DE102021203823A1 - Drohne mit flugrichtungsabhängiger Sensorausrichtung für autonome Drohneneinsätze und Verfahren zur Kollisionsvermeidung - Google Patents

Drohne mit flugrichtungsabhängiger Sensorausrichtung für autonome Drohneneinsätze und Verfahren zur Kollisionsvermeidung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drohne (200', 200''), zumindest aufweisend einen Rumpf (80), Motoren oder Antriebsmittel (40) in und an dem Rumpf (80), die die Drohne (200', 200'') fliegen lassen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Drohne (200', 200'') zwei Sensoren (13', 13''), insbesondere nur zwei Sensoren (13', 13''), zur Steuerung, insbesondere zur Kollisionsvermeidung, aufweist, wobei die Sensoren (13', 13") jeweils auf einem Servo (90', 90'') montiert sind sowie eine Kamera (50).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drohne mit einer speziellen Montage der Sensoren und Verfahren.
  • Für den autonomen Flug von Inspektionsdrohnen, wie sie vermehrt in beengten Räumen und Rohrleitungen von Anlagen oder im Kraftwerksservice verwendet werden soll, ist es notwendig, Hindernisse rechtzeitig zu erkennen und zu umfliegen.
  • Standardsensoren, die hierfür in Frage kommen, sind beispielsweise Lidar, Radar, Infrarot, Ultraschall, etc.
  • Diese Sensoren haben alle einen eingeschränkten Wirkbereich, sowohl ihren Arbeitswinkel als auch den Arbeitsabstand betreffend. Eine Drohne damit komplett mit vollständiger Abstands-Sensorik auszustatten, benötigt eine sehr hohe Anzahl von Einzelsensoren, da diese eine geschlossene Kugel mit unterschiedlichen Abstandsbereichen abdecken müssen.
  • Dies führt zu drei grundlegenden Problemen:
    • - Das Abfluggewicht nimmt deutlich zu, was Leistung und Flugzeit limitieren.
    • - Die Sensoren können übersprechen, d.h. das gesendete Signal eines Sensors kann nach Mehrfachreflexion von einem weiteren erfasst und fälschlicherweise als Nutzsignal gewertet werden, was zu unkontrolliertem Verhalten der Drohne führt.
    • - Die Verarbeitung einer Vielzahl von Sensorsignalen - quasi in Echtzeit - bedarf einer hohen Rechenleistung an Bord. Diese Recheneinheit beeinflusst ebenfalls die Flugeigenschaften aufgrund ihres erhöhten Gewichts.
  • Für den Außenbereich gibt es GPS-basierte Drohnen, die mittels vorbestimmter Wegpunkte in Kombination mit Ultraschallsensoren und Barometer kontrolliert vorbestimmte Strecken abfliegen. Die Kollisionswahrscheinlichkeit ist ab einer bestimmten Höhe über Hindernissen gering. Daher wird von einer kompletten Erfassung der Umgebung abgesehen.
  • Für den Innenbereich gibt es bislang nur „kollisionsresistente“ Drohnen, die beispielsweise durch einen Käfig eine Kollision bei geringen Geschwindigkeiten zulassen.
  • Diese Drohnen müssen jedoch von speziell ausgebildeten Piloten betrieben werden und sind aufgrund der häufigen „gewollten“ Kollisionen recht wartungsintensiv.
  • Der Käfig ist schwer und verkürzt somit die mögliche Einsatzdauer erheblich.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Drohne gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen
    • 1 eine Drohne nach dem Stand der Technik,
    • 2 einen Servo für eine erfindungsgemäße Drohne und
    • 3, 4 erfindungsgemäße Drohnen.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Anstelle einer Vielzahl von Sensoren entlang eines gesamten Kugelumfangs 100 einer Drohne 1' nach dem Stand der Technik (1) zur Kollisionsvermeidung wie oben beschrieben zu verwenden, wird vorgeschlagen, nur zwei Sensoren 13', 13'' - insbesondere einen oberhalb und einen unterhalb eines Rumpfes 80 einer Drohne 200', 200'' zu verwenden (3).
  • Diese Sensoren 13, 13', 13'' werden erfindungsgemäß auf einem handelsüblichen Pan-Tilt Servo 90 (2) montiert, wie er üblicherweise für die Bildstabilisierung von Kameras verwendet wird.
  • Dieser Pan-Tilt Servo 90 kann bei Verwendung von handelsüblichen Mikro-Servos äußerst leicht ausgeführt werden.
  • Als Sensor kann jeder Sensor zur Erfassung von Abständen verwendet werden, also insbesondere Lidar, Radar, Infrarot oder Ultraschall.
  • Dies hat folgende Vorteile:
    • • Dieser Aufbau ermöglicht das Richten eines Sensors 13 frei entlang einer Halbkugel.
    • • Die Soll-Flugrichtung der Drohne 200', 200'' ist jederzeit bekannt, sie ergibt sich aus der Kombination der Steuerachsen Pitch, Roll, Gier, Yaw und Throttle. Aus diesen vier Steuerachsen kann leicht der resultierende Bewegungsvektor errechnet werden. Das ist zumindest bei geringen Geschwindigkeiten der Fall, da Flugdynamik und Windwiderstand eine untergeordnete Rolle spielen. Eine Inspektionsdrohne bewegt sich üblicherweise mit Schrittgeschwindigkeit.
    • • Der Soll-Bewegungsvektor wird von der Pan-Tilt Mechanik umgehend eingenommen und richtet damit einen der beiden Abstandssensoren der Drohne auf den künftig erflogenen Bereich. Bei positivem Throttle-Input (Steigflug) ist nur der obere Sensor aktiv, bei Sinkflug nur der Untere. Damit wird jedes Übersprechen der Sensoren 13 ausgeschlossen.
    • • Aus der Kombination der beiden erfassbaren 180° Halbkugeln ist es nun möglich mit nur zwei Sensoren das gesamte Umfeld der Drohne 200', 200'' zu überwachen. Dies ist zwar zu jedem Moment nur für eine Richtung zutreffend, jedoch ist diese Richtung jeweils die einzig Relevante, da die Drohne 200', 200'' sich dorthin zu bewegen versucht.
    • • Bei Erkennen eines Hindernisses entlang der projizierten Bahn wird automatisch auf die geplante Route Einfluss genommen und alternative Wege gesucht. Diese Art der Hindernisplanung kann bereits durch leichte Mikrokontroller erfolgen, was nur unwesentlich auf das Abfluggewicht Einfluss hat.
  • 2 zeigt einen Servo 90 gemäß Pan-Tilt-Mechanik. Dieser Servo 90 weist einen Sockel 4 auf.
    Der Sockel 4 kann auf jedem Körper oder Rumpf 80 befestigt werden.

