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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein unbemanntes Flugobjekt und insbesondere eine sogenannte Drohne. Drohnen sind in jüngerer Zeit bekannt geworden, um beispielsweise Bildaufnahmeeinrichtungen wie Kameras zu tragen, welche Bilder oder Bildsequenzen von Regionen aufnehmen können. Daneben sind Drohnen auch für einen Einsatz beispielsweise zur Paketförderung angedacht.
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Ein Problem bei dem Betrieb derartiger Flugkörper oder Drohnen ist, dass diese mit anderen Gegenständen kollidieren können, was sowohl zu Beschädigungen des Flugkörpers selbst als auch zur Beschädigung des anderen Objekts bzw. einer Person führen kann. Daher sind aus dem Stand der Technik Kollisionssensoren bekannt, mit welchen derartige Flugkörper ausgestattet sind. Dabei sind auch Kollisionssensoren bekannt, welche eine Kollisionsdetektion in unterschiedliche Raumrichtungen des Flugobjektes, beispielsweise nach unten, nach oben oder zu den Seiten ermöglichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kollisionen zwischen Drohnen und Objekten und insbesondere auch zwischen Drohnen und Menschen zu verhindern. Dabei soll eine Annäherung an ein solches Objekt im Bereich einer kurzen Instanz (beispielsweise bis zu 1,00 m) detektiert werden. Dies ist vor allem beim Start und bei der Landung des Flugobjektes wichtig, um dort die Gefahr zu reduzieren, aus Versehen in Kontakt beispielsweise mit den laufenden Rotoren zu geraten und sich dabei zu verletzen. Dabei soll nach Möglichkeit auf ein aufwendiges System mit einer Vielzahl von Kameras verzichtet werden.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Sensorsystem mit einer Vielzahl von Kameras für mehrere seitliche Richtungen bekannt, welche sowohl ein normales Kamerabild aufnehmen und auswerten als auch eine Tiefeninformation in dem Bild liefern kann. Die dabei angewendete Bildverarbeitung benötigt einen leistungsstarken Rechner. Das Sensorsystem ist in diesem Fall damit aus vielen hochwertigen Komponenten aufgebaut und damit vergleichsweise teuer. Auch ist dieses Sensorsystem relativ schwer, wobei das Gewicht insbesondere bei Drohnen bekanntermaßen eine große Rolle spielt. Daneben weisen diese Detektionssysteme auch keine sichere Erkennung von Objekten nach oben oder unten bezüglich des Flugobjektes auf.
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Die oben erwähnte Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein unbemanntes Flugobjekt und insbesondere eine Drohne weist wenigstens drei rotorische Antriebe (bzw. Rotoren) zum Bewegen des Flugobjektes auf, sowie auch eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Antriebe. Weiterhin weist das Flugobjekt eine Kollisionsverhinderungseinrichtung auf, welche dazu geeignet und bestimmt ist, Kollisionen des Flugobjektes mit weiteren Objekten (beispielsweise weiteren Gegenständen oder auch Personen oder auch Tieren) zu verhindern.
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Erfindungsgemäß weist die Kollisionsverhinderungseinrichtung wenigstens eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen von Objekten auf.
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Durch die Verwendung einer derartigen kapazitiven Sensoreinrichtung kann einerseits eine günstige Erfassung von Objekten ermöglicht werden und andererseits wird eine sehr gut integrierbare günstige und auch sehr leichte Sensorik mit einer Auswertung zur Verfügung gestellt, welche besonders bevorzugt in alle Richtungen ein umgebendes Volumen abdeckt und welches besonders bevorzugt auch die Rotoren mit umschließt.
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Besonders bevorzugt ist diese Kollisionsverhinderungseinrichtung auch in eine Richtung nach oben und nach unten des Flugobjektes (bezogen auf das fliegende Flugobjekt) geeignet. Besonders bevorzugt weist das Flugobjekt wenigstens vier rotorische Antriebe auf bzw. wenigstens vier Rotoren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die kapazitive Sensoreinrichtung wenigstens eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode auf.
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Besonders bevorzugt weist die kapazitive Sensoreinrichtung eine erste Elektrode auf, sowie eine zweite Elektrode, wobei zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein elektrisches Feld aufbaubar ist. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um ein dreidimensionales elektrisches Feld.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei wenigstens einer Elektrode und bevorzugt bei beiden Elektroden um flächige Elektroden.
