EP3941197A1 - Vorrichtung zur störung der optischen navigationsfähigkeit von organismen - Google Patents

Vorrichtung zur störung der optischen navigationsfähigkeit von organismen

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EP3941197A1
EP3941197A1 EP20713220.0A EP20713220A EP3941197A1 EP 3941197 A1 EP3941197 A1 EP 3941197A1 EP 20713220 A EP20713220 A EP 20713220A EP 3941197 A1 EP3941197 A1 EP 3941197A1
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EP
European Patent Office
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organism
trajectory
detector
projector
light
Prior art date
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Pending
Application number
EP20713220.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten SCHWERTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Innsbruck
Original Assignee
Universitaet Innsbruck
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Innsbruck filed Critical Universitaet Innsbruck
Publication of EP3941197A1 publication Critical patent/EP3941197A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M29/00—Scaring or repelling devices, e.g. bird-scaring apparatus
    • A01M29/06—Scaring or repelling devices, e.g. bird-scaring apparatus using visual means, e.g. scarecrows, moving elements, specific shapes, patterns or the like
    • A01M29/10—Scaring or repelling devices, e.g. bird-scaring apparatus using visual means, e.g. scarecrows, moving elements, specific shapes, patterns or the like using light sources, e.g. lasers or flashing lights
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

Definitions

  • the present invention relates to a device for disrupting the optical navigation ability of organisms moving in the air, comprising a detector and a projector.
  • the invention also relates to a method for disrupting the optical navigation ability of organisms moving in the air and a possibility of fixing the organisms in their sitting position with the aid of a device according to the invention.
  • mosquitoes are at great risk.
  • female mosquitoes require a blood meal for their eggs to develop properly, and evolution gave them special mouthparts that allow them to puncture human skin.
  • some mosquitoes are anthropophilic, meaning that their preferred host is humans.
  • mosquitoes carry a number of viruses or parasites without being affected. An annoying side effect of their host-seeking behavior is that they keep people from sleeping. Overall, the mosquito is a highly effective and mobile vehicle for the transmission of dangerous diseases with significant threats to human health.
  • a safe anti-mosquito laser is disclosed, which is aimed specifically at a mosquito via two reflecting mirrors, the position of which was previously determined via a sonar module.
  • the “Photonic Fence” disclosed in US Pat. No. 8,705,017 B2 allows, with the help of an optical or acoustic detector and a processor, to identify a biological characteristic (e.g. genus, gender) in addition to detecting the insects. This feature can then be used to decide whether a targeted laser should kill the insect or whether certain body parts / features should be destroyed.
  • a biological characteristic e.g. genus, gender
  • US 2012/0032096 discloses a device for generating a light barrier which influences or makes ineffective insects or pollen by abruptly changing the light intensity. Such methods are particularly aimed at increasing the ability to capture or selectively kill insects that are critical to human health, rather than killing insects in general.
  • the spectrum of strategies ranges from improving existing physical methods to creating new pest control devices, sometimes inspired by technologies used for military surveillance, enemy identification, and defense systems.
  • the aim of the present invention is to utilize the navigational ability of insects in order to enable a mosquito control system that is as effective as possible, encompasses a large protective area and can be used variably, which is implemented without complex physical installations.
  • This object is achieved with a device for disrupting the optical navigation ability of an organism moving in the air
  • the detector can be used to identify a biological feature of an organism on the basis of at least one signal, the control device then determining the trajectory of the organism and, depending on the type and trajectory of the organism, specifying a light pattern that can be projected with the projector.
  • flying insects are first detected and identified in a monitored space. Then one is projected Landmark pattern in the monitoring room, for example a bedroom, which distracts the flying insects on the flight to the victims. If necessary, the victims to be protected are also recorded and localized. In the present invention, this is made possible, inter alia, by connecting projection and detection optics.
  • the housing of a device according to the invention also has sufficiently small dimensions to be positioned on a ceiling or a chest of drawers, for example, with the aid of threads attached to the housing. The threads allow the housing to be attached to photo tripods.
  • Mosquitoes (here Culex quinquefasciatus) show unusual wing kinematics. Their long, slender wings flutter at remarkably high frequencies for their size (> 800 Hz) and with lower stroke amplitudes compared to other groups of insects. This simplifies the identification of mosquitoes by means of acoustic (microphones) or pseudo-acoustic detection using optical microphones. The maximum flight speed is 4.3 km / h or 120 cm / s for West African mosquitoes (W.F. Snow, Ann. Trop. Med. Parasitol. 1980; 74: 239-242).
  • the victim search for mosquitoes consists of at least four sensory inputs: the detection of smells, carbon dioxide, heat and visual cues.
  • Victim search behavior is a complex process and these animals seem to switch between different navigation strategies depending on the signal quality, which in turn is influenced by the distance to the victim and possible obstacles in the environment.
  • the independent and iterative nature of the sensory-motor reflexes makes the mosquito host-seeking strategy very robust. From observations and evidence in the literature (F. van Breugel et.al., Curr. Biol. 2015; 25 (16): 2123-9) it emerges that the animals navigate the last few meters to the victim on "visual flight” and during this phase are subject to all weaknesses of the visual flight known from insects with orientation on optical landmarks and stars.
