DE102020210449A1

DE102020210449A1 - Verwendung einer Luft-Wasser Drohne zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts unter Wasser

Info

Publication number: DE102020210449A1
Application number: DE102020210449.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Lehmann
Original assignee: ThyssenKrupp AG; Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-02-24
Also published as: EP4200202A1; WO2022038005A1

Abstract

Es ist die Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts (24) unter Wasser (32) offenbart. Die Luft-Wasser Drohne überfliegt ein Gebiet, in dem das Objekt (24) vermutet wird, mit der Luft-Wasser Drohne (20) um eine Position des Objekts (24) mittels eines Sensors (22) zu lokalisieren. Ferner umfasst die Verwendung das Eintauchen zumindest des Sensors (22) oder eines weiteren, insbesondere gleichartigen, Sensors der Luft-Wasser Drohne (20) in das Wasser (32) an der lokalisierten Position um das Objekt (24) zu identifizieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Auffinden von Objekten, insbesondere Minen, in flachem Wasser, d.h. bis zu einer Wassertiefe von maximal 5 Metern.
In flachen Gewässerregionen ist es derzeit schwierig, Objekte, beispielsweise Minen, aufzufinden. Schiffe können diese Gewässerregionen wegen des Tiefgangs nicht erreichen. Ferner ist der Einsatz von beispielsweise Schlauchbooten mit geringem Tiefgang zu gefährlich, falls die Mine explodiert. Unbemannte Wasserfahrzeuge wie AUVs (autonomes Unterwasserfahrzeug) oder ROVs (ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug) können solche flachen Gewässerregionen ebenfalls nicht erreichen, ohne Gefahr zu laufen, auf Grund zu laufen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept zum Auffinden von Objekten im Wasser zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen die Verwendung einer Luft-Wasser Drohne zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts unter Wasser. Luft-Wasser Drohnen sind bekannt. Diese können wie eine Drohne fliegen, jedoch auch auf dem Wasser landen und optional auch in das Wasser eintauchen. Die Luft-Wasser Drohne überfliegt nunmehr ein Gebiet, in dem das Objekt vermutet wird, um eine Position des Objekts mittels eines Sensors zu lokalisieren. Der Sensor ist z.B. eine Kamera oder ein Laserscanner. Ein Verfahren zum Lokalisieren eines Objekts im Wasser mittels einer das Objekt überfliegenden Kamera ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2019 214 139.0 offenbart, deren Inhalt hiermit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird.
Nachdem das Objekt lokalisiert ist, wird der Sensor oder ein weiterer Sensor der Luft-Wasser Drohne in das Wasser an der lokalisierten Position eingetaucht, um das Objekt zu identifizieren. Wird der weitere Sensor verwendet, ist dieser beispielsweise gleichartig zu dem Sensor, mit dem das Objekt lokalisiert wird. So kann es sich bei beiden Sensoren um eine Kamera handeln, wobei die Kamera des weiteren Sensors für Unterwasseraufnahmen optimiert ist und somit beispielsweise keine Farbbilder sondern Graustufenbilder ausgibt oder eine ToF-Kamera (time of flight, dt.: Laufzeitkamera) umfasst, während die Kamera des Sensors z.B. eine spektral auflösende Kamera umfasst (vgl. vorgenannte deutsche Patentanmeldung). Das Eintauchen des Sensors oder des weiteren Sensors zum Identifizieren des Objekts kann mittels Landen der Drohne auf dem Wasser erfolgen, mittels Untertauchen der Drohne in das Wasser oder mittels Herablassen des verwendeten Sensors beispielsweise an einem Seil. Das Untertauchen der gesamten Drohne hat den Vorteil, dass die Drohne nicht mehr dem Wellengang ausgesetzt ist und die Gefahr von ungenauen Sensordaten, beispielsweise verwackelten Kamerabildern, verringert wird. Dies erhöht die Qualität der Sensordaten.
