DE202008015324U1 - Small aircraft with camera - Google Patents

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Abstract

Kleinfluggerät (1), ausgerüstet mit einer Kamera (2), dadurch gekennzeichnet, dass
– ein Messsystem (2, 7) seinen relativen Abstand zu einem Objekt (3) misst, auf welches das Messgerät so ausgerichtet werden kann, dass es eine auswertbare Information über das Objekt (3) zurückgibt, welches gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitabstand abgebildet und nach seinem Abstand gemessen wird.Small aircraft (1) equipped with a camera (2), characterized in that
- A measuring system (2, 7) measures its relative distance to an object (3) to which the meter can be aligned so that it returns an evaluable information on the object (3), which is displayed simultaneously or in a short time interval and measured according to its distance.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Anmeldung mit der Nummer FR 2893086 zeigt Vorrichtungen für ein Kleinfluggerät, in diesem Fall ein Mini-Hubschrauber. Solche fliegenden Kleinplattformen, bekannt auch unter der Bezeichnung Mini- oder Mikrodrohnen, werden vorzugsweise verwendet, um optische Geräte insbesondere Analogkameras über eine aufzunehmende Zielfläche zur Bildaufnahme zu tragen. Zum Teil navigieren solche Flugplattformen autonom durch die Beobachtung von GPS-Daten zu den Bildaufnahmepunkten. Diese Navigation bewegt sich in den bekannten Toleranzen des gegenwärtig verfügbaren GPS und kann selbst bei Verwendung von Differential-GPS höchstens in einem Genauigkeitsrahmen von +–30 cm gehalten werden. Nicht selten fehlt die GPS-Abdeckung. Dann kann kein genauer Abstand automatisch eingehalten werden. In diesem Fall wird das Kleinfluggerät manuell von einer Bodenstation aus wegen der schwer zu kompensierenden Flugunruhe in groben Abständen gesteuert. Im kupierten Gelände mit nicht vermessenen Höhenwerten oder bei Gebäuden mit nicht vermessener Außenkontur kann der Vergleich mit der aktuellen GPS-Position des Flugzeugs keine Auskunft über seinen Abstand zum gesuchten Objekt liefern. Meistens wird aus solchen Kleinfluggeräten in Höhen zwischen 30 bis 1000 m über Grund fotografiert.The registration with the number FR 2893086 shows devices for a small aircraft, in this case a mini-helicopter. Such small flying platforms, also known under the name of mini or micro drones, are preferably used to carry optical devices, in particular analog cameras, over a target area to be recorded for image acquisition. In part, such flight platforms navigate autonomously by observing GPS data to the image capture points. This navigation moves within the known tolerances of the currently available GPS and can be kept within a precision range of + -30 cm even when differential GPS is used. Not infrequently, the GPS coverage is missing. Then no exact distance can be automatically maintained. In this case, the small aircraft is controlled manually from a ground station because of the difficult to compensate for flight unrest in rough intervals. In the cropled terrain with non-measured altitude values or buildings with non-measured outer contour, the comparison with the current GPS position of the aircraft can not provide information about its distance to the searched object. Mostly, such small aircraft are photographed at heights between 30 and 1000 m above ground.

Die Erfindung hier verfolgt die Aufgabe, die Bildaufnahmeposition besonders präzis anzusteuern und vom Zielobjekt einen genau definierten Abstand von wenigen Meter oder sogar Zentimetern einzuhalten. Diese präzise Annäherung an die Oberfläche von landwirtschaftlichen Feldern ist notwendig im Pflanzenschutz bei der Detektierung von früh auflaufenden Schadkräutern mit weniger als 1 mm Durchmesser. Aber auch Industrieeinsätze, z. B. die Überwachung von Pipeline-Schweißnähten oder Überlandstromleitungen verlangen die Einhaltung eines genauen dichten Abstands vom anvisierten Objekt. Diese genaue Positionierung vor oder über der Zielfläche ist notwendig, um präzise Bildaufnahmen zu erzeugen, aber auch um das Fluggerät vor Kollisionen zu schützen.The Invention here pursues the task of the image pickup position especially to precisely control and from the target object a well-defined Distance of a few meters or even centimeters. These precise approach to the surface of Agricultural fields is necessary in crop protection the detection of early emergence weeds less than 1 mm in diameter. But also industrial uses, z. For example, monitoring pipeline welds or overhead power lines require compliance with an accurate dense distance from the targeted object. This exact positioning in front of or above the target area is necessary to to produce precise image recordings, but also to the aircraft to protect against collisions.