  • the detector enables the detection of a biological characteristic of the organism and, depending on this, the determination of the flight path.
  • the projector then projects light patterns into the monitored space, which influence and disrupt the trajectory of the organisms.
  • the device also enables the detection and projection optics to be connected.
  • the projector projects either a static light pattern, which is preferably mechanically movable, whereby the organisms in the air are deliberately deflected from a certain area in the monitored space, or an adaptive, species-specific light pattern, whereby the trajectory of any organisms at any Places in the monitored area can be influenced.
  • the position of a victim can be determined beforehand by the detector on the basis of certain features such as the size and movement path in the monitored space in order to use the projections to distract the organism on the way to the victim.
  • a detector is acoustic and preferably comprises at least one sensitive stereo microphone.
  • An acoustic detector enables the frequency of the wing beats of the organisms to be recorded and thus, based on this species-specific feature, to record the spectrum of species.
  • a detector is optical and preferably comprises at least one camera.
  • a species-specific fingerprint can be created based on appearance, spectroscopy and pseudo-acoustic detection, and biological features can also be detected.
  • insects can be differentiated based on the light they reflect. Due to their small size, insects such as mosquitoes are susceptible to strong light sources, so they have special structures that reflect light, such as UV light. The relationship between absorption and reflection of different wavelengths can have an identifying character for mosquitoes or different insect species.
  • Another distinguishing feature of an insect with a very low mass is the sluggish flight dynamics, due to the low Reynolds number (approx. 50 - 80).
  • the trajectory of an insect such as the frequency of change of direction, can also be characteristic.
  • Another embodiment variant provides for the use of at least one optical detector, preferably a camera, and at least one acoustic detector, preferably a stereo microphone.
  • the detection (image capturing) and projection optics can be combined with the aid of an optical beam splitter and all components of the device can thus be installed in the smallest possible housing.
  • the optical beam splitter can be designed, for example, as a plate beam splitter, with two right-angled prisms or as a combination of mirrors and dichroic filters, depending on the variant.
  • one beam path strikes the image sensor, preferably a CMOS or CCD sensor with an IR cut-off filter removed, and the other beam path strikes the “imaging surface” in the projector, preferably a DLP chip.
  • the DLP chip is illuminated by a solid-state light source such as LEDs or lasers in different wavelengths (UV to far IR).
  • the CMOS or CCD sensor and the DLP chip preferably have the same projection dimensions so that no further optics are required to scale the projection paths.
  • the DLP chip is controlled and the image input signal from the CMOS or CCD sensor is processed by an image processing computer.
  • a single-board system such as a Raspberry Pi is preferably used, so that this can also be installed in the small housing of the device.
  • the present invention solves the problem initially set with the aid of a method for influencing the trajectory of at least one organism in the air with a variant of the device described above.
  • the process comprises the following steps:
  • step iii) of the method repetition of steps i) - iii).
  • step iii) of the method the trajectory of the at least one organism is disturbed, depending on the variant, either by static image patterns, which are preferably moved mechanically, or depending on the previously detected biological feature based on species-specific, dynamic light patterns.
  • the movement of the light pattern is interpreted by the organism as a flight path deviation and compensated for by the flight-stabilizing control loops. By influencing its trajectory, the organism is misdirected and the victim is not found.
  • the "diversion" of the organism could also lure it into a vacuum-based trap, for example, in order to finally remove the organism from the monitored space.
  • the trajectory is detected until the at least one organism comes to a standstill, with a static circle of light being projected onto the organism immediately after the standstill, and it is thus fixed in its sitting position.
  • a static circle of light By overdriving the visual system, the perception of the organism is restricted.
  • the fixation with the help of a circle of light also makes it easy to find the organisms in order to then optionally capture or destroy them.
  • the optional non-destructive capture also allows a comparison of the type and flight dynamics in an existing database and also enables the dynamic light patterns to be adjusted using a learning algorithm in order to optimize the influence on the organisms.
  • information about the number of detected organisms in the air and their biological characteristics can also be displayed via an output device.
  • Fig. 1 shows the structure of a housing of a device according to the invention.
  • 2a shows a structure of the projection and detection optics.
  • Fig. 2b shows an alternative structure of the projection and detection optics.
  • Fig. 4 shows four examples of still images of dynamic patterns.
  • Fig. 5 shows the construction of a static pattern projector.
  • Fig. 6 shows three examples of different pattern discs for the projection of static
  • the housing of a device according to the invention is shown with the components attached to the housing.
  • the lens (2) and the microphones (1) are located on the front of the housing.
  • On one side wall of the housing is an on / off / reset button (3), a USB EO module and a power supply (4), as well as a network connection (5).
  • the device can also have an internal radio interface for connection to, for example, a WLAN.
  • the housing has a tripod thread (6) on two opposite sides, which enables the housing to be attached to a tripod.
  • the compact housing can be attached to the ceiling or on a chest of drawers using a standard photo tripod.
  • the detection and projection optics can be connected in one beam path using an optical beam splitter.
  • 2a shows an exemplary embodiment for the optical structure of the components of the optics used in the housing.
