DE102019108256A1 - Arrangement and procedure for enabling an autonomous landing - Google Patents

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Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft ein Landeverfahren und eine Anordnung zur Ermöglichung einer autonomen Landung eines Fluggeräts in einer Landezone (LZ), umfassend ein Fluggerät (100) mit einem Datenempfangsmittel zum Empfang von Positionsdaten (D) von einer Steuerung (10), mindestens eine Kamera (20) mit einem zugeordnetem Bildauswertemittel (21), welche dazu vorbereitet sind innerhalb eines Erfassungsbereichs (EB) eine Grobrichtung und/oder -position des Fluggeräts (100) zu bestimmen und an die Steuerung (10) weiterzugeben, mindestens drei Lasersensoren (30) mit zugeordneten Nachführungsmitteln (31), welche dazu vorbereitet sind in einem vorgegebenen Raumwinkelbereich nach dem Fluggerät (100) zu scannen, es zu erfassen und nachzuverfolgen, und während der Nachführung eine relative Richtung des Fluggeräts (100) repräsentierende Richtungsinformationen an die Steuerung (10) zu übertragen, wobei die Steuereinheit aus den Richtungsinformationen der Lasersensoren (30) eine Position des Fluggeräts (100) relativ zur Landezone (LZ) berechnet und als Positionsdaten (D) an das Fluggerät (100) sendet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur autonomen Warenauslieferung welches eine solche Anordnung und ein solches Landeverfahren einsetzt.The present invention relates to a landing method and an arrangement for enabling an aircraft to land autonomously in a landing zone (LZ), comprising an aircraft (100) with a data receiving device for receiving position data (D) from a controller (10), at least one camera (20) ) with an assigned image evaluation means (21) which are prepared to determine a coarse direction and / or position of the aircraft (100) within a detection area (EB) and to forward it to the controller (10), at least three laser sensors (30) assigned Tracking means (31) which are prepared to scan in a predetermined solid angle range for the aircraft (100), to detect and track it, and to transmit direction information representing a relative direction of the aircraft (100) to the controller (10) during the tracking , wherein the control unit from the direction information of the laser sensors (30) a position of the aircraft eräts (100) calculated relative to the landing zone (LZ) and sent as position data (D) to the aircraft (100). The invention further relates to a method for autonomous delivery of goods which uses such an arrangement and such a landing method.

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermöglichung einer autonomen Landung eines, insbesondere schwebeflugfähigen, Fluggeräts in einer Landezone, insbesondere einer Landestation auf einem Gebäudedach sowie ein dieses einsetzende autonome Warenlieferungsverfahren.The present invention relates to an arrangement and a method for enabling an autonomous landing of an aircraft, in particular an aircraft capable of hovering, in a landing zone, in particular a landing station on a building roof, and an autonomous goods delivery method using this.

Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art

Bereits heute gibt es in verschiedenen Ländern der Welt, insbesondere den USA, der Schweiz und Frankreich, erste Pilotprojekte zur Erprobung von autonomen Drohnen, unbemannten Fluggeräten, zur Waren- und Paketauslieferung. Der großmaßstäbliche Einsatz ist absehbar.There are already first pilot projects in various countries around the world, especially in the USA, Switzerland and France, to test autonomous drones, unmanned aerial vehicles, and for the delivery of goods and parcels. Large-scale use is foreseeable.

Grundsätzlich sind zwei Arten der Waren/Paketablieferung denkbar, je nachdem ob die Drohne zum Absetzen des Transportguts landet oder dies aus dem Schwebeflug heraus erledigt.
Letzteres hat den Vorteil auch dann möglich zu sein, wenn kein zur Landung geeignetes Gelände zur Verfügung steht. Bekannte Verfahren hierfür sind das Abwerfen oder das Herablassen an einem Seil. Abwerfen birgt die Gefahr der Beschädigung des Transportguts, während die Verwendung eines Seils das Risiko mit sich bringt, dass sich dieses verfängt und die Drohne hierdurch zum Absturz gebracht oder zumindest zu einer ungeplanten Landung gezwungen wird. Zudem ist Abwerfen oftmals gesetzlich verboten und ein gezieltes Absetzen an einen gewünschten Punkt äußerst schwierig.
Basically, two types of goods / parcel delivery are conceivable, depending on whether the drone lands to set down the cargo or does it while hovering.
The latter has the advantage of being possible even if there is no suitable land for landing. Known methods for this are throwing or lowering on a rope. Throwing it down harbors the risk of damage to the transported goods, while the use of a rope entails the risk of it getting caught and causing the drone to crash or at least to be forced into an unplanned landing. In addition, dropping is often prohibited by law and a targeted drop at a desired point is extremely difficult.

Die höchste Genauigkeit und Sicherheit sowohl für das Transportgut als auch die es transportierende Drohne bei der Lieferung ist beim Absetzen nach der Landung gegeben. Auch hier stellt sich jedoch das Problem, die gewünschte Landezone und Absetzpunkt hierin genau ansteuern zu müssen.The highest level of accuracy and safety for both the cargo and the drone transporting it during delivery is given when it is set down after landing. Here too, however, the problem arises of having to navigate precisely to the desired landing zone and drop-off point.

Für diesen zur zuverlässigen Ablieferung, ob durch Absetzen nach der Landung oder mittels einer Seilwinde aus dem Schwebeflug heraus, nötigen präzisen Anflug der Warenabliefer- oder Landezone ist eine genaue Bestimmung der Position der Lieferdrohne relativ zum Absetzpunkt unabdingbar. Hierfür sind verschiedene Herangehensweisen denkbar: Positionsbestimmung mittels interner Sensoren der Drohne, mittels externer Sensoren und eine Mischung aus beidem. Für all diese Optionen finden sich Realisierungen im Stand der Technik.For this precise approach to the delivery or landing zone, which is necessary for reliable delivery, whether by dropping it down after landing or by means of a winch from the hover, an exact determination of the position of the delivery drone relative to the dropping point is essential. Various approaches are conceivable for this: Position determination using internal sensors of the drone, using external sensors and a mixture of both. All of these options can be found in the prior art.

Interne Navigationsmittel wie GPS oder Inertialnavigationseinheiten bzw. -messvorrichtungen (IMUs) finden sich in fast allen Drohnen. Beide sind weltweit einsetzbar und eignen sich sehr gut dafür, ein bestimmtes Zielgebiet anzufliegen, sind jedoch nicht ausreichend genau, um einen bestimmten Absetzpunkt mit der nötigen Präzision im Bereich einiger bis höchstens einiger zehn Zentimeter anzusteuern. Die Genauigkeit des zivilen GPS liegt bei einigen bis einigen zehn Metern, ist also ca. zwei Größenordnungen unter der gewünschten. Darüber hinaus ist sie auch anfällig für Störungen durch das Wetter und künstliche Störquellen. Inertialnavigation hat diese Nachteile zwar nicht, ist jedoch, besonders nach langen Flugstrecken bzw. -zeiten ohne Abgleich mit einer ortfesten Referenz, noch weniger genau als GPS.Internal navigation means such as GPS or inertial navigation units or measuring devices (IMUs) can be found in almost all drones. Both can be used worldwide and are very suitable for flying to a specific target area, but are not sufficiently precise to approach a specific drop-off point with the necessary precision in the range of a few to a maximum of a few tens of centimeters. The accuracy of civil GPS is a few to a few tens of meters, which is about two orders of magnitude below the desired one. In addition, it is also prone to interference from weather and artificial sources of interference. Inertial navigation does not have these disadvantages, but is even less accurate than GPS, especially after long flight routes or times without comparison with a fixed reference.

Kameras oder andere Sensoren, wie abbildendes (Millimeterwellen) RADAR, Laser- oder Ultraschallsensoren, die eine Orientierung der Drohne anhand des Umgebungsreliefs ermöglichen, können eine ausreichend genaue Ansteuerung des Absetzpunkts ermöglichen.Cameras or other sensors, such as imaging (millimeter wave) RADAR, laser or ultrasonic sensors, which enable the drone to orientate itself based on the relief of the surroundings, can enable a sufficiently precise control of the drop-off point.