Idee ist es, zunächst aus der Luft das Objekt zu lokalisieren. Hierzu nimmt die Drohne Bilddaten (eine Abfolge von Fotos bzw. ein Video) von einer Gewässerregion auf. Hierzu kann das vorbeschriebene referenzierte Verfahren verwendet werden. In der Drohne oder einer Basisstation können die Bilddaten automatisch (d.h. z.B. unter Verwendung eines Mustererkennungsalgorithmus) oder manuell (d.h. von einem Menschen) analysiert bzw. ausgewertet werden, um das Objekt zu lokalisieren. D.h., das Objekt wird erkannt und die Position des Objekts ermittelt. Diese Bilddaten können jedoch nicht ausreichend sein, um das Objekt eindeutig zu identifizieren. So kann der Sensor zum Lokalisieren nicht gleichzeitig für Aufnahmen in Luft und in Wasser optimiert sein. Weiterhin können Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, d.h. an dem Übergang von einem Medium in das andere Medium, auftreten. Zur eindeutigen Identifikation kann der Sensor oder ein weiterer, für Unterwasseraufnahmen optimierter Sensor, in das Wasser eingetaucht werden, um weitere Bilddaten von dem Objekt zu erstellen. Diese weiteren Bilddaten von dem Objekt weisen dann typischerweise eine bessere Qualität auf, als die Bilddaten, die beim Überfliegen des Objekts aufgezeichnet worden sind. Anhand der weiteren Bilddaten kann dann (wieder automatisch oder manuell) entschieden werden, ob es sich bei dem mutmaßlichen Objekt auch tatsächlich um das Objekt handelt (positive Identifikation), also beispielsweise ob tatsächlich eine Mine aufgefunden worden ist.
In Ausführungsbeispielen kann die Luft-Wasser Drohne ferner in das Wasser eintauchen, wenn das Objekt positiv identifiziert worden ist, um eine Sprengladung an dem Objekt anzubringen. Die Sprengladung kann fest mit der Drohne verbunden sein, so dass die Drohne bei der Detonation mit der Sprengladung zerstört wird. Alternativ kann die Sprengladung auch lösbar mit der Drohne verbunden sein, so dass die Drohne sich von der Mine entfernen kann, bevor die Sprengladung zerstört wird. Die Drohne kann mittels eines Kabels mit der Sprengladung verbunden sein oder die Sprengladung kann nach der Aktivierung durch einen Zeitzünder ausgelöst werden. (Die Sprengladung kann auch eine Funkboje mit sich führen, die ausgelöst wird. Dann wird die Ladung per Funk direkt ausgelöst)
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Sensor zum Lokalisieren, der (weitere) Sensor zum Identifizieren oder ein zweiter weiterer Sensor verwendet werden, um zu überprüfen, ob die Sprengladung korrekt an dem Objekt angebracht worden ist. Hierzu kann der entsprechende Sensor beispielsweise wieder Bilddaten aufnehmen, die (automatisch oder manuell) ausgewertet werden. Somit kann überprüft werden, ob die Sprengladung sicher gezündet werden kann. Dies kann ausgeführt werden, wenn sich die Drohne noch unter Wasser befindet.
In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Drohne ein Unterwasserkommunikationsmittel auf, um während des Tauchens, d.h. insbesondere während oder nach dem Anbringen der Sprengladung an dem Objekt, mit einer Basisstation kommunizieren zu können. Das Kommunikationsmittel ist z.B. ein Draht, der die Drohne permanent mit der Basisstation verbindet. Alternativ kann die Drohne auch eine Schwimmboje aufweisen, die derart an der Drohne befestigt ist, dass die Schwimmboje auf dem Wasser schwimmt während die Drohne taucht. An der Schwimmboje ist z.B. eine Antenne angeordnet, die ausgebildet ist, eine drahtlose Verbindung mit einer Basisstation aufzubauen und eine Kommunikation zwischen der Luft-Wasser Drohne und der Basisstation zu ermöglichen. Die Antenne ist ferner z.B. mittels eines Kabels mit der Drohne verbunden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel offenbart, dass die Drohne mittels des Unterwasserkommunikationsmittels Sensordaten desjenigen Sensors, mittels dessen überprüft wird, ob die Sprengladung korrekt an dem Objekt angebracht worden ist, an die Basisstation zu sendet.
