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Die Erfindung betrifft ein Positionsbestimmungssystem und ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Ventilatoren.
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Es ist erforderlich, die Position von Ventilatoren die im Reinraum innerhalb eines Netzwerks eingebaut sind, zu bestimmen, um diese zum Beispiel auf einem Raum-Plan darstellen zu können.
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In Gebäuden kommen so gennannte Filter Fan Units oder auch FFU's oder FVE (Filter-Ventilator-Einheit) bezeichnete Module zum Einsatz. Ein solches Modul, besteht typischerweise aus einem Ventilator und einem Filter, das die Luft von oben ansaugt und durch den Filter in den Raum einbläst. Ziel ist es, damit die Umluft permanent zu filtern. Auf der Austrittsseite wird der Luftstrom wahlweise turbulent oder laminar geführt. Bei der laminaren Variante werden durch Luftleitbleche die Luftströme parallelisiert. Dadurch entsteht ein vertikaler Luftstrom von der FFU bis zum Boden des Raumes.
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Filter Fan Units finden sich hauptsächlich in Deckensystemen von Rein- und Reinsträumen, wie sie in der Halbleiterproduktion, der Mikrosystemindustrie, der Pharma- oder der Lebensmittelbranche zu finden sind. In der Reinraumdecke wird typischerweise eine größere Anzahl von Filter Fan Units (FFU) aufgeteilt in Reihen und Spalten installiert. Jede FFU ist für einen bestimmten Abschnitt des Reinraumes zuständig. Jede FFU kann dabei einzeln über einen Zentralrechner gesteuert werden. Dieses Prinzip erlaubt es, für jeden von einer FFU versorgten Abschnitt des Reinraumes individuelle Sollwerte für Temperatur und Luftströmung (Drehzahl des Ventilators) vorzugeben. Eine FFU, die sich über einer wärmeerzeugenden Maschine befindet, wird zum Beispiel etwas stärker gekühlte Luft abgeben. Auf diese Weise werden im gesamten Reinraum ein gleichmäßiger Temperaturgradient und eine gleichmäßige Luftströmung erzeugt. Zugleich verringert sich der Energieaufwand. Hierzu werden allerdings die genauen Positionen der Ventilatoren im Netzwerk benötigt, um diese in einem Ventilatoren-Plan in einem Raum-Plan darzustellen, bei der Steuerung ansprechen zu können, im Fehlerfall die Position einfach bestimmen zu können und dadurch den Überwachungs- und Wartungsaufwand zu reduzieren.
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Es gibt im Stand der Technik bereits verschiedene Vorgehensweisen, um eine solche Positionsbestimmung und die Darstellung der ermittelten Positionen der Ventilatoren bzw. FFU's in einen Raum-Plan, insbesondere einem räumlichen Netzwerkplan, vorzunehmen oder dahin zu übertragen. Traditionell wird ein räumlicher Netzwerkplan mit Verkabelungsplan erstellt und werden die Ventilatoren bereits im digitalen Raum-Plan eingezeichnet und müssen dann in der angegebenen Reihenfolge montiert und angeschlossen werden, was vergleichsweise aufwändig ist, da bei der Montage immer sicherzustellen ist, dass der Ventilator mit einer vorgegebenen Netzwerkadresse an die korrekte Position montiert wird.
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Alternativ ist im Stand der Technik vorgesehen die Position jedes Ventilators mittels GPS-Technik zu ermitteln und die GPS-Position an ein Datenregister im Ventilator zu übertragen. Hierzu muss allerdings die Steuerung so ausgebildet werden, dass diese die Netzwerkadressen und zu jeder Netzwerkadresse dessen Position aus dem Register auslesen kann, um die Position in einen Raum-Plan zu übertragen.