Beispielsweise schlägt die OffenlegungsschriftFor example, the Offenlegungsschrift suggests

DE 10 2018 205 134 A1 der Anmelderin ein Abstandsensorsystem für eine Drohne zur effektiven und automatischen Detektion von Landeplätzen vor, welches eine Mehrzahl von schwenkbar an der Drohne angebrachten Laserpunktsensoren umfasst, die nach Schwenkwinkel aufgelöste Abstandsdaten an einen Signalverarbeitungsprozessor weitergeben, der hieraus ein 3D Reliefbild der Umgebung errechnet. Dieses kann mit in einer Datenbank hinterlegten Bildern eines Zielgebiets verglichen und dadurch mit hoher Genauigkeit eine in dem Zielgebiet gelegene Landezone angeflogen und dort auf einem designierten Lande- oder Aufsetzpunkt gelandet werden. DE 10 2018 205 134 A1 The applicant presented a distance sensor system for a drone for the effective and automatic detection of landing sites, which comprises a plurality of pivotably mounted laser point sensors on the drone, which pass on distance data resolved according to the pivot angle to a signal processing processor, which calculates a 3D relief image of the surroundings. This can be compared with images of a target area stored in a database and thus a landing zone located in the target area can be approached with high accuracy and landed there on a designated landing or touchdown point.

Durch ein solches drohnenseitiges Positionsbestimmungssystem ist die Drohne unabhängig von bodengestützter Infrastruktur, und eignet sich damit besonders im frühen Stadium der Entwicklung drohnengebundener Warenlieferung. Es hat allerdings den Nachteil höher Komplexität und damit Kosten pro Drohne und reduziert zudem auch das maximale von der Drohnen transportierbare Nutzlastgewicht.With such a drone-based positioning system, the drone is independent of ground-based infrastructure and is therefore particularly suitable in the early stage of the development of drone-based delivery of goods. However, it has the disadvantage of higher complexity and thus costs per drone and also reduces the maximum payload weight that the drone can transport.

Dies kann durch den Einsatz bodengestützter Infrastruktur vermieden werden. Hierbei kann entweder die Position der Drohne relativ zur Landezone bzw. dem designierten Landepunkt bestimmt und per Datenübertragung an die Drohne gesendet werden, oder es wird, ähnlich wie aus der Zivilluftfahrt bekannt, ein leitstrahlbasiertes Systeme eingesetzt, bei welchem die Drohne selbsttätig einem oder mehreren Leitstrahlen zum gewünschten Aufsetzpunkt folgt. Letzteres würde es aber erfordern, die Drohne mit Mitteln zum Erfassen des Leitstrahls auszustatten, was die Vorteile der bodengestützten Infrastruktur teilweise negierte.This can be avoided by using ground-based infrastructure. Either the position of the drone relative to the landing zone or the designated landing point can be determined and sent to the drone via data transmission, or, similar to what is known from civil aviation, a beacon-based system is used in which the drone automatically receives one or more beacons to the desired touchdown point follows. The latter, however, would require equipping the drone with means to capture the beacon, which partially negated the advantages of the ground-based infrastructure.

Gleiches gilt für das in der US Veröffentlichungsschrift US 2009/0055038 A1 vorgeschlagene automatische Landesystem, welches einen bodengestützten Radarempfänger und zwei Transponder umfasst: einen fest am Boden installierten und einen von dem zu leitenden Fluggerät getragenen. Der Radarempfänger bestimmt einen Winkel zwischen den Richtungen zu den beiden Transpondern sowie die Distanz zum Fluggerät. Unter der Annahme, dass das Fluggerät in der Verlängerung einer Landebahn befindlich ist, kann so dessen Position im Raum genau bestimmt werden. Für den Einsatz in Verbindung mit, üblicherweise schwebeflugfähigen, Drohnen im Lieferdienst eignet es sich aber zumindest aus dem Grunde nicht, als diese keinen vorherbestimmten Flugwegen folgen, sondern aus beliebigen Richtungen anfliegen (können sollen).The same applies to that in the US publication US 2009/0055038 A1 proposed automatic landing system, which comprises a ground-based radar receiver and two transponders: one permanently installed on the ground and one carried by the aircraft to be controlled. The radar receiver determines an angle between the directions to the two transponders and the distance to the aircraft. Assuming that the aircraft is in the extension of a runway, its position in space can be precisely determined. For use in connection with drones, which are usually capable of hovering, in delivery services, at least for the reason that they do not follow a predetermined flight path, but (should be able to) approach from any direction.

Technische AufgabeTechnical task

Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe vorliegender Erfindung ein externes System und ein Verfahren zur Ermöglichung einer autonomen Landung von Fluggeräten, insbesondere zum Absetzen eines Transportguts durch ein autonomes Fluggerät bei einer Warenauslieferung, zu finden, welches die präzise Ansteuerung eines Landepunktes ermöglicht und ohne zusätzliche Hardware an Bord des Fluggeräts auskommt.Against this background, the object of the present invention is to find an external system and a method for enabling an autonomous landing of aircraft, in particular for the dropping of a transport item by an autonomous aircraft when delivering goods, which enables the precise control of a landing point and without additional hardware Board the aircraft.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 - 6, ein diese Anordnung verwendendes Landeverfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 und die das Landeverfahren einsetzenden Verfahren zur autonomen Warenauslieferung gemäß der Ansprüche 9 und 10.This object is achieved by an arrangement according to one of claims 1 - 6th , a landing method using this arrangement according to one of claims 7 or 8 and the method using the landing method for the autonomous delivery of goods according to claims 9 and 10.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die Positionsbestimmung extern vorzunehmen und diese Position per Datenverbindung an das Fluggerät, insbesondere eine autonome Drohne, weiterzugeben. Denn während Mittel zum zuverlässigen Erfassen und Verfolgen eines Leitstrahls sowie Radartransponder nicht zur Grundausstattung von Drohnen gehören, verfügen alle, auch vollautonome, über drahtlose Datenkommunikationsmittel.A basic idea of the invention is to determine the position externally and to pass this position on to the aircraft, in particular an autonomous drone, via a data connection. Because while means for reliably detecting and tracking a beacon and radar transponders are not part of the basic equipment of drones, all, including fully autonomous ones, have wireless data communication means.

Die genaue Positionsbestimmung erfolgt erfindungsgemäß per Triangulation aus den Richtungsdaten von drei oder mehr Abstandssensoren, insbesondere Lasersensoren. Da diese ein sehr enges Sichtfeld von wenigen (Raumwinkel)Graden haben, müssen Sie zum Auffinden und Erfassung von Objekten einen (Raum-)Winkelbereich abscannen. Aufgrund der vergleichsweise geringen Scangeschwindigkeit ist es nicht praktikabel, die Sensoren den ganzen Himmel auf der Suche nach sich nähernden Fluggeräten scannen zu lassen.According to the invention, the exact position is determined by triangulation from the directional data from three or more distance sensors, in particular laser sensors. Since these have a very narrow field of view of a few (solid angle) degrees, you have to scan a (spatial) angle range to find and record objects. Due to the comparatively slow scanning speed, it is impractical to have the sensors scan the entire sky in search of approaching aircraft.

Daher werden die Lasersensoren erfindungsgemäß über eine zentrale Steuerung mit einer oder mehreren Kameras gekoppelt, welche einen großen Erfassungsbereich, idealerweise einen ganzen Halbraum oder mehr, haben. Bildverarbeitungsmittel erkennen in dem Echtzeitbildern der Kamera ein im Erfassungsbereich befindliches Flugobjekt und bestimmen dessen ungefähre relative Richtung bzw. beim Einsatz mehrerer Kameras auch dessen ungefähre Position. Aufgrund des großen erfassten Raumwinkelbereichs und der Verzögerung bei der Bilderkennung ist diese Richtung bzw. Position mit einem relativ hohen Fehler behaftet und erlaubt noch keine präzise Landung.Therefore, according to the invention, the laser sensors are coupled via a central controller to one or more cameras which have a large detection area, ideally an entire half-space or more. Image processing means recognize a flight object located in the detection area in the real-time images of the camera and determine its approximate relative direction or, if several cameras are used, also its approximate position. Because of the large captured solid angle range and the delay in image recognition, this direction or position is subject to a relatively high error and does not yet allow a precise landing.

