DE102020134868B3

DE102020134868B3 - Drohnen-Laserreinigungseinrichtung und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102020134868B3
Application number: DE102020134868.1A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Alsayed Ahmed M. Ismail
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2040-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) mit einer Drohne (4) und einer Laser-Basisstation (3). Die Laser-Basisstation (3) erzeugt einen Laserstrahl (5). Die Drohne (4) weist eine Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) auf, zu der der Laserstrahl (5) frei, also ohne Laserstrahlleiter, von der Laser-Basisstation (3) gesendet wird. Die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) dient der Ausrichtung des Laserstrahls (5) auf einen Reinigungsbereich (13) eines zu reinigenden Objekts (11). Erfindungsgemäß weist die Drohne (4) eine Erfassungseinrichtung auf, welche ein Signal erzeugt, welches mit der relativen Lage der Drohne (4) gegenüber dem Reinigungsbereich (13), insbesondere einem Abstand, korreliert. Des Weiteren ist eine Fokussiereinrichtung (14) vorhanden, die in Abhängigkeit des Signals eine Fokussierung des Laserstrahls (5) vornimmt oder verändert.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Drohnen-Laserreinigungseinrichtung, bei welcher ein Laserstrahl von einer Drohne zu einem Reinigungsbereich eines Objekts gelangt. Mittels des Lasers kann zur Reinigung bspw. im Bereich einer Auftrefffläche des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich ein Verbrennen oder Verdampfen von festen oder flüssigen Verunreinigungen wie beispielsweise Schmutzpartikeln oder einer Ölschicht erfolgen. Ebenfalls möglich ist, dass die Reinigung darin besteht, dass mittels des Laserstrahls eine zu entfernende Farbe oder Beschichtung von einer Oberfläche des Objekts (insbesondere aus Metall oder Glas) entfernt wird. Die Reinigung kann je nach Steuerung des Lasers besonders sensitiv erfolgen. Bei der Laserreinigung handelt es sich um eine kontaktlose Reinigung ohne mechanische Einwirkung auf das Objekt und unter Umständen ohne Einsatz eines chemischen Reinigungsmittels, so dass die Laserreinigung materialschonend und umweltfreundlich sein kann. Die Nutzung einer Drohne ermöglicht eine derartige Laserreinigung auch für schwer zugängliche Objekte.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung.
STAND DER TECHNIK
Das Informations-Merkblatt
Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT: Laser Cleaning des Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Steinbachstraße 15, 52074 Aachen (www.ilt.fraunhofer.de) vom Mai 2011 beschreibt, dass zur Reinigung eines Objektes eine Objektoberfläche mit einem gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahl beaufschlagt werden kann. Abhängig von der Wellenlänge des Lasers, der Energie oder Intensität des Lasers und der Beaufschlagungsdauer der Oberfläche mit dem Laserstrahl sowie den Materialeigenschaften kann eine thermische Dekomposition (beispielsweise Verdampfung oder Sublimation) erfolgen oder eine chemische Reaktion auftreten, die den Reinigungseffekt herbeiführt. In dem Informations-Merkblatt wird beschrieben, dass eine hochpräzise Beseitigung von Schichten mit Dicken im Bereich von Mikrometern bis hin zu Millimetern erfolgen kann, eine selektive Beseitigung einzelner Verunreinigungen oder Beschichtungen erfolgen kann, kein mechanisches Einwirken erforderlich ist und es zu einer niedrigen thermischen und chemischen Beanspruchung des Materials der Oberfläche kommt. Derartige Laserreinigungsverfahren werden als Ideal hinsichtlich einer Automatisierung beschrieben und als vorteilhaft in Folge der Verschleißfreiheit und der Freiheit chemischer Reinigungsmittel. Angeboten werden in dem Informations-Merkblatt unterschiedliche, für die Laserreinigung einsetzbare Laser mit Leistungen im Bereich von wenigen Watt bis mehreren Kilowatt und Wellenlängen des Lasers im Bereich von UV bis IR. Die Laser können mit Standardverarbeitungsverfahren und Handhabungssystemen zusammenarbeiten. Einsatz finden können auch schnelle Scansysteme, die Bewegungsgeschwindigkeiten über die Oberfläche des Objekts zur Reinigung bis hin zu mehreren m/s ermöglichen.
Weitere Informationen zu der Ausgestaltung eines Verfahrens zur Reinigung mittels eines Lasers können der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden. Beispielsweise beschreibt

V. P. Veiko, T. Ju. Mutin, V. N. Smirnov, E. A. Shakhno, S. A. Batishche: „Laser cleaning of metal surfaces: pyhsical processes and applications“, Proc. SPIE 6985, Fundamentals of Laser Assisted Mirco- and Nanotechnologies, 69850D (15. Januar 2008); doi: 10.1117/12.786975

CN 109 515 703 A schlägt vor, einen gebündelten Laserstrahl mittels eines bewegbar am Boden angeordneten Fahrzeugs zu erzeugen. Der Laserstrahl wird über einen Laserstrahlleiter übertragen an eine Drohne. Die Drohne weist einen Laserstrahl-Austrittskopf aus, aus dem der Laserstrahl heraustreten kann. Die Ausrichtung des Laserstrahl-Austrittskopfes relativ zu dem Flugkörper der Drohne kann über Aktuatoren so verändert werden, so dass der Laserstrahl einen gewünschten Reinigungsbereich eines Objektes beaufschlagt. Die Drohne verfügt auch über eine an dem Laserstrahl-Austrittskopf gehaltene und mit diesem verschwenkte Kamera auf. Das Bild der Kamera wird einem Benutzer angezeigt, der dann die Ausrichtung des Laserstrahl-Austrittskopfes mit der Kamera gegenüber dem Flugkörper der Drohne verändern kann, um eine Verlagerung der Auftrefffläche des Laserstrahls auf der Oberfläche des Objekts herbeizuführen.
US 6 369 353 B1 offenbart eine Reinigung eines Objekts mittels eines Roboters, dessen bewegbarer Roboterarm einen Laserstrahl auf eine zu reinigende Oberfläche eines Objekts richtet.
Weiterer Stand der Technik ist aus den Druckschriften CN 109 515 703 A , CN 1 06 025 931 A , CN 1 10 620 350 A , US 2020 / 0 166 938 A1 und US 2018 / 0 194 445 A1 bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drohnen-Laserreinigungseinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb derselben vorzuschlagen, welche oder welches insbesondere hinsichtlich

- der Wechselwirkung des Laserstrahls einerseits mit den Komponenten der Drohnen-Laserreinigungseinrichtung und andererseits mit dem Reinigungsbereich des Objektes zu verbessern und/oder
- einer Vermeidung unerwünschter Wechselwirkungen des Laserstrahls mit Komponenten der Drohne und/oder mit Gegenständen in der Umgebung der Drohne und/oder mit Gegenständen in der Umgebung des zu reinigenden Objektes und/oder mit dem Objekt außerhalb der Reinigungsfläche und/oder
- der Energie des Laserstrahls im Bereich der Auftrefffläche auf das Objekt und/oder
- der Berücksichtigung von Bewegungen der Drohne und/oder
- der Steuerung oder Reglung des Ausmaßes der Fokussierung des Laserstrahls in der Auftrefffläche und/oder
- der Steuerungsmöglichkeiten für den Laserstrahl zu verbessern.

LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Drohnen-Laserreinigungseinrichtung verfügt über eine Drohne. Die Drohne kann an einen vorbestimmten Ort relativ zu dem Objekt, insbesondere über, neben oder unter dem Objekt, geflogen werden.
