.
Abstandssensorsystem (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mechatronischen Antriebseinheiten (9) Servoantriebe umfassen.
Autonomes oder teil-autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät (10) mit einem Abstandssensorsystem (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: eine geradzahlige Anzahl von mindestens vier Rotoren (3), welche jeweils an Enden von in einer senkrecht zur Gierachse (G) des Multikopters (10) stehenden Rotorebene liegenden Rotorarmen (2a; 2b; 2c; 2d) angeordnet sind; und einen Rotorantrieb (D), welcher mit den Rotoren (3) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, die Rotoren (3) anzutreiben, wobei die Abstandssensoren (4) des Abstandssensorsystems (20) an je einem der Rotorarme (2a; 2b; 2c; 2d) auf Höhe der Rotorachse des zugehörigen Rotors (3) angebracht sind.
Fluggerät (10) gemäß Anspruch 6, wobei der Steuerprozessor (6b) dazu ausgelegt ist, den Rotorantrieb (D) nach vorbestimmten Abstandsmessintervallen des Abstandssensorsystems (20) so anzusteuern, dass das Fluggerät (10) um einen definierten Winkel giert.
Fluggerät (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Steuerprozessor (6b) dazu ausgelegt ist, den Rotorantrieb (D) in Abhängigkeit von dem durch den Signalverarbeitungsprozessor (6a) ermittelten räumlich aufgelösten Abstandsprofil des Abstandssensorsystems (20) anzusteuern.
Fluggerät (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das autonome oder teil-autonome, schwebeflugfähige Fluggerät (10) ein Quadrokopter oder Oktokopter ist und die Anzahl der Abstandssensoren (4) genau vier beträgt.
Fluggerät (10) gemäß Anspruch 9, wobei die Winkelfelder (Wa, Wb) zweier benachbarter Laserpunktsensoren (8) senkrecht zueinander stehen.
Verwendung eines Abstandssensorsystems (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 für ein autonomes oder teil-autonomes, schwebeflugfähiges Fluggerät (10) zur autonomen Landemanöverplanung und -durchführung des Fluggerätes (10) auf der Basis von dem durch den Signalverarbeitungsprozessor (6a) ermittelten räumlich aufgelösten Abstandsprofil des Abstandssensorsystems (20).