Darum wird durch die Steuerung aus der durch die Kamera(s) bestimmten Grobrichtung oder -position für jeden der mit einem gewissen Abstand zum idealen Aufsetzpunkt und zueinander um die Landezone angeordneten Abstandssensoren, insbesondere Lasersensoren, ein abzuscannender Raumwinkelbereich errechnet und an den jeweiligen Sensor weitergegeben. Dieser scannt den ihm zugewiesenen Bereich ab und sofern er das sich nähernde Fluggerät erfasst, beginnt er dessen Nachführung (Tracking). Aus den so erfassten Richtungsdaten jedes Sensors zusammen mit dem für die jeweiligen Sensoren maßgeblichen Versatzvektoren trianguliert die Steuerung die genau Position des Fluggeräts relativ zur Landezone bzw. genauer relativ zu einem gewählten Punkt darin, beispielsweise gewünschten idealen Aufsetz- bzw. Transportgut-Absetzpunkt, welcher bei einer üblicherweise symmetrisch geformten, beispielsweise kreisförmigen oder quadratischen, Landezone ihr Mittelpunkt sein kann.For this reason, the controller calculates a solid angle range to be scanned from the rough direction or position determined by the camera (s) for each of the distance sensors, in particular laser sensors, which are arranged at a certain distance from the ideal touchdown point and from one another around the landing zone and passed on to the respective sensor. This scans the area assigned to it and if it detects the approaching aircraft, it begins its tracking. From the directional data recorded in this way for each sensor together with the offset vectors relevant for the respective sensors, the controller triangulates the exact position of the aircraft relative to the landing zone or, more precisely, relative to a selected point therein, for example the desired ideal touchdown or transport goods dropping point, which at a usually symmetrically shaped, for example circular or square, landing zone can be its center.

Zusätzlich zur Position an sich kann auch eine Positionsunsicherheit bestimmt werden. Die Positionsdaten werden dann von der Steuerung an das Fluggerät übertragen, welches sie verwendet um präzise zum gewünschten Landepunkt zu navigieren.In addition to the position itself, a position uncertainty can also be determined. The position data is then transmitted from the controller to the aircraft, which uses it to precisely navigate to the desired landing point.

Das erfindungsgemäße präzise Anflug- und Landeverfahren wird insbesondere als Teilsequenz eines autonomen Warenanlieferverfahrens eingesetzt, bei der die Landezone als eine Landestation ausgebildet ist, welche über eine Landefläche und Fördermittel verfügt, um ein von dem autonomen Fluggerät abgesetztes Transportgut, etwa ein Paket oder anderer Gegenstand, von dem Absetzpunkt weg zu befördern.The precise approach and landing method according to the invention is used in particular as a partial sequence of an autonomous goods delivery method in which the landing zone is designed as a landing station, which has a landing area and conveying means to transport goods, such as a package or other object, that have been deposited by the autonomous aircraft. to be carried away from the drop-off point.

Eine solche Landestation kann auf einem Gebäude(flach)dach installiert sein, da hierdurch hindernisfreiere Anflugwege sichergestellt sind und, da sich diese dort seltener aufhalten, auch die Gefahr der Kollision mit Personen minimiert wird.
Eine Landestation zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen autonomen Warenlieferverfahren kann beispielsweise ein Kastenförmiges Gehäuse mit einer oberseitigen Landefläche in Form einer Falltürkonstruktion sein. Im Inneren des Gehäuses unterhalb der Falltür ist eine Fördermechanik, etwa ein Förderband vorhanden. Nach dem punktgenauen Absetzen des Transportguts durch das Fluggerät mittels des erfindungsgemäßen Anflug- und Landeverfahrens, schwenkt die Falltür nach unten, so dass das Transportgut durch die Schwerkraft ins Rutschen und auf der Fördertechnik zu liegen kommt. Durch diese wird das Transportgut sodann aus der Landestation ins Gebäudeinnere befördert. Um eine Beschädigung des Transportguts zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass der Höhenunterschied zwischen Landefläche und Fördermechanik nur gering ist oder die Falltür nur eine um einige Grad geneigte Fläche bildet, so dass die Rutschgeschwindigkeit gering bleibt.
Such a landing station can be installed on a building (flat) roof, since this ensures unobstructed approach routes and, since they are there less often, the risk of collision with people is also minimized.
A landing station for use in the autonomous goods delivery method according to the invention can for example be a box-shaped housing with an upper landing area in the form of a trap door construction. Inside the housing below the trap door there is a conveyor mechanism, such as a conveyor belt. After the transport goods have been set down precisely by the aircraft by means of the approach and landing method according to the invention, the trap door swings down so that the transport goods slide due to gravity and come to rest on the conveyor system. This then transports the goods from the landing station into the interior of the building. In order to avoid damage to the transported goods, make sure that the height difference between the landing area and the conveyor mechanism is only small or that the trap door only forms a surface inclined by a few degrees so that the sliding speed remains low.

Alternativ kann die Landefläche auch als vertikal beweglicher Aufzug ausgebildet sein, welcher in ein darunterliegendes Stockwerk des Gebäudes verfahrbar ist. Anstelle eines Förderbandes kann unterhalb der Falltürartigen Landefläche der Landestation auch ein Aufzug oder eine Paketrutsche zur Wegbeförderung des Transportguts verwendet werden.Alternatively, the landing area can also be designed as a vertically movable elevator which can be moved to a floor of the building below. Instead of a conveyor belt, an elevator or a package slide can also be used below the trapdoor-like landing area of the landing station to transport the goods away.

Ein vollautonomes Warenlieferverfahren zwischen zwei oder mehr Gebäuden, wie es vorliegende Erfindung vorschlägt, setzt eine Landestation voraus, welche Fördermittel auch zum An- und nicht nur zum Abtransport der Waren aufweist. Dies bedeutet, die Fördermittel müssen geeignet sein, ein Transport gut zur Aufnahme durch ein autonomes Fluggerät zu einem Aufnahmepunkt auf die Landefläche zu befördern und dort bereitzustellen. Eine Falltürkonstruktion, egal ob in Kombination mit einem Förderband, einer Rutsche oder einem Aufzug, ist hierfür nur schwierig einsetzbar. Eine als Aufzug ausgebildete Landefläche wäre hingegen ohne Modifikationen geeignet, da das Transportgut bereits im Gebäudeinneren, ob durch einen Menschen oder einen Roboter, auf dem richtigen Punkt der Landefläche positioniert werden kann und die Landefläche dann nur noch in ihre Einsatzposition auf der Oberseite der Landestation verfahren muss, wo sie dann von einem autonomen Fluggerät mittels des erfindungsgemäßen Anflug- und Landeverfahrens angeflogen und das Transportgut aufgenommen werden kann.A fully autonomous goods delivery method between two or more buildings, as proposed by the present invention, requires a landing station which also has conveying means for the arrival and not only for the removal of the goods. This means that the funds must be suitable for transporting a transport to be picked up by an autonomous aircraft to a pick-up point on the landing area and to make it available there. A trap door construction, whether in combination with a conveyor belt, a slide or an elevator, is difficult to use for this. A landing area designed as an elevator, on the other hand, would be suitable without modifications, since the transported goods can already be positioned inside the building, whether by a human or a robot, at the correct point on the landing area and the landing area then only moves into its operational position on the top of the landing station must, where it can then be approached by an autonomous aircraft using the approach and landing method according to the invention and the cargo can be picked up.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsmäßen Anordnung und der Verfahren liegt darin, dass autonomen Fluggeräten wie Drohnen ohne Modifikation, insbesondere ohne das zusätzliche Sensoren oder andere Navigations- oder Kommunikationsmittel eingebaut werden müssten, ein punktgenaues Anfliegen einer Landezone, insbesondere einer Landestation zur Hin- und Wegbeförderung des Transportgutes, ermöglicht wird. Durch die Kombination von visueller Groberfassung und lasergestützter Feinerfassung ist eine schnelle und effektive Nachführung des Fluggeräts mit Echtzeit-Aktualisierung der relativen Positionsdaten geschaffen. Lasersensoren eignen sich aufgrund der geringen Strahlaufweitung besonders zur Positionsbestimmung mit einer geringen Unsicherheit, wurden aber bisher aufgrund der langen Erfassungszeiten bzw. langsamen Scangeschwindigkeiten nicht zur bodengestützten Luftraum- und Anflugüberwachung autonomer Fluggeräte eingesetzt. Es ist der Verdienst vorliegender Erfindung einen technischen Weg aufgezeigt zu haben, wie die Vorteile von Lasersensoren für eine hochpräzise Anflugüberwachung nutzbar gemacht werden können.The main advantage of the inventive arrangement and the method is that autonomous aircraft such as drones without modification, in particular without additional sensors or other navigation or communication means would have to be installed, a precise approach to a landing zone, in particular a landing station for transporting the Transport good, is made possible. The combination of visual coarse recording and laser-assisted fine recording enables fast and effective tracking of the aircraft with real-time updating of the relative position data. Due to the low beam expansion, laser sensors are particularly suitable for position determination with a low level of uncertainty, but have so far not been used for ground-based airspace and approach monitoring of autonomous aircraft due to the long acquisition times and slow scan speeds. It is the merit of the present invention to have shown a technical way how the advantages of laser sensors can be used for high-precision approach monitoring.