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Denkbar ist es auch, eine auslesbare Adressierung in Form eines Adressaufklebers oder Barcodes in alphanumerischer Darstellung am Gerät vorzusehen. Nach dem Einbau eines jeweiligen Ventilators (bzw. FFU) wird der passende Aufkleber mit der angegebenen, vorbestimmten Position auf die Ventilatoren bzw. FFU geklebt und dann gescannt. Dies birgt insbesondere bei einer höheren Anzahl von Ventilatoren das Risiko, dass fehlerhafte Zuordnungen erfolgen und die Korrektur aufwändige Maßnahmen erfordert, um die fehlerhaften Zuordnungen zu detektieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein optimiertes und verbessertes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Ventilatoren, insbesondere in einem Raum angeordneten Ventilatoren anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 sowie des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist dazu ein Positionsbestimmungssystem zur Positionsbestimmung der relativen Position von n Ventilatoren (insbesondere in einem Raum) innerhalb eines gemeinsamen Netzwerks vorgesehen, umfassend einen Zentralrechner zur Steuerung der Ventilatoren, einen Flugkörper mit einer Flugsteuerungsvorrichtung und einem Ortungssystem zum Detektieren einer Funktion „F“ der Ventilatoren, deren Position bestimmt werden soll, wobei diese Funktion „F“ von dem Zentralrechner nach einem vorgegebenen Steuerungsprogramm selektiv für jeweils einen Ventilator mit einer bestimmten Netzwerkadresse aktiviert werden kann, mit einer Positionsbestimmungseinrichtung zur Erfassung der Position des Ventilators der detektiert wurde und mit einer Kommunikationseinrichtung zum Datenaustausch von Ventilatordaten mittels drahtloser Datenkommunikation zwischen dem Flugkörper und dem Zentralrechner, wobei die Flugsteuerungsvorrichtung des Flugkörpers derart konfiguriert ist, autonom nach einem Startbefehl einer zumindest teilweise vordefinierten Flugbahn zu folgen, um bei Detektion desjenigen Ventilators dessen Funktion „F“ gerade selektiv aktiviert wurde, die von der Positionsbestimmungseinrichtung entsprechend erfasste Position (Positionsdaten) dieses Ventilators an den Zentralrechner zu übermitteln, der die Position der Netzwerkadresse dieses Ventilators zuordnet.
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Im Folgenden wird das prinzipielle Konzept der Erfindung beschrieben. Ein Element des erfindungsgemäßen Positionsbestimmungssystems ist ein Flugkörper, insbesondere eine Drohne bzw. eine Schwebeplattfom. Hierzu eignen sich zum Beispiel Quadrocopter oder andere in einem Raum oder Gebäude manövrierfähige Flugkörper. Dabei ist vorgesehen, dass der Flugkörper wenigstens seine relative oder alternativ seine absolute Position innerhalb des Gebäudes oder Reinraumes selbständig bestimmen kann. Der Flugkörper wird mit einer vom Zentralrechner ansteuerbaren Funksteuereinrichtung zur Steuerung dessen Flugverhaltens im Raum ausgebildet.
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Besonders hilfreich ist es, wenn die Steuerung des Flugkörpers oder Quadrocopters so ausgebildet ist, dass eine Kollisionserkennung vorgesehen ist und der Flugkörper autonom fliegen kann. Die Positionsbestimmung des Flugkörpers kann dabei über bekannte Techniken, wie z. B. mittels GPS, Glonass, Galileo, Baidu-Signalen erfolgen.
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Ganz aktuell wird die nächste Version des bisher verbreiteten Bluetooth Standards realisiert. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat die Spezifikationen für Bluetooth 5.1 veröffentlicht und ein neues Detail macht den neuen Standard besonders interessant. Die so genannte Funktion „Direction Finding“ erlaubt es, Objekte, die ein Bluetooth-Signal aussenden, im Raum zentimetergenau zu orten. Bereits mit der Vorgängerversion war es möglich, etwa anhand der Signalstärke die ungefähre Entfernung zu einem Kommunikationspartner zu bestimmen.
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Die Funktion „Direction Finding“ misst jetzt aber nicht nur die Entfernung viel genauer, sondern erkennt auch, aus welcher Richtung das Signal kommt. Zur Positionsbestimmung kommen zwei verschiedene Dienste zum Einsatz: Real Time Location Services (RTLS) und Indoor Positioning Systems (IPS). Dabei wird das Verfahren der Triangulation genutzt, für das drei Bluetooth-Elemente erforderlich sind. Von zwei Punkten aus, deren Abstand bekannt ist, kann ein dritter Punkt per Winkelmessung genau im Raum lokalisiert werden. Die Genauigkeit liegt ohne Direction Finding bei ein bis zehn Metern, die neue Technologie erlaubt laut SIG zentimetergenaue Ortungen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dazu jeder Ventilator bzw. jede FFU mit einem entsprechenden Bluetooth 5.1 - Low Energy Beacon (Funksender) ausgestattet. Diese Sender ist dazu in der Lage die Funktionen RTLS und IPS auszuführen und damit die „Direction Finding“ des Bluetooth 5.1 Standards zu verwenden.