Die Drohnen-Laserreinigungseinrichtung verfügt des Weiteren über eine Laser-Basisstation, die einen Laserstrahl erzeugt. Hierbei kann der Laserstrahl grundsätzlich eine beliebige Energie oder Wellenlänge und einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Die erfindungsgemäße Drohne weist eine Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auf. Die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung richtet den Laserstrahl auf einen Reinigungsbereich des Objekts aus. Hierbei kann die Ausrichtung durch die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung derart erfolgen, dass zumindest temporär für eine vorgegebene Zeitspanne derselbe Reinigungsbereich des Objekts mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird. Die Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei welcher sich der Laserstrahl schrittweise oder kontinuierlich entlang des Reinigungsbereichs des Objekts bewegt. Die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung kann beispielsweise in der Art eines Scanner in eine oder mehrere Raumrichtungen entlang der Oberfläche des Objekts wandern, womit ein größerer Bereich oder eine größere Fläche des Objekts gereinigt werden kann.
Der Laserstrahl gelangt im Rahmen der Erfindung nicht über eine Führung durch einen Laserstrahlleiter zu der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung, wie dieses gemäß CN 109515703 A der Fall ist. Grund hierfür ist, dass erkannt worden ist, dass die Verbindung der Laser-Basisstation mit der Drohne über den Laserstrahlleiter gemäß CN 109515703 A nachteilig ist, da diese mechanische Kopplung die Flugeigenschaften der Drohne unerwünscht beeinflusst, eine zusätzliche Masse darstellt, die von dem Antrieb der Drohne bewegt werden muss, und die Länge des Laserstrahlleiters einen maximalen Abstand zwischen der Drohne und der Laser-Basisstation vorgibt. Auf Grundlage dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß der Laserstrahl frei (also ohne Führung durch einen Laserstrahlleiter) von der Laser-Basisstation an die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung übertragen.
Die Erfindung schlägt vor, dass die Drohne eine Erfassungseinrichtung aufweist. Die Erfassungseinrichtung erzeugt ein Signal, welches für eine erste Variante korreliert (oder übereinstimmt) mit einer relativen Lage der Drohne gegenüber dem Reinigungsbereich. Für eine zweite (alternative oder kumulative) Variante korreliert das Signal mit einem Ausmaß einer Fokussierung des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich (oder stimmt hiermit überein). Für eine dritte (alternative oder kumulative) Variante korreliert das Signal mit einem Zustand des Reinigungsbereichs oder der Auftrefffläche des Laserstrahl (oder stimmt hiermit überein).
Des Weiteren findet im Rahmen der Erfindung eine Fokussiereinrichtung der Drohne Einsatz. Die Fokussiereinrichtung nimmt in Abhängigkeit des von der Erfassungseinrichtung erfassten Signals eines Fokussierung des Laserstrahls vor oder verändert diese.
Die erfindungsgemäße Lösung soll im Folgenden anhand von Beispielen erläutert werden, die aber hinsichtlich des Schutzbereichs der Patentansprüche nicht beschränkend sein sollen:

- Der Einsatz der Fokussiereinrichtung ermöglicht, dass auf dem Weg des Laserstrahls von der Laser-Basisstation zu der Drohne und hier der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung ein nicht fokussierter Laserstrahl verwendet werden kann. Der nicht fokussierte Laserstrahl kann beispielsweise ein paralleler Laserstrahl oder ein Laserstrahlbündel sein, welcher/welches eine Querschnittsfläche aufweist, im Bereich welcher die Energie des Laserlichts ein erstes Energie-Flächen-Niveau aufweist. Hierbei wird unter einem Energie-Flächen-Niveau eine Energie pro Flächeneinheit, die über die Querschnittsfläche variieren kann, oder der Quotient aus der Gesamtenergie des Laserstrahls und der Querschnittsfläche verstanden. Dieses erste Energie-Flächen-Niveau kann geeignet und so klein gewählt werden, dass der nicht fokussierte Laserstrahl auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auftreffen kann, ohne dass die Energie in dem Querschnitt so hoch ist, dass eine Beschädigung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung erfolgt. Das niedrige Energie-Flächen-Niveau kann auch vorteilhaft sein, wenn für temporäre Zustände der Laserstrahl nicht wie gewünscht auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auftrifft, sondern auf einen anderen Teilbereich der Drohne oder sogar an der Drohne vorbei einen Gegenstand in der Umgebung beaufschlagt, da dann Beschädigungen der anderen Teilbereiche der Drohne oder der Gegenstände in der Umgebung vermieden sind. Dieses erste Energie-Flächen-Niveau wäre dann aber nicht ausreichend für die Reinigung des Objekts oder dieses Energie-Flächen-Niveau ermöglicht eine nicht optimale Reinigung des Objekts. Vielmehr wird im Rahmen der Erfindung durch die Fokussiereinrichtung eine Fokussierung des Laserstrahls vorgenommen oder so verändert, dass sich in der Auftrefffläche des Laserstrahls auf das Objekt ein höheres, zweites Energie-Flächen-Niveau ergibt, was zur Folge hat, dass überhaupt erst ein Reinigungseffekt der Oberfläche erzielt werden kann oder dieser verbessert wird.
- Möglich ist im Rahmen der Erfindung, dass über das Ausmaß einer Fokussierung auf den Reinigungsbereich des Objekts eine Beeinflussung des zweiten Energie-Flächen-Niveau erfolgt, was bedarfsgerecht zur Herbeiführung der gewünschten Reinigungswirkung erfolgen kann.
- Möglich ist auch, dass über das Ausmaß der Fokussierung des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich die Größe der Auftrefffläche des Lasers, im Bereich welcher dann eine Reinigung erfolgt, vorgegeben wird. Somit ist über das Ausmaß der Fokussierung eine Beeinflussung hinsichtlich einer eher großflächigen oder eher kleinflächigen Reinigung möglich.
- Möglich ist des Weiteren, dass die Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung abhängig von einem Zustand des Reinigungsbereiches, insbesondere der Auftrefffläche des Laserstrahl, abhängig gemacht wird. Indiziert beispielsweise das Signal der Erfassungseinrichtung, dass kein hinreichender Reinigungseffekt herbeigeführt wird, kann das Ausmaß der Fokussierung erhöht werden, womit ein für die Reinigung genutztes Energieniveau, welches den Energieeintrag pro Flächeneinheit beschreibt, erhöht wird. Wird im umgekehrten Fall anhand des Signales detektiert, dass das Energieniveau zu hoch ist, da beispielsweise eine zu hohe Temperatur in der Auftrefffläche durch die Erfassungseinrichtung detektiert wird oder sich eine Veränderung des Farbspektrums der Auftrefffläche ergibt, die ein nicht optimales Energieniveau indiziert, kann über die Veränderung der Fokussierung eine Anpassung des Energieniveaus erfolgen.
- Möglich ist beispielsweise, dass unter der Annahme eines gleichmäßigen Energieeintrages in den Reinigungsbereich die Schichtdicke der Verschmutzung der Oberfläche proportional zu einer erfassten Temperatur der Oberfläche ist. So erwärmt sich eine dünnere Schmutzschicht infolge der Einwirkung des Laserstrahls schneller als eine dickere Schutzschicht bei Verwendung derselben Fokussierung und desselben Energieniveaus sowie derselben Wellenlänge des Laserlichts. Die Temperatur der Oberfläche korreliert somit mit der Dicke der Schmutzschicht. Sind die physikalischen Kenngrößen des die Oberfläche ausbildenden Substratmaterials bekannt, kann eine Anpassung, Steuerung oder Regelung der Fokussierung, aber u. U. auch der Parameter des Laserstrahls, auf Grundlage der erfassten Temperatur und der Temperaturverteilung erfolgen, womit auch eine Vermeidung einer Überhitzung der Oberfläche und einer hierdurch bedingten Beschädigung erfolgen kann. Die Anpassung der Fokussierung kann iterativ, unter Berücksichtigung eines Kennfeldes, einer Datenbank, einer optionalen Abhängigkeit, mit einer Steuerung oder einer Regelung erfolgen.