Die notwendige Abstandsmessung zur Konstruktion einer nachzusteuernden Abstandsfläche über oder um das Zielobjekt wird von der Anmeldung hier mit optischen Verfahren durchgeführt, entweder mit Laserwegzeitmessgeräten oder mit trigonometrisch rechnenden optischen Systemen, welche ebenfalls mit Laser oder mit Tageslicht arbeiten. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Matrixkamera, welche sich auf der fliegenden Plattform für die Erzeugung unterschiedlichster Informationen einsetzen lässt: um Bildmaterial für die anschließende Auswertung aufzunehmen, um einen reduzierten Videostream zur Visualisierung des überflogenen Panoramas an die Bodenstation zu senden und besonders für die hier angemeldete Abstandsmessung. Dabei können bekannte Abmessungen innerhalb des beobachteten Objekt ausgewertet werden, um den unbekannten Abstand von ihm zu errechnen. Beim bodennahen Abscannen landwirtschaftlicher Flächen ist der Abstand der Pflegespuren, der sogenannten Fahrgassenspuren im Feld unter dem Fluggerät bekannt. Daraus ergeben sich gem. Zeichnung 1 folgende Verhältnisse. Die fliegende Kleinplattform (1), beispielsweise eine Minidrohne als Quadrokokpter ausgebildet, kann annähernd über der Mittellinie dieser Doppelspur (4) fliegen. Der bekannte Abstand (5) der beiden Spurlinien unter ihr ist dann die bekannte Basisseite eines gleichschenkligen Dreiecks mit den gedachten Seitenlinien (9) und mit der Kamera (2) in Winkelscheitel gegenüber, dessen Höhe (6) auf dieser Basisseite in Zeichnung 1 (5) mit dem gesuchten Abstand (6) zusammenfällt und so errechnet werden kann. Dabei wird der bekannte wahre Abstand (5) der Doppelspuren verglichen mit dem seiner Abbildungslänge auf den Pixeln einer Matrixzeile in der Kamera. Aus diesem Vergleich und den trigonometrischen Beziehungen im geschilderte Dreiecksmodel wird der Höhenabstand (6) des Fluggerätes von der Bodenoberfläche unter ihm errechnet.The necessary distance measurement for constructing a distance surface to be tracked over or around the target object is carried out by the application here with optical methods, either with laser path time measuring devices or with trigonometrically calculating optical systems which likewise operate with laser or with daylight. Particularly advantageous is the use of a matrix camera, which can be used on the flying platform for generating a variety of information: to record images for the subsequent evaluation to send a reduced video stream for visualization of the flown panorama to the ground station and especially for those registered here distance measurement. In this case, known dimensions can be evaluated within the observed object to calculate the unknown distance from it. When scanning agricultural land near the ground, the distance between the care lanes, the so-called tram lanes in the field below the aircraft is known. This results in gem. Drawing 1 the following conditions. The flying small platform ( 1 ), for example a mini drone designed as Quadrokokpter, can approximately over the center line of this double track ( 4 ) fly. The known distance ( 5 ) of the two track lines below it is then the known base side of an isosceles triangle with the imaginary side lines ( 9 ) and with the camera ( 2 ) in an angle vertex whose height ( 6 ) on this base page in drawing 1 ( 5 ) with the required distance ( 6 ) and can be calculated in this way. The known true distance ( 5 ) of the double tracks compared to that of its image length on the pixels of a matrix line in the camera. From this comparison and the trigonometric relations in the described triangle model the height distance ( 6 ) of the aircraft calculated from the ground surface below it.