WeiterbildungenAdvanced training

Vorteilhafte Weiterbildungen vorliegender Erfindung werden im Folgenden vorgestellt. Sie können einzeln oder in Kombination realisiert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.Advantageous developments of the present invention are presented below. They can be implemented individually or in combination as long as they are not mutually exclusive.

Bevorzugt wird nicht nur eine unidirektionale Datenverbindung zur Weitergabe der errechneten genauen Positionsdaten von der Steuerung an das autonome Fluggerät verwendet, sondern eine bidirektionale Verbindung aufgebaut, über welche das Fluggerät seinerseits durch interne Navigationsmittel bestimmte Positionsdaten an die Steuerung überträgt. Üblicherweise in autonomen Fluggeräten vorhandene Navigationsmittel umfassen GPS- und Inertialnavigationseinheiten (IMU - Inertial Measurement Unit) und, barometrische oder abstandssensorbasierte, Höhenmesser.Preferably, not only is a unidirectional data connection used to pass on the calculated exact position data from the controller to the autonomous aircraft, but a bidirectional connection is established through which the aircraft in turn transmits certain position data to the controller using internal navigation means. Navigation means usually present in autonomous aircraft include GPS and inertial navigation units (IMU - Inertial Measurement Unit) and, barometric or distance sensor-based, altimeters.

Dies ist insbesondere in der Phase vor der Ersterfassung des Fluggeräts durch die Lasersensoren von Nutzen, um die Bestimmung der Grobrichtung und des durch die Lasersensoren zwecks Erfassung des Fluggeräts abzuscannenden Raumwinkelbereich zu beschleunigen. Darüber hinaus kann hierdurch auch eine Erfassung des Fluggeräts außerhalb des Erfassungsbereichs der Kamera/s ermöglicht werden, sofern der Schwenk bzw. Erfassungsbereich der Lasersensoren nicht im Erfassungsbereich der Kamera enthalten ist. Zudem kann die vom Fluggerät übermittelten Positionsdaten auch die Richtungsunsicherheit reduzieren helfen.This is particularly useful in the phase before the first detection of the aircraft by the laser sensors in order to accelerate the determination of the rough direction and the solid angle range to be scanned by the laser sensors for the purpose of detecting the aircraft. In addition, this can also enable the aircraft to be detected outside the detection range of the camera / s, provided that the swivel or detection range of the laser sensors is not contained in the detection range of the camera. The position data transmitted by the aircraft can also help reduce directional uncertainty.

Die zum Fluggerät übertragenen Positionsdaten können außer der per Triangulation bestimmten Ist-Position des Fluggeräts auch eine Soll-Position, also die vom Fluggerät anzusteuernde (Lande-)Position oder designierten Aufsetzpunkt innerhalb der Landezone enthalten. Sofern die zur Darstellung der Ist-Position verwendeten Koordinaten relative zur Landeposition bzw. dem designierten Aufsetzpunkt angegeben sind, dieser also den Ursprung des verwendeten Koordinatensystems bildet, wäre diese Information implizit in der Ist-Position mit enthalten. Diese datensparende implizite Angabe ist sogar dann anwendbar, wenn sich der designierte Aufsetzpunkt während des Landemanövers verschiebt, etwa weil der anvisierte Landeplatz belegt oder anderweitig vergeben wurde. In diesem Falle würden sich die übertragenen Koordinaten auch dann ändern, wenn die Ist-Position tatsächlich gleich bliebe.In addition to the actual position of the aircraft determined by triangulation, the position data transmitted to the aircraft can also contain a target position, i.e. the (landing) position to be controlled by the aircraft or the designated touchdown point within the landing zone. If the coordinates used to represent the actual position are specified relative to the landing position or the designated touchdown point, that is, if this forms the origin of the coordinate system used, this information would be implicitly included in the actual position. This data-saving implicit specification can even be used if the designated touchdown point shifts during the landing maneuver, for example because the targeted landing site has been occupied or otherwise allocated. In this case, the transferred coordinates would also change if the actual position actually remained the same.

Es kann erfindungsgemäß jeder Kamera ein eigenes Bildauswertemittel und zusätzlich jedem Lasersensor ein eigenes Nachführungsmittel, bevorzugt in Form von Datenverarbeitungseinheiten, zugeordnet sein. Dieses wäre in diesem Fall bevorzugt physisch in der Nähe der jeweiligen Kamera bzw. des jeweiligen Sensors angeordnet um die Signallaufzeiten zu minimieren. Dies hätte den Vorteil der Redundanz und der schnellen Verarbeitung. Zudem könnte, da nur das Auswertungsergebnis übertragen werden muss, die Datenverbindung zur Steuerung hinsichtlich der Bandbreite/Datenrate kleiner dimensioniert werden. Jedoch wird hierbei das System durch die Vielzahl der benötigten Datenverarbeitungseinheiten komplexer und teurer.According to the invention, each camera can have its own image evaluation means and, in addition, each laser sensor can have its own tracking means, preferably in the form of data processing units. In this case, this would preferably be arranged physically in the vicinity of the respective camera or the respective sensor in order to minimize the signal transit times. This would have the advantage of redundancy and fast processing. In addition, since only the evaluation result has to be transmitted, the data connection to the controller could be dimensioned smaller in terms of bandwidth / data rate. However, the system becomes more complex and expensive due to the large number of data processing units required.

Alternativ wird daher vorgeschlagen, eine zentrale Datenverarbeitungseinheit als Signalverarbeitungsmittel einzusetzen, welches sowohl die von der/den Kamera/s aufgenommenen Bilddaten auswertet, um darin ein sich näherndes Fluggerät zu erkennen und dessen ungefähre relative Richtung zu bestimmen, als auch die Signale der Lasersensoren überwacht und deren Erfassung und Nachführung des Fluggeräts zu steuern.
Es sind auch Mischformen möglich. Beispielsweise ein, bei der die Bilddaten mehrerer versetzter Kameras durch eine zentrale Einheit ausgewertet wird, welche aus der Parallaxe der Bilder nicht nur eine ungefähre Richtung sondern auch eine ungefähre (d.h. Grob-)Position des anfliegenden Fluggeräts zu bestimmen vermag, während die Lasersensoren über individuelle Nachführungsmittel verfügen und das Fluggerät eigenständig und unabhängig voneinander erfassen und nachführen können.
As an alternative, it is therefore proposed to use a central data processing unit as the signal processing means, which evaluates the image data recorded by the camera (s) in order to recognize an approaching aircraft and determine its approximate relative direction, and also monitors and monitors the signals from the laser sensors to control their acquisition and tracking of the aircraft.
Mixed forms are also possible. For example, one in which the image data of several offset cameras is evaluated by a central unit, which is able to determine not only an approximate direction but also an approximate (ie rough) position of the approaching aircraft from the parallax of the images, while the laser sensors via individual Have tracking means and can record and track the aircraft independently and independently of one another.

Für eine zuverlässige und ausreichend präzise Positionsbestimmung wird der Einsatz von mindestens drei Lasersensoren vorgeschlagen, welche bevorzugt symmetrisch um die Landezone und den vorgesehenen Lande- bzw. Aufsetzpunkt darin angeordnet sind. Dabei können die Sensoren beispielsweise die Ecken eines regelmäßigen Vielecks bilden, und, besonders bevorzugt, alle den gleichen Abstand zum Aufsetzpunkt aufweisen. Falls die Platzverhältnisse in der Umgebung der Landezone keine Anordnung der Sensoren in einem gleichseitigen Vieleck zulassen, kann auch eine Anordnung in Form eines in einer Richtung gestauchten Vielecks zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist die Stauchungsrichtung hierbei eine diagonale oder eine Spiegelsymmetrieachse des Vielecks, so dass zumindest eine Spiegel- u. ggf. eine Punktsymmetrie erhalten bleibt. Dies hat den Vorzug, die Positionsdatenberechnungen durch die Steuerung zu beschleunigen.For a reliable and sufficiently precise position determination, the use of at least three laser sensors is proposed, which are preferably arranged symmetrically around the landing zone and the intended landing or touchdown point therein. The sensors can, for example, form the corners of a regular polygon and, particularly preferably, all have the same distance from the touchdown point. If the spatial conditions in the vicinity of the landing zone do not allow the sensors to be arranged in an equilateral polygon, an arrangement in the form of a polygon compressed in one direction can also be used. The compression direction is preferably a diagonal or a mirror symmetry axis of the polygon, so that at least one mirror u. possibly a point symmetry is retained. This has the advantage of accelerating the position data calculations by the control.