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Bei dieser Ausführungsform weist die Sensorik flächig ausgeprägte Sender- und Empfängerelektroden auf, zwischen denen ein dreidimensionales elektrisches Feld aufgespannt wird. Wird eine Kapazität (Wasser, Metalle, Menschen, Tiere oder sonstige Objekte) in dieses Feld eingebracht, ändert sich dieses Feld und die Feldänderung kann detektiert werden.
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Die flächige Ausprägung kann bevorzugt ohne große Effizienzverluste, auch durch eine Anordnung von Drähten oder Drahtnetzen erreicht werden. In diesem Fall sind die Elektroden damit wenigstens teilweise als Netze und insbesondere als Drahtnetze ausgebildet.
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Bisherige aus dem Stand der Technik bekannte kapazitive Sensorik weist einen sehr eingeschränkten Detektionsbereich von beispielsweise 0 bis 5 cm, oder bis maximal 10 cm auf. Dies würde für die Anwendung in Flugobjekten wie beispielsweise Drohnen eher nicht ausreichen. Daher wurden für derartige Flugobjekte bisher auch keine kapazitiven Sensoreinrichtungen vorgeschlagen.
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Die aktuelle technische Entwicklung erlaubt jedoch eine Detektionsreichweite bis auf beispielsweise 1,00 m. In diesem Falle ergeben sich auch für den Einsatz in Flugobjekten Vorteile.
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Besonders bevorzugt weist wenigstens eine Sensoreinrichtung auch eine dritte Elektrode auf und ist damit besonders als Drei-Elektroden-Sensor ausgebildet. Dabei kann eine derartige Sensoreinrichtung sowohl zur Erfassung von Objekten im Nahbereich als auch zur Erfassung von Objekten im Fernbereich dienen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kollisionsverhinderungseinrichtung wenigstens zwei und bevorzugt wenigstens drei kapazitive Sensoreinrichtungen auf, welche besonders bevorzugt eine Erfassung von Objekten in unterschiedlichen Raumrichtungen ermöglichen.
Besonders bevorzugt geben diese Sensoreinrichtungen jeweils Signale aus, welche jeweils auf eine Annäherung eines Objektes schließen lassen.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Sensoreinrichtungen um getrennte Sensoreinrichtungen, die besonders bevorzugt in verschiedene Raumrichtungen ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann auch eine Annäherungseinrichtung verwendet werden. So können beispielsweise die Signale mehrerer Sensoreinrichtungen verwendet und miteinander verrechnet werden, um auf eine Richtung, aus welcher sich ein Objekt annähert, schließen zu können.
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Die hier beschriebene Sensoreinrichtung funktioniert grundsätzlich sowohl im Flug als auch auf dem Boden. Allerdings ist der Fokus der Erfindung insbesondere auch auf den Start oder den Landeanflug des Flugobjektes gerichtet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung mit einer optional möglichen, funktional sicheren Ausführung ausgestattet, so dass sie auch für den Personenschutz eingesetzt werden kann, beispielsweise in dem bei einem Landevorgang automatisch ein Wiederaufsteigen ausgeführt wird, falls ein Mensch unter dem Fluggerät detektiert wurde. Damit weist bevorzugt das Flugobjekt eine Steuerungseinrichtung auf, welche die Antriebe auch in Reaktion auf von der Sensoreinrichtung ausgegebene Daten steuert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erlaubt die kapazitive Sensoreinrichtung sowohl eine Drehoption von Objekten im Nahfeld der Sensoreinrichtung als auch eine Drehoption in einem Fernfeld der Sensoreinrichtung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Drei-Elektroden-Sensoreinrichtung beschrieben werden. Eine derartige Sensoreinrichtung kann auf zwei Arten reagieren. Einerseits können in einem Nahfeld bis 10 cm Änderungen der Kapazität des Luftkondensators durch in das Feld eingebrachte Gegenstände mit einem von der Luft abweichenden Permittivität (εr) erkannt werden. Zum anderen kann im Fernfeld die elektrische Feldstärke gemessen werden, welche abnimmt, wenn Gegenstände oder Menschen in den Direktionsbereich eindringen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das unbemannte Flugobjekt wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung auf, d. h. eine Bildaufnahmeeinrichtung, welche dazu geeignet und bestimmt ist, ein ortsaufgelöstes Bild aufzunehmen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Foto- oder Videokamera handeln oder etwa auch um einen CCD - Chip