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Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass der Flugkörper eine Mehrzahl an Funkantennen an unterschiedlichen Positionen des Flugkörpers aufweist, insbesondere eine Mehrzahl an Empfangsantennen aufweist, um dadurch die Richtung eines empfangenen Funksignals noch genauer bestimmen zu können und somit die Positionsgenauigkeit weiter zu verbessern.
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Für den Anwendungsfall, dass alle FFUs in einem Raster angeordnet sind, könnte die Flugsteuerungssoftware bereits eine Rasterinformation enthalten, um dadurch einfacher eine Zuordnung im Raster vorzunehmen und eine Visualisierung schneller und eindeutig zu realisieren.
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Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine Erkennungsabfrage in der Software vorgesehen ist, die dazu in der Lage ist zu erkennen, welche Ventilatoren mit einem Bluetooth 5.1 Sender ausgestattet sind.
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Außerdem hat der Flugkörper eine, vorzugsweise unmittelbar nach unten d. h. in Richtung des Bodens gerichtete Kamera und eine Funkeinheit zur Funkverbindung mit einem Zentralrechner des Positionsbestimmungssystems der Reinraumanlage oder der Kälte/Klima-Anlage. Der Zentralrechner ist dabei diejenige Einrichtung in dem System, die die Funktion als zentraler Leitrechner und zentrale Steuerung übernimmt.
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In einer alternativen Ausführungsform könnte das erfindungsgemäße Verfahren auch außerhalb eines Gebäudes oder Raumes, somit im Outdoor-Bereich, wie zum Beispiel auf einem Dach angewandt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die detektierende Funktion „F“ das Drehen des jeweiligen aktivierten Ventilators mit einer bestimmten Drehzahl ist. Der Zentralrechner kann hierzu den Ventilator mit einer bestimmten Netzwerkadresse ansteuern und diesen zum Drehen aktivieren, insbesondere mit einer vordefinierten (gut von einer Kamera als Bewegung erfassbaren) Drehzahl.
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Weiter vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei das Ortungssystem eine optische Erfassungseinrichtung, vorzugsweise eine Kamera umfasst, die so ausgerichtet oder ausrichtbar ist, dass diese das Drehen bzw. die Bewegung eines jeweils in der Funktion „F“ aktivierten Ventilators optisch erfassen kann. Wenn alle Ventilatoren am Boden sind, kann die Kamera einfach nach unten ausgerichtet sein.
Denkbar wäre es eine LED blinken zu lassen, die vom Zentralrechner aktiviert wird.
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Der Zentralrechner lässt nun der Reihe nach je einen der Ventilatoren anlaufen und teilt dem Flugkörper drahtlos mit, welche Netzwerkadresse dieser Ventilator hat. Der Flugkörper fliegt systematisch die Anlage oder den Raum nach einem Flugmuster ab und erkennt mittels der optischen Erfassungseinrichtung, wie z. B. einer Kamera, welche der sich drehende Ventilator ist. Sobald er diesen geortet hat, erfasst die Positionserfassungseinrichtung dessen Position und sendet per Datenrückmeldung die Position dieses Ventilators an den Zentralrechner. Dieser Vorgang wird sukzessive für jeweils einen weiteren noch nicht in der Position erfassten Ventilator wiederholt, bis die Positionen aller Ventilatoren bestimmt sind.
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Da nur jeweils ein Ventilator von der Steuerung zur Drehung aktiviert wird und alle weiteren Ventilatoren eine Funktion besitzen, die dafür sorgt, dass der Ventilator bei nicht Vorliegen eines Ansteuer-Sollwertes auch wirklich still steht, kann der Flugköper sicher erkennen, welcher Ventilator der drehende ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Positionsbestimmungssystem ferner eine Einrichtung zur Visualisierung der erfassten räumlichen Positionen in einem Raum-Plan auf. Der Zentralrechner kann dann den entsprechenden Ventilator auf dem Raum-Plan optisch hervorheben.