Besonders bevorzugt werden vier Lasersensoren eingesetzt die, noch mehr bevorzugt, rechteck- oder rautenförmig angeordnet sind, wobei beide geometrischen Begriff „Rechteck“ und „Raute“ auch ein Quadrat als Grenzfall mit einschließen. Bei vier Sensoren ist, sofern alle Sensoren funktionieren und das Fluggerät erfassen und nachführen, die Positionsbestimmung gegenüber dem Einsatz von nur drei Sensoren positiv verbessert. Zudem ist eine gewisse Redundanz gegen den Ausfall bzw. den Erfassungsverlust eines einzelnen Sensors geschaffen, ohne die Zahl und damit Größe und Komplexität der erfindungsgemäßen Anordnung übermäßig zu erhöhen.Particularly preferably, four laser sensors are used which, even more preferably, are arranged in the shape of a rectangle or diamond, both the geometric terms “rectangle” and “diamond” including a square as a borderline case. With four sensors, as long as all sensors work and the aircraft record and track, position determination is positively improved compared to the use of only three sensors. In addition, a certain redundancy is created against the failure or the loss of detection of an individual sensor without excessively increasing the number and thus the size and complexity of the arrangement according to the invention.

Da Gebäude und damit ihre Dachflächen üblicherweise einen rechteckigen Grundriss haben, bewirkt eine rechteck- oder rautenförmige Anordnung, abgesehen von dem bereits angesprochenen positiven Effekt der Symmetrie, zudem für den vorgesehenen Hauptanwendungsfall vorliegender Erfindung, die Dachlandung auf einem Gebäudedach, eine optimale Platzausnutzung in dem Sinne, dass hierdurch der Versatz zwischen den Lasersensoren maximiert und eine möglichst große Basislinie für die Triangulation geschaffen wird.Since buildings and thus their roof surfaces usually have a rectangular floor plan, a rectangular or diamond-shaped arrangement, apart from the already mentioned positive effect of symmetry, also for the intended main application of the present invention, the roof landing on a building roof, results in an optimal use of space in this sense that this maximizes the offset between the laser sensors and creates the largest possible base line for the triangulation.

Wie bereits angedeutet, ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf eine einzelne Kamera beschränkt. Es können auch mehrere versetzt zueinander angeordnete Kameras verwendet werden, wodurch eine visuelle Triangulation und Bestimmung einer ungefähren Position des Fluggeräts möglich wird. Grundsätzlich kann dies auch bei Einsatz einer einzelnen Kamera und bekannter absoluter Größe des Fluggeräts dadurch erfolgen, dass aus der scheinbaren Größe des Fluggeräts dessen Entfernung geschätzt wird. Dies ist jedoch um einiges ungenauer als eine visuelle Triangulation.As already indicated, the arrangement according to the invention is not limited to a single camera. It is also possible to use several cameras that are offset from one another, which enables visual triangulation and determination of an approximate position of the aircraft. In principle, this can also be done with the use of a single camera and a known absolute size of the aircraft by estimating its distance from the apparent size of the aircraft. However, this is a lot less accurate than visual triangulation.

Sofern nur eine einzelne Kamera eingesetzt ist, wird jedoch bevorzugt, diese möglichst nahe bei dem designierten Lande- bzw. Aufsetzpunkt des Fluggeräts anzubringen. Beispielsweise könnte die Kamera auch unter einer Glasplatte direkt unterhalb des Aufsetzpunkts eingebaut sein. Sofern Anflüge aus allen Richtungen gleichermaßen gut unterstützt werden können sollen, bietet sich ein möglichst symmetrischer Erfassungsbereich der Kamera um den Landepunkt an. Hierzu sollte die Kamera zum Zenit gerichtet eingebaut werden werden. Um den Erfassungsbereich zu maximieren, wird vorgeschlagen eine Weitwinkeloptik, insbesondere ein Fischaugenobjektiv zu verwenden.If only a single camera is used, however, it is preferred to mount it as close as possible to the designated landing or touchdown point of the aircraft. For example, the camera could also be installed under a glass plate directly below the touchdown point. If approaches from all directions are to be supported equally well, the most symmetrical possible detection area of the camera around the landing point is recommended. For this purpose, the camera should be installed facing towards the zenith. In order to maximize the detection area, it is proposed to use wide-angle optics, in particular a fisheye lens.

Um auch bei Nacht oder bei schlechtem Wetter wie Nebel oder Regen einsetzbar zu bleiben, wird vorgeschlagen allein oder zusätzlich eine abbildende Infrarotkamera zu verwenden.In order to remain usable at night or in bad weather such as fog or rain, it is proposed to use an imaging infrared camera alone or in addition.

Bei dem erfindungsgemäßen punktgenauen Anflug- und Landeverfahren wird bevorzugt bei der Berechnung der genauen Position des Fluggeräts durch die Steuerung auch die anhand der Kameradaten bestimmte Grobrichtung bzw. -position berücksichtigt. Dies kann einmal in der Form eines einfachen Plausibilitätschecks erfolgen, der überprüft, ob die berechnete genaue Position innerhalb des Unsicherheitsbereichs um die Grobposition liegt. Darüber hinaus könnte die Grobposition auch gewichtet in die Berechnung der genauen Position mit einfließen, wobei das Gewicht beispielsweise umgekehrt proportional zur Unsicherheit der Grobposition oder dem Verhältnis der Unsicherheit in der Grobposition zu der Unsicherheit der Lasersensoren sein kann.In the case of the precise approach and landing method according to the invention, when the precise position of the aircraft is calculated by the controller, the coarse direction or position determined on the basis of the camera data is preferably also taken into account. This can be done in the form of a simple plausibility check which checks whether the calculated exact position lies within the uncertainty range around the rough position. In addition, the coarse position could also be included in the calculation of the exact position in a weighted manner, the weight being, for example, inversely proportional to the uncertainty of the coarse position or the ratio of the uncertainty in the coarse position to the uncertainty of the laser sensors.

Zur Erfassung des Fluggeräts in Schritt c des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet die Steuerung für jeden Sensor bevorzugt einen abzuscannenden Raumwinkelbereich, welcher die aus der Bildauswertung und/oder der durch das Fluggerät selbst übermittelten internen Positionsdaten bestimmte Grobrichtung bzw. -position und den Versatz des Sensors zur reellen Position der Kamera bzw. bei Kombination der Aufnahmen mehrerer Kameras zur virtuellen Position der Kamera berücksichtigt.To detect the aircraft in step c of the method according to the invention, the controller preferably calculates a solid angle range to be scanned for each sensor, which contains the rough direction or position determined from the image evaluation and / or the internal position data transmitted by the aircraft itself and the offset of the sensor to the real Position of the camera or when combining the recordings of several cameras for the virtual position of the camera.

Um eine schnelle Erfassung zu ermöglichen sollte die Größe dieses Raumwinkelbereichs möglichst gering sein, idealerweise ein Kegel mit einem Winkeldurchmesser von 10 Grad oder weniger. Um die Größe des Raumbereichs zu verringern wird weiterhin vorgeschlagen, die Daten von Lasersensoren, welche das Fluggerät bereits erfasst haben, zur Verringerung der Positionsunsicherheit und damit des abzuscannenden Raumwinkelbereichs zu verwenden. Dies kann auch dazu beitragen, ein schnelles Wiederfassen zu ermöglichen, falls einer oder mehrere der Lasersensoren das Fluggerät, etwa aufgrund eines abrupten Flugmanövers, aus der Erfassung verlieren sollten.In order to enable rapid detection, the size of this solid angle area should be as small as possible, ideally a cone with an angular diameter of 10 degrees or less. In order to reduce the size of the spatial area, it is also proposed to use the data from laser sensors, which have already been captured by the aircraft, to reduce the position uncertainty and thus the solid angle area to be scanned. This can also help to enable quick recapture if one or more of the laser sensors should lose the aircraft from detection, for example due to an abrupt flight maneuver.