Ferner zeigt ein Ausführungsbeispiel, dass die Luft-Wasser Drohne ausgebildet ist, einen Zündbefehl von einer Basisstation zu erhalten und in Abhängigkeit des Zündbefehls die Sprengladung zu zünden. Hierzu zündet die Drohne die Sprengladung oder leitet den Zündbefehl an die Sprengladung weiter.
Somit ist es möglich, der Dohne nach dem Anbringen der Sprengladung auch unter Wasser einen Zündbefehl zu senden. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Sprengladung nicht lösbar mit der Drohne verbunden ist, d.h. wenn die Drohne durch die Zündung der Sprengladung mit zerstört wird. Ferner können die Informationen (z.B. Bilddaten) zur Überprüfung, ob die Sprengladung korrekt angebracht ist, bereits an die Basisstation gesendet werden, wenn sich die Drohne noch unter Wasser befindet.
Als Basisstation kann ein Wasserfahrzeug oder eine andere Plattform auf dem Wasser oder an Land verwendet werden. Von dort kann die Drohne auch gestartet werden. Vorteilhafterweise kann ein unbemanntes Schiff als Basisstation verwendet werden. Dann kann die Operation vollständig autonom ausgeführt werden. Das Schiff fährt in ein vorgegebenes Zielgebiet, die Drohne sucht automatisch das Zielgebiet nach dem Objekt, insbesondere Minen, ab, lokalisiert und identifiziert diese automatisch. Optional kann die Drohne dann auch automatisch die Sprengladung an dem Objekt befestigen. Weiter optional kann die Sprengladung danach auch automatisch gezündet werden, derzeit wird es jedoch bevorzugt, wenn der Zündbefehl noch manuell durch einen Operator erteilt wird. Der Operator kann den Zündbefehl beispielsweise von einer Operationszentrale an die Basisstation senden, die den Zündbefehl automatisch an die Drohne weiterleitet. Die Basisstation fungiert dann als Relais für den Zündbefehl.
Ferner ist ein Verfahren zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts unter Wasser offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte: Überfliegen eines Gebiets, in dem das Objekt vermutet wird, um eine Position des Objekts mittels einer Kamera zu lokalisieren; Eintauchen der Kamera oder einer weiteren Kamera in das Wasser an der lokalisierten Position, um das Objekt zu identifizieren.