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Dabei ist es auch möglich, dass durch die Kollisionsverhinderungseinrichtung Daten dieser Bildaufnahmeeinrichtung ausgewertet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise auch leichter auf die Art eines sich annähernden Objektes geschlossen werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens eine Elektrode eine Vielzahl von Drähten auf, und ist besonders bevorzugt als Drahtgeflecht oder Drahtnetz ausgebildet. Auf diese Weise kann einerseits ein großer flächiger Bereich einer Elektrode ausgebildet werden und andererseits eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Rotor einer Antriebseinrichtung als Elektrode einer Sensoreinrichtung ausgebildet. Dabei kann es sich sowohl um eine Sender- als auch um eine Empfängerelektrode handeln. So kann beispielsweise der Rotor metallische Bestandteile aufweisen oder angebrachte bzw. aufgeklebte Drähte oder Metallfolien.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Rotor einer Antriebseinrichtung kapazitiv an andere Elemente des Flugobjektes gekoppelt. Der Rotor könnte beispielsweise auch über einen nicht leitenden Spalt (Luftspalt) kapazitiv angekoppelt werden, sodass kein direkter elektrischer Kontakt zur Basis notwendig ist. Ein solch elektrischer Kontakt zwischen schnelldrehenden Teilen ist in vielen Fällen schwierig störungsfrei zu realisieren und auch fehleranfällig. Daneben könnten um die Rotoren aufgespannte sehr dünne Drahtgitterkäfige vorgesehen sein, welche entsprechend als eine flächige Elektrode für das elektrische Feld fungieren. Daneben wäre es auch möglich, seitlich und nach unten, einzelne Drähte und Drahtnetze und flächig aufgebrachte Metallfolien vorzusehen, sodass das Annäherungsdetektion nutzbare elektrische Feld das gesamte Volumen der Drohne einschließt.
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Auch wäre auf diese Weise eine Detektion in alle Raumrichtungen denkbar.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kollisionsverhinderungseinrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu geeignet und bestimmt ist, Messsignale wenigstens einer Sensoreinrichtung und bevorzugt einer Vielzahl von Sensoreinrichtungen auszuwerten und ein Signal auszugeben, welches für ein in einem Erfassungsbereich wenigstens einer Sensoreinrichtung befindliches Objekt charakteristisch ist, wobei bevorzugt die Steuerungseinrichtung wenigstens einen Antrieb unter Berücksichtigung dieses Signals steuert.
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Genauer gesagt wird von der Steuerungseinrichtung eine Regelung dieses Antriebs vorgenommen. So kann beispielsweise als Reaktion auf die Erfassung eines Objektes eine Bewegungsrichtung des Flugobjektes geändert werden, beispielsweise ein Wiederaufstieg des Flugobjektes eingeleitet werden.
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Besonders bevorzugt wirken die Sensoreinrichtungen, wie oben erwähnt, in mehrere Raumrichtungen. Insbesondere sind diese Sensoreinrichtungen auch bei einem Start oder der Landung des Flugobjektes aktiviert. Im Rahmen eines Startbetriebs, bei dem sich dieses Flugobjekt beispielsweise noch am Boden befindet, kann die Reaktion auf eine Annäherung eines Objektes auch beispielsweise ein Abschalten der Rotorantriebe sein.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf Verfahren zum Betreiben eines unbemannten Flugobjekts gerichtet, wobei das Flugobjekt wenigstens drei rotorische Antriebe zum Bewegen und/oder Navigieren des Flugobjekts aufweist und eine Steuerungseinrichtung diese Antriebe steuert und wobei mittels einer Kollisionsverhinderungseinrichtung Kollisionen des Flugobjekts mit Objekten verhindert werden.
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Erfindungsgemäß erfasst die Kollisionsverhinderungseinrichtung mittels wenigstens einer kapazitiven Sensoreinrichtung die Objekte.