Während gemäß dem Stand der Technik CN 109515703 A der gebündelte Laserstrahl bei beliebiger Entfernung der Drohne von dem Reinigungsbereich auf den Reinigungsbereich auftreffen kann, ohne dass ein Veränderung der Entfernung das Energie-Flächen-Niveau beeinträchtigt und somit die Reinigungswirkung beeinträchtigt wird, ergibt sich in Folge der erfindungsgemäß eingesetzten und gesteuerten Fokussiereinrichtung eine Abhängigkeit der Fokussierwirkung von dem Abstand der Drohne von dem Reinigungsbereich. Ermittelt die Erfassungseinrichtung den Abstand der Drohne von dem Reinigungsbereich, kann je nach erfasstem Abstand eine Veränderung der Fokussiereinrichtung derart erfolgen, dass die gewünschte Fokussierung des Laserstrahls, also eine gewünschte Größe der Auftrefffläche des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich und/oder ein gewünschtes Energie-Flächen-Niveau in der Auftrefffläche erzielt und konstant gehalten werden kann.
Alternativ oder kumulativ möglich ist, dass die Fokussiereinrichtung (unter Umständen auch ohne einer Veränderung des Abstandes der Drohne von dem Objekt) die Fokussierung des Laserstrahls verändert in Abhängigkeit eines erfassten Ausmaßes einer Fokussierung, also der Größe der Auftrefffläche des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich. Wird beispielsweise mittels einer Kamera ein Durchmesser der Auftrefffläche erfasst, kann auf dieser Grundlage eine Anpassung der Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung für ein Konstanthalten oder eine gezielte Veränderung erfolgen. Ist beispielsweise eine angestrebte Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung erfolgt, hat die Auftrefffläche eine vorbestimmte erste Fläche. Vergrößert sich dann der Abstand der Drohne von dem Auftreffpunkt, kann sich die Auftrefffläche zu einer zweiten Größe verändern, die größer oder kleiner sein kann als die erste Fläche. Eine Anpassung der Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung erfolgt dann derart, dass (trotz des veränderten Abstandes) wieder die erste Fläche herbeigeführt wird. Erfindungsgemäß kann somit eine Steuerung oder Regelung der Fokussiereinrichtung erfolgen, wobei eine Steuerungs- oder Regelungsgröße die relative Lage der Drohne gegenüber dem Reinigungsbereich oder ein Ausmaß einer Fokussierung des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich ist.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe stellt ein Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung für ein Reinigen eines Reinigungsbereichs eines Objektes dar. Hierbei findet eine Drohne mit einer Laserstrahl-Ausrichteinrichtung und eine Laser-Basisstation Einsatz, wie diese zuvor erläutert worden sind. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Laserstrahl durch die Laser-Basisstation erzeugt. Dieser erzeugte Laserstrahl wird dann frei, also ohne Laserstrahlleiter, von der Laser-Basisstation zu der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung übertragen. Die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung richtet dann den Laserstrahl auf den Reinigungsbereich des Objekts aus. Eine Erfassungseinrichtung erzeugt ein Signal, welches mit einer relativen Lage der Drohne gegenüber dem Reinigungsbereich oder einem Ausmaß einer Fokussierung des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich korreliert. Eine Fokussierung des Laserstrahls erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Fokussiereinrichtung der Drohne in Abhängigkeit des von der Erfassungseinrichtung erfassten Signals.
Möglich ist im Rahmen der Erfindung, dass sich der Laserstrahl mit einem ersten Laserstrahlabschnitt geradlinig zwischen der Basis-Laserstation und der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung erstreckt. Die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung kann dann eine Umlenkeinrichtung für mindestens einen Spiegel, sein. Die Umlenkeinrichtung lenkt den Laserstrahl so um, dass sich der Laserstrahl mit einem zweiten (ebenfalls geradlinigen, freien und nicht durch einen Laserstrahlleiter geführten) Laserstrahlabschnitt zwischen der Umlenkeinrichtung und dem Reinigungsbereich des Objekts erstreckt.
Grundsätzlich kann die Erfassungseinrichtung ein beliebiges Signal hinsichtlich der relativen Lage zwischen der Drohne bzw. Laserstrahl-Ausrichteinrichtung und dem Reinigungsbereich des Objekts erfassen. So kann beispielsweise eine Erfassung einer Dimension in eine beliebige Raumrichtung erfolgen. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung ein Signal erzeugen, welches die relative Lage der Auftrefffläche des Laserstrahls auf das Objekt beschreibt und es kann je nach Lage der Auftrefffläche eine unterschiedliche Fokussierung erfolgen, um beispielsweise unterschiedlichen Verschmutzungen oder Schichtdicken in den unterschiedlichen Teilbereichen der Oberfläche des Objekts durch unterschiedliche Energie-Flächen-Niveaus Rechnung zu tragen oder eine unterschiedlich klein- oder großflächige Reinigung zu ermöglichen. Vorzugsweise ermittelt die Erfassungseinrichtung aber, wie bereits oben erläutert, einen Abstand der Drohne von dem Reinigungsbereich. Die Fokussiereinrichtung nimmt dann in Abhängigkeit des ermittelten Abstands eine Fokussierung des Laserstrahls vor.
Für eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann die Drohne eine Kamera aufweisen, die ein Bild des Reinigungsbereichs oder der Auftrefffläche aufnimmt. Hierbei kann die Kamera ein Bild von dem mit dem Laserstrahl beaufschlagten Reinigungsbereich oder der Auftrefffläche aufnehmen, um eine Steuerung oder Regelung des Reinigungsbetriebs, insbesondere eine Steuerung oder Regelung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung und/oder eines Betriebs der Laser-Basisstation, beispielsweise um die Wellenlänge und/oder die Energie des Laserstrahls zu modifizieren, vorzunehmen.
Ebenfalls möglich ist, dass die Kamera ein Bild des Reinigungsbereichs aufnimmt, bevor eine Reinigung erfolgt. Mit einer Bilderkennungssoftware kann dann anhand des Bildes die Art der durchzuführenden Reinigung ermittelt werden und es können auch auf der Oberfläche des Objekts Teilbereiche identifiziert werden, die unterschiedlichen Verschmutzungsgrad aufweisen und/oder unterschiedliche Reinigungen, insbesondere mit unterschiedlichen Fokussierungen, unterschiedlichen Wellenlängen oder unterschiedlichen Energien, erfordern.
Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung erfolgt eine Anpassung der Fokussierung des Laserstrahls unter Berücksichtigung des Bilds des Reinigungsbereichs. Wie zuvor erläutert kann die Steuerung der Energie und/oder Wellenlänge je nach aus dem Bild des Reinigungsbereichs identifiziertem Reinigungsbedarf erfolgen. So kann in Bereichen, in welchen weniger Eintrag von Energie gewünscht ist, eine Fokussierung des Laserstrahls auf eine größere Auftrefffläche erfolgen als dies in Teilbereichen der Fall ist, in welchen ein hoher Energieeintrag erforderlich ist. Möglich ist auch, dass für den Fall, dass anhand der Auswertung des Bilds erkannt wird, dass der Laserstrahl auf einen Bereich des Objekts auftrifft, welcher nicht zu reinigen ist oder welcher eine sehr sensitive Reinigung erfordert, eine Fokussierung derart erfolgt, dass sich eine verhältnismäßig große Auftrefffläche auf dem Objekt ergibt, womit Beschädigungen vermieden werden können und/oder eine sensitive Reinigung ermöglich ist. Schließlich kann je nach identifiziertem Teilbereich in dem Bild eine bedarfsgerechte Fokussierung des Laserstrahls erfolgen, so dass gezielt und bedarfsgerecht mit einer größeren oder kleineren Auftrefffläche und den zugeordneten Energie-Flächen-Niveaus gereinigt werden kann.