Sofern die interne Inertialnavigationseinheit des Fluggeräts ausreichend genau ist, wäre es grundsätzlich ausreichend, dem Fluggerät einmalig eine genau Relativposition zum designierten Landepunkt mitzuteilen, woraufhin dieses mittels seiner Inertialnavigation den Landepunkt anfliegen könnte. Die Grob- wie auch die genaue Position des Fluggeräts wird während des Anflugs aber bevorzugt kontinuierlich, d.h. in möglichst kurzen zeitlichen Abständen ermittelt und an das Fluggerät übertragen.
Sofern dies in Abständen von einigen bis einigen zehn Millisekunden, also mit einer Frequenz im Bereich 100 bis 1000 Hz erfolgt ist dem Fluggerät eine Echtzeitkorrektur seines Anflugweges möglich. In der Umsetzung ist eine solche externe Echtzeitsteuerung allerdings durch die Verzögerung bei der Signalverarbeitung der Sensordaten schwierig. Hierdurch kann die triangulierte Ist-Position des Fluggeräts lediglich ca. 1 bis 10 mal pro Sekunde aktualisiert und an das Fluggerät übertragen werden. Da dies zu langsam für die gewünschte Anflugpräzision bei sinnvollen Anfluggeschwindigkeiten von mindestens 1 bis 10 km/h ist, wird vorgeschlagen, wie oben angedeutet, zur Feinsteuerung des Anflugs die Inertialnavigationsmittel des autonomen Fluggeräts einzusetzen. Diese würden anhand der letzten bekannten extern ermittelten Position die aktuelle Position des Fluggeräts mit einer ausreichenden Zeitauflösung, beispielsweise zwischen 100 bis 1000 mal pro Sekunde, mitkoppeln und diesem so eine genaue Echtzeit- bzw. Feinsteuerung des Anflugs zu der gewünschten Soll-Position möglich machen. Hierfür ist auf Seiten des Fluggerätes keine zusätzliche Hardware, sondern lediglich eine entsprechende Software nötig.
If the internal inertial navigation unit of the aircraft is sufficiently accurate, it would in principle be sufficient to inform the aircraft of an exact relative position to the designated landing point once, whereupon it could approach the landing point by means of its inertial navigation. The rough position as well as the exact position of the aircraft is, however, preferably determined continuously during the approach, ie at the shortest possible time intervals, and transmitted to the aircraft.
If this takes place at intervals of a few to a few tens of milliseconds, that is to say with a frequency in the range from 100 to 1000 Hz, the aircraft can correct its approach path in real time. Such an external real-time control is difficult to implement due to the delay in the signal processing of the sensor data. As a result, the triangulated actual position of the aircraft can only be updated approximately 1 to 10 times per second and transmitted to the aircraft. Since this is too slow for the desired approach precision at sensible approach speeds of at least 1 to 10 km / h, it is proposed, as indicated above, to use the inertial navigation means of the autonomous aircraft for fine control of the approach. Based on the last known externally determined position, these would also couple the current position of the aircraft with a sufficient time resolution, for example between 100 to 1000 times per second, and thus enable it to precisely control the approach to the desired target position in real time. No additional hardware is required for this on the aircraft side, only appropriate software.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren vorgestellten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur erläutern und in keiner Weise das in den unabhängigen Ansprüchen wiedergegebene allgemeine Prinzip der Erfindung einschränken.Further properties, features and advantages of the present invention emerge from the exemplary embodiments presented below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the present invention and in no way restrict the general principle of the invention as recited in the independent claims.

Es zeigen:

  • 1: Eine perspektivische Gesamtübersicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Landeanordnung.
  • 2: Ein Diagramm der Komponenten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung .
  • 3: Eine Illustration einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonomen Warenlieferverfahrens, bei dem eine Dachlandestation mit Fördermitteln zum Einsatz kommt.
Show it:
  • 1 : An overall perspective overview of a preferred embodiment of the landing arrangement according to the invention.
  • 2 : A diagram of the components of a preferred embodiment of the arrangement according to the invention.
  • 3 : An illustration of a preferred embodiment of the autonomous goods delivery method according to the invention, in which a roof landing station with conveyor means is used.

1 zeigt eine Übersicht über eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Ermöglichung einer autonomen Landung.
Die Anordnung 1 umfasst die Kamera 20, die vier mechatronisch verschwenkbaren Lasersensoren 30 sowie die Steuerung und die der Kamera zugeordneten Bildauswertemittel und die den Lasersensoren zugeordneten Nachführungsmittel (nicht dargestellt). Die Kamera 20 ist im Aufsetzpunkt AP, dem Mittelpunkt der quadratischen Landezone LZ in Form einer Landestation LS auf dem Dach des Gebäudes H, angeordnet und zum Zenit gerichtet, so dass ihr kegelförmiger Erfassungsbereich EB symmetrisch um den Aufsetzpunkt AP liegt.
Nach Eintritt des Fluggeräts 100 in den Erfassungsbereich EB der Kamera, bestimmen die Bildauswertemittel eine Grobposition G des Fluggeräts mit einer Unsicherheit DG, hier durch einen Kegel illustriert. Diese wird den Sensoren 30 mitgeteilt, welche daraufhin einen ihnen jeweils von der Steuerung zugewiesenen Raumwinkelbereich abscannen, bis sie das Fluggerät 100 erfasst haben. Zur Nachführung werden die Lasersensoren dem Fluggerät nachgeführt, so dass sich aus den Rotationswinkeln der Lasersensoren die jeweilige relative Richtung ergibt. Diese werden an die Steuerung weitergeleitet, welche daraus die genaue Ist-Position R des Fluggeräts 100 trianguliert und die Positionsdaten über eine drahtlose Datenverbindung an das Fluggerät 100 sendet. Sofern die Position R relativ zum gewünschten Aufsetzpunkt AP angegeben wird, weiß das Fluggerät 100 implizit, welche Soll-Position es anzusteuern hat.
1 shows an overview of a preferred embodiment of the arrangement according to the invention for enabling an autonomous landing.
The order 1 includes the camera 20th , the four mechatronically swiveling laser sensors 30th as well as the control and the image evaluation means assigned to the camera and the tracking means assigned to the laser sensors (not shown). The camera 20th is in the starting point AP , the center of the square landing area LZ in the form of a landing station LS on the roof of the building H , arranged and directed towards the zenith, so that their cone-shaped detection area EB symmetrical around the touchdown point AP lies.
After entering the aircraft 100 in the detection area EB the camera, the image evaluation means determine a rough position G of the aircraft with an uncertainty DG, here by a cone illustrated. This will be the sensors 30th communicated, which then scan a solid angle range assigned to them by the controller until they reach the aircraft 100 have captured. For tracking, the laser sensors are tracked to the aircraft so that the respective relative direction results from the rotation angles of the laser sensors. These are forwarded to the control system, which uses them to determine the exact actual position R. of the aircraft 100 triangulated and the position data via a wireless data link to the aircraft 100 sends. Unless the position R. relative to the desired touchdown point AP is specified, the aircraft knows 100 implicitly which target position it has to go to.

2 zeigt ein Diagramm der Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung und ihrer Verbindung in einer bevorzugten Ausführungsform.
Die Anordnung 1 zur externen Positionsbestimmung umfasst wie dargestellt die Steuerung 10, die Signalverarbeitung 11, eine Kamera 20 und vier Abstandssensoren 30 in Form von, bevorzugt mechatronisch verschwenkten Laserpunktsensoren. Die Signalverarbeitung 11 kommuniziert über Datenverbindungen sowohl mit den Abstandssensoren 30, der Kamera 20 als auch der Steuerung 10. Letztere steht weiterhin über den Datenlink DL in Datenverbindung mit dem Fluggerät 100 um diesem die die berechnete Ist-Position umfassenden Positionsdaten D zu übermitteln. In dieser Ausführungsform der erfindungsgemäße Anordnung dient die Steuerung 10 zudem noch der Ansteuerung eines Fördermittels 200, welches ein durch das Fluggerät 100 auf der Landezone abgesetztes Transportgut (nicht dargestellt) von der Landezone weg- und insbesondere in das Innere eines Gebäudes befördern kann. Die Steuerung 10 aktiviert hierbei das Fördermittel erst, nachdem entweder durch eine Meldung des Fluggeräts 100 oder aufgrund der weiterhin registrierten Position des Fluggeräts 100 feststeht, dass es wieder gestartet ist und die Landezone verlassen.
2 shows a diagram of the components of the arrangement according to the invention and their connection in a preferred embodiment.
The order 1 for external position determination includes the control as shown 10 , signal processing 11 , a camera 20th and four distance sensors 30th in the form of, preferably mechatronically pivoted, laser point sensors. The signal processing 11 communicates via data connections both with the distance sensors 30th , the camera 20th as well as the control 10 . The latter is still in data connection with the aircraft via the data link DL 100 in order to transmit the position data D comprising the calculated actual position to the latter. In this embodiment of the arrangement according to the invention, the control is used 10 in addition, the control of a conveyor 200 which one by the aircraft 100 Transport goods (not shown) deposited on the landing zone can be transported away from the landing zone and, in particular, into the interior of a building. The control 10 activates the funding only after either by a message from the aircraft 100 or based on the aircraft's still registered position 100 it is certain that it has started again and left the landing zone.