Die Regelsteuerung der Kleinflugpattform hat nach Stand der Technik eine Schnittstelle zur Eingabe des errechneten Bewegungsvektors bezogen auf die Raumachsen des Fluggerätes. Bei der Eineichung der Matrixkamera im Kleinflugzeug wird die relative Lage der definierten Flugachsen zur optischen Achse der Kameralinse als Input in den Kamerarechner eingegeben. In der Regel werden für präzises Navigieren sogenannte Quadrokopter verwendet. Das sind Minihubschrauber mit vier radialsymmetrisch angeordneten Luftschrauben, welche durch ihre unterschiedliche Leistungseinstellung den an die Navigationsschnittstelle als Sollvorschub übergebenen Bewegungsvektor in tatsächlichen Vorschub umsetzen. Der Bewegungsvektor ist die Verbindungslinie zwischen aktueller Flugposition und Sollwert-Abstandspunkt. Seine Richtung wird durch ein positives oder negatives Vorzeichen bestimmt, je nachdem ob der wahre Abstand zu groß oder zu klein ist im Vergleich zum Sollabstand. Zum Stand der Technik gehört auch eine dynamische Stabilisierung der Kleinflugflugzeuge mit Kreiseln und Beschleunigungssensoren nach dem gleichen Prinzip wie die Großflugzeuge. Die daraus resultierende ausreichende Flugruhe erlaubt ein präzise Navigation nach dem angegebenen Vorschubsollwert.The Control of the small flight platform has the state of the art an interface for entering the calculated motion vector relative to the spatial axes of the aircraft. At the Einichung the matrix camera in small aircraft is the relative position of the defined Flight axes to the optical axis of the camera lens as input in the Camera computer entered. In general, for precise navigation so-called quadrocopter used. These are mini helicopters with four radially symmetrically arranged propellers, which by their different power setting to the navigation interface as a nominal feed transferred motion vector in actual Implement feed. The motion vector is the connecting line between current flight position and setpoint distance point. His direction is determined by a positive or negative sign, depending if the true distance is too big or too small in comparison to the nominal distance. Belongs to the prior art also a dynamic stabilization of the small aircraft with gyros and acceleration sensors according to the same principle as the large aircraft. The resulting sufficient silence allows a precise Navigation after the specified feedrate setpoint.

Das dargestellt Szenario ist einfach aufgebaut, weil das Fluggerät wegen seiner geschilderten Eigenstabilisierung in der meisten Zeit seine Horizontal-Raumachsen parallel zur Bodenoberfläche hält, und weil die Gleichförmigkeit der regelmäßig geradlinigen Fahrgassenspuren ständig ein identisches Bild unter dem Fluggerät zeigt. Bei unregelmäßigen Aussehen des anvisierten Objektes verändert sich sein Bild in der Messkamera beim Anflug. Diese Veränderung muss beobachtet und in den Sollwert für den Vorschub des Fluggerätes eingerechnet werden.The scenario presented is simple in that the aircraft, because of its described self-stabilization, keeps its horizontal spatial axes parallel to the ground surface most of the time, and because the uniformity of the regularly rectilinear tramline tracks is always an identical image under the aircraft shows. With irregular appearance of the sighted object, his image changes in the measuring camera on approach. This change must be observed and included in the setpoint for the advance of the aircraft.

Zeichnung 1 zeigt eine fliegende Kleinplattform, konstruiert als Quadrokopter (1). Er trägt eine Matrixkamera mit ihrer Umgebung bestehend aus elektrischer Versorgung, Stabilisierung und Auswertungsrechner mit Kameraansteuerung (2). Diese rechnergesteuerte Kamera beobachtet eine Vegetation (3) mit einer Fahrgassendoppelspur (4) mit einem Abstand (5) von 1,56 m, wie vorherrschend, zwischen den Spurgleisen (4). Letztere sind in allen landwirtschaftlichen Pflanzenbeständen verbreitet. Auf diesen Spuren fährt die Maschine, welche den Bestand pflegt.Drawing 1 shows a flying small platform, designed as a quadrocopter ( 1 ). He wears a matrix camera with its environment consisting of electrical supply, stabilization and evaluation computer with camera control ( 2 ). This computer-controlled camera observes a vegetation ( 3 ) with a double lane ( 4 ) with a distance ( 5 ) of 1,56 m, as predominantly, between the tracks ( 4 ). The latter are common in all agricultural crops. The machine that manages the stock travels on these tracks.