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Der Zentralrechner nutzt die erhaltene Positionsangabe um eine graphische Repräsentation des Ventilators in einem Raum-Plan platzieren zu können und über die bekannte Netzwerkadresse kann diese Position auch in den Ventilator geschrieben werden, damit zum Beispiel bei einem Komplettausfall des Zentralrechners diese Positionsangaben direkt aus den Speichern der Ventilatoren gelesen werden können. Außerdem kann die Steuerung bzw. der Leitrechner die relative Positionsangabe in eine absolute Positionsangabe umwandeln, sobald dem Zentralrechner die absolute Position eines Punktes der Anlage mitgeteilt wurde.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Ortungssystem eine akustische Empfangseinrichtung, vorzugsweise wenigstens ein Mikrophon umfasst, das so ausgerichtet oder ausrichtbar ist, dass dieses ein Drehen eines jeweils in der Funktion „F“ aktivierten Ventilators akustisch erfassen kann.
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Das systematische Abfliegen der Ventilatoren auf der Suche nach dem drehenden Gerät kann hierdurch optimiert werden, indem man am Flugkörper mehrere Mikrophone montiert, mit deren Hilfe die Richtung der Geräusche des laufenden Ventilators erfasst wird. Alternativ installiert man nur ein einziges Mikrophon und fliegt von einer bestimmten Position ausgehend los und erfasst die Lautstärkeänderung somit die Änderung des Schalldruckpegels des sich drehenden Ventilators.
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Aus den Flugbahnen und den erfassten Schalldruckpegelkurven, lässt sich mit Hilfe eines Auswertealgorithmus in Bezug auf hinterlegte Referenzwerte des Schalldruckpegels die Position des sich drehenden Ventilators ermitteln.
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Eine weitere Optimierung der Positionsbestimmung mittels Geräuscherfassung kann dadurch erfolgen, dass man den jeweiligen Ventilator beim Starten in einen normalerweise ungewünschten Betriebszustand bringt, der zum Beispiel zu einem pfeifenden Kommutierungsgeräusch (auch als „PWM-Pfeifen“ bekannt) führt. Nun kann man frequenzabhängig (insbesondere über Filtereinrichtungen) das Signal/Rauschverhältnis verbessern und gezielt nach dem Geräusch im Bereich der Frequenz des „PWM-Pfeifens“ suchen.
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Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass nach dem Erfassen einer Positionsangabe dieses Ventilators der ungewünschte Betriebszustand automatisch durch ein Steuersignal abgestellt wird.
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Statt der Verwendung einer optischen Erfassungseinrichtung, wie zum Beispiel einer nach unten gerichteten Kamera, könnte die Drehbewegung des aktivierten Ventilators auch mittels eines Messstreifens erfolgen, der zuvor an den Rotorflügel der Ventilatoren angebracht wurde. Mittels eines Laserstrahls könnte dann eine Auswertung mit herkömmlichen optischen Auswerteeinrichtungen erfolgen. Eine weitere Alternative für ein an dem Flugkörper angebrachtes Ortungssystem könnte eine Ultraschallortung mit Hilfe eines Ultraschall-Transceivers sein, der Ultraschallsignale aussenden und die Antwortfunktion mit einem Ultraschallsensor empfangen kann.
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Eine andere Variante dieses Verfahrens wäre, dass die aktivierbare Funktion „F“ nicht das Laufen eines Ventilators, sondern das Blinken einer LED wäre: Würde der Flugkörper bzw. Quadrocopter im vorzugsweise abgedunkelten Raum fliegen, könnte er das Leuchten einer LED besonders gut detektieren. Zur Ortung käme dann ein Lichtsensor zur Anwendung. Hier würde die Verwendung mehrere Lichtsensoren so gewählt werden, dass sich eine bessere Richtungsbestimmung durch die Drohne vornehmen lässt und dadurch eine grobe Richtung bzw. Positionsbestimmung der zu detektierenden FFU dadurch erfolgen kann.