Weiter ist eine Luft-Wasser Drohne zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts unter Wasser offenbart. Die Drohne weist einen Sensor, optional einen weiteren Sensor und eine Schwimmboje auf. Mittels des Sensors, insbesondere einer Kamera, kann das Objekt aus der Luft lokalisiert werden. Der Sensor oder der weitere, insbesondere gleichartige, Sensor ist ausgebildet, unter Wasser das Objekt zu Identifizieren. Die Schwimmboje schwimmt beim Untertauchen der Luft-Wasser Drohne auf der Wasseroberfläche und stellt eine Datenverbindung mit der Luft-Wasser Drohne her. Ferner weist die Schwimmboje eine Antenne auf, die ausgebildet ist, eine drahtlose Verbindung mit einer Basisstation aufzubauen und eine Kommunikation zwischen der Luft-Wasser Drohne und der Basisstation (über die Datenverbindung und die drahtlose Verbindung) zu ermöglichen. Eine derartige Drohne kann auch unter Wasser Daten wie z.B. einen Zündbefehl für eine Sprengladung empfangen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer Luft-Wasser Drohne mit einer Schwimmboje.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Luft-Wasser Drohne 20. Die Drohne 20 weist einen Sensor 22 auf, mit dem die Drohne 20 ein Objekt unter Wasser detektieren kann. Der Sensor 22 ist beispielsweise eine Kamera, mit der die Drohne aus der Luft und im Wasser das Objekt 24 detektieren kann. Vorteilhafterweise werden jedoch zwei Sensoren an der Drohne 20 angeordnet, um den unterschiedlichen Anforderungen zur Detektion des Objekts aus der Luft und im Wasser gerecht zu werden. So kann eine erste Kamera oder ein Laserscanner an der Drohne angeordnet sein, um das Objekt 24 aus der Luft aufzunehmen. Eine zweite, von der ersten Kamera verschiedene Kamera, kann für Aufnahmen von dem Objekt unter Wasser optimiert sein. Als (weiterer) Sensor um das Objekt 24 zu identifizieren, kann aber z.B. auch ein Metalldetektor oder ein (Raman-) Spektroskop verwendet werden. Mit dem Metalldetektor kann ein metallisches Objekt identifiziert werden, also wenn es sich z.B. um eine Mine handelt. Mittels des (Raman-) Spektroskops kann eine chemische Analyse z.B. nach Restmengen von Sprengstoff durchgeführt werden. Auch andere Verfahren zur Detektion des Sprengstoffs sind denkbar. Auch dies ist vorteilhaft für die Detektion von Minen.
Die Luft-Wasser Drohne 20 weist ferner einer Schwimmboje 26 auf. Die Schwimmboje 26 umfasst ferner eine Antenne 28. Die Antenne 28 ist, insbesondere mit einem Kabel 30, (elektrisch und mechanisch) mit der Drohne 20 verbunden. Mittels des Kabels 30 wird eine Datenverbindung zwischen Antenne und der Drohne hergestellt. Die Drohne 20 kann einen Aufrollmechanismus (nicht gezeigt) aufweisen, der das Kabel 30 automatisch aufrollt. Die Kraft, die der Aufrollmechanismus zum Aufrollen des Kabels 30 ausübt ist jedoch kleiner gewählt als die Auftriebskraft der Schwimmboje 26 wenn die Drohne 20 in das Wasser 32 eintaucht. In anderen Worten rollt sich das Kabel 30 automatisch ab, wenn die Drohne 20 abtaucht und wieder auf, wenn die Drohne 20 wieder auftaucht. Somit schwimmt die Schwimmboje 26 immer an der Wasseroberfläche. Statt mit der Schwimmboje 26 kann das Kabel 30 (auch als Draht bezeichnet) direkt mit der Basisstation 36 verbunden sein. In diesem Fall weist die Basisstation 36 vorteilhafterweise den Aufrollmechanismus auf, da diese größer ist als die Drohne und somit besser größere Kabellängen handhaben kann. In diesem Fall besteht eine dauerhafte kabelgebundene Verbindung zwischen Basisstation 36 und Drohne 20.