Während die vorgenannten Maßnahmen an der Drohne, nämlich an der Fokussiereinrichtung durchgeführt wurden, kann durchaus auch eine Berücksichtigung des Bilds des Reinigungsbereichs, welches von der Kamera aufgenommen worden ist, durch die Laser-Basisstation erfolgen, indem je nach Bildauswertung des Bilds des Reinigungsbereichs und der Auftrefffläche eine Veränderung des von der Laser-Basisstation erzeugten Laserstrahls erfolgen. So ist möglich, dass je nach dem erfassten Bild eine Anpassung der Energie des Laserstrahls, der Wellenlänge des Laserstrahls und/oder eines Querschnitts des Laserstrahls erfolgt. Möglich ist auch, dass unter Berücksichtigung des Bilds des Reinigungsbereichs eine Anpassung der Länge und/oder Wiederholrate etwaiger Pulse des Laserstrahls erfolgt. Erfolgt beispielsweise anhand der Bilderkennung eine Ermittlung der Art der Verunreinigung oder der Beschichtung und/oder von deren Dicke, so kann die Wellenlänge und/oder die Energie des Laserstrahls hieran angepasst werden.
Möglich ist im Rahmen der Erfindung aber auch, dass anhand des von der Kamera aufgenommenen Bilds der Auftrefffläche des Laserstrahls auf den Reinigungsbereich eine Veränderung der Auftrefffläche, insbesondere der hier angeordneten Verunreinigung, mit der Zeit infolge der Einwirkung des Laserstrahls ausgewertet wird. So kann beispielsweise ein Farbspektrum des aufgenommenen Bilds ausgewertet werden, wobei eine Veränderung des Farbspektrums dann mit einem Fortschritt des Reinigungsprozesses entsprechend einer empirischen oder a-priori infolge der physikalischen Zusammenhänge vorgegebenen Abhängigkeit korrelieren kann. Somit kann aus dem Bild und insbesondere einer ermittelten Veränderung des Farbspektrums ein Ende der Reinigung durch Beaufschlagung dieser spezifischen Auftrefffläche ermittelt werden, womit dann der Laserstrahl deaktiviert wird oder die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung so angesteuert wird, dass ein anderer Teil des Reinigungsbereichs mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird. Andererseits kann anhand des Bilds, insbesondere anhand des Farbspektrums des Bilds, auch erkannt werden, wenn die gewählten Parameter des Laserstrahls (Fokussierung und resultierende Auftrefffläche, Energie, Wellenlänge) nicht geeignet sind für die angestrebte Reinigung, womit sich das Bild nicht oder nicht wesentlich verändern würde. Wird festgestellt, dass sich das Bild trotz der Beaufschlagung des Reinigungsbereichs mit dem Laserstrahl nicht verändert, können die vorgenannten Parameter verändert werden, bis sich die angestrebte Veränderung des Bilds ergibt. Somit kann mittels der Kamera und des aufgenommenen Bilds und einer geeigneten Bildauswertung einerseits eine Überwachung des Reinigungsprozesses erfolgen und andererseits eine Optimierung der Parameter für den Reinigungsprozess, insbesondere die Parameter des Laserstrahls und der Fokussierung, erfolgen.
Um lediglich einige die Erfindung nicht beschränkende Beispiele zu nennen, kann die Veränderung des Farbspektrums infolge der Einwirkung des Laserstrahls darin bestehen, dass die Verunreinigung infolge des Verbrennen oder einer chemischen Reaktion ihre Farbe verändert. Ebenfalls möglich ist, dass infolge der Beaufschlagung mit dem Laserstrahl die Verunreinigung beseitigt wird, womit eine Veränderung des Farbspektrums von dem Farbspektrum der Verunreinigung zu dem Farbspektrum der gereinigten Oberfläche des Objektes erfolgt.
Möglich ist im Rahmen der Erfindung, dass die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung über einen Aktuator verstellbar ist, so dass der Laserstrahl schrittweise oder kontinuierlich entlang der Oberfläche des Objekts wandern kann. Hierbei kann eine Ansteuerung des Aktuators und damit die Verstellung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auch abhängig von dem von der Kamera aufgenommenen Bild erfolgen. Dies kann beispielsweise erfolgen, um gezielt den Laserstrahl lediglich auf verunreinigte Bereiche der Oberfläche des Objekts zu richten oder lediglich in nicht sensiblen Teilbereichen die Oberfläche des Objektes zu reinigen.
Im Rahmen der Erfindung kann eine Prüfeinrichtung vorgesehen sein, die prüft, ob der Laserstrahl bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auftrifft und/oder der Laserstrahl bestimmungsgemäß auf den Reinigungsbereich des Objekts auftrifft. Beispielsweise kann eine erste Kamera von der Laser-Basisstation auf die Drohne und damit die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung ausgerichtet sein (oder umgekehrt), während eine zweite Kamera von der Drohne gehalten ist und auf den Reinigungsbereich des Objekts ausgerichtet ist. In diesem Fall kann eine Steuereinrichtung vorhanden sind, die Steuerlogik aufweist, die den Laserstrahl abschaltet und/oder einen Parameter des Laserstrahls verändert und/oder die Fokussiereinrichtung ansteuert, wenn die Prüfung ergibt, dass der Laserstrahl nicht bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auftrifft und/oder der Laserstrahl nicht bestimmungsgemäß auf den Reinigungsbereich des Objekts auftrifft. Erkennt beispielsweise die erste Kamera, dass sich die Drohne relativ zu der Laser-Basisstation so bewegt hat, dass der Laserstrahl nicht auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung auftrifft, sondern eine andere Komponente der Drohne beaufschlagt, die beschädigt werden könnte, oder sogar an der Drohne vorbei gesendet wird, kann eine Abschaltung des Laserstrahls erfolgen. Wie zuvor erläutert, kann mittels der zweiten Kamera erkannt werden, ob die Parameter geeignet für die Reinigung gewählt sind und unter Umständen eine entsprechende Anpassung der Parameter erfolgen.
Eine Steuereinrichtung und eine hierfür genutzte Steuerlogik kann alternativ oder kumulativ an der Drohne und/oder an der Laser-Basisstation vorhanden sein, wobei diese auch für die Übertragung der erforderlichen Signale drahtlos miteinander kommunizieren können.
Für einen weiteren Vorschlag der Erfindung findet ein Laser Einsatz, der eine einstellbare Wellenlänge aufweist. Eine Einstellung der Wellenlänge kann dann bedarfsgerecht erfolgen. Für einen besonderen Vorschlag weist eine oder die Steuereinrichtung Steuerlogik auf, mittels welcher eine Wellenlänge des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Schichtdicke und/oder Art der Verschmutzung in dem Reinigungsbereich vorgebbar ist. Hierbei wird die Schichtdicke der Verschmutzung in dem Reinigungsbereich insbesondere anhand eines von dem Reinigungsbereich aufgenommenen Bilds oder eines berührungslosen Schichtdickenverfahrens ermittelt.
Vorzugsweise ist eine Reinigungsbewertungseinrichtung vorhanden. Die Reinigungsbewertungseinrichtung ermittelt eine Bewertung hinsichtlich der erzielten Reinigungswirkung. Hierbei wird die Bewertung unter Berücksichtigung eines Reflektionsgrads des Reinigungsbereichs ermittelt. Handelt es sich bei der nicht verschmutzten Oberfläche des Objekts um eine gut reflektierende Oberfläche und reduziert sich infolge der Verschmutzung der Oberfläche oder der Beschichtung derselben der Reflektionsgrad, wird mit zunehmender Reinigung der Reflektionsgrad des Reinigungsbereichs höher. Die Veränderung des Reflektionsgrads kann damit für die Bewertung herangezogen werden. Möglich ist, dass für die Ermittlung des Reflektionsgrads eine andere zusätzliche Lichtquelle der Drohne verwendet wird. Vorzugsweise kann der Reflektionsgrad des Reinigungsbereichs aber anhand der Reflektion des Laserstrahls, der auch für die Reinigung verwendet wird, ermittelt werden.