In 3 ist die Ausführungsform der Anordnung aus 1 beim Einsatz im Rahmen des erfindungsgemäßen Warenanlieferungsverfahrens gezeigt.
Die Fördermittel 200 der Landestation LS auf dem Dach des Gebäudes H umfassen eine Falltürartige Landefläche 210 und ein nicht zu tief darunter angeordnetes Förderband 220. Nachdem das Fluggerät 100 sein Transportgut, hier das Packet W, abgesetzt hat und wieder gestartet ist, aktiviert die Steuerung (nicht dargestellt) das Fördermittel 200, worauf sich die falltürartige Landefläche senkt und das Transportgut W unter dem Einfluss der Schwerkraft auf das Förderband rutscht von wo aus es mit dem Förderband 220 weiter in das Gebäudeinnere befördert wird.
In 3 is the embodiment of the arrangement from 1 shown when used in the context of the delivery method according to the invention.
The funding 200 the landing station LS on the roof of the building H include a trapdoor-like landing area 210 and a conveyor belt not too deep underneath 220 . After the aircraft 100 his cargo, here the package W. , has stopped and has started again, the controller (not shown) activates the conveyor 200 , whereupon the trapdoor-like landing area lowers and the cargo W. under the influence of gravity on the conveyor belt from where it slips with the conveyor belt 220 is transported further inside the building.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
LandeanordnungLanding order
1010
Steuerungcontrol
1111
SignalverarbeitungsmittelSignal processing means
2020th
Kameracamera
2121st
BildauswertemittelImage evaluation means
3030th
LasersensorenLaser sensors
3131
Nachführungsmittel Tracking means
100100
FluggerätAircraft
200200
FördermittelFunding
210210
FalltorTrap gate
220220
Förderband Conveyor belt
LZLZ
LandezoneLanding zone
APAP
idealer Aufsetzpunktideal starting point
GG
Grobrichtung bzw. -positionCoarse direction or position
ΔGΔG
Richtungsunsicherheit in GDirectional uncertainty in G
RR.
genaue Position von 100 relativ zu LZ bzw. APexact position of 100 relative to LZ or AP
EBEB
Erfassungsbereich von 20 Detection range from 20
LSLS
LandestationLanding station
WW.
Paketpackage
HH
Gebäudebuilding

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102018205134 A1 [0008]DE 102018205134 A1 [0008]
  • US 2009/0055038 A1 [0011]US 2009/0055038 A1 [0011]

Claims (10)