  • the optical beam splitter in Fig. 2a corresponds to a TIR (Total Internal Reflection) prism (14), with a beam path on a CMOS or CCD sensor
  • DLP DLP
  • the DLP chip (12) is illuminated by LED arrays (7) with different wavelengths per array via the DLP lighting path.
  • collimator lenses (9) behind the LED arrays (7) and two dichroic filters (8) the light generated by the LED arrays (7) is focused in the DLP lighting path (indicated by the curved bracket) and combined in a common light path .
  • a condenser lens (10) focuses the filtered light further onto an optical integrator (11). Then the light enters the TIR prism
  • An alternative optical structure allows the beam path to be divided only with the help of mirrors and filters.
  • the DLP chip (12) and the CMOS or CCD sensor (13) are arranged side by side.
  • the DLP chip (12) is in turn illuminated via the DLP lighting path (19) shown in FIG. 2a.
  • the DLP lighting path (19) shown in FIG. 2a In the middle of the beam path there are two mirrors (18) and two dichroic filters (8), which in this structure take on the task of the TIR prism (14) from FIG. 2a.
  • the light from the DLP chip (12) reaches the projection lens (15) via a diaphragm (16).
  • Fig. 3 shows a detailed view of a projection objective with housing (21) and lens assembly (20).
  • FIG. Each of the four patterns corresponds to the still image of a dynamic pattern that is projected into the monitoring space.
  • a device not only allows the use of dynamic patterns, static patterns can also be used and moved mechanically with the aid of the projector.
  • 5 shows an exemplary embodiment of such a projector.
  • the gobo projector shown in FIG. 5 has at least one gobo wheel (22) in its housing (27) which can be rotated by a motor (23).
  • the light again comes from an LED array (1) and is parallelized by a honeycomb light shaper (24) before it hits the gobo wheel (22).
  • Behind the gobo wheel (22) there is a focusing lens (3) and a zoom lens (25) which projects the pattern (26) of the gobo wheel (22) into the monitoring space.
  • Fig. 6 shows three examples of patterns of the gobo wheel.
  • the invention generates a moving pattern of, for example, points, ovals, lines or circles with light of different wavelengths (for example LEDs or lasers of different wavelengths - UV to far infrared).
  • the movement of the light pattern is interpreted by the organism as a flight path deviation and via the flight stabilizing Control loops balanced. By influencing its trajectory, the organism is misdirected and the victim is not found.
  • the “diversion” of the organism could also lure it into a vacuum-based trap in order to finally remove the animal from the surveillance space.
  • the system can detect the flight endpoints of the organisms and mark them optically, or override the organisms by means of light sensors in order to make escape more difficult and to facilitate capture or killing.
  • the invention is to be able to project species-specific patterns in order to be able to deflect different species.
  • Additional sensors cameras and sensitive stereo microphones
  • a species-specific “fingerprint” from appearance, flight dynamics, spectroscopy and acoustics.
  • networking the devices at different locations for example, insect monitoring can be enabled.
  • the possibility of networking the devices also enables sustainable data collection for dissemination (monitoring), which both improves the efficiency of the device and enables forecasts and research through big data analysis.
  • a great advantage of the invention is that the device is comfortable and easy to attach, requires little space, and does not compromise comfort compared to other physical protection methods. It is non-toxic and odorless compared to chemical methods. Habituation and a resulting loss of effectiveness are not to be expected.
  • the typical market are all countries in which insects (especially mosquitoes) are annoyed and pose a health risk and are therefore - globally - very large and, above all, constantly growing due to global warming and the resulting spread of heat-loving insects.
  • Current surveys in Tyrol show z.
  • B. Occurrence of the tiger mosquito which became known through its transmission of the Zika virus in recent years.

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Abstract

Vorrichtung zur Störung der optischen Navigationsfähigkeit eines sich in der Luft bewegenden Organismus, umfassend zumindest einen Detektor, einen Projektor und eine mit dem Detektor und Projektor verbundene Regeleinrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass mit dem Detektor ein biologisches Merkmal eines Organismus anhand zumindest eines Signals identifizierbar ist, wobei die Regeleinrichtung anschließend die Flugbahn des Organismus ermittelt und in Abhängigkeit von Art und Flugbahn des Organismus ein Lichtmuster vorgibt, welches mit dem Projektor projizierbar ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR STORUNG DER OPTISCHEN NAVIGATION SF AHIGKEIT VON
ORGANISMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Störung der optischen Navigationsfähigkeit von sich in der Luft bewegenden Organismen, umfassend einen Detektor und einen Projektor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Störung der optischen Navigationsfähigkeit von sich in der Luft bewegenden Organismen sowie eine Möglichkeit, die Organsimen in ihrer Sitzposition zu fixieren mithilfe einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Insekten, insbesondere blutsaugende, stellen für Mensch und Tier ein weltweit großes Gesundheitsrisiko dar. Mehr als 500 Millionen Menschen sind gegenwärtig mit von Stechmücken übertragenen Krankheiten infiziert und mehr als 3 Millionen sterben jährlich an deren Folgen (World Health Organization, 2013). Darüber hinaus sind ungefähr 3,5 Milliarden Menschen - also beinahe die Hälfte der Weltbevölkerung - dem Risiko ausgesetzt, sich mit einer von Moskitos übertragbaren Krankheit zu infizieren. Die globale Erwärmung führt zum Einwandem tropischer Insektenarten in nicht tropische Gebiete. Auch heimische Arten haben das Potential als Vektor für einige dieser Krankheiten zu fungieren. Daher werden in Zukunft Infektionen und in Folge Todesfälle zunehmen, wenn nicht geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
Es gibt drei Hauptgründe für die große Gefahr von Moskitos. Erstens benötigen weibliche Moskitos eine Blutmahlzeit für die richtige Entwicklung ihrer Eier und die Evolution gab ihnen spezielle Mundwerkzeuge, welche erlauben die menschliche Haut zu punktieren. Zweitens sind einige Moskitos anthropophil, das heißt ihr bevorzugter Wirt ist der Mensch. Drittens tragen Mücken eine Anzahl von Viren oder Parasiten in sich, ohne selbst betroffen zu sein. Ein lästiger Nebeneffekt ihres wirtssuchenden Verhaltens ist, dass sie den Menschen vom Schlaf abhalten. Insgesamt ist die Mücke ein hochwirksames und mobiles Vehikel zur Übertragung gefährlicher Krankheiten mit beträchtlicher Gefahr für die menschliche Gesundheit.