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Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren kommunizieren die Kollisionserfassungseinrichtung und die Steuerungseinrichtung derart, dass die Steuerungseinrichtung die Antriebe auch unter Verwendung von Daten und/oder Signalen und/oder Messwerten, die von der Kollisionserfassungseinrichtung und insbesondere von den Sensoreinrichtungen aufgenommen wurden, steuert und/oder regelt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Flugobjekt der oben beschriebenen Art verwendet.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
- 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugobjekts;
- 2 eine Detaildarstellung des in 1 gezeigten Flugobjekts; und
- 3 eine Darstellung einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein Flugobjekt
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugobjekts 1. Dieses weist hier vier Antriebe auf, von denen jedoch nur die beiden Antriebe 2a und 2b erkennbar sind. Diese Antriebe weisen jeweils einen Motor 6 und einen Rotor 7 auf.
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Eine nur schematisch dargestellte Steuerungseinrichtung 4 dient zum Steuern der Antriebe 2a - 2d. Durch diese Steuerung kann auch das Flugobjekt in seiner Gesamtheit navigiert werden. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet schematisch eine Kollisionsverhinderungseinrichtung, welche dazu dient, Objekte 50 zu erfassen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist diese Kollisionsverhinderungseinrichtung mehrere Sensoreinrichtungen 20 auf, von denen drei Sensoreinrichtungen 20 dargestellt sind. Diese Sensoreinrichtungen weisen jeweils kapazitive Sensoreinrichtungen auf, die dazu geeignet und bestimmt sind, Objekte in der Umgebung des Flugobjekts zu erfassen.
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Die Steuerungseinrichtung 4 erfasst bevorzugt auch Ausgangssignale der Sensoreinrichtungen 20 und steuert das Flugobjekt und/oder die Antriebseinrichtungen 2a - 2d auch in Abhängigkeit von diesen Signalen. Auf diese Weise kann eine Kollision des Flugobjekts mit dem Objekt 50 verhindert werden, aber auch mit weiteren Objekten, die sich in anderen Bereichen in der Umgebung des Flugobjekts befinden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Kollisionsverhinderungseinrichtung auch eine nicht gezeigte Prozessoreinrichtung auf, welche aus Messdaten bzw. Signalen mehrerer Sensoreinrichtungen eine Position des Objekts 50 bezüglich des Flugobjekts bestimmt und oder auch, in welcher Weise sich das Objekt 50 dem Flugobjekt 1 nähert.
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2 zeigt eine Detaildarstellung des in 1 gezeigten Flugobjekts, insbesondere im Bereich einer Antriebseinrichtung 2a, 2b, 2c, 2d. Man erkennt, dass bei dieser Ausführungsform der Rotor 7 selbst als Elektrode der Sensoreinrichtung ausgebildet ist und eine Kapazität gegenüber einem (hier geerdeten) Objekt gebildet wird, was durch die Kapazität 12 veranschaulicht ist. Die in 2 gezeigte Ausgestaltung dient daher insbesondere dazu, auf der Erde befindliche Objekte, wie insbesondere Menschen zu erfassen, um beispielsweise die Antriebe abzuschalten oder um zu bewirken, dass beispielsweise ein Landeanflug des Flugobjekts 1 unterbrochen wird.
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3 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Drei-Elektroden-Sensors, der für die vorliegende Erfindung Anwendung finden könnte. Dabei befindet sich ein zu detektierendes Objekt 50 im Nahbereich der in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichneten Sensoreinrichtung. Diese Sensoreinrichtung 20 weist eine erste Elektrode 22 auf sowie eine zweite Elektrode 24, zwischen denen sich ein elektrisches Feld E ausbildet. Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen CAB die Kapazität zwischen den Elektroden 22 und 24, das Bezugszeichen CA0 kennzeichnet die Kapazität zwischen dem Objekt 50 und der ersten Elektrode 22 und das Bezugszeichen CB0 die Kapazität zwischen dem Objekt 50 und der zweiten Elektrode 24.
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Durch das Objekt 50 tritt eine Verkürzung des Elektrodenabstands auf und damit effektiv eine Erhöhung des Verschiebungsstroms und damit auch eine Veränderung eines Messwerts, der von der Sensoreinrichtung ausgegeben und ausgewertet wird.
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Daneben ist eine dritte Elektrode 26 vorgesehen Diese dritte Elektrode 26 wird in das Feld E, welches von dem Sensor aufgespannt wird, eingebracht. Die Kapazität Cco, die zwischen der dritten Elektrode 26 und dem Objekt 50 gebildet wird, beeinflusst ebenfalls das von der Elektrode 24 aufgenommene elektrische Feld und dieser Einfluss kann entsprechend gemessen werden.