Alternativ oder kumulativ kann die Bewertung anhand einer erfassten Temperatur oder Temperaturverteilung in der Auftrefffläche oder in dem Reinigungsbereich ermittelt werden. Die Temperatur korreliert dabei mit dem Energieeintrag infolge des Reinigungsverfahrens. Ist eine Zieltemperatur erreicht, kann darauf geschlossen werden, dass eine hinreichende Reinigung erfolgt ist.
Ebenfalls möglich ist, dass eine Bewertung des Reinigungsvorgangs auf Grundlage einer Veränderung des Bilds des Reinigungsbereichs, insbesondere eines Farbspektrums desselben, erfolgt.
Ist die Bewertung durch die Reinigungsbewertungseinrichtung erfolgt, kann dann aus dieser Bewertung eine Ermittlung der Parameter des Laserstrahls und/oder der Ansteuerung der Fokussiereinrichtung erfolgen. Dies kann unter Verwendung eines Kennfelds zur Berücksichtigung der Abhängigkeiten, einer Datenbank oder unter Berücksichtigung einer funktionalen Abhängigkeit erfolgen, wobei das Kennfeld, die Datenbank oder die funktionale Abhängigkeit analytisch auf Grundlage der physikalischen Gesetzmäßigkeiten ermittelt worden sein kann oder empirisch ermittelt worden sein kann.
Im Rahmen der Erfindung kann eine erste Erfassungseinrichtung, bei der es sich um eine erste Messeinrichtung oder eine erste Kamera handeln kann, die Relativlage der Laser-Basisstation und der Drohne erfassen, während eine zweite Erfassungseinrichtung, bei der es sich um eine zweite Messeinrichtung oder eine zweite Kamera handeln kann, die Relativlage der Drohne und des Reinigungsbereichs erfasst.
Im Rahmen der Erfindung können auch Maßnahmen Einsatz finden, die in der Druckschrift DE 10 2018 113 244 B3 zu einem anderen Zweck offenbart sind. Gemäß dieser Druckschrift wird ein Laserstrahl einer Laser-Basisstation über eine Drohne auf ein Objekt ausgerichtet, um Schwingungen des Objekts zu messen. Übertragbar auf die vorliegende Erfindung sind hierbei insbesondere die in der Druckschrift beschriebenen Maßnahmen zur Abtastung unterschiedlicher Bereiche der Oberfläche des Objekts durch den Laserstrahl, Maßnahmen zur Ausrichtung des Laserstrahls, die Ausgestaltung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung mit mindestens einem aktuatorisch bewegten Spiegel, die Führung der Drohne entlang eines Führungsstrahls, die Auswertung eines reflektierten Laserstrahls und/oder eine schwingungstechnische Entkopplung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung von dem Flugkörper der Drohne oder den Antrieben derselben.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Drohne ist insbesondere ein unbemanntes Flugobjekt, welche zu einem Flug mit sehr geringen Fluggeschwindigkeiten über Grund und vorzugsweise auch zu einem Schwebeflug geeignet ist. Die Drohne kann über mehrere Rotoren mit vertikalen Rotorachsen verfügen. Die im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Drohnen werden auch als UAV (unmanned aerial vehicle) bezeichnet.
Die Positionierung der Drohne und damit der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung gegenüber dem zu reinigenden Objekt erfolgt vorzugsweise ferngesteuert, wobei Steuerbefehle drahtlos oder drahtgebunden an die Drohne übertragen werden können. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Drohne in einem Fesselflug fliegt, d. h. mit Hilfe von vom Boden aus gespannten Leinen gesteuert oder geführt wird.
Zur Führung kann auch ein Führungsstrahl dienen. Die Führung von Flugobjekten mit einem Führungsstrahl ist grundsätzlich bekannt. Neben der Führung des Flugobjekts mit einem Führungsstrahl längs der Vorwärtsrichtung kann auch eine Führung in mindestens einer weiteren Richtung mit dem oder einem weiteren Führungsstrahl erfolgen, um mit dieser Führung in mehreren Richtungen die Position der Drohne in der Luft teilweise oder vollständig zu definieren.
Für eine Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem von der Auftrefffläche aufgenommenen Bild der Reflektionsgrad der Auftrefffläche ermittelt. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass einerseits der Reflektionsgrad Aufschluss über den Reinigungsbedarf der Oberfläche gibt. Andererseits gibt der Reflektionsgrad und eine Änderung desselben Aufschluss über das Ausmaß einer durch die Einwirkung des Laserstrahls erfolgten Reinigung. Alternativ oder kumulativ möglich ist, dass aus dem von der Auftrefffläche aufgenommenen Bild eine Dimension der Auftrefffläche (beispielsweise eine Längserstreckung, eine Quererstreckung, ein Durchmesser oder ein Flächeninhalt der Auftrefffläche) ermittelt wird. Die Dimension der Auftrefffläche gibt bei bekannter Energie des Laserlichts Aufschluss über das Energieniveau, welches auf die Auftrefffläche wirkt und die Reinigungswirkung herbeiführt, aber auch zu einer Erwärmung der Oberfläche führt, die nicht einer Temperatur führen sollte, die eine zu Beschädigungen führende Maximaltemperatur überschreitet. Alternativ oder kumulativ möglich ist, dass aus dem Bild ein Farbspektrum der Auftrefffläche ermittelt wird. Ein Farbspektrum der Auftrefffläche kann zum Einen Aufschluss geben über die Art der Verunreinigung der Oberfläche, die dann Berücksichtigung finden kann für die Parameter des Laserstrahls und die Fokussierung der Fokussiereinrichtung. Andererseits kann eine Veränderung des Farbspektrums der Auftrefffläche infolge der Einwirkung des Laserstrahl Aufschluss geben über ein Ausmaß der herbeigeführten Reinigungswirkung. Schließlich ist auch möglich, dass aus dem Bild eine Temperatur (die auch eine Temperaturverteilung umfasst) der Auftrefffläche ermittelt wird, insbesondere bei Nutzung einer Thermographiekamera. Die Temperatur der Auftrefffläche kann zur Steuerung eines optimalen Energieniveaus zur Herbeiführung der Reinigungswirkung verwendet werden. Andererseits gibt die Temperatur der Auftrefffläche bei bekanntem Energieniveau Aufschluss über die Dicke und/oder Zusammensetzung der Verschmutzungsschicht. Schließlich kann anhand der Temperatur erkannt werden, wenn das Energieniveau so hoch ist, dass es zu einer Beschädigung der zu reinigenden Oberfläche kommen kann.
Anhand des identifizierten Reflektionsgrades, der Dimension, des Farbspektrums und/oder der Temperatur kann dann eine Beeinflussung der Fokussierung des Laserstrahls durch die Fokussiereinrichtung und/oder der Parameter des Laserstrahls (Pulsdauer, Pulsfrequenz, Energie und/oder Wellenlänge) erfolgen. Bei dieser Beeinflussung kann es sich um eine Steuerung oder Regelung handeln. Möglich ist, dass die Beeinflussung iterativ erfolgt. Schließlich ist auch möglich, dass die Beeinflussung unter Berücksichtigung eines Kennfeldes, einer Datenbank oder einer funktionalen Abhängigkeit erfolgt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt stark schematisiert eine Drohnen-Laserreinigungseinrichtung bei der Reinigung eines Objekts.
2 zeigt stark schematisiert ein Verfahren zur Steuerung von Parametern des Laserstrahls.
3 zeigt stark schematisiert eine Prüfeinrichtung, die prüft, ob der Laserstrahl bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung und/oder den Reinigungsbereich des Objekts auftrifft.
4 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt stark schematisiert eine Drohnen-Laserreinigungseinrichtung 1. Die Drohnen-Laserreinigungseinrichtung 1 verfügt über eine Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2, eine Laserstrahl-Basisstation 3 und eine Drohne 4. Abweichend zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel können die Laserstrahl-Basisstation 3 und die Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2 eine Baueinheit bilden.