Gegenwärtig gibt es drei Mückenkontrollstrategien: 1. Physischer Schutz (Barrieren, Netze..
2. Chemischer Schutz (Repellents, Lockstoffe...),
3. Molekularbiologischer Schutz (Sterile Männchen...).
Im Rahmen von Kosten/Nutzenabwägungen haben die unterschiedlichen Strategien Stärken und Schwächen. Während die 3. Strategie ethisch sehr umstritten ist, weil molekularbiologisch manipulierte Organismen in die Natur entlassen werden, ist die 2. Strategie lokal hochwirksam, aber mit anderen Gefahren für die Gesundheit von Menschen verbunden.
Es ist ein aufkommender Trend, physikalische Schädlingsbekämpfungsstrategien zu entwickeln, die Bildgebungssysteme (oder andere Signalanalysen) verwenden, um Fluginsekten zu erkennen, zu überwachen und ihr Verhalten zu untersuchen. Diese Methoden wenden Komponenten wie Mikrofone oder andere Kraftwahrnehmungssensoren, Licht und Lichtdetektoren an. In manchen Fällen werden Laser verwendet, um den Moskitos kritische Energiemengen zuzuführen, ohne den Menschen zu schädigen. Viele solcher optische Systeme verbrauchen viel Energie, sind teuer, gefährlich und oft unflexibel in der Anbringung im zu schützenden Raum.
In US 2013/0167429 Al wird ein sicherer Anti -Moskito Laser offenbart, welcher über zwei reflektierende Spiegel zielgerecht auf ein Moskito ausgerichtet wird, dessen Position zuvor über ein Sonar Modul ermittelt wurde.
Der in US 8,705,017 B2 offenbarte„Photonic Fence“ erlaubt mithilfe eines optischen oder akustischen Detektors und eines Prozessors zusätzlich zur Detektion der Insekten noch die Identifikation eines biologischen Merkmals (z.B. Gattung, Geschlecht). Anhand dieses Merkmals kann dann entschieden werden, ob ein zielgerichteter Laser das Insekt töten soll bzw. ob gewisse Körperteile/Merkmale zerstört werden sollen.
Ähnlich einem Lichtzelt offenbart US 2012/0032096 eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Lichtbarriere, welche durch abrupte Änderung der Lichtintentsität Insekten oder Pollen beeinflusst bzw. unwirksam macht. Solche Verfahren zielen insbesondere darauf ab, die Fähigkeit zum Einfangen oder selektiven Töten von Insekten, die für die menschliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung sind, zu erhöhen, anstatt Insekten im Allgemeinen zu töten. Das Spektrum der Strategien reicht von der Verbesserung existierender physikalischer Methoden bis hin zu neuen Schädlingsbekämpfungsvorrichtungen, die manchmal von Technologien inspiriert sind, die für militärische Überwachung, feindliche Identifikation und Verteidigungssysteme verwendet werden.