Anordnung zur Ermöglichung einer autonomen Landung eines, insbesondere schwebeflugfähigen, Fluggeräts (100) in einer Landezone (LZ), wobei das Fluggerät (100) mit einem Datenempfangsmittel zum drahtlosen Empfang von Positionsdaten (D) ausgestattet ist, umfassend - eine Steuerung (10) mit Datensendemitteln zum drahtlosen Übertragen von Positionsdaten (D) an das Fluggerät (100), - mindestens eine Kamera (20) mit einem zugeordneten Bildauswertemittel (21), welche dazu vorbereitet sind eine Grobrichtung und/oder -position (G) des Fluggeräts (100) innerhalb eines Erfassungsbereichs (EB) der Kamera (20) zu bestimmen und an die Steuerung (10) weiterzugeben, - mindestens drei Abstandsensoren, insbesondere Lasersensoren (30) mit zugeordnetem/n Erfassungs- und Nachführungsmittel/n (31), welche dazu vorbereitet sind o in einem dem jeweiligen Sensor (30) individuell von der Steuerung (10) vorgegebenen Raumwinkelbereich nach dem Fluggerät (100) zu scannen, es zu erfassen und nachzuverfolgen, und o während der Nachführung eine relative Richtung des Fluggeräts (100) vom jeweiligen Sensor (30) repräsentierende Richtungsinformationen zu ermitteln und an die Steuerung (10) weiterzugeben, - wobei die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, aus den Richtungsinformationen der Lasersensoren (30) eine genaue Ist-Position (R) des Fluggeräts (100) relativ zur Landezone (LZ) zu berechnen und als Teil der Positionsdaten (D) an das Fluggerät (100) zu senden. An arrangement for enabling an autonomous landing of an aircraft (100), in particular an aircraft capable of hovering, in a landing zone (LZ), the aircraft (100) being equipped with a data receiving means for the wireless reception of position data (D), comprising - a controller (10) with data transmission means for wireless transmission of position data (D) to the aircraft (100), - At least one camera (20) with an assigned image evaluation means (21), which are prepared to determine a coarse direction and / or position (G) of the aircraft (100) within a detection area (EB) of the camera (20) and to which To pass on control (10), - At least three distance sensors, in particular laser sensors (30) with assigned detection and tracking means (31), which are prepared for this to scan for the aircraft (100) in a spatial angle range specified individually by the controller (10) for the respective sensor (30), to detect and track it, and o to determine directional information representing a relative direction of the aircraft (100) from the respective sensor (30) during the tracking and to forward it to the controller (10), - The control unit being prepared to calculate an exact actual position (R) of the aircraft (100) relative to the landing zone (LZ) from the directional information from the laser sensors (30) and to send it to the aircraft (100) as part of the position data (D) ) to send. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) und das Fluggerät (100) zum Aufbau eines bidirektionalen Datenlinks (DL) und dazu vorbereitet sind über diesen Datenlink (DL) sowohl - die Positionsdaten (D) von der Steuerung (10) an das Fluggerät (100), als auch - mittels interner Positionsbestimmungsmittel des Fluggeräts (100), insbesondere einer GPS- und/oder einer Inertialnavigationseinheit und/oder einem Höhenmesser, ermittelte Positionsdaten vom Fluggerät (100) an die Steuerung (10) zu senden, - wobei die Positiondaten (D) o die errechnete Ist-Position (R) des Fluggeräts (100), und/oder o eine von der Steuerung vorgegebene Soll-Position, insbesondere einen designierten Aufsetzpunkt (AP) umfassen.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the controller (10) and the aircraft (100) are prepared for setting up a bidirectional data link (DL) and for this purpose via this data link (DL) both - the position data (D) from the controller (10) to the aircraft (100), as well as - by means of internal position determination means of the aircraft (100), in particular a GPS and / or an inertial navigation unit and / or an altimeter, to send determined position data from the aircraft (100) to the controller (10), - the Position data (D) o the calculated actual position (R) of the aircraft (100), and / or o a target position specified by the controller, in particular a designated touchdown point (AP). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Signalverarbeitungsmittel (11) als der Kamera (20) zugeordnete/s Bildauswertemittel (21) und/oder den Lasersensoren zugeordnete/s Nachführungsmittel (31) vorgesehen ist.Arrangement according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that a common signal processing means (11) is provided as image evaluation means (21) assigned to the camera (20) and / or tracking means (31) assigned to the laser sensors. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass vier oder mehr, insbesondere genau vier rechteck- und/oder rautenförmig angeordnete, Lasersensoren (30) verwendet sind.Arrangement according to one of the Claims 1 - 3 , characterized in that four or more, in particular exactly four, laser sensors (30) arranged in a rectangular and / or diamond shape are used. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasersensoren (30) symmetrisch um die Landezone (LZ) angeordnet sind, insbesondere im gleichen Abstand zueinander und/oder zu einem designierten Aufsetzpunkt (AP) innerhalb der Landezone (LZ).Arrangement according to one of the Claims 1 - 4th , characterized in that the laser sensors (30) are arranged symmetrically around the landing zone (LZ), in particular at the same distance from one another and / or to a designated touchdown point (AP) within the landing zone (LZ). Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass - zwei oder mehr Kameras (20), insbesondere eine Kamera (20) pro Lasersensor (30) und/oder - eine Infrarotkamera verwendet sind, und/oder - zumindest eine Kamera (20) in einem designierten Aufsetzpunkt (AP), insbesondere einem Mittelpunkt der Landezone, angeordnet ist.Arrangement according to one of the Claims 1 - 5 , characterized in that - two or more cameras (20), in particular one camera (20) per laser sensor (30) and / or - an infrared camera are used, and / or - at least one camera (20) in a designated touchdown point (AP ), in particular a center point of the landing zone, is arranged. Verfahren zur autonomen Landung eines Fluggeräts in einer Landezone unter Verwendung einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die Schritte (a) Navigation des Fluggeräts (100) mit Hilfe von internen Navigationsmitteln in einen Erfassungsbereich (EB) der Kamera/s (20), (b) Erfassung und Bestimmung einer Grobrichtung und/oder -position (G) des Fluggeräts (100) durch die Kamera/s (20) in Verbindung mit zugeordnetem/b Bildauswertemittel/n (21), (c) Erfassung des Fluggeräts (100) durch Lasersensoren (30) und Nachführung der Sensoren (30) mittels diesen zugeordnetem/n Erfassungs- und Nachführungsmittel/n (31), (d) Ermittlung von die relative Richtung vom jeweiligen Lasersensor (30) zum Fluggerät (100) repräsentierenden Richtungsinformationen und Weitergabe dieser Richtungsinformationen an die Steuerung (10), (e) Bestimmung von eine genauen Ist-Position (R) des Fluggeräts (100) relativ zur Landezone (LZ) umfassende Positionsdaten (D) und drahtlose Übertragung dieser Daten (D) an das Fluggerät (100) (f) Anfliegen der Landezone (LZ) durch das Fluggerät (100) unter Verwendung der Positionsdaten (D) und Landung auf einem designierten Aufsetzpunkt (AP).Method for the autonomous landing of an aircraft in a landing zone using an arrangement according to one of the Claims 1 - 6th , characterized by the steps (a) navigation of the aircraft (100) with the help of internal navigation means in a detection area (EB) of the camera / s (20), (b) detection and determination of a rough direction and / or position (G) of the Aircraft (100) by the camera / s (20) in connection with assigned / b image evaluation means (21), (c) detection of the aircraft (100) by laser sensors (30) and tracking of the sensors (30) by means of these assigned / n acquisition and tracking means (31), (d) determination of direction information representing the relative direction from the respective laser sensor (30) to the aircraft (100) and forwarding of this direction information to the controller (10), (e) determination of an exact one Actual position (R) of the aircraft (100) relative to the landing zone (LZ) comprehensive position data (D) and wireless transmission of this data (D) to the aircraft (100) (f) approaching the landing zone (LZ) by the aircraft (100 ) using the position data (D ) and landing on a designated touchdown point (AP). Landeverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass - die von der/n Kamera/s (20) und den Bildauswertemitteln (21) bestimmte Grobrichtung bzw. -position (G) in die Berechnung der Positionsdaten (D) einfließt, und/oder - die Erfassung des Fluggeräts (100) durch die Lasersensoren (30) dadurch erfolgt, dass die Lasersensoren (30) einen für jeden Sensor (30) aus der Grobrichtung (G) des Fluggeräts und einem Versatz des Sensors (30) relativ zur Kamera berechneten Raumwinkelbereich abscannen, und/oder - solange noch nicht alle der Lasersensoren (30) das Fluggerät (100) erfasst haben und nachführen oder falls einer oder mehrere der Lasersensoren (30) das Fluggerät (100) während der Nachführung wieder verlieren, die Richtungsinformationen der Lasersensoren (30), welche das Fluggerät (100) erfasst haben zur Eingrenzung des durch die Lasersensoren (30), welche das Fluggerät (100) nicht erfasst haben, zur (Wieder-)Erfassung abzuscannenden Raumwinkelbereichs verwendet werden, und/oder - die an das Fluggerät (100) gesendeten Positionsdaten (D) kontinuierlich, insbesondere zwischen 1 bis 1000 mal pro Sekunde, aktualisiert werden, und/oder - das Fluggerät (100) anhand der von der Steuerung (100) empfangenen Positionsdaten in Verbindung mit einer internen Inertialnavigationseinheit eine Echtzeit-Feinsteuerung durchführt, - über einen bidirektionalen Datenlink (DL) mit Hilfe von internen Navigationsmitteln, insbesondere mittels GPS, einer Inertialnavigationseinheit und/oder eines Höhenmessers, bestimmte absolute Positionsdaten vom Fluggerät (100) an die Steuerung.(10) gesendet und zur Bestimmung der Grobrichtung (G) oder der Reduktion einer Richtungsunsicherheit (ΔG) der Grobrichtung (G) verwendet werden, und/oder - die von der Steuerung (10) an das Fluggerät (100) gesendeten Positionsdaten (D) weiterhin eine von der Steuerung vorgegeben Soll-Position, insbesondere einen designierten Aufsetzpunkt (AP) umfassen.Landing procedure according to Claim 7 , characterized in that - the coarse direction or position (G) determined by the camera (s) (20) and the image evaluation means (21) flows into the calculation of the position data (D), and / or - the detection of the aircraft ( 100) by the laser sensors (30) takes place in that the laser sensors (30) have one for each sensor (30) from the coarse direction (G) of the aircraft and an offset of the Sensor (30) scan the solid angle range calculated relative to the camera, and / or - as long as not all of the laser sensors (30) have detected the aircraft (100) and track them or if one or more of the laser sensors (30) the aircraft (100) during the Losing tracking again, the directional information from the laser sensors (30) that have been recorded by the aircraft (100) is used to limit the solid angle range to be scanned by the laser sensors (30) that have not been recorded by the aircraft (100) for (re) recording , and / or - the position data (D) sent to the aircraft (100) are updated continuously, in particular between 1 to 1000 times per second, and / or - the aircraft (100) based on the position data received from the controller (100) in connection with an internal inertial navigation unit carries out a real-time fine control, - via a bidirectional data link (DL) with the help of internal navigation means, esp Particularly by means of GPS, an inertial navigation unit and / or an altimeter, certain absolute position data is sent from the aircraft (100) to the controller (10) and used to determine the rough direction (G) or to reduce a directional uncertainty (ΔG) of the rough direction (G) and / or - the position data (D) sent by the controller (10) to the aircraft (100) also include a target position specified by the controller, in particular a designated touchdown point (AP). Verfahren zum autonomen Transport eines Transportguts von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt innerhalb einer Landezone mittels eines autonomen Fluggeräts unter Einsatz eines der Landeverfahren gemäß der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Landezone (LZ) eine Landestation (LS) ist, welche Fördermittel (200) zum Befördern eines Transportguts (W) von der Landestation (LS) weg, insbesondere in das Innere eines Gebäudes (H), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Fluggerät (100) das Transportgut (W) an dem Startpunkt übernimmt, - das Fluggerät (100) mit Hilfe von internen Navigationsmitteln vom Startpunkt in die Nähe der Landezone navigiert, - das Landeverfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 durchgeführt wird, - das Fluggerät (100) das Transportgut (W) ablegt und - das Transportgut (W) durch das Fördermittel (200) von der Landezone weg, insbesondere in das Innere eines Gebäudes (H), transportiert wird.Method for the autonomous transport of goods from a starting point to a destination within a landing zone by means of an autonomous aircraft using one of the landing methods according to FIG Claims 7 or 8th , wherein the landing zone (LZ) is a landing station (LS) which has conveying means (200) for conveying goods (W) away from the landing station (LS), in particular into the interior of a building (H), characterized in that - the aircraft (100) takes over the cargo (W) at the starting point, - the aircraft (100) navigates from the starting point to the vicinity of the landing zone with the aid of internal navigation means, - the landing procedure according to one of the Claims 7 or 8th is carried out, - the aircraft (100) deposits the transport goods (W) and - the transport goods (W) are transported away from the landing zone by the conveyor (200), in particular into the interior of a building (H). Verfahren zur vollautonomen Warenlieferung zwischen zwei Gebäuden unter Einsatz des Auslieferungsverfahrens gemäß Anspruch 9, wobei jedes der Gebäude über eine Landestation mit einem Fördermittel zum Transport von Waren aus dem Gebäudeinneren zur Landestation und umgekehrt von der Landestation in das Gebäudeinnere verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Transportgut aus dem Inneren des einen Gebäudes zu dessen Landestation gefördert und dort zur Übernahme durch ein Fluggerät bereitgestellt wird, und - von dem Fluggerät gemäß des Verfahrens nach Anspruch 9 zu dem zweiten Gebäude transportiert wird.Procedure for the fully autonomous delivery of goods between two buildings using the delivery procedure according to Claim 9 , wherein each of the buildings has a landing station with a conveyor for transporting goods from the interior of the building to the landing station and vice versa from the landing station to the interior of the building, characterized in that - conveyed goods from the interior of a building to its landing station and there to Takeover is provided by an aircraft, and - by the aircraft according to the method Claim 9 is transported to the second building.
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