Die Laserstrahl-Basisstation 3 erzeugt unter Ansteuerung durch die Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2 einen Laserstrahl 5. Bei dem Laserstrahl 5 handelt es sich nicht um einen Punkt-Laserstrahl. Vielmehr verfügt der Laserstrahl 5 über eine Querschnittsfläche 6.
Die Drohne 4 verfügt über einen Flugkörper 7, der sämtliche für den Flugbetrieb der Drohne 4 erforderlichen Bauelemente aufweist. An dem Flugkörper 7 ist eine Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 gehalten, bei der es sich vorzugsweise um mindestens einen Spiegel 9 handelt. Die Laserstrahl-Basisstation 3 und die Drohne 4 sind so relativ zueinander angeordnet und der Laserstrahl 5 ist von der Laserstrahl-Basisstation 3 so ausgerichtet, dass der Laserstrahl 5 auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 trifft. Zwischen der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 und der Laserstrahl-Basisstation 3 erstreckt sich der Laserstrahl 5 mit dem ersten Laserstrahlabschnitt 10, im Bereich dessen der Laserstrahl 5 vorzugsweise eine konstante Querschnittsfläche 6 aufweist.
Im Bereich der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 wird der Laserstrahl 5 umgelenkt in Richtung eines zu reinigenden Objekts 11. Ist die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 als Spiegel 9 ausgebildet, erfolgt dies durch Spiegelung des Laserstrahls 5. Über geeignete Aktuatoren der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 und eine zugeordnete Steuerung, die in der Drohne 4 realisiert ist, kann eine Veränderung der Ausrichtung und Umlenkung des Laserstrahls 5 so erfolgen, dass dieser mit einem zweiten Laserstrahlabschnitt 12 möglichst in einem Reinigungsbereich 13 des zu reinigenden Objekts 11 mit einer Auftrefffläche 15 auf das Objekt 11 trifft.
An dem Flugkörper 7 der Drohne 4 ist des Weiteren eine Fokussiereinrichtung 14 gehalten, bei der es sich beispielsweise um ein Linsensystem handelt. Über geeignete Aktuatoren, die von der Drohne 4 gesteuert werden, ist eine Veränderung der Fokussiereinrichtung 14 möglich. Die Fokussiereinrichtung 14 kann so angesteuert werden, dass eine Fokussierung des zweiten Laserstrahlabschnitts 12 derart erfolgt, dass dieser mit der Auftrefffläche 15 auf den Reinigungsbereich 13 auftrifft. Für eine maximale Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung 14 ist die Auftrefffläche 15 auf einen Auftreffpunkt reduziert, während für andere Fokussierungen, also andere Stellungen der Linsen der Fokussiereinrichtung 14, die Auftrefffläche 15 eine größere, beispielsweise kreisförmige Fläche aufweist.
An der Laserstrahl-Basisstation 3 kann eine erste Erfassungseinrichtung 16, insbesondere eine erste Kamera 17 angeordnet sein. Die Ausrichtung der ersten Erfassungseinrichtung 16, insbesondere der ersten Kamera 17, kann mittels eines Aktuators veränderbar sein. Eine Ausrichtung der ersten Erfassungseinrichtung 16 erfolgt dabei derart, dass diese die Relativlage der Drohne 4 gegenüber der Laserstrahl-Basisstation 3 erfasst. Hierbei kann die Erfassungseinrichtung 16 geeignet gestaltet sein, um den Abstand der Drohne 4 von der Laserstrahl-Basisstation 3 oder eine Position in eine Richtung quer zu dem ersten Laserstrahlabschnitt 10 zu erfassen.
An dem Flugkörper 7 ist eine zweite Erfassungseinrichtung 18, insbesondere eine zweite Kamera 19, gehalten. Die zweite Erfassungseinrichtung 18 ist, ggf. auch unter Einstellmöglichkeit mittels eines Aktuators, so ausgerichtet, dass diese die Relativlage zwischen der Drohne und dem Reinigungsbereich oder der Auftrefffläche erfasst.
Die erste Erfassungseinrichtung 16 dient vorzugsweise der Steuerung der Position der Drohne 4 in eine vorbestimmte Position relativ zu dem Objekt 11 und/oder der Gewährleistung der Bewegung der Drohne 4 für ein Wandern der Auftrefffläche 15 entlang des Reinigungsbereichs 13. Andererseits kann die erste Erfassungseinrichtung 16 dazu dienen, die Ausrichtung des Laserstrahls 5 durch die Laserstrahl-Basisstation 3 so zu steuern, dass der erste Laserstrahlabschnitt 10 auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 trifft.
Die zweite Erfassungseinrichtung 18 dient vorzugsweise der Erfassung des Objekts, was zur Identifikation des Reinigungsbereichs 13 erfolgen kann. Des Weiteren ist möglich, dass über die zweite Erfassungseinrichtung 18 in dem Reinigungsbereich 13 die Art der Verunreinigung (Verschmutzungstyp, Beschichtung, Dicke der Verunreinigung der Verschmutzung oder Beschichtung, Art der Verunreinigung oder Beschichtung) zu ermitteln, was dann einerseits zur Steuerung der Parameter des Laserstrahls 5 durch die Laserstrahl-Basisstation 3 und/oder zur Ansteuerung der Fokussiereinrichtung 14 verwendet werden kann. Des Weiteren möglich ist, dass die zweite Erfassungseinrichtung 18 die Größe der Auftrefffläche 15 erfasst und auf dieser Grundlage eine Regelung der Fokussiereinrichtung 14 erfolgt, womit dann eine Vergrößerung der Auftrefffläche 15 mit einer Verringerung des Energie-Flächen-Niveaus, ein Konstanthalten der Auftrefffläche 15 oder eine Verkleinerung der Auftrefffläche 15 mit einer Vergrößerung des Energie-Flächen-Niveaus ausgesteuert werden kann.
Wie dargestellt können die Drohne 4 und die Steuer- und/oder Bearbeitungseinheit 2 drahtlos über geeignete Sende- und/oder Empfangseinheiten 20, 21 miteinander kommunizieren, wobei es sich um eine uni-direktionale oder bi-direktionale Kommunikation handeln kann.
Über die Sende- und/oder Empfangseinheiten 20, 21 können beispielsweise folgende Signale übertragen werden:

- Möglich ist, dass das von der Erfassungseinrichtung 18 oder der Kamera 19 aufgenommene Signal oder Bild von der Drohne 4 an die Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2 übertragen wird.
- Möglich ist, dass das Signal oder Bild der Erfassungseinrichtung 18 bereits von der Drohne 4 verarbeitet wird und lediglich das Ergebnis der Verarbeitung drahtlos an die Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2 übertragen wird.
- Möglich ist, dass von der Laserstrahl-Basisstation 3 Steuersignale für die Antriebe der Drohne 4 und/oder für den Betrieb der Erfassungseinrichtung 18 und/oder für die Fokussiereinrichtung 14 drahtlos an die Drohne 4 übertragen werden.

Für das dargestellte Ausführungsbeispiel sind die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 und die Fokussiereinrichtung 14 als separate Baueinheiten ausgebildet. Diese können aber durchaus zu einer Baueinheit vereinigt sein.
Gemäß 2 wird das Signal der Erfassungseinrichtung 18, hier der Kamera 19, in einem Auswerteverfahren 22 ausgewertet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Auswerteverfahren 22 um eine Bildauswertung 23. In der Bildauswertung 23 werden charakteristische Parameter 24 des Signals der Erfassungseinrichtung 18, vorzugsweise des Bilds der Kamera 17, ausgewertet. Bei den charakteristischen Parametern 24 handelt es sich beispielsweise

- um eine Dimension, einen Durchmesser oder eine Fläche der Auftrefffläche 15, eine Beschreibung der Verunreinigung der Oberfläche (Farbe, Schichtdicke, Reflektionsspektrum) und/oder
- eine Veränderung der Oberfläche oder Verunreinigung infolge der Einwirkung des Laserstrahlabschnitts 12 (Änderung der Farbe, Änderung des Reflektionsgrads, Änderung des Reflektionsspektrums).