    An den Sockel 4 schließt sich ein erstes Gelenk 7 an, das einen ersten Drehkörper 9 um eine Längsachse 11 drehen und verkippen kann. An diesem ersten Drehkörper 9 ist ein zweites Gelenk oder Achse 10 vorhanden. Durch das zweite Gelenk oder Achse 10 in Form einer Achse wird insbesondere ein Bügel 12 bewegt. Der Bügel 12 ist hier insbesondere U-förmig ausgebildet. An oder auf dem U-Boden des Bügel 12 ist ein Sensor 13 vorhanden.
  • Erfindungsgemäß werden zwei solcher Servos 90 verwendet zur Steuerung der Drohne 200', 200''.
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße Drohne 200'. Die Drohne 200' weist einen Rumpf 80 auf mit an sich bekannten Propellern 40 oder Antriebsmittel 40 und in bekannter und notwendiger Anzahl, insbesondere 4 Propeller. Die Form des Rumpfes 80 ist nur schematisch dargestellt. Die Anordnung der Antriebsmittel ist hier nur schematisch dargestellt, d.h. sie könne auf der Unterseite 82 oder auf Höhe des Rumpfes 80, an der Seitenflächen 83, 84, ... angeordnet sein.
  • Auf der Oberseite 81 und auf der Unterseite 82 des Rumpfs 80 sind jeweils ein Servo 90', 90'' gemäß 2 angeordnet, die jeweils einen Sensor 13', 13'' aufweisen.
  • 4 zeigt eine andere Drohne 200'' ausgehend von 3, bei der die Servos 90', 90'' an den Seitenflächen 83, 84 des Rumpfes 80 angeordnet sind.
  • Eine Kamera 50 ist auf beiden Drohnen 200', 200'' auf der Oberseite 81 und/oder Unterseite 82 vorhanden.
  • Die erwähnte Vielzahl von Abstands-Sensorik hat bislang ein autonomes Befliegen in beengten und geschlossenen Räumen nicht erlaubt. Mit der dargestellten Erfindung werden sowohl Sensor- als auch Rechenaufwand erheblich verringert.

Claims (3)

  1. Drohne (200', 200''), zumindest aufweisend einen Rumpf (80), Motoren oder Antriebsmittel (40) in und an dem Rumpf (80), die die Drohne (200', 200'') fliegen lassen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Drohne (200', 200'') zwei Sensoren (13', 13''), insbesondere nur zwei Sensoren (13', 13''), zur Steuerung, insbesondere zur Kollisionsvermeidung, aufweist, wobei die Sensoren (13', 13") jeweils auf einem Servo (90', 90'') montiert sind sowie zumindest eine Kamera (50), insbesondere nur eine Kamera (50).
  2. Verfahren zur Kollisionsvermeidung einer Drohne (200', 200''), bei dem die Drohne (200', 200'') gemäß Anspruch 1 verwendet wird, und bei dem aus der Kombination der beiden erfassbaren 180° Halbkugeln der zwei Sensoren (13', 13'') das gesamte Umfeld der Drohne (200', 200'') erfasst werden kann.
  3. Drohne nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Servo (90', 90'') eine Pant-Tilt Mechanik aufweist.
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