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Mit Vorteil besitzt der Flugkörper zwecks Kollisionsvermeidung mit Wänden und Stützpfeilern entsprechende Sensoren. Außerdem könnte die Ventilatoreinheit einen Infrarot-Empfänger und der Flugkörper einen IR-Sender haben, um eine Kommunikation zwischen den beiden zu ermöglichen und insbesondere die erfasste Position an den „selektierten“ Ventilator zu übergeben. Alternativ wäre auch eine RFID Technik denkbar.
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Der Ventilator oder die FFU könnte über eine spezielle, vom Flugkörper ebenfalls zu detektierende Blinksequenz das Ende des Positionsbestimmungsverfahrens mitteilen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung der relativen Position von n Ventilatoren.
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Erfindungsgemäß werden dazu die folgenden Schritte vorgeschlagen:
- a. Aktivieren einer vom Ortungssystem des Flugkörpers detektierbaren Funktion jeweils eines Ventilators dessen Position bestimmt werden soll mittels des Zentralrechners,
- b. Übermittlung der Netzwerkadresse desjenigen Ventilators dessen Funktion gerade aktiviert wurde;
- c. systematisches Abfliegen der Ventilatoren nach einem bestimmten Flugmuster mittels der Flugsteuerungsvorrichtung bis der Flugkörper mit dem Ortungssystem den in der Funktion aktivierten Ventilator detektiert hat;
- d. sobald der Ventilator geortet wurde, wird dessen Position mit der Positionserfassungseinrichtung erfasst und wird die Position dieses Ventilators an den Zentralrechner übermittelt;
- e. wiederholen der Schritte a) bis e) sukzessive für jeweils einen weiteren noch nicht in der Position erfassten Ventilator, bis die Positionen aller Ventilatoren bestimmt sind.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Positionsbestimmungssystem.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 näher erläutert. Diese zeigt ein Positionsbestimmungssystem zur Positionsbestimmung der relativen Position von beispielhaften Ventilatoren V1, V2, ..., Vn (hier beispielhaft mit n=3) in einem Raum mit Wänden W.
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Dabei sind die Ventilatoren V1, V2, V3 zusammen mit einem Zentralrechner 2 innerhalb eines gemeinsamen Netzwerks angeordnet. Der Zentralrechner 2 dient unter anderem der Steuerung der Ventilatoren als auch anderer steuertechnischer Aufgaben im Netzwerk, wie die der Aktivierung von Funktionen F der Ventilatoren, wie zum Beispiel dem Starten und Stoppen der Ventilatoren V1, V2, V3.
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Ferner umfasst das Positionsbestimmungssystem einen Flugkörper 20, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Quadrocopter ist.
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Der Quadrocopter 20 besitzt eine Flugsteuerungsvorrichtung 21 und ein Ortungssystem 22 zum Detektieren der Funktion F des gerade aktivierten Ventilators Vi (hier V3).
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Ferner besitzt der Quadrocopter 20 eine Positionsbestimmungseinrichtung 23 zur Erfassung der Position des Ventilators der gerade selektiv aktiviert wurde. Darüber hinaus ist eine Kommunikationseinrichtung 24 zum Datenaustausch von Ventilatordaten mittels drahtloser Datenkommunikation zwischen dem Quadrocopter 20 und dem Zentralrechner 2 vorgesehen.
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Die Flugsteuerungsvorrichtung 21 des Flugkörpers 20 ist so konfiguriert, dass der Quadrocopter 20 autonom nach einem Startbefehl einer zumindest teilweise vordefinierten Flugbahn folgt, um bei Detektion des Ventilators V3, dessen Funktion F gerade selektiv aktiviert wurde, dessen von der Positionsbestimmungseinrichtung 23 erfasste Position an den Zentralrechner 2 zu übermitteln.
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Der Zentralrechner 2 weist ein Zuweisungsregister auf, in dem die Positionen jeder der Netzwerkadressen IP1, IP2, IP3 den entsprechenden Ventilatoren V1, V2, V3 zugeordnet werden. Die Ventilatoren können dann in einer nicht gezeigten Visualisierungseinrichtung in einem Raum-Plan räumlich an ihren ermittelten Positionen dargestellt werden. Zusätzlich können für jeden der Ventilatoren V1, V2, V3 weitere dem Zentralrechner bekannte Informationen bei der Visualisierung dargestellt werden.