Die mittels des Auswerteverfahrens 22 gewonnenen charakteristischen Parameter werden dann einer Auswerteeinheit 25 zugeführt, bei der es sich um eine „Knowledge-Based“-Auswerteeinheit handeln kann, in welcher ein Kennfeld 26, eine Datenbank 27 und/oder eine funktionale Abhängigkeit 28 Berücksichtigung findet. Die Auswerteeinheit 25 erzeugt dann ein Steuersignal 29 für eine Ansteuerung der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 und/oder ein Steuersignal 30 für eine Ansteuerung der Fokussiereinrichtung 14 und/oder ein Steuersignal 31 für eine Ansteuerung der Laserstrahl-Basisstation 3.
Mittels des Steuersignals 29 kann eine Veränderung der Ausrichtung des zweiten Laserstrahlabschnitts 12 durch die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 angesteuert werden, wenn beispielsweise die Auswertung ergibt, dass die Auftrefffläche 15 nicht in dem richtigen Bereich des Reinigungsbereichs 13 oder sogar außerhalb des Reinigungsbereichs 13 angeordnet ist.
Mittels des Steuersignals 30 kann je nach Ergebnis der Auswertung die Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung 14 verändert werden, so dass eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Auftrefffläche 15 erfolgt mit einer damit verbundenen Veränderung des Energie-Flächen-Niveaus.
Mittels des Steuersignals 31 kann eine Ansteuerung der Laserstrahl-Basisstation 3 erfolgen, indem eine Deaktivierung des Lasers erfolgt oder eine Veränderung eines Parameters des Betriebs des Lasers erfolgt (beispielsweise eine Veränderung der Energie des Laserstrahls 5 und/oder einer Wellenlänge des Laserstrahls 5 und/oder einer Querschnittsfläche 6 des Laserstrahls 5 und/oder einer Pulsdauer und/oder einer Pulsfrequenz).
3 zeigt schematisch eine Prüfeinrichtung 32, mit der geprüft werden kann, ob der Laserstrahl 5 bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 auftrifft und/oder der Laserstrahl 5 bestimmungsgemäß auf den Reinigungsbereich 13 des Objekts 11 auftrifft. Hierbei kann die Prüfeinrichtung 32 beispielsweise Bestandteil der Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit 2 oder der Drohne 4 sein.
In einem Verfahrensschritt 33 wird das Signal der Erfassungseinrichtung 16 oder der Kamera 17 dahingehend ausgewertet, ob die Drohne 4 eine bestimmungsgemäße relative Position zu der Laserstrahl-Basisstation 3 einnimmt, so dass der Laserstrahl 5 in dem bestimmungsgemäßen Bereich auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 auftrifft. Ist dies nicht der Fall, wird ein Steuersignal 34 erzeugt, welches die Laserstrahl-Basisstation 3 so ansteuert, dass die Energie des Laserstrahls 5 reduziert wird oder der Laserstrahl 5 deaktiviert wird. Entsprechend erfolgt in einem Verfahrensschritt 35 eine Auswertung des Signals der Erfassungseinrichtung 18 oder der Kamera 19 dahingehend, ob der zweite Laserstrahlabschnitt 12 auf den Reinigungsbereich 13 des Objekts 11 auftrifft und/oder die Fokussiereinrichtung 14 eine gewünschte Fokussierung gewährleisten kann. Ist dies nicht der Fall, da beispielsweise der zweite Laserstrahlabschnitt 12 an dem Objekt 11 oder dem Reinigungsbereich 13 desselben vorbeigeht, wird ein Steuersignal 34 erzeugt, welches die Laserstrahl-Basisstation 3 so ansteuert, dass die Energie des Laserstrahls 5 reduziert wird oder der Laserstrahl 5 deaktiviert wird.
4 zeigt beispielhaft ein Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung 1. Die im Folgenden genannten Schritte müssen nicht in der angeführten Reihenfolge durchgeführt werden. Vielmehr können einzelne Schritte und Prüfungen permanent durchgeführt werden und/oder die Verfahrensschritte in anderer Reihenfolge oder auch parallel zueinander ausgeführt werden.
In einem Verfahrensschritt 36 wird die Drohne 4 in die bestimmungsgemäße Relativlage zu dem Objekt 11 geflogen und in dieser, vorzugsweise im Schwebeflug, gehalten. Mittels der Kamera 19 wird dann in einem Verfahrensschritt 37 der Reinigungsbereich 13 auf Grundlage einer Bilderkennung identifiziert. Je nach erkanntem Reinigungsbereich 13 kann eine Nachjustierung der relativen Lage der Drohne 4 gegenüber dem Objekt 11, hier dem Reinigungsbereich 13, erfolgen. In einem Verfahrensschritt 38 wird auf Grundlage des Bilds der Kamera 17 die Laserstrahl-Basisstation 3 so angesteuert, dass diese in Richtung der Drohne 4, hier der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 ausgerichtet ist. Ist dies der Fall, wird in einem Verfahrensschritt 39 der Laserstrahl 5 erzeugt. In einem Verfahrensschritt 40 wird dann mittels der Prüfeinrichtung 32 geprüft, ob der Laserstrahl 5 bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 auftrifft und der zweite Laserstrahlabschnitt 12 in dem Reinigungsbereich 13 auf das Objekt auftrifft. Hinsichtlich weiterer Details wird auf die Beschreibung gemäß 3 verwiesen. In einem Verfahrensschritt 41 wird auf Grundlage des von der Kamera 19 aufgenommenen Bildes die Laserstrahl-Basisstation 3 zur Erzeugung eines Laserstrahls 5 mit der erforderlichen Energie, die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 zur richtigen Ausrichtung des zweiten Laserstrahlabschnitts 12 und die Fokussiereinrichtung 14 für die gewünschte Fokussierung des zweiten Laserstrahlabschnitts 12 auf die Auftrefffläche 15 angesteuert. Hinsichtlich weiterer Details wird auf die 2 mit zugeordneter Beschreibung verwiesen. Wird in einem Verfahrensschritt 42 erkannt, dass eine ausreichende Reinigung im Bereich der Auftrefffläche 15 erfolgt ist, kann eine Deaktivierung des Lasers erfolgen oder es erfolgt eine Ansteuerung der Drohne 4 und/oder der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung 8 derart, dass (ähnlich eines Scanners) die Auftrefffläche 15 weiter entlang des Reinigungsbereichs 13 bewegt wird.