Zeichnung 2 zeigt das gleiche Szenario wie Zeichnung 1. Allerdings wird hier der Abstand (8) mit einem Laser-Messgerät (7) als Laufzeit auf diesem Weg (8) gemessen.Drawing 2 shows the same scenario as drawing 1. However, the distance ( 8th ) with a laser measuring device ( 7 ) as running time in this way ( 8th ).

Als bekannte Strecken in auszuwertenden trigonometrischen Beziehungen können nicht nur bekannte feste Strecken im beobachteten Objekt gewählt werden sondern, der auch der bekannte Abstand zwischen zwei verschiedenen Beobachtungspunkten. Eine Figur oder mehrere Punkte im beobachteten Objekt bilden sich an diesen unterschiedlichen Beobachtungspunkten im optischen Sensor unterschiedlich ab. Der Abstand zwischen den verschiednen Messpunkten kann über ihre GPS-Koordinaten festgestellt werden. Aus dem bekannten Abstand zwischen den Beobachtungspunkten und den Differenzen zwischen den verschiedenen Beobachtungen und kann der Abstand von den beobachteten Objekten ebenfalls errechnet werden. Die Verhältnisse rechnen sich einfacher, wenn die verlängerte Verbindungslinie zwischen den verschiedenen Mess-Beobachtungs-Punkten durch die beobachtete Figur hindurch läuft.When Known routes in trigonometric relationships to be evaluated Not only known fixed routes can be observed Object to be selected but, which is also the known distance between two different observation points. A figure or several points in the observed object are formed by these different ones Observation points in the optical sensor different. Of the Distance between the different measuring points can be over their GPS coordinates are determined. From the known distance between the observation points and the differences between the different observations and can be the distance from the observed objects also be calculated. The circumstances pay off easier if the extended connecting line between through the observed observation points Figure runs through it.

Zeichnung 3 zeigt die Zerlegung der als Schemablock in Zeichnung 1 dargestellten Kamera (2). Sie besteht aus einer Pixel-, vorzugsweise einer Matrixkamera (10), welche auf einer fliegenden Plattform (1) montiert und über ein FireWire-Schnittstellenkabel (11) nach IEEE-1394 verbunden ist mit einem Windows CE board (12), ebenfalls auf der Plattform (1) montiert. Der Rechner auf dem CE-board (12) bearbeitet den Pixel-Datenstrom aus der Kamera (10) und sendet unterschiedlich ausgewertete Daten an verschiedene Abonnenten, nämlich als Bilder auf einen Silikonspeicher (13), gebildet aus einer Batterie von SDMMC-Karten, als aktuelle Höhenmesswerte über eine serielle Schnittstelle (14) an den Rechner der Flugsteuerung (15) und als Funk-Videostream (18) aus einer Transmitterbaugruppe (17) auf dem CE-board (12) an eine Receiverbaugruppe (19) auf einer Bodenstation (20)Drawing 3 shows the decomposition of the camera shown as a schematic block in drawing 1 ( 2 ). It consists of a pixel, preferably a matrix camera ( 10 ), which are on a flying platform ( 1 ) and via a FireWire interface cable ( 11 ) to IEEE-1394 is connected to a Windows CE board ( 12 ), also on the platform ( 1 ) assembled. The computer on the CE board ( 12 ) processes the pixel data stream from the camera ( 10 ) and sends differently evaluated data to different subscribers, namely as images to a silicon memory ( 13 ), formed from a battery of SDMMC cards, as current height readings via a serial interface ( 14 ) to the computer of the flight control ( 15 ) and as a wireless video stream ( 18 ) from a transmitter assembly ( 17 ) on the CE board ( 12 ) to a receiver module ( 19 ) on a ground station ( 20 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - FR 2893086 [0001] FR 2893086 [0001]

Claims (8)