Ein weiteres Ziel dieser Mückenabwehrsysteme ist es, alle Bestandteile in einem kleinen Gehäuse zu verbauen, um eine flexible Anbringung im zu schützenden Raum zu ermöglichen. Der nächstliegende Stand der Technik hinsichtlich einer Vorrichtung, die eine solche Vereinigung erlaubt, wird in US 2008/0051135 Al offenbart. Dort wird mithilfe eines optischen Strahlteilers und einer Projektionsoptik gleichzeitig Licht, das von einem Bilderzeugungsgerät (z.B. LCOS) kommt, auf einen externen Bildschirm projiziert und Licht, das von außerhalb kommt, auf einen Detektor/eine Kamera fokussiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Navigationsfähigkeit von Insekten auszunutzen, um ein möglichst effektives, eine große Schutzfläche umfassendes und variabel einsetzbares Mückenkontroll System zu ermöglichen, welches ohne aufwändige physische Installationen realisiert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Störung der optischen Navigationsfähigkeit eines sich in der Luft bewegenden Organismus, umfassend
• zumindest einen Detektor,
• einen Projektor und
• eine mit dem Detektor und Projektor verbundene Regeleinrichtung,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass mit dem Detektor ein biologisches Merkmal eines Organismus anhand zumindest eines Signals identifizierbar ist, wobei die Regeleinrichtung anschließend die Flugbahn des Organismus ermittelt und in Abhängigkeit von Art und Flugbahn des Organismus ein Lichtmuster vorgibt, welches mit dem Projektor projizierbar ist.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt also zunächst eine Detektion und Identifikation von Fluginsekten in einem überwachten Raum. Anschließend erfolgt die Projektion eines Landmarkenmusters in den Überwachungsraum, beispielsweise ein Schlafzimmer, das die Fluginsekten auf dem Flug zu den Opfern ablenkt. Gegebenenfalls erfolgt außerdem eine Erfassung und Lokalisation der zu schützenden Opfer. In der vorliegenden Erfindung wird dies unter anderem durch ein Verbinden von Projektions- und Detektionsoptik ermöglicht. Dadurch hat auch das Gehäuse einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung genügend kleine Abmessungen, um mithilfe von am Gehäuse angebrachten Gewinden beispielsweise an einer Decke oder Kommode positioniert zu werden. Die Gewinde erlauben dabei ein Anbringen des Gehäuses an Photostativen.
Moskitos (hier Culex quinquefasciatus) weisen eine ungewöhnliche Flügelkinematik auf. Ihre langen, schlanken Flügel flattern bei bemerkenswert hohen Frequenzen für ihre Größe (> 800 Hz) und mit niedrigeren Hubamplituden im Vergleich zu andere Insektengruppen. Dies vereinfacht die Identifikation von Stechmücken mittels akustischer (Mikrophone) oder pseudoakustischer Erfassung durch optisch arbeitende Mikrophone. Die maximale Fluggeschwindigkeit beträgt 4,3 km / h oder 120 cm / s bei westafrikanischen Moskitos (W.F. Snow, Ann. Trop. Med. Parasitol. 1980; 74: 239-242).
Die Opfer-Suche bei Moskitos besteht aus mindestens vier sensorischen Inputs: Der Erkennung von Gerüchen, Kohlendioxid, Hitze und optischer Hinweiser. Das Opfer-Suchverhalten ist ein komplexer Prozess, und diese Tiere scheinen abhängig von der Signalqualität zwischen verschiedenen Navigationsstrategien zu wechseln, was wiederum von der Entfernung zum Opfer und möglichen Hindernissen in der Umwelt beeinflusst wird. Die unabhängige und iterative Natur der sensorisch-motorischen Reflexe macht die Wirtssuchstrategie der Moskitos sehr robust. Aus Beobachtungen und Belegen in der Literatur (F. van Breugel et.al., Curr. Biol. 2015; 25(16):2123-9) geht hervor, dass die Tiere auf den letzten Metern zum Opfer auf „Sichtflug“ navigieren und während dieser Phase allen Schwächen des von Insekten bekannten Sichtfluges mit Orientierung an optischen Landmarken und Gestirnen unterliegen.
Der Detektor ermöglicht die Erfassung eines biologischen Merkmals des Organismus und abhängig davon die Ermittlung der Flugbahn. Daraufhin projiziert der Projektor Lichtmuster in den überwachten Raum, welche die Flugbahn der Organismen beeinflussen und stören. Die Vorrichtung ermöglicht außerdem ein Verbinden der Detektions- und Projektionsoptik. Der Projektor projiziert je nach Ausführungsvariante entweder ein statisches Lichtmuster, welches vorzugsweise mechanisch bewegbar ist, wodurch die sich in der Luft befindenden Organismen gezielt von einem bestimmten Bereich im überwachten Raum abgelenkt werden, oder ein adaptives, artenspezifisches Lichtmuster, wodurch die Flugbahn jeglicher Organismen an beliebigen Stellen im überwachten Raum beeinflusst werden kann.
Dabei kann zuvor vom Detektor die Position eines Opfers anhand von bestimmen Merkmalen wie beispielsweise der Größe und Bewegungsbahn im überwachten Raum bestimmt werden, um den Organismus mithilfe der Projektionen gezielt auf dem Weg zum Opfer abzulenken.
In einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor akustisch und umfasst vorzugsweise zumindest ein sensitives Stereomikrofon. Ein akustischer Detektor ermöglicht eine Frequenzerfassung der Flügelschläge der Organismen und damit anhand dieses artenspezifischen Merkmals ein Erfassen des Artenspektrums.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist ein Detektor optisch und umfasst vorzugsweise zumindest eine Kamera. Damit kann anhand von Erscheinungsbild, Spektroskopie sowie pseudoakustischer Erfassung ein artenspezifischer Fingerabdruck erstellt werden und es können auch biologische Merkmale detektiert werden.