Die Parameter des erzeugten Laserstrahls 5 (Energie, Wellenlänge, Pulsdauer und Frequenz der Pulse) werden gemäß 2 in einem geschlossenen Regelkreis auf Grundlage des durch die Kamera 19 erfassten Bildes ermittelt. Die erforderlichen Parameter stehen in Wechselwirkung mit den physikalischen Eigenschaften des zu beseitigenden Schmutzes oder der zu beseitigenden Schicht. Handelt es sich beispielsweise bei der Schmutzschicht um organischen Schmutz oder eine unerwünschte Farbe oder Lackierung, führt der Schmutz, die Farbe oder die Lackierung zu zugeordneten spezifischen Parametern des Laserstrahls 5. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Laserstrahls 5 proportional zu oder gleich der Schichtdicke der Schmutzschicht gewählt. Die Regelung der Parameter auf Grundlage der Bilderfassung und -erkennung in einer geschlossenen Regelschleife kann eine effektive Behandlung vielfältiger unterschiedlicher Verschmutzungen und Zustände ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Drohnen-Laserreinigungseinrichtung
2: Steuer- und/oder Verarbeitungseinheit
3: Laserstrahl-Basisstation
4: Drohne
5: Laserstrahl
6: Querschnittsfläche
7: Flugkörper
8: Laserstrahl-Ausrichteinrichtung
9: Spiegel
10: Erster Laserstrahlabschnitt
11: Objekt
12: Zweiter Laserstrahlabschnitt
13: Reinigungsbereich
14: Fokussiereinrichtung
15: Auftrefffläche
16: Erste Erfassungseinrichtung
17: Erste Kamera
18: Zweite Erfassungseinrichtung
19: Zweite Kamera
20: Sende- und/oder Empfangseinheit
21: Sende- und/oder Empfangseinheit
22: Auswerteverfahren
23: Bildauswertung
24: Charakteristische Parameter
25: Auswerteeinheit
26: Kennfeld
27: Datenbank
28: Funktionale Abhängigkeit
29: Steuersignal
30: Steuersignal
31: Steuersignal
32: Prüfeinrichtung
33: Verfahrensschritt
34: Steuersignal
35: Verfahrensschritt
36: Verfahrensschritt
37: Verfahrensschritt
38: Verfahrensschritt
39: Verfahrensschritt
40: Verfahrensschritt
41: Verfahrensschritt
42: Verfahrensschritt

Claims

Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) mit einer Drohne (4) und einer Laser-Basisstation (3), welche einen Laserstrahl (5) erzeugt, wobei die Drohne (4) eine Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) aufweist, zu der der Laserstrahl (5) von der Laser-Basisstation (3) frei gesendet wird und welche den Laserstrahl (5) im Bereich einer Auftrefffläche (15) auf einen Reinigungsbereich (13) eines Objekts (11) ausrichtet, wobei die Drohne (4) a) eine Erfassungseinrichtung (18) aufweist, welche ein Signal erzeugt, welches mit - einer relativen Lage der Drohne (4) gegenüber dem Reinigungsbereich (13) und/oder - einem Ausmaß einer Fokussierung des Laserstrahls (5) auf den Reinigungsbereich (13) und/oder - einem Zustand des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) zumindest korreliert, b) eine Fokussiereinrichtung (14) aufweist, welche in Abhängigkeit des von der Erfassungseinrichtung (18) erfassten Signals eine Fokussierung des Laserstrahls (5) vornimmt oder verändert.
Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) für ein Reinigen eines Reinigungsbereichs (13) eines Objektes (11) mit einer Drohne (4) und einer Laser-Basisstation (3), wobei die Drohne (4) eine Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8), eine Erfassungseinrichtung (18) und eine Fokussiereinrichtung (14) aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Erzeugen eines Laserstrahls (5) durch die Laser-Basisstation (3), b) freies Senden des Laserstrahls (5) von der Laser-Basisstation (3) zu der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8), c) Ausrichten des Laserstrahls (5) auf den Reinigungsbereich (13) des Objekts (11), d) Erzeugen eines Signals durch die Erfassungseinrichtung (18), wobei das Signal mit einer - einer relativen Lage der Drohne (4) gegenüber dem Reinigungsbereich (13) und/oder - einem Ausmaß einer Fokussierung des Laserstrahls (5) auf den Reinigungsbereich (13) und/oder - einem Zustand des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) zumindest korreliert, e) Fokussieren des Laserstrahls (5) mittels der Fokussiereinrichtung (14) der Drohne (4) in Abhängigkeit des von der Erfassungseinrichtung (18) erfassten Signals.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) sich der Laserstrahl (5) mit einem ersten Laserstrahlabschnitt (10) geradlinig zwischen der Basis-Laserstation (3) und der Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) erstreckt und b) die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) eine Umlenkeinrichtung ist, die den Laserstrahl (5) so umlenkt, dass sich der Laserstrahl (5) geradlinig mit einem zweiten Laserstrahlabschnitt (12) zwischen der Umlenkeinrichtung und dem Reinigungsbereich (13) erstreckt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 3 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (18) einen Abstand der Drohne (4) von dem Reinigungsbereich (13) oder der Auftrefffläche (15) ermittelt und die Fokussiereinrichtung (14) in Abhängigkeit des ermittelten Abstands eine Fokussierung des Laserstrahls (5) vornimmt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, 3 oder 4 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drohne (4) eine Kamera (19) aufweist, die ein Bild des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) aufnimmt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierung des Laserstrahls (5) unter Berücksichtigung des Bildes des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) erfolgt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 6 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter des Laserstrahls (5) unter Berücksichtigung des Bildes des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) ermittelt wird.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) über einen Aktuator verstellbar ist.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 8 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Prüfeinrichtung (32) vorhanden ist, die prüft, ob der Laserstrahl (5) bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) auftrifft und/oder der Laserstrahl (5) bestimmungsgemäß auf den Reinigungsbereich (13) des Objekts (11) auftrifft und b) eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die Steuerlogik aufweist, die den Laserstrahl (5) abschaltet und/oder einen Parameter des Laserstrahls (5) verändert und/oder die Fokussiereinrichtung (14) zur Veränderung der Fokussierung ansteuert, wenn die Prüfung der Prüfeinrichtung (32) ergibt, dass der Laserstrahl (5) nicht bestimmungsgemäß auf die Laserstrahl-Ausrichteinrichtung (8) auftrifft und/oder der Laserstrahl (5) nicht bestimmungsgemäß auf den Reinigungsbereich (13) des Objekts (11) auftrifft.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser mit einstellbarer Wellenlänge vorhanden ist oder verwendet wird.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 10 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Steuereinrichtung Steuerlogik aufweist, mittels welcher eine Wellenlänge des Laserstrahls (5) in Abhängigkeit der Schichtdicke der Verschmutzung in dem Reinigungsbereich (13) vorgebbar ist.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 11 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsbewertungseinrichtung vorhanden ist, die eine Bewertung einer Reinigungswirkung infolge der Beaufschlagung des Reinigungsbereichs (13) mit dem Laserstrahl (5) ermittelt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsbewertungseinrichtung die Bewertung unter Berücksichtigung a) eines Reflektionsgrads des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) und/oder b) einer Temperatur oder Temperaturverteilung in dem Reinigungsbereich (13) oder der Auftrefffläche (15) und/oder c) einer Veränderung des Reinigungsbereichs (13) oder der Auftrefffläche (15) ermittelt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Bewertung eine Ermittlung der Parameter des Laserstrahls (5) und/oder der Ansteuerung der Fokussiereinrichtung (14) erfolgt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Bewertung eine Ermittlung der Parameter des Laserstrahls (5) und/oder der Ansteuerung der Fokussiereinrichtung (14) unter Einsatz a) eines Kennfeldes (26) und/oder b) einer Datenbank (27) und/oder c) einer funktionalen Abhängigkeit (28), erfolgt.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 15 oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Erfassungseinrichtung (16) oder Kamera (17) die Relativlage des Laser-Basisstation (3) und der Drohne (4) erfasst und eine zweite Erfassungseinrichtung (18) oder Kamera (19) die Relativlage der Drohne (4) und des Reinigungsbereichs (13) erfasst.
Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) oder Verfahren zum Betrieb einer Drohnen-Laserreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass - die Fokussierung des Laserstrahls (5) durch die Fokussiereinrichtung (14) und/oder - eine Pulsdauer des Laserstrahls (5), - eine Pulsfrequenz des Laserstrahls (5) und/oder - eine Energie des Laserstrahls (5) gesteuert wird, geregelt wird oder iterativ ermittelt wird auf Grundlage des von der Kamera (19) von der Auftrefffläche (15) aufgenommenen Bildes in Abhängigkeit eines oder einer aus dem aufgenommenen Bild identifizierten a) Reflektionsgrades der Auftrefffläche (15) und/oder b) Dimension der Auftrefffläche (15) und/oder c) Farbspektrums der Auftrefffläche (15) und/oder d) Temperatur der Auftrefffläche (15).