Mittels der Antenne 28 kann nun eine drahtlose Verbindung 34 mit einer Basisstation 36 hergestellt werden. Die Basisstation 36 ist hier als Schiff dargestellt. Um die Kommunikation 34 aufzubauen weist auch die Basisstation eine entsprechende Antenne 38 auf. Die empfangenen Kommunikationsdaten können von der Antenne 28 mittels des Kabels 30 zu einer Recheneinheit (nicht gezeigt) der Drohne geleitet werden. Andersherum können die Daten von der Recheneinheit über das Kabel 30 und die Antenne 28 zu der Basisstation 36 gesendet werden. Somit können z.B. Bilddaten bzw. Sensordaten, die der Sensor 22 (oder weitere Sensoren) aufnehmen, an die Basisstation 36 gesendet werden. Andersherum können z.B. Navigationsanweisungen oder ein Zündbefehl zum Zünden einer Sprengladung von der Basisstation 36 zu der Drohne 20 gesendet werden. Mit der gezeigten Luft-Wasser Drohne ist somit auch eine Kommunikation mit der Basisstation möglich, wenn sich die Luft-Wasser Drohne unter Wasser befindet. Dies ist insbesondere relevant, wenn sich die Luft-Wasser Drohne 20 mit einer Sprengladung an Bord an einer Mine befestigt und die Sprengladung ferngesteuert gezündet werden soll, um die Mine zur Detonation zu bringen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste

20: Luft-Wasser Drohne
22: Sensor
24: Objekt
26: Schwimmboje
28: Antenne
30: Kabel
32: Wasser
34: Kommunikationsverbindung
36: Basisstation
38: Antenne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019214139 [0005]

Claims

Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts (24) unter Wasser (32) mit folgenden Schritten: Überfliegen eines Gebiets, in dem das Objekt (24) vermutet wird, mit der Luft-Wasser Drohne (20) um eine Position des Objekts (24) mittels eines Sensors (22) zu lokalisieren; Eintauchen zumindest des Sensors (22) oder eines weiteren, insbesondere gleichartigen, Sensors der Luft-Wasser Drohne (20) in das Wasser (32) an der lokalisierten Position um das Objekt (24) zu identifizieren.
Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) gemäß Anspruch 1, mit Eintauchen der Luft-Wasser-Drohne (20) in das Wasser (32), wenn das Objekt (24) positiv identifiziert worden ist, um eine Sprengladung an dem Objekt (24) anzubringen.
Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit Verwenden des Sensors oder des weiteren Sensors oder eines zweiten weiteren Sensors um zu überprüfen, ob die Sprengladung korrekt an dem Objekt (24) angebracht worden ist.
Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Luft-Wasser Drohne (20) ein Unterwasserkommunikationsmittel umfasst, insbesondere eine Schwimmboje (26) oder einen Draht, das ausgebildet ist, während des Tauchens mit der Basisstation (36) zu kommunizieren.
Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) gemäß Anspruch 3 und 4, wobei die Luft-Wasser Drohne (20) ausgebildet ist, mittels des Unterwasserkommunikationsmittels Sensordaten desjenigen Sensors, mittels dessen überprüft wird, ob die Sprengladung korrekt an dem Objekt (24) angebracht worden ist, an die Basisstation (36) zu senden
Verwendung einer Luft-Wasser Drohne (20) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Luft-Wasser Drohne (20) ausgebildet ist, einen Zündbefehl von einer Basisstation (36) zu erhalten und in Abhängigkeit des Zündbefehls die Sprengladung zu zünden.
Verfahren zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts (24) unter Wasser mit folgenden Schritten: Überfliegen eines Gebiets, in dem das Objekt (24) vermutet wird, um eine Position des Objekts (24) mittels einer Kamera zu lokalisieren; Eintauchen der Kamera oder einer weiteren Kamera in das Wasser an der lokalisierten Position, um das Objekt (24) zu identifizieren.
Luft-Wasser Drohne (20) zum Lokalisieren und Identifizieren eines Objekts (24) unter Wasser mit folgenden Merkmalen: einem Sensor, insbesondere einer Kamera, zum Lokalisieren des Objekts (24) aus der Luft; wobei der Sensor (22) oder ein weiterer, insbesondere gleichartiger, Sensor (22) ausgebildet ist, unter Wasser das Objekt (24) zu Identifizieren; und einer Schwimmboje, die beim Untertauchen der Luft-Wasser Drohne (20) auf der Wasseroberfläche schwimmt und eine Datenverbindung mit der Luft-Wasser Drohne (20) herstellt, wobei die Schwimmboje (26) eine Antenne (28) aufweist, die ausgebildet ist, eine drahtlose Verbindung (34) mit einer Basisstation (36) aufzubauen und eine Kommunikation zwischen der Luft-Wasser Drohne (20) und der Basisstation (36) zu ermöglichen.