So können zum Beispiel verschiedene Insektenarten anhand des von ihnen reflektierten Lichts unterschieden werden. Insekten wie Mücken sind aufgrund ihrer geringen Größe anfällig gegen starke Lichtquellen, somit haben sie besondere Strukturen, die Licht, wie zum Beispiel UV- Licht, reflektieren. Das Verhältnis von Absorption und Reflektion verschiedener Wellenlängen kann für Mücken bzw. verschiedene Insektenarten identifizierenden Charakter haben. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal eines Insekts mit sehr geringer Masse ist eine träge Flugdynamik, bedingt durch die geringe Reynoldszahl (ca. 50 - 80). Des Weiteren kann auch die Flugbahn eines Insekts, wie zum Beispiel die Richtungswechselfrequenz, charakteristisch sein.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht die Verwendung zumindest eines optischen Detektors, vorzugweise eine Kamera, sowie zumindest eines akustischen Detektors, vorzugsweise ein Stereomikrofon, vor. Durch die Kombination dieser Detektionsmöglichkeiten können verschiedene spezifische Merkmale der Insekten erfasst werden, um eine möglichst genaue Arterkennung zu garantieren.
Bei Verwendung eines optischen Detektors kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung mithilfe eines optischen Strahlteilers die Detektions- (Bilderfassungs-) und Projektionsoptik vereinigt werden und alle Bestandteile der Vorrichtung können somit in einem möglichst kleinen Gehäuse verbaut werden. Der optische Strahlteiler kann je nach Ausführungsvariante beispielsweise als Plattenstrahlteiler, mit zwei rechtwinkligen Prismen oder als Kombination von Spiegeln und dichroitischen Filtern ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante trifft nach dem optischen Strahlteiler ein Strahlengang auf den Bildsensor, vorzugsweise ein CMOS- oder CCD-Sensor mit entferntem IR cut-off Filter, und der andere Strahlengang auf die„bildgebende Fläche“ im Projektor, vorzugsweise ein DLP-Chip. Dabei wird der DLP-Chip wiederum von einer Festkörperlichtquelle wie beispielsweise LEDs oder Laser in verschiedenen Wellenlängen (UV bis fernes IR) beleuchtet. Bevorzugt haben der CMOS- oder CCD-Sensor und der DLP-Chip die gleichen Projektions-Dimensionen, damit keine weitere Optik zur Skalierung der Projektionspfade erforderlich ist.
In obiger Ausführungsvariante erfolgt die Ansteuerung des DLP-Chips sowie die Verarbeitung des Bildeingangssignals des CMOS- oder CCD-Sensors über einen Bildverarbeitungsrechner. Bevorzugt wird hierbei ein Ein-Platinen System wie beispielsweise ein Raspberry Pi verwendet, damit auch dieses im kleinen Gehäuse der Vorrichtung verbaut werden kann.
Des Weiteren löst die vorliegende Erfindung die anfangs gestellte Aufgabe anhand eines Verfahrens zur Flugbahnbeeinflussung von zumindest einem sich in der Luft befindenden Organismus mit einer Ausführungsvariante der oben beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
i) Detektion eines biologischen Merkmals des zumindest einen Organismus, ii) abhängig vom Ergebnis in Schritt i) Detektion der Flugbahn des zumindest einen Organismus,
iii) Beeinflussung der Flugbahn des zumindest einen Organismus mithilfe von projizierten Lichtmustem,
iv) Wiederholung von Schritten i) - iii). In Schritt iii) des Verfahrens wird die Flugbahn des zumindest einen Organismus je nach Ausführungsvariante entweder durch statische Bildmuster, welche vorzugsweise mechanisch bewegt werden, oder abhängig vom zuvor detektierten biologischen Merkmal anhand von artspezifischen, dynamischen Lichtmustem gestört.
Die Bewegung der Lichtmuster wird vom Organismus als Flugbahnabweichung interpretiert und über die flugstabilisierenden Regelkreise ausgeglichen. Durch Beeinflussung seiner Flugbahn wird der Organismus fehlgeleitet und dadurch das Opfer nicht gefunden. In einer Ausführungsvariante könnte die „Umleitung“ des Organismus diesen auch in eine beispielsweise vakuumbasierte Falle locken, um den Organismus endgültig aus dem überwachten Raum zu entfernen.
In einer Ausführungsvariante wird die Flugbahn bis zum Stillstand des zumindest einen Organismus detektiert, wobei unmittelbar nach dem Stillstand ein statischer Lichtkreis auf den Organismus projiziert wird und er somit in seiner Sitzposition fixiert wird. Durch Übersteuerung des Sehsystems wird somit die Wahrnehmung des Organismus eingeschränkt. Die Fixierung mithilfe eines Lichtkreises ermöglicht außerdem ein leichtes Auffmden der Organismen, um diese dann optional einzufangen bzw. zu zerstören.
Das optionale zerstörungsfreie Einfangen erlaubt auch einen Abgleich der Art und Flugdynamik in einer bereits bestehenden Datenbank und ermöglicht außerdem eine Anpassung der dynamischen Lichtmuster über einen Lern-Algorithmus, um die Beeinflussung der Organismen zu optimieren.
In einer Ausführungsvariante können zusätzlich über ein Ausgabegerät Informationen über die Anzahl der detektierten sich in der Luft befindenden Organismen sowie deren biologische Merkmale angezeigt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Erfindung besser zu veranschaulichen, werden die wesentlichen Merkmale anhand von bevorzugten Ausführungsformen des erfmdungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in folgenden Figuren dargestellt. Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Gehäuses einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2a zeigt einen Aufbau der Projektions- und Detektionsoptik.
Fig. 2b zeigt einen alternativen Aufbau der Projektions- und Detektionsoptik.
Fig. 3 zeigt den Aufbau des Projektionsobjektivs.
Fig. 4 zeigt vier Beispiele für Standbilder von dynamischen Mustern.
Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Projektors für statische Muster.
Fig. 6 zeigt drei Beispiele verschiedener Muster-Scheiben für die Projektion statischer
Bildmuster.
In Fig. 1 ist das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den am Gehäuse angebrachten Komponenten dargestellt. Auf der Vorderseite des Gehäuses befindet sich das Objektiv (2) sowie die Mikrofone (1). An einer Seitenwand des Gehäuses ist ein Ein/ Aus/Reset- Taster (3), ein USB EO Modul und eine Spannungsversorgung (4), sowie ein Netzwerkanschluss (5). Zusätzlich kann die Vorrichtung auch über eine interne Funkschnittstelle zur Verbindung mit beispielsweise einem WLAN verfügen. Außerdem weist das Gehäuse an zwei gegenüberliegenden Seiten ein Stativgewinde (6) auf, wodurch eine Befestigung des Gehäuses an einem Stativ ermöglicht wird. Das kompakte Gehäuse kann sowohl an der Decke als auch auf einer Kommode mithilfe eines üblichen Fotostativs befestigt werden.
Bei Verwendung eines optischen Detektors im Gehäuse kann mithilfe eines optischen Strahlteilers die Detektions- und Projektionsoptik in einem Strahlengang verbunden werden. Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel für den optischen Aufbau der Komponenten der verwendeten Optik im Gehäuse. Der optische Strahlteiler entspricht in Fig. 2a einem TIR (Total Internal Reflection) Prisma (14), wobei ein Strahlengang auf einem CMOS- oder CCD-Sensor
(13) endet und ein Strahlengang auf einem DLP (DMD) Chip (12). Der DLP Chip (12) wird von LED Arrays (7) mit verschiedenen Wellenlängen pro Array über den DLP Beleuchtungspfad beleuchtet. Mithilfe von hinter den LED Arrays (7) angebrachten Kollimator Linsen (9) und zwei dichroitischen Filter (8) wird das von den LED Arrays (7) erzeugte Licht im DLP Beleuchtungspfad (gekennzeichnet durch die geschwungene Klammer) fokussiert und in einen gemeinsamen Lichtpfad vereinigt. Eine Kondensor Linse (10) fokussiert das gefilterte Licht weiter auf einen optischen Integrator (11). Danach gelangt das Licht in das TIR Prisma
(14), wo es auf den DLP Chip (12) reflektiert wird und wiederum durch das TIR Prisma (14) in die Projektionslinse (15) durchgelassen wird, welche das gewünschte Muster in den Überwachungsraum projiziert.
Ein alternativer optischer Aufbau erlaubt die Aufteilung des Strahlengangs nur mithilfe von Spiegeln und Filter. Wie in Fig. 2b dargestellt werden dazu der DLP Chip (12) und der CMOS- oder CCD-Sensor (13) nebeneinander angeordnet. Der DLP Chip (12) wird wiederum über den in Fig. 2a dargestellten DLP Beleuchtungspfad (19) beleuchtet. In der Mitte des Strahlengangs befinden sich zwei Spiegel (18) sowie zwei dichroitische Filter (8), welche in diesem Aufbau die Aufgabe des TIR Prismas (14) aus Fig. 2a übernehmen. Zusätzlich befindet sich im Strahlengang vor und nach den Spiegeln (18) und Filtern (8) jeweils eine Fokussierlinse (3). Über eine Blende (16) gelangt das Licht vom DLP-Chip (12) in die Projektionslinse (15).
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht eines Projektionsobjektivs mit Gehäuse (21) und Linsenbaugruppe (20).
Beispiele für projizierte dynamische Lichtmuster sind in Fig. 4 dargestellt. Dabei entspricht jedes der vier Muster dem Standbild eines dynamischen Musters, welches in den Überwachungsraum projiziert wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt jedoch nicht nur die Verwendung von dynamischen Mustern, es können auch statische Muster verwendet und mithilfe des Projektors mechanisch bewegt werden. Fig. 5 zeigt beispielshaft eine Ausführungsvariante eines solchen Projektors. Der in Fig. 5 dargestellte Gobo-Projektor verfügt in seinem Gehäuse (27) über zumindest ein Gobo-Rad (22), welches über einen Motor (23) gedreht werden kann. Das Licht stammt wieder von einem LED-Array (1) und wird über einen Bienenwaben Lichtformer (24) vor dem Auftreffen auf dem Gobo-Rad (22) parallelisiert. Hinter dem Gobo-Rad (22) befindet sich eine Fokussierlinse (3) sowie eine Zoom-Linse (25), welche das Muster (26) des Gobo- Rads (22) in den Überwachungsraum projiziert. Fig. 6 zeigt drei Beispiele für Muster des Gobo- Rads.
In einer Ausführungsvariante erzeugt die Erfindung ein bewegtes Muster von beispielsweise Punkten, Ovalen, Linien oder Kreisen mit Licht verschiedener Wellenlängen (z.B. LEDs oder Laser verschiedener Wellenlängen - UV bis fernes Infrarot). Die Bewegung der Lichtmuster wird vom Organismus als Flugbahnabweichung interpretiert und über die flugstabilisierenden Regelkreise ausgeglichen. Durch Beeinflussung seiner Flugbahn wird der Organismus fehlgeleitet und dadurch das Opfer nicht gefunden. In einer Ausführungsvariante könnte die „Umleitung“ des Organismus diesen auch in eine vakuumbasierte Falle locken, um das Tier endgültig aus dem Überwachungsraum zu entfernen. Alternativ kann das System die Flugendpunkte der Organismen erfassen und optisch markieren, bzw. die Organismen durch Licht sensorisch übersteuern, um eine Flucht zu erschweren und den Fang oder die Tötung zu erleichtern. Die Erfindung soll mittels bildgebender Hardware (zum Beispiel der DLP -Projektor in Fig. 2a und 2b) in der Lage sein, artspezifische Muster zu projizieren, um verschiedene Spezies ablenken zu können. Weitere Sensoren (Kamera und sensitive Stereomikrophone) ermöglichen ein grobes Erfassen des Artenspektrums, indem ein artenspezifischer „Fingerabdruck“ aus Erscheinungsbild, Flugdynamik, Spektroskopie und Akustik erstellt wird. Im Rahmen einer Vernetzung der Geräte an verschiedenen Orten (national und international) kann beispielsweise ein Insekten-Monitoring ermöglicht werden.
Die Möglichkeit der Vernetzung der Vorrichtungen erlaubt auch eine nachhaltige Datensammlung zur Verbreitung (Monitoring), die sowohl die Effizienz der Vorrichtung verbessert als auch durch Big-Dataanalyse Prognosen und Forschung ermöglicht.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist, dass die Vorrichtung komfortabel und leicht anzubringen ist, wenig Platz benötigt, und keine Komfortbeinträchtigung gegenüber sonstigen physischen Schutzmethoden bedeutet. Sie ist giftfrei und geruchlos im Vergleich zu chemischen Methoden. Eine Gewöhnung und ein daraus resultierender Wirkungsverlust ist nicht zu erwarten. Der typische Markt sind alle Länder in denen Belästigung und Gesundheitsgefahr von Insekten (insbesondere Mücken) besteht und ist damit -global betrachtet- sehr groß und vor allem durch die globale Erwärmung und der daraus resultierenden Ausbreitung wärmeliebender Insekten ständig wachsend. Aktuelle Erhebungen in Tirol zeigen z. B. Vorkommen der Tigermücke, die durch ihre Übertragung des Zika- Virus in vergangenen Jahren bekannt wurde. Außerdem ist der Einsatz preiswerter Komponenten und der Betrieb mit Solarenergie bzw. einem modular am Gehäuse fixierbaren Akku möglich. Daher wäre diese Vorrichtung auch für Outdoor und Camping Fans attraktiv.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Störung der optischen Navigationsfähigkeit eines sich in der Luft bewegenden Organismus, umfassend
• zumindest einen Detektor,
• einen Projektor und
• eine mit dem Detektor und Projektor verbundene Regeleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Detektor ein biologisches Merkmal eines Organismus anhand zumindest eines Signals identifizierbar ist, wobei die Regeleinrichtung anschließend die Flugbahn des Organismus ermittelt und in Abhängigkeit von Art und Flugbahn des Organismus ein Lichtmuster vorgibt, welches mit dem Projektor projizierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Detektor akustisch ist und vorzugsweise zumindest ein sensitives Stereomikrophon (1) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Detektor optisch ist und vorzugsweise zumindest eine Kamera umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor ein statisches Lichtmuster (26) projiziert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Projektor ein artspezifisches, adaptives Lichtmuster projiziert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen optischen Strahlteiler, wobei die Projektions- und Detektionsoptik mithilfe des optischen Strahlteilers vereinigbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem optischen Strahlteiler ein Strahlengang auf dem Bildsensor (13), vorzugsweise ein CMOS, endet und der andere Strahlengang auf der bildgebenden Fläche (12), vorzugsweise ein DLP-Chip.
8. Verfahren zur Flugbahnbeeinflussung von zumindest einem sich in der Luft befindenden Organismus mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
i) Detektion eines biologischen Merkmals des zumindest einen Organismus,
ii) abhängig vom Ergebnis in Schritt i) Detektion der Flugbahn des zumindest einen Organismus,
iii) Beeinflussung der Flugbahn des zumindest einen Organismus mithilfe von projizierten Lichtmustern,
iv) Wiederholung von Schritten i) - iii).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn des zumindest einen Organismus durch, vorzugsweise mechanisch bewegbare, statische Lichtmuster- Projektionen (26) gestört wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn des zumindest einen Organismus abhängig vom biologischen Merkmal anhand von artspezifischen, dynamischen Lichtmustern gestört wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn bis zum Stillstand des zumindest einen Organismus detektiert wird, wobei unmittelbar nach dem Stillstand ein statischer Lichtkreis auf den Organismus projiziert wird und er somit in seiner Sitzposition fixiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Ausgabegerät Informationen über die Anzahl der detektierten sich in der Luft befindenden Organismen sowie deren biologische Merkmale anzeigbar sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Organismen zerstörungsfrei eingefangen werden.
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