Kleinfluggerät (1), ausgerüstet mit einer Kamera (2), dadurch gekennzeichnet, dass – ein Messsystem (2, 7) seinen relativen Abstand zu einem Objekt (3) misst, auf welches das Messgerät so ausgerichtet werden kann, dass es eine auswertbare Information über das Objekt (3) zurückgibt, welches gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitabstand abgebildet und nach seinem Abstand gemessen wird.Small aircraft ( 1 ), equipped with a camera ( 2 ), characterized in that - a measuring system ( 2 . 7 ) its relative distance to an object ( 3 ) to which the meter can be oriented so that it can provide evaluable information about the object ( 3 ), which is imaged simultaneously or in a short time interval and measured according to its distance. Anspruch nach 1.) dadurch gekennzeichnet, dass – das Messsystem (2, 7) optisch arbeitet und in einer eingeeichten Winkelstellung zu den Raumachsen des Fluggerätes steht, damit sein gemessener Abstandsvektor zum angepeilten Objekt (3) in einen definierten Flugvorschubvektor bezogen auf diese Raumachsen und der aktuellen Flugposition umgerechnet werden kann.Claim according to 1), characterized in that - the measuring system ( 2 . 7 ) works optically and is in a calibrated angular position to the spatial axes of the aircraft, so that its measured distance vector to the targeted object ( 3 ) can be converted into a defined flight advance vector in relation to these spatial axes and the current flight position. Anspruch nach 2.) dadurch gekennzeichnet, dass – das optische Messsystem als Laser-Weg-Zeit-Messung (7) arbeitetClaim according to 2), characterized in that - the optical measuring system as a laser path-time measurement ( 7 ) is working Anspruch nach 2.) dadurch gekennzeichnet, dass – das optische Messsystem aus einem optischen Beobachtungssystem (2) mit einer in Pixeln abgreifbaren Abbildungsstruktur, vorzugsweise einer Matrixkamera (10), mit Rechnerauswertung (12) bestehtClaim according to 2), characterized in that - the optical measuring system consists of an optical observation system ( 2 ) with an image structure which can be tapped in pixels, preferably a matrix camera ( 10 ), with computer evaluation ( 12 ) consists Anspruch nach 4.) dadurch gekennzeichnet, dass – die Matrixkamera (10) bekannte Maße im Zielobjekt (5) beobachtet und der Kamerarechner (12) aus dem Vergleich bekannter wahrer Längen (5) und ihren Abbildungen auf den Kamerapixeln trigonometrisch den Abstand (6) der Kameraplattform zum beobachteten Objekt (3) berechnet.Claim according to 4), characterized in that - the matrix camera ( 10 ) known dimensions in the target object ( 5 ) and the camera computer ( 12 ) from the comparison of known true lengths ( 5 ) and their mappings on the camera pixels trigonometrically the distance ( 6 ) of the camera platform to the observed object ( 3 ). Anspruch nach 5.) dadurch gekennzeichnet, dass – die Matrixkamera gleiche Objekte aus zwei verschiedenen Punkten mit bekannten GPS-Koordinatenabstand betrachtet und die Betrachtungsunterschiede der Kamera trigonometrisch in den Abstand der Kameraplattform von den Betrachtungsobjekten auf der Basis des bekannten Betrachtungnspunktabstandes umrechnet.Claim according to 5), characterized in that - the Matrix camera same objects from two different points with considered GPS coordinate distance and the viewing differences the camera trigonometrically in the distance of the camera platform of the viewing objects based on the known viewing point distance converts. Anspruch nach 2–8.) dadurch gekennzeichnet, dass – Der errechnete Sollvektor für die Flugnavigation als Vorschubvorgabe an die Antriebssteuerung (15) des Fluggerätes übergeben wird.Claim according to 2-8.), Characterized in that - The calculated desired vector for the air navigation as Vorschubvorgabe to the drive control ( 15 ) of the aircraft is handed over. Anspruch nach 4.) dadurch gekennzeichnet, dass – das verwendete optischen Beobachtungssystem (2), vorzugsweise eine Matrixkamera (10) mehrfach von einem Rechner (12) ausgewertet wird und, – dass die unterschiedlichen Auswertungen an eine Bilddatenspeicher (13), die flugsteuerung (15) und die Bodenstation (20) gleichzeitig oder in zeitnah verteilt werden.Claim according to 4), characterized in that - the optical observation system used ( 2 ), preferably a matrix camera ( 10 ) multiple times from a computer ( 12 ) is evaluated and, that the different evaluations to an image data memory ( 13 ), the flight control ( 15 ) and the ground station ( 20 ) at the same time or in a timely manner.
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