EP4275100A1 - Drohne mit flugrichtungsabhängiger sensorausrichtung für autonome drohneneinsätze und verfahren zur kollisionsvermeidung - Google Patents

Drohne mit flugrichtungsabhängiger sensorausrichtung für autonome drohneneinsätze und verfahren zur kollisionsvermeidung

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EP4275100A1
EP4275100A1 EP22717103.0A EP22717103A EP4275100A1 EP 4275100 A1 EP4275100 A1 EP 4275100A1 EP 22717103 A EP22717103 A EP 22717103A EP 4275100 A1 EP4275100 A1 EP 4275100A1
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EP
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drone
sensors
flight
avoiding collisions
autonomous
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Stefan Obermayr
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • B64U2201/00—UAVs characterised by their flight controls
    • B64U2201/10—UAVs characterised by their flight controls autonomous, i.e. by navigating independently from ground or air stations, e.g. by using inertial navigation systems [INS]

Definitions

  • the invention relates to a drone with a special Mon days of sensors and methods.
  • Standard sensors that come into question for this are, for example, lidar, radar, infrared, ultrasound, etc.
  • the sensors can crosstalk, i.e. the signal sent by one sensor can be detected by another after multiple reflections and incorrectly evaluated as a useful signal, which leads to uncontrolled behavior of the drone.
  • GPS-based drones For outdoor use, there are GPS-based drones that cover predetermined routes in a controlled manner using predetermined waypoints in combination with ultrasonic sensors and barometers. to fly. Above a certain height above obstacles, the probability of a collision is low. Therefore, a complete survey of the surroundings is avoided.
  • the cage is heavy and thus shortens the possible service life considerably.
  • the object is solved by a drone according to claim 1 and a method according to claim 2.
  • Figure 1 shows a drone according to the prior art
  • Figure 2 shows a servo for a drone according to the invention
  • these sensors 13, 13′, 13′′ are mounted on a commercially available pan-tilt servo 90 (FIG. 2), such as is usually used for image stabilization of cameras.
  • This pan-tilt servo 90 is extremely easy to implement using commercially available micro-servos.
  • Any sensor for detecting distances can be used as a sensor, ie in particular lidar, radar, infrared or ultrasound.
  • This construction enables a sensor 13 to be directed freely along a hemisphere.
  • the target flight direction of the drone 200', 200'' is known at all times, it results from the combination of the control axes pitch, roll, yaw, yaw and throttle.
  • the resulting motion vector can easily be calculated from these four control axes. This is the case at least at low speeds, since flight dynamics and wind resistance play a subordinate role.
  • An inspection drone usually moves at walking speed.
  • the target movement vector is immediately taken over by the pan-tilt mechanism, directing one of the drone's two distance sensors to the area to be flown in the future. With positive throttle input (climb) only the upper sensor is active, with descent only the lower one. This rules out any crosstalk from the sensors 13 .
  • FIG. 2 shows a servo 90 according to the pan-tilt mechanism.
  • This servo 90 has a base 4 .
  • the base 4 can be mounted on any body or torso 80.
  • a first joint 7 connects to the base 4 and can rotate and tilt a first rotary body 9 about a longitudinal axis 11 .
  • a second joint or axle 10 is present on this first rotary body 9 .
  • a bracket 12 in particular is moved by the second joint or axle 10 in the form of an axle.
  • the bracket 12 is particularly U-shaped here.
  • a sensor 13 is present.
  • two such servos 90 are used to control the drone 200', 200''.
  • FIG. 3 shows a drone 200' according to the invention.
  • the drone 200' has a fuselage 80 with known propellers 40 or drive means 40 and in a known and necessary number, in particular 4 propellers.
  • the shape of the hull 80 is shown only schematically.
  • the arrangement of the drive means is only shown schematically here, i.e. they can be arranged on the underside 82 or at the height of the fuselage 80, on the side surfaces 83, 84, ....
  • a servo 90′, 90′′ according to FIG. 2 is arranged on the upper side 81 and on the underside 82 of the fuselage 80, each servo having a sensor 13′, 13′′.
  • FIG. 4 shows another drone 200'' based on FIG.
  • a camera 50 is present on both drones 200', 200'' on the top 81 and/or bottom 82.

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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, wobei die Drohne (200', 200") zwei Sensoren (13', 13"), insbesondere nur zwei Sensoren (13', 13"), zur Steuerung, insbesondere zur Kollisionsvermeidung, aufweist, und wobei die Sensoren (13', 13") jeweils auf einem Servo (90', 90") montiert sind sowie eine Kamera (50).

Description

Beschreibung
Drohne mit flugrichtungsabhängiger Sensorausrichtung für au tonome Drohneneinsätze und Verfahren zur Kollisionsvermeidung
Die Erfindung betrifft eine Drohne mit einer speziellen Mon tage der Sensoren und Verfahren.
Für den autonomen Flug von Inspektionsdrohnen, wie sie ver mehrt 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 bei spielsweise Lidar, Radar, Infrarot, Ultraschall, etc.
Diese Sensoren haben alle einen eingeschränkten Wirkbereich, sowohl ihren Arbeitswinkel als auch den Arbeitsabstand be treffend. Eine Drohne damit komplett mit vollständiger Ab stands-Sensorik auszustatten, benötigt eine sehr hohe Anzahl von Einzelsensoren, da diese eine geschlossene Kugel mit un terschiedlichen Abstandsbereichen abdecken müssen.
Dies führt zu drei grundlegenden Problemen:
- Das Abfluggewicht nimmt deutlich zu, was Leistung und Flug zeit limitieren.
- Die Sensoren können übersprechen, d.h. das gesendete Signal eines Sensors kann nach Mehrfachreflexion von einem weite ren 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 Flugeigen schaften aufgrund ihres erhöhten Gewichts.
Für den Außenbereich gibt es GPS-basierte Drohnen, die mit tels vorbestimmter Wegpunkte in Kombination mit Ultraschall sensoren und Barometer kontrolliert vorbestimmte Strecken ab- fliegen. Die Kollisionswahrscheinlichkeit ist ab einer be stimmten Höhe über Hindernissen gering. Daher wird von einer kompletten Erfassung der Umgebung abgesehen.
Für den Innenbereich gibt es bislang nur „kollisionsresisten te" Drohnen, die beispielsweise durch einen Käfig eine Kolli sion bei geringen Geschwindigkeiten zulassen.
Diese Drohnen müssen jedoch von speziell ausgebildeten Pilo ten betrieben werden und sind aufgrund der häufigen „gewoll ten" Kollisionen recht wartungsintensiv.
Der Käfig ist schwer und verkürzt somit die mögliche Einsatz dauer 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 kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
Figur 1 eine Drohne nach dem Stand der Technik,
Figur 2 einen Servo für eine erfindungsgemäße Drohne und
Figuren 3, 4 erfindungsgemäße Drohnen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Anstelle einer Vielzahl von Sensoren entlang eines gesamten Kugelumfangs 100 einer Drohne 1' nach dem Stand der Technik (Fig. 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 (Fig. 3).
Diese Sensoren 13, 13', 13'' werden erfindungsgemäß auf einem handelsüblichen Pan-Tilt Servo 90 (Fig. 2) montiert, wie er üblicherweise für die Bildstabilisierung von Kameras verwen det wird.
Dieser Pan-Tilt Servo 90 kann bei Verwendung von handelsübli chen 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 Steuerach sen Pitch, Roll, Gier, Yaw und Throttle.
Aus diesen vier Steuerachsen kann leicht der resultierende Bewegungsvektor errechnet werden. Das ist zumindest bei ge ringen Geschwindigkeiten der Fall, da Flugdynamik und Wind widerstand eine untergeordnete Rolle spielen. Eine Inspek tionsdrohne bewegt sich üblicherweise mit Schrittgeschwin digkeit.
• Der Soll-Bewegungsvektor wird von der Pan-Tilt Mechanik um gehend eingenommen und richtet damit einen der beiden Ab standssensoren der Drohne auf den künftig erflogenen Be reich. 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 je dem 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 ge nommen und alternative Wege gesucht. Diese Art der Hinder nisplanung kann bereits durch leichte Mikrokontroller erfolgen, was nur unwesentlich auf das Abfluggewicht Einfluss hat.
Figur 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 vor handen.
Erfindungsgemäß werden zwei solcher Servos 90 verwendet zur Steuerung der Drohne 200', 200''.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Drohne 200'.
Die Drohne 200' weist einen Rumpf 80 auf mit an sich bekann ten 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 Figur 2 angeordnet, die jeweils einen Sensor 13', 13'' aufweisen. Figur 4 zeigt eine andere Drohne 200'' ausgehend von Figur 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

Patentansprüche
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 auf weist.
EP22717103.0A 2021-04-19 2022-03-21 Drohne mit flugrichtungsabhängiger sensorausrichtung für autonome drohneneinsätze und verfahren zur kollisionsvermeidung Pending EP4275100A1